La Tierra como sistema termodinámico

La Tierra como sistema termodinámico

Introducción

Muchas veces los procesos llevados a cabo en la Tierra, son tan cotidianos que no nos preguntamos la razón por la que se llevan a cabo, y es más dificil aún el integrar cada factor como parte de un todo.

En este ensayo, se busca integrar algunos de estos conceptos y enfocar las ciencias ambientales con la termodinámica, viendo a la Tierra como un sistema termodinámico y analizando el porque algunos de estos procesos explicandolos con bases de la termodinámica.

Esto con la finalidad de obtener la capacidad de explicar y fundamentar problemas ambientales.

Desarrollo

Como sabemos, un sistema termodinámico es la parte del universo a estudiar, y que a pesar de que se distinga de los alrededores, este puede interactuar con ellos, en el caso de la Tierra pasa esto, así se tengan subsistemas, estos coexisten, la cuál es la única manera de que la misma funcione correctamente. Esta identidad permanece a lo largo del tiempo y bajo entornos cambiantes. Al hablar de que lleva un curso poco predecible, es complicado su completo entendimiento y el control del mismo.

Algunas propiedades de la Tierra que hacen que se vea como un sistema complejo, son:

 Relaciones no lineales: pequeñas y tal vez lo que se consideraba despreciable, pueden tener efectos a grande escala.

 Discontinuidad y biomodalidad: puede haber muchos tipos de equilibrio o desequilibrio en la Tierra.

 Histéresis: los procesos no son reversibles.

 Divergencia: existencia de varios efectos para una misma causa, volviendo más complicado atacar un problema ambiental al tener más variables que interactúan entre si.

 Bifurcación de los flujos de materia y energía: No se trasladan de un componente a otro sino, que pueden hacerlo de uno a varios o viceversa.

Como ya fue mencionado, el mantener un control es imposible o muy difícil a pesar de que se realice a escala de laboratorio ,ya que al intentar llevar una porción del mimo, fragmentaría al sistema y se rompería la interacción con su entorno, modificando sus condiciones, quitandole un porcentaje de veracidad en cuanto al estudio de variables a estudiar, ya que no contaríamos con todas las necesarias.

La irrepetibilidad de las mediciones es tal vez el mayor problema en cuanto al estudio del sistema, ya que no se puede volver a medir un fenómeno natural aunque este se repita, ya no tiene las mismas características, causas y no se encuentra en las mismas condiciones a las de el análisis anterior.

Uno de los objetivos es la integración de todos los factores ambientales para construir el criterio, pero tembién se deben de integrar múltiples disciplinas, ya que como es un sistema muy amplio, es complicada la comprensión en su totalidad, por lo tanto un solo especialista no podrá abordar el estudio de todo el sistema sin la ayuda de otros especialistas.

Para construír dicho sistema es importante tener en cuenta:

 Variables de estado o niveles: corresponden a la cantidad de materia o energía almacenada en cada uno de los componentes o subsistemas.

 Flujos: indican la cantidad de materia y energía de un componente a otro en un intervalo determinado de tiempo. Afectan por tanto a los niveles llenando unos (flujos de entrada) y vaciando otros (flujos de salida.

 Fuentes y sumideros representan niveles exoógenos que, por ser exteriores al sistemano interesa controlar. Los flujos que se dirigen de una variable de estado son las variables de entrada, los que se dirigen de una variable de estado a un sumidero son las variables de salida.

 Variables auxiliares: intervienen en las diversas ecuaciones que componen el sistema pero no se corresponden con un nivel de sistema pero no corresponden con un nivel o flujo.

 Variables exódenas: actúan fuera del sistema pero condicionan las variables de entrada. Pueden modificarse para construir escenarios. En la Tierra sabemos que la variable exógena sería el sol, que siendo agena a este sistema climáticamente hablando modifica la trayectoria de la Tierra.

 Empíricos o teóricos: uno empírico se basa en las relaciones estadísticamente significativas , uno teórico se basa en las leyes físicas.

 Estocásticos o deterministas: los primeros incluyen generadores de procesos aleatorios del modelo que modifican ligeramente algunas de las variables.

 Estáticos o dinámicos: se refiere a la forma en que se trata el tiempo los estáticos dan resultado para todo el proceso todo el el periodo de tiempo. Los diná micos devuelven las series temporales de las variables considerandas a o largo del periodo de tiempo.

Ahora, entrando de lleno al sistema termodinámico, dada la trascendencia que en estos años está teniendo el clima y sus modificaciones, tanto naturales como antrópicas. Algunos de los mecanismos solares y astronómicos de especial relevancia, la estructura y funcionamientos de la atmósfera y océanos, así como sus interacciones.

Para cubrir estos contenidos es necesario considerar a la Tierra como un sistema dinámico formado por varios subsistemas (atmósfera, hidrosfera, litosfera, biosfera y noosfera) relacionados entre sí y que se rigen por las Leyes de la Termodinámica.

Las Leyes de la Termodinámica explican, desde un punto de vista macroscópico, las restricciones generales que la Naturaleza impone a aquellos sistemas materiales cuyo funcionamiento se basa en la transformación de energía en trabajo. Nuestro planeta se puede concebir como un Sistema Termodinámico cerrado que recibe energía concentrada del Sol, realiza un trabajo y emite al espacio exterior energía degradada en forma de calor. Podemos ver a la Tierra como un sistema cerado pues no tiene intercambio de masa con lo demás del universo.

Podemos ver a la Tierra como una máquina térmica, donde al tener focos de altas y bajas temperaturas, es necesario tener trabajo,aquí es donde entra el primer principio de termodinámica.

El Primer Principio de la Termodinámica establece que la Energía Total (∆ET) del sistema varía en función de la diferencia entre el Calor Transferido (Q) y el Trabajo (W) realizado por las diferentes envolturas de la Tierra:

ET = Q – W

Dentro de esta relación de trabajo y energía, la manera en que interactúan en cada subsistema y al mismo tiempo entre cada uno de ellos nos encontramos con dos distintas maneras de seguir este flujo:

 Flujos de energía exosomáticos, los cuales proporcionan las condiciones ambientales y los recursos necesarios para el mantenimiento de la Biosfera gracias al trabajo realizado por las diferentes envolturas de la Tierra (Circulación atmosférica, Corrientes

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