Procesos de Transporte [ Energía y Masa]

1. Procesos de Transporte [ Energía y Masa] Aplicación al Balance de Energía en la Superficie Terrestre Alfonso Calera Física Ambiental

2. Procesos de transporte de masa y energía. Aplicación al Balance de Energía en la Superficie Terrestre Introducción. Flujos de masa y energía en la superficie terrestre. El Balance de Energía. Primer principio de la Termodinámica La transmisión de calor por radiación. Factor de forma La transmisión de calor por convección. Coeficientes de convección. La transmisión de calor por conducción. Fenómenos multidimensionales. Puentes térmicos. Master en Energías Renovables,

3. Flujos de materia y energía en la Superficie Terrestre Rn = Rns + Rnl λET H Rn: Radiación neta λET: Calor latente H: Calor sensible D: Advección G Flujo de calor al suelo; Ph: Fotosíntesis neta ΔU: incremento energía interna sistema CO2: Flujo de dióxido de carbono CO2 D ΔU Ph Ph G Balance de energía Rn – H – λET – G – D - Ph = ΔU

4. Flujos de materia y energía en la Superficie Terrestre Sistema termodinámico al que nos referiremos Rn = Rns + Rnl λET H CO2 D ΔU Ph Ph Balance de energía: Primer principio de la termodinámica: δEen/dτ – δEsal/dτ = dEac/dτ[W] δEen/dτ flujo de energía entrante al sistemaδEsal/dτ flujo de energía que sale del sistema dEac/dτenergía acumulada (o perdida) en el sistema G

5. Rn = Rns + Rnl λET H CO2 D ΔU Ph Ph G Flujos de energía : Rn : Flujo de energía en forma de calor por radiación térmica λET Calor latente, energía asociada al flujo del vapor de agua) H Calor sensible Flujo de energía en forma de calor por convección entre la superficie y la atmósfera G Flujo de energía en forma de calor por conducción hacia (o desde) el suelo Ph: Flujo neto de energía asociado a la fotosíntesis (asimilación menos respiración) ΔU: variación de energía interna del sistema; D: Advección. Transporte horizontal por el viento de una propiedad (esencialmente humedad y temperatura) Flujos netos de materia: Vapor de agua Dióxido de Carbono [¿El viento es flujo neto de materia?]

6. 1 MJ m-2 día-1 = 11.5741 W m-2 Rn – H – λET – G – D - Ph = ΔU 1 mm/día = 2.45 MJ m-2 día-1 Introducción. El Balance de Energía en la Superficie Terrestre Sección Plana de los Flujos de energía

7. Rn = Rns + Rnl λET H CO2 D ΔU Ph Ph G Revisión

8. Rn = Rns + Rnl λET H CO2 D ΔU Ph Ph G Flujos de energía. Aproximaciones : Rn : Flujo de energía en forma de calor por radiación térmica. Flujo verticalλET Calor latente, energía asociada al flujo del vapor de agua) Flujo verticalH Calor sensible Flujo de energía en forma de calor por convección entre la superficie y la atmósfera Flujo verticalG Flujo de energía en forma de calor por conducción hacia (o desde) el suelo Flujo vertical Ph: Flujo neto de energía asociado a la fotosíntesis. Es muy pequeño frente al resto de flujos (≈ 1%)ΔU: variación de energía interna del sistema. Consideraremos que esta variación es pequeña (está asociado a la variación de temperatura del sistema)D: Advección. Este es un flujo horizontal. No lo vamos a considerar por su variabilidad y complejidad en el tratamiento. ¡¡Cuidado, los valores del flujo advectivo pueden ser elevados!!

