Energía y cambio climático
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ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
14/04/2023 2
Índice
1. Degradación de la energía y generación de potencia eléctrica.
2. Fuentes de energía en el mundo. 3. Producción de energía a partir de
combustibles fósiles. 4. Producción de energía a partir de
combustibles no fósiles. 5. Efecto invernadero. 6. Calentamiento global.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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5. El efecto invernadero
La atmósfera, esa delgada capa de gases que envuelve la Tierra, ha hecho posible la existencia de la vida tal y como la conocemos.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Astronomy pictures of the dayApolo 17. Nasa.
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Sin la atmósfera, la temperatura efectiva de la Tierra calculada teóricamente sería alrededor de -18ºC, 33ºC inferior a la temperatura media del planeta, unos 15ºC.
Este efecto del calentamiento del planeta debido a la atmósfera es el denominado EFECTO INVERNADERO.
Su aumento por causas humanas se conoce como EFECTO INVERNADERO INTENSIFICADO.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Taringa.net
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¿-18ºC ? Un modelo simplificado
A la Tierra llega un flujo solar incidente, pero no todo es absorbido. Parte del mismo se refleja, pudiéndose caracterizarse este fenómeno mediante el albedo α.
α = Intensidad reflejada (Ir)/Intensidad incidente (I)
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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α = Ir/I Así Ir = α I
El albedo global anual medio α se calcula en un 0,3 (30%) aproximadamente.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Puertorico.contrytoolbox.com
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ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Meteored.com
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La Tierra: sistema en equilibrio energético. Balance de radiación
nulo
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Physics for the IB Diploma. Cambridge
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Energía solar
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
La luminosidad del sol es P = 3,9 . 10 26 W.
Este cálculo se ha hecho mediante la aplicación de las leyes de Wien y Stefan-Boltzman de la radiación del cuerpo negro.
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
14/04/2023 10ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
NOTA:
Si consideramos la Tierra un cuerpo negro a 15ºC (288 K) λ max = 2,9 . 10-3 m K/288 K λ max = 1.10-5 m (infrarrojos)
Max Planck. Astrocosmo.cl
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Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
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Intensidad incidente (I)
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
La luminosidad del sol es P = 3,9 . 10 26 W. Esta energía se distribuye uniformemente sobre la
superficie de una esfera imaginaria de r = 1,50 . 10 11 m. (Distancia Sol-Tierra).
La constante solar (S) es la cantidad de energía solar que llega por segundo a un área de 1 m2 de la atmósfera terrestre con los rayos del sol perpendiculares.
S = P/4 π r2 = 3,9 . 10 26 W/ 4 π (1,50 . 10 11 m)2 = 1380 W m-2, redondeada a S = 1400 W m-2 .
Puede variar ± 1,5% según la emisión del sol y ± 4% por la variación de la distancia Tierra-Sol (órbita elíptica).
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Physics for the IB Diploma. Cambridge
Así:
I = S/4
I = 1400 W m-2/4
I = 350 W m-2
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¿-18 ºC ? Un modelo simplificado
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Physics for the IB Diploma. Cambridge
La potencia P recibida en un área A de la Tierra:
P = (1-α) I A = (1-α) (S/4) A
La potencia emitida por la Tierra como cuerpo negro (ley Stefan-Boltzman):
P = σ A T4 Igualando:
(1-α) S = 4 σ T4
Dando valores: α = 0,30; S = 1400 Wm-2 y σ = 5.67 10-8 W m-
2 K-4
T = 255 K aprox (-18 ºC)
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Modificaciones al modelo
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
La Tierra no se comporta como un cuerpo negro perfecto. Hay que considerar la emisividad ε.
La emisividad es el cociente entre la potencia radiada por unidad de área por el objeto y la potencia radiada por unidad de área por un cuerpo negro a la misma temperatura.
ε varia entre 0 y 1 (cuerpo negro perfecto). Así, P emitida = ε σ A T4
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Modificaciones al modelo
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Si la potencia de radiación entrante no es igual a la potencia de radiación saliente, el cambio de la temperatura en un período de tiempo puede calcularse:
∆ T = (I in – I out) t /Cs
Cs = Capacidad calorífica superficial = Energía requerida para aumentar en 1 grado la temperatura de la unidad de superficie de un planeta. Se mide en J m-2 K-1
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Physics for the IB Diploma. Cambridge
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Physics for the IB Diploma. Cambridge
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Modificaciones al modelo
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
El planeta no es un cuerpo simple. No se pueden ignorar las interacciones en
la atmósfera o los océanos. Hay que tener en cuenta que muchos
procesos se retroalimentan al cambiar el valor de las constantes implicadas en el cálculo (α, ε).
