Lección 5. Balance de Energía: Metabolismo Pingüino Emperador

Transcripción

1 Física aplicada a procesos naturales. Tema II.- Criosfera: de la Antártida a Marte. Lección 5. Balance de Energía: Metabolismo Pingüino Emperador

2 Balance energético del emperador. Principio de conservación de la energía (primer principio de la termodinámica) : Metabolismo (M) + Radiación Solar (I s )= Convección (I c ) + Conducción (C) + Radiación infrarroja (I i ) LA ENERGÍA PRODUCIDA O GANADA POR EL AVE SERÁ (+). LA ENERGÍA PERDIDA POR EL AVE SERÁ (-). 2

3 Parámetros característicos del medio. Conductividad térmica del aire (W/mK) Viscosidad cinemática del aire (m 2 /s) Absortancia (α) Emisividad (ε) Conductividad térmica de la grasa y pluma de pingüino (W/mK) Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). 3

4 Balance de energía en invierno. Intervalos sin viento. Sin viento. <Temp> media (ºC) -30 Velocidad media del viento (m/s) (km/h) Intensidad de Radiación Solar (W/m 2 ) 0 (0) 0 Convección libre. Emisión de radiación infrarroja. 4

5 Balance energía en invierno: emisión de radiación infrarroja. I 4 S ( T T ) 18W Inf p a 4 Tp = (273-27) K = 246 K Ta = (273-30) K = 243 K ΔT = 3 K - Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). Emsividad = 0.95 Área superficial=1.89 m 2 5

6 Balance de energía en invierno: convección libre. k h 0.11Gr W / m 2 º d C I ShT 13W convección ΔT = 3 ºC Área superficial=1.89 m 2 6

7 Balance de energía en invierno. Intervalos sin viento. <Temp> -30 (ºC) Viento m/s 0 I Inf 18W Sin viento. Radiación 0 I W Solar W/m convección 13 2 I Iconvección I Neta 31W Metabolismo( M ) 34W I 31W M 34W 7

8 Balance de energía en invierno. Con viento. Intervalos con viento. Convección Forzada: <Temp> media (ºC) -30 Velocidad media del viento (m/s) Intensidad de Radiación Solar (W/m 2 ) 10(36) 0 Convección Forzada. Emisión de radiación infrarroja. 8

9 Balance de energía en invierno: emisión de radiación infrarroja. I 4 S ( T T ) 6W Inf p a 4 - Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). Tp = ( ºC) K = 244 K Ta = ( ºC) K = 243 K Área superficial=1.89 m 2 9

10 Balance de energía en invierno: I convección ShT 49W convección forzada. k h 0.24Re 26W / m º C d ΔT = 1 ºC Área superficial=1.89 m 2 10

11 Balance de energía en invierno: Intervalos sin viento. <Temp> -30 (ºC) Viento m/s 10 con viento. I Neta 6W Radiación 0 I W Solar W/m convección 49 2 I Iconvección I Inf 55W Metabolismo( M ) 34W I 55W M 34W 11

12 Balance de energía en verano: sin viento <Temp> media (ºC) -10 Velocidad media del viento (m/s) (km/h) Intensidad de Radiación Solar (W/m 2 ). Ángulo elevación media=22º 0(0) 150 Intervalos sin viento. Convección libre. 12

13 Balance de energía en verano: emisión de radiación infrarroja. I 4 S ( T T ) 30W Inf p a 4 - Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). Tp = (273-10) K = 263 K Ta = (273-6) K = 267 K ΔT = 4 K Área superficial=1.89 m 2 13

14 Balance de energía en verano: absorción de radiación solar. I absorbida StransversalI S cos( 68º ) 17W S transversal 0.6m 2 Flujo solar medio Absortancia (α) Angulo de (W/m 2 ) I S incidencia (º)

15 Balance de energía en verano: convección libre. k h 0.11Gr W / m 2 º d C I ShT 21W convección ΔT = 4 ºC Área superficial=1.89 m 2 15

16 Balance de energía en verano: Intervalos sin viento. sin viento <Temp> -10 I Neta I S Iinf (17 30) W 13 (ºC) Viento m/s 0 Radiación 150 I W Solar W/m convección 21 2 I Iconvección I Neta 34W Metabolismo( M ) 34W I 34W M 34W W 16

17 Balance de energía en verano: con viento. <Temp> media (ºC) -10 Velocidad media del viento (m/s) (km/h) Intensidad de Radiación Solar (W/m 2 ). Ángulo elevación media=22º 10(36) 150 Intervalos con viento. Convección Forzada. 17

18 Balance de energía en verano: emisión de radiación infrarroja. I 4 S ( T T ) 8W Inf p a 4 Tp = (273-10) K = 263 K Ta = (273-9) K = 264 K ΔT = 1 K - Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). Área superficial=1.89 m 2 18

19 Balance de energía en verano: absorción de radiación solar. I absorbida SI S cos( 68º ) 17W Flujo solar medio Absortancia (α) Angulo de (W/m2) I S incidencia (º)

20 Balance de energía en verano: convección forzada. k h 0.24Re 26W / m º C d I convección ShT 49W ΔT = 1 ºC Área superficial=1.89 m 2 20

