Efecto invernadero. Energias renovables

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EFECTO INVERNADERO

Energias renovables

Curso 2022/2023

Mario Presa, Sofia Rodríguez

Ingeniería de Organización Industrial

Escuela Politécnica Superior

Índice

Objetivos        2

Material        2

Fundamentos        3

Método y ensayos        4

Ensayo 1:  aire a presión atmosférica        4

Ensayo 2: aire a presión reducida        5

Ensayo 3: atmósfera de CO2 a presión reducida        5

Representación gráfica de los resultados        6

Conclusiones        6

Cuestiones        7

Objetivos

• Identificar los gases de efecto invernadero y su impacto en la temperatura de la Tierra.
• Comprender la importancia del efecto invernadero para el mantenimiento de las condiciones climáticas habitables en la Tierra.
• Medir la absorción de radiación infrarroja por diferentes gases.
• Evaluar la influencia de los cambios en la concentración de gases de efecto invernadero en la temperatura de la Tierra a través de simulaciones en el laboratorio.
• Entender la relación entre el efecto invernadero terrestre y las propiedades ópticas de los gases que componen la atmósfera.
• Comparar las velocidades de enfriamiento de un cuerpo en diferentes atmósferas.
• Adquirir familiaridad con instalaciones simples de vacío

Material

• Instalación de vacío, comprendiendo: bomba de vacío, campana de vacío, botella de CO2, conexiones, válvulas.
• Resistencia eléctrica
• Fuente de alimentación de corriente alterna
• Cronómetro
• Dos termómetros.

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Fundamentos

En el contexto de las ciencias ambientales el efecto invernadero y el calentamiento global son dos fenómenos fuertemente relacionados. El primero de ellos es consecuencia de la composición de la atmósfera terrestre, mientras que el segundo se debe a la alteración de esa composición debida a la acción humana.

Para comprobar este fenómeno en el laboratorio medirán la velocidad de enfriamiento de un cuerpo en condiciones controladas de presión y composición atmosférica.

En un tiempo 𝑑t el cuerpo pierde una cantidad de calor 𝑑Q que es obviamente proporcional a 𝑑t. También es proporcional a la diferencia entre su propia temperatura 𝑇 y la del ambiente que lo rodea 𝑇amb: cuanto más diferentes sean las temperaturas de la resistencia y del ambiente más deprisa se enfriará aquella. Es decir:

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donde 𝑘 es una constante de proporcionalidad, en principio desconocida, que depende de los detalles de los mecanismos (convección, conducción, radiación) implicados en el enfriamiento. Observen que un valor alto de 𝑘 significa que el enfriamiento es rápido.

Por otra parte, la pérdida de calor dQ se traduce en que la temperatura de la resistencia decrece:

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En esta expresión 𝐶 es la capacidad calorífica de la resistencia y el signo (−) es necesario porque el calor 𝑑Q cedido acarrea una disminución de la temperatura de la resistencia. El último paso está justificado si aceptamos que 𝑇amb se mantiene aproximadamente constante mientras el cuerpo se enfría.

Llamando 𝜏 a la diferencia de temperaturas 𝑇−𝑇amb e igualando ambas expresiones de 𝑑Q tenemos:

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Integremos los dos miembros de esta ecuación diferencial. Como instante inicial pongamos 𝑡=0, y llamemos 𝜏0 al valor inicial de la variable 𝜏. Como instante final tomemos un instante 𝑡 cualquiera y llamemos 𝜏(𝑡) al correspondiente valor de 𝜏.

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donde hemos escrito 𝐾 = 𝑘/𝐶 para abreviar.

Esta expresión indica que la diferencia 𝜏 (no lo olviden, 𝑇−𝑇amb) debe variar exponencialmente con el tiempo. Lo más interesante de la constante 𝐾 es que, al igual que 𝑘, es una medida de la velocidad de enfriamiento del cuerpo: valores de 𝐾 elevados implican que la temperatura del cuerpo se acerca rápidamente a la temperatura ambiente.

Método y ensayos

fuente de alimentación de corriente alterna. Recuerden que el efecto invernadero tiene que ver con la emisión infrarroja de los cuerpos, y tengan en cuenta que una resistencia calentada por la corriente eléctrica es una excelente fuente de rayos infrarrojos.

Medirán la temperatura 𝑇 de la resistencia con un termómetro de varilla insertado en ella y la temperatura 𝑇amb con el segundo termómetro.

Ensayo 1:  aire a presión atmosférica

En este ensayo simplemente se coloca la campana sobre su base. El enfriamiento tendrá lugar por convección y radiación. Tomamos los datos a una Patm(mbar) de 913.

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Ensayo 2: aire a presión reducida

En esta ocasión se reduce la presión manométrica a -0,6 bar con ayuda de la bomba. Al reducirse la presión se reduce el peso de la convección en el enfriamiento de la resistencia y se incrementa en términos relativos el papel de la radiación.

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Ensayo 3: atmósfera de CO2 a presión reducida

Finalmente reemplazarán el aire por CO2, a la misma presión manométrica que en el ensayo 2. De este modo el papel de la convección es sensiblemente igual al del segundo ensayo y la diferencia de velocidad de enfriamiento, será atribuible a la mayor o menor transparencia del CO2 a la radiación infrarroja emitida por la resistencia.

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