Por ejemplo, un aumento en la temperatura del planeta puede causar la fusión del hielo, lo cual modifica el albedo….
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Lacomunidad.elpais.com
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Serdioclima.blogspot.com
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Monografías.com
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Temas Investigación y Ciencia 45. Cambio climático.
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Gases Invernadero: Vapor de agua (H2O)
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Procede de la evaporación del agua de océanos, lagos y ríos.
Su calor efectivo comparado con el CO2 (1) es 0,1.
Apenas contribuye al incremento del calentamiento global.
Aprendiendobiologiaenquinto.blogspot.com
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Gases Invernadero: Dióxido de carbono (CO2)
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Fuentes naturales: incendios forestales, erupciones volcánicas, evaporación …
Fuentes artificiales: Combustión de combustibles fósiles y quema de bosques.
Su calor efectivo se toma como 1 para comparar.
Contribuye al incremento del calentamiento global en un 43% aprox.
Expower.es
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Gases Invernadero: Metano (CH4)
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Fuentes naturales: incendios forestales, erupciones volcánicas, evaporación …
Fuentes artificiales: Combustión de combustibles fósiles y quema de bosques.
Su calor efectivo comparado con el CO2 (1) es 30.
Contribuye al incremento del calentamiento global en un 27% aprox.
Expower.es
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Gases Invernadero: Monóxido de dinitrógeno (N2O)
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Fuentes naturales: Bosques, océanos, suelos, praderas, actividad microbiana.
Fuentes artificiales: Fertilizantes, combustión combustibles fósiles, manufactura del cemento, deforestación (disminuye la fijación de nitrógeno por las plantas).
Su calor efectivo comparado con el CO2 (1) es 150.
Contribuye al incremento del calentamiento global en un 4% aprox.
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Otros gases invernadero:
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
El OZONO (O3) también contribuye al efecto invernadero. Su calor efectivo comparado con el CO2 es de 2000 y su contribución al incremento del calentamiento globlal es en torno al 10%.
Los CLOROFLUOROCARBONOES (CFCs), usados en refrigerantes, propelentes y disolventes también contribuyen en otro 10%. Su calor efectivo comparado con el CO2 es de más de 10 000.
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¿Por qué son gases invernadero?
En los átomos, la energía de los electrones está cuantizada. Existen niveles de energía permitidos.
Las moléculas también tienen niveles de energía cuantizados asociados a sus movimientos rotacionales o vibracionales.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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Modos vibracionales y rotacionales del CO2
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Physics Course Companion. IB Diploma. Oxford
A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS
Técnicas espectroscópicas
ESPECTROS DE ABSORCIÓN
Cuando un compuesto orgánico se expone a radiación em, absorbe energía de ciertas longitudes de onda.
El que la energía de la luz sea absorbida o no depende tanto de la estructura del compuesto como de la longitud de onda de la radiación.
La molécula gana energía cuando absorbe radiación. Esto puede incrementar los movimientos moleculares: los enlaces pueden alargarse, flexionarse o girar. Alternativamente, pueden excitarse electrones pasando a orbitales de mayor energía
La cantidad de energía que una molécula contiene no varía de manera continua sino que está CUANTIZADA.
A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS
Técnicas espectroscópicas
ESPECTROS DE ABSORCIÓN
Las longitudes de enlace son en realidad promedios. Los enlaces continuamente se estiran y flexionan, se alargan y se contraen. (Resorte).
Cuando la molécula se irradia con radiación em, el enlace de vibración absorbe energía radiante si las frecuencias de la radiación y de la vibración son iguales. CADA FRECUENCIA DE LUZ ABSORBIDA CORRESPONDE A LA VIBRACIÓN DE UN ENLACE ESPECÍFICO.
Cuando una molécula absorbe radiación infrarroja, la vibración molecular con frecuencia igual a la de la luz aumenta en intensidad (fenómeno de resonancia en m.a.s).
Si el material se irradia con energía de muchas longitudes de onda y se determina qué longitudes de onda absorbe y cuáles pasan a través, es posible determinar el ESPECTRO DE ABSORCIÓN del compuesto.