9. λET Rn H G

10. Rn λET H G Balance de Energía en la Superficie Terrestre componentes verticales Unidades: W m-2 Es habitual considerar la unidad de superficie horizontal. Cuidado en las laderas Balance de energía: Rn - G = λET + H

11. Rn λET H G Transmisión de Calor Los flujos de energía: H, Rn y G son procesos de transporte de energía en forma de calor CalorEl calor es una energía en tránsito entre un sistema y su entorno, debido únicamente a una diferencia de temperaturas. La “fuerza” (driving force) que pone en marcha el mecanismo de transferencia de energía en forma de calor es una diferencia de temperaturas El calor fluye espontáneamente de la parte de mayor temperatura a la de menor (2º Ppio de la Termodinámica) Tres tipos de transportede energía en forma de calor:Conducción Térmica, G, es el tipo de transporte dentro de sólidos opacosConvección, H,tipo de transporte que involucra corrientes en el interior de un fluidoRadiación térmica, Rn:Tipo de transporte mediante ondas electromagnéticas emitidas en función de la temperatura de la superficie de los cuerpos (no requiere presencia de materia)

12. Rn λET H G Transmisión de Calor Los flujos de energía: H, Rn y G son procesos de transporte de energía en forma de calor CalorEl calor es una energía en tránsito entre un sistema y su entorno, debido únicamente a una diferencia de temperaturas. La “fuerza” (driving force) que pone en marcha el mecanismo de transferencia de energía en forma de calor es una diferencia de temperaturas El calor fluye espontáneamente de la parte de mayor temperatura a la de menor (2º Ppio de la Termodinámica) Tres tipos de transportede energía en forma de calor:Conducción Térmica, G, es el tipo de transporte dentro de sólidos opacosConvección, H,tipo de transporte que involucra corrientes en el interior de un fluidoRadiación térmica, Rn:Tipo de transporte mediante ondas electromagnéticas emitidas en función de la temperatura de la superficie de los cuerpos (no requiere presencia de materia)

13. H, Calor sensible H, Calor sensible es el flujo de energía en forma de calor en el que el mecanismo es el denominado convección. El transporte se efectúa predominantemente mediante corrientes turbulentas, torbellinos, que transfieren masas de aire a diferente temperatura. Puede darse el fenómeno de difusión molecular Ta To H = Perfil de temperaturas Perfil de velocidades

14. λET Calor latente H, Calor sensible es el flujo de energía en forma de calor en el que el mecanismo es el denominado convección. El transporte se efectúa predominantemente mediante corrientes turbulentas, torbellinos, que transfieren masas de aire a diferente temperatura. Puede darse el fenómeno de difusión molecular H = Perfil de temperaturas Perfil de velocidades

15. Procesos de transferencia de energía en forma de calor. Conducción Conducción Térmica, Mecanismo de transporte de calor en el cual la energía se transporta entre partes de un medio continuo por la transferencia de energía cinética entre partículas o grupos de partículas a nivel atómico. Cómo se produce el transporte Gases: colisión elástica en las moléculas. Líquidos y sólidos no conductores eléctricos: vibraciones lineales de la estructura. Sólidos conductores eléctricos: movimiento de electrones. No hay desplazamiento de materia Dónde domina el mecanismo de conducción Sólidos opacos (no hay flujo de masa) En fluidos, en la capa cercana a la superficie sólida, en donde no hay turbulencias (remolinos). dT G z dz T Ley de Fourier La energía por unidad de tiempo y área que fluye a través de una capa de espesor dz, entre cuyas caras existe un gradiente de temperaturas dT se describe mediante la Ley de Fourier k conductividad térmica, αDifusividad térmica Estas magnitudes dependen del tipo de suelo y del contenido en humedad

16. Rn λET H G Rn, Radiación Térmica Radiación térmica es el nombre que recibe la energía emitida en forma de radiación electromagnética por un cuerpo por el hecho de que su superficie está por encima del cero absoluto de temperatura. En el balance de energía en superficie el término Rn, Radiación neta, se refiere al flujo neto de energía en forma de radiación térmica intercambiado entre el sistema y su entorno. Es usual considerar por separado el intercambio de radiación solar o de onda corta, Rns, y radiación de onda larga o terrestre, Rnl. Rn = Rns + Rnl

17. Radiación Térmica Rn λET H G Radiación térmica es el nombre que recibe la energía emitida en forma de radiación electromagnética por un cuerpo por el hecho de que su superficie está por encima del cero absoluto de temperatura. En el balance de energía en superficie el término Rn, Radiación neta, se refiere al flujo neto de energía en forma de radiación térmica intercambiado entre el sistema y su entorno. Es usual considerar por separado el intercambio de radiación solar o de onda corta, Rns, y radiación de onda larga o terrestre, Rnl. Rn = Rns + Rnl

18. Procesos de transferencia de calorRadiación TérmicaMecanismo de transferencia de calor en el cual la energía se emite por la superficie de un cuerpo en forma de radiación electromagnética por el hecho de estar dicha superficie a temperatura superior a 0 K. Cómo se produce el transporte La radiación electromagnética (ondas y/o corpúsculos) transportan la energía en todas direcciones desde la superficie emisora. Cuando la radiación alcanza otro cuerpo, parte puede ser absorbida, parte reflejada y parte puede ser transmitida. La parte que es absorbida aparece en forma de calor en el cuerpo absorbente. El transporte no requiere presencia de materia. Dónde domina el mecanismo de radiación La radiación siempre está presente entre cuerpos materiales, estableciéndose un intercambio radiativo entre los cuerpos. El intercambio radiativo es predominante cuando la diferencia de temperaturas es elevada La radiación es una forma de intercambio de energía completamente diferente a la conducción y convección

19. Campo eléctrico  (longitud de onda): distancia entre dos picos consecutivos Campo magnético  (frecuencia): número de oscilaciones por segundo en un punto determinado Radiación electromagnética. Conceptos básicos Onda c =   Corpúsculo (fotón) E = h  El transporte e intercambio de energía de la radiación electromagnética puede entenderse también como una interacción de fotones que viajan a la velocidad de la luz

20. Radiación térmica. Espectro electromagnético Longitud de onda1 Amgstrom (A) = 10-10 m1 nanometro (nm)= 10-9 m 1 micrometro (m) = 10-6 m1 m = 1000 nmFrecuencia1 kilohertzio (KHz) = 103 Hz1 megahertzio (MHz) = 106 Hz1 gigahertzio (GHz) = 109 Hz La radiación térmica abarca la parte del espectro electromagnético entre 0,3 y 100 μm

21. Radiación térmica (0.3 m – 100 m) Radiación de onda corta o solar: 0.4m-3m. Radiación de onda larga: 3m - 100 m . Master en Energías Renovables,

22. 0,620 μm 0,485 μm 0,575 μm 0,455 μm 0,585 μm Espectro Visible/Radiación fotosintéticamente activa [0,4 – 0,7] μm ¿Cuáles son los fotones mas efectivos para la fotosíntesis? ¿Cual es el color de esos fotones?

23. Espectro Visible Radiación fotosintéticamente activa PAR

24. Radiación térmica (0.3 m – 100 m) Radiación de onda corta o solar: 0.4m-3m. Radiación de onda larga: 3m - 100 m . Master en Energías Renovables,

25. Radiación térmica (0.3 m – 100 m) http://157.82.240.167/subjects/Nakajima/activities/ecliradg.html

26. Radiación de onda corta o solar: 0.4m-3m. Radiación de onda larga: 3m - 100 m . Radiación térmica (0.3 m – 100 m) Master en Energías Renovables,

27. Mas sobre Radiación Interacción radiación-materia http://www.udel.edu/Geography/DeLiberty/Geog474/geog474_energy_interact.html Master en Energías Renovables,

28. Radiación visible http://www.udel.edu/Geography/DeLiberty/Geog474/geog474_energy_interact.html

29. Interacción de la radiación con la materia Reflectividad y Temperatura superf Energía Incidente Reflejada Emitida  +  + = 1 Transmitida  +  + = 1 Cuerpo que recibe la radiación, parte es reflejada, parte es absorbida, y parte es transmitida Subíndice  Características espectrales Master en Energías Renovables,

30. Interacción de la radiación con la materia J = ρ G + E Irradiación, G, en todas direcciones y sobre todas las longitudes de onda Radiosidad, JToda la radiación que abandona una superficie Poder emisivo, E Energía Incidente Reflejada Emitida Cuerpo que recibe la radiación, parte es reflejada, parte es absorbida, y parte es transmitida En todos los casos es energía por unidad de tiempo y por unidad de superficie, emisora o receptora, [W m-2] Master en Energías Renovables,

31. Transporte de energía en forma de radiación Energía: la capacidad de realizar un trabajo. Se mide en julios (J). Flujo radiante(o simplemente flujo): La cuantía de energía radiante que una superficie emite, transmite o recibe por unidad de tiempo. Una unidad apropiada es el vatio (W). 1W = 1J/s Densidad de flujo radiante (es usualmente llamado también flujo): Se define como la energía radiante que una superficie emite, transmite o recibe por unidad de superficie. Se mide en W/ m2 Estas definiciones son suficientes para describir el transporte de energía cuando se considera un haz de rayos paralelos en un plano perpendicular a dichos rayos. ¡ Atención a la nomenclatura| Master en Energías Renovables,

32. Transporte de energía en forma de radiación. Propiedades direccionales La energía en forma de radiación se transporta en tres dimensiones Intensidad de Radiación, I, o Radiancia, L: Se define como el flujo radiante (energía por unidad de tiempo) por unidad de ángulo sólido observado en una determinada dirección, dividido por el área aparente de la fuente en la dirección observada. El área aparente de la superficie es el valor de la superficie multiplicada por el coseno del ángulo que forma la perpendicular a la superficie y la dirección de observación.La unidad en que se mide es el vatio por stereorradián y metro cuadrado (W/m2 /sr) ¡¡En algunos textos el término Intensidad de radiación se utiliza para designar el flujo por unidad de ángulo sólido!! Master en Energías Renovables,

33. Transporte de energía en forma de radiación. Propiedades direccionales Superficie de la fuente, A Intensidad de Radiación, ISe define como el flujo radiante (W) por unidad de ángulo sólido (sr) observado en una determinada dirección, dividido por el área aparente (m2) de la fuente en la dirección observada. El área aparente de la superficie es el valor de la superficie multiplicada por el coseno del ángulo que forma la perpendicular a la superficie y la dirección de observación. Master en Energías Renovables,

34. Radiación térmica. Interacción con la superficie. Propiedades direccionales Ii Ie+r Cálculo de la energía que llega, G o sale, J, de una superficie, A Master en Energías Renovables,

35. Transporte de energía en forma de radiación. Propiedades direccionales Energía que llega, G o sale, J de una superficie, Ii Ie+r G, J, E están integradas sobre todo el hemisferio Master en Energías Renovables,

36. Radiación. Propiedades direccionales. Superficies especulares: Superficies que reflejan la radiación en una determinada dirección, de acuerdo con . Superficies lambertianas o perfectamente difusoras:Superficies que emiten o reflejan la radiación con la misma intensidad en todas direcciones.

37. Práctica: Superficies Lambertianas y Superficies Especulares Materiales: Puntero Laser y diferentes superficies. Objetos cotidianos: Espejos, Superficies acristaladas, Superficies de agua, Superficies suelo desnudo, Construcciones, Superficies vegetales

38. Transporte de energía en forma de radiación. Propiedades direccionales. Superficies lambertianas difusoras: Superficies que emiten o reflejan la radiación con la misma intensidad en todas direcciones. E = π Ie Poder emisivo, [W m-2] J = π Ie+r ; Radiosidad, [W m-2] E reflejada= π Ir Si la intensidad incidente es la misma en todas direcciones G = π Ii Master en Energías Renovables,

39. Leyes básicas de la Radiacion Térmica Energía emitida en forma de radiación. Cuerpo negro. Cuerpo negro: Cuerpo ideal que absorbe la totalidad de la radiación incidente =  = 1. Es también el mejor emisor. La emisión de energía radiante de un cuerpo negro, Eb,es la energía que emite ese cuerpo ideal. Depende sólo de la temperatura Emisividad, ε, ελ: Ratio entre el poder emisivo, E, de un cuerpo y el de un cuerpo negro. (Total ε = E/Eby espectral ελ= E/Ebλ . Cuerpo gris: Aquel en que la emisividad es constante en todas las longitudes de onda Cuerpo real: la emisividad espectral depende de la longitud de onda. Una ley básica debida a Kirchoff establece que = ελ

40. Energía emitida en forma de radiación. Cuerpo negro. Leyes básicas • Ley de Stefan-Boltzmann, expresa la energía total emitida por un cuerpo negro por unidad de superficie emisora (poder emisivo, Eb) que es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (en Kelvin) • Eb = T4. • =5.6697x10-8 Wm-2K-4 Eb [W/m2] Nos dice que todo cuerpo por encima del cero absoluto emite energía radiante.Un cuerpo negro emite con la misma intensidad en todas direcciones. Eb= π I. Master en Energías Renovables,

41. Energía emitida en forma de radiación. Leyes básicas Ley de Planck, expresa la cantidad de energía que emite un cuerpo negro por unidad de superficie y por longitud de onda (poder emisivo moncromático, Eb) C1 = 3.7413 x108 [W μm4 m-2] C2 = 1.4388 x104 [W μm K] Eb, [Wm-2m-1] La integración de la energía emitida sobre todas las longitudes de onda conduce a la Ley de Stefan-Boltzman. Eb =∫ Ebλ dλ Master en Energías Renovables,

42. Energía emitida en forma de radiación. Cuerpo negro: Eb; EbλCuerpo gris E = εEb ; E = εEb Cuerpo real E = ελEb Master en Energías Renovables,

43. Energía emitida en forma de radiación. Cuerpo negro. Otras Leyes básicas Ley de Wien. Establece a qué longitud de onda se produce el máximo poder emisivo monocromático para una temperatura dada (max T = 2898;max en m, T en K) . Un dato de relevancia es que a 300 K, que es aproximadamente la temperatura de la superficie terrestre, el máximo de emisión para un cuerpo negro se produce hacia los 10 m. Ley de Kirchoff: establece que = ελ. En equilibrio termodinámico se da que = ε. Ley de Lambert : En un cuerpo negro, la intensidad de la radiación es constante. En este caso, el flujo por unidad de ángulo sólido y por unidad de superficie emisora en la dirección θ es el que corresponde a la dirección normal multiplicado por el cos θ. Igualmente en el caso de recibir un haz de radiación con una inclinación θ. Master en Energías Renovables,

44. Energía emitida en forma de radiación. Transmisión Interacción de la radiación térmica (solar y de onda larga) con un medio absorbente selectivo espectralmente. Cristal Atmósfera Master en Energías Renovables,

45. El SOL. Interacción de la radiación solar en un medio absorbente (atmósfera), transmisividad espectral El Sol se comporta como un cuerpo negro a 5800 K.

46. Energía emitida en forma de radiación. Aplicaciones EFECTO INVERNADERO Master en Energías Renovables,

47. Energía emitida en forma de radiación. Aplicaciones Intercambio de Radiación Sol-Superficie-Atmósfera Balance de radiación en la superficie Ra Radiación solar incidente en el techo de la atmósfera Rs Radiación solar incidente en la superficie terrestre Balance de energía por radiación en la superficie terrestre Rn = Rns + Rnl Rns=(1 – α)Rs Rnl=Rl,down – Rl,up Tierra/Superficie

48. Balance de radiación en la superficie, Radiación Solar Ra Radiación solar incidente en el techo de la atmósfera Ra = G (r/R) Rs