21 Balance de energía en verano: Intervalos con viento. con viento. <Temp> -10 I Neta I S Iinf (17 8) W 9 (ºC) Viento m/s 0 Radiación 150 I W Solar W/m convección 49 2 I Iconvección I Neta 40W Metabolismo( M ) 34W I 40W M 34W W 21

22 Valores comparativos de diferentes situaciones. Verano sin viento Verano con viento Invierno sin viento Invierno con viento Radiación Neta (W) Convección (W) Energía perdida (W) Temperatura media (ºC). ΔT(ºC) Velocidad (m/s 2 )

23 Estrategias térmicas del pingüino. Fomación de Melés colectivas. Variación de la esponjosidad del plumaje. Alteración del contenido en aire (mayor conductividad térmica. Aumento del espesor de la capa aislante. 23

24 Geometría corporal individuo aislado. D=1m. h=1.2m. Área superficial=1.89 m 2 24

25 Geometría grupo de 18 individuos. Las melés suelen reunir a más de 3000 aves que se mueven lentamente en la dirección del viento dominante cambiando alternativamente de posición. D= 1.5 m. h= 1.2 m. Factor de empaquetamiento= 10 aves/m 2 Área/individuo= 0.1 m 2. 25

26 Balance de energía en invierno: convección forzada. Formando melé. Intervalos sin viento. <Temp> media (ºC) -30 Velocidad media del viento (m/s) (km/h) Intensidad de Radiación Solar (W/m 2 ) 10(36) 0 Convección forzada. Emisión de radiación infrarroja. 26

27 Balance de energía en invierno: emisión de radiación infrarroja. I 4 S ( T T ) 18W Inf p a 4 - Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). Tp = ( ºC) K = 244 K Ta = ( ºC) K = 243 K Área superficial=5.7 m 2 27

28 Balance de energía en invierno: convección forzada. k h( lat) 0.24Re 17W / m º C d k h(sup) 0.032Re 36W / m º C d I convección ( lateral) ShT 288W ΔT = 3 ºC I convección (sup) ShT 192W Área superficial = 5.7 m 2 28

29 I Intervalos sin viento. I Neta 18W Balance de energía en invierno: con viento y formando melé. I convección 480W I Iconvección IInf 498W 28W 9 <Temp> -30 (ºC) Viento m/s 10 Radiación Solar W/m 2 0 Metabolismo( M ) 34W I 55W (sin melé) 28W ( melé) M 34W 29

30 Variación de la conductividad térmica y el espesor de la capa aislante. r e r i Ti=37ºC Te=-30 ºC K Mr e T i re ln ri T r e, disminuye al adelgazar por el ayuno invernal. Los valores iniciales son: r e =27.5 cm., r i =10 cm. Valores finales: r e =17.5 cm., r i =10 cm. e La capa aislante consta de dos partes la grasa (K g =0.11 W/mK) y la pluma engrasada cuyo espesor y conductividad son variables para compensar las variaciones climáticas externas y la reducción de la capa de grasa 0.03 W/mK<K p <0.06W/mK. 30

31 Definición de ENTROPÍA: Entropía: definición. La ENTROPÍA es una función de estado, en cualquier proceso sólo depende de los estados inicial y final. S i S f Q T rev En un proceso reversible: S Universo S gas S Foco 0 En un proceso irreversible: S Universo S gas S Foco 0 31

32 S Universo 0 Corolario. Transformación REVERSIBLE. S Universo 0 Transformación IRREVERSIBLE. No es posible ninguna transformación que haga disminuir la entropía del universo! Se puede disminuir la entropía de un sistema a cambio de aumentar la de otro, de tal forma que el balance de entropía del universo siempre aumente! S Universo S sistema S entorno 0 32

33 Entropía de la incubación. Hay una estrecha relación en los procesos físicos entre la entropía y el orden: Aumento de entropía se desordenan los sistemas. Disminución de entropía se ordenan los sistemas. Ejemplo: congelación del agua a temperatura constante. Aumenta la entropía del sistema al pasar de líquido a sólido hay que extraer calor del agua (-L) por lo que disminuye la entropía y el sólido está en un estado más ordenado. S sólido S líquido L T f 0 33

34 Entropía de la incubación. La incubación es un proceso termodinámico que se realiza a Temperatura constante (37ºC). Para mantener esta temperatura el padre intercambia calor con el huevo que genera su proceso de crecimiento y desarrollo. Sistema = huevo. Entorno = Pingüino padre. Variación de entropía durante la incubación: S pollito S germen Q T pingüino 34

35 Entropía de la incubación. Qué estado del sistema huevo está más ordenado, al inicio de la incubación o al final con el pollo desarrollado? 35

36 S Entropía de la incubación. Más ordenado el pollo que su germen en el huevo. Por lo que su entropía ha disminuido durante la incubación. Pero la entropía del Universo debe haber aumentado. Universo S huevo huevo S S huevo padre S padre padre S 0 S 0 0 S padre Q T pingüino El padre absorbe calor a temperatura constante para que el huevo disminuya su entropía y se desarrolle! 36

37 Qué fue antes el huevo a la gallina? 37