A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS
Técnicas espectroscópicas
2. ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO (IR)
• Permite averiguar la naturaleza de los grupos funcionales presentes.
•Número de onda = 1/ l
A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS
Técnicas espectroscópicas
1. ESPECTROSCOPÍA DE INFRARROJO
Interpretación de espectros
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Transmitancia IR gases invernadero
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Physics for the IB Diploma. Cambridge
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Transmitancia IR gases invernadero
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Physics for the IB Diploma. Cambridge
14/04/2023 37ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.
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Frecuencias de resonancia
El mecanismo preciso para explicar las frecuencias de absorción es complejo y requiere el uso de la mecánica cuántica.
Intentaremos comprender la absorción con un modelo sencillo que supone que la molécula (diatómica) se comporta como un oscilador armónico de frecuencia natural ω = (k/m)1/2 siendo k la constante del oscilador y m su masa.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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Frecuencias de resonancia
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Physics for the IB Diploma. Cambridge
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Modelos simulados
Simular con Excel un modelo climático sencillo.
Hoja Oxford Simulaciones informáticas para modelos
más complejos.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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6. Calentamiento global
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Loshinojos.wordpress.com
14/04/2023 42
6. Calentamiento global
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
1910 (Lucien Briet)
Glaciar Norte de Monte Perdido. Huesca
1970lacrabadelmonte.blogspot.com
Actualidad. Simonelías.desnivel.com
14/04/2023 43
6. Calentamiento global
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Bismark77.oblog.com
14/04/2023 44
6. Calentamiento global
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
trinityatierra.com
14/04/2023 45
6. Calentamiento global
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
abadiadigital.com
14/04/2023 46
Posibles causas:
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera
Concentrado.blogspot.com
14/04/2023 47
Posibles causas:
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
atinachile.cl
Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera
14/04/2023 48
Posibles causas:
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Temas Investigación y Ciencia. 45. Cambio climático
Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera
14/04/2023 49ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Temas Investigación y Ciencia. 45. Cambio climático
14/04/2023 50
Posibles causas:
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Manchas solares. foro.meteored.com
Variaciones en la actividad solar
14/04/2023 51ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Clubdeastronomia.wordpress.com
14/04/2023 52ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Temas Investigación y Ciencia. 45. Cambio climático
14/04/2023 53
Posibles causas:
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Skepticalscience.com
Cambios cíclicos en la órbita de la Tierra
14/04/2023 54ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Web.me.com
14/04/2023 55
Posibles causas:
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Foro.meteored.com
Variaciones en la actividad volcánica
atinachile.cl
14/04/2023 56
¿Qué puede aumentar el ritmo del calentamiento global ?
El calentamiento global reduce las capas de hielo/nieve, lo cual a su vez modifica el albedo, aumentando el ritmo de absorción de calor.
El aumento de la temperatura reduce la solubilidad del CO2 en el mar y aumenta las concentraciones atmosféricas.
Aumenta la evaporación del agua. La deforestación reduce la fijación de
carbono.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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Posibles consecuencias: aumento del nivel del mar
El coeficiente de expansión de volumen es la variación fraccional en volumen por grado de variación en la temperatura.
γ = ∆ V/(Vo ∆T)
Unidades de γ = K-1 o ºC-1
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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Posibles consecuencias: aumento del nivel del mar
Entre 0ºC y 4ºC γ es negativo para el agua.
Si la temperatura del agua aumenta dentro de ese rango, su volumen disminuye. Así, cuando el hielo que flota sobre el mar funde, el nivel del agua inicialmente decrece.
El hielo ártico flota sobre el mar.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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Posibles consecuencias: aumento del nivel del mar
El hielo continental (Antártida y glaciares), no desplaza agua cuando funde y sí que aumenta el nivel del mar.
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Btm.blogia.com
14/04/2023 60ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Realinstitutoelcano.org
14/04/2023 61ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
14/04/2023 62
Posibles soluciones
Reducción del consumo energético. Eficiencia energética de edificios. Mayor rendimiento en la producción
de energía. ¿Captura dióxido de carbono? Reemplazar el uso de carbón y
petroleo Reforestación
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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El problema es global, el esfuerzo debe ser mundial
Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC).
Protocolo de Kyoto. Sociedad de Asia y el Pacífico para el
Desarrollo Limpio y el Clima (APPCDC).
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO
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La solución está en manos de todos
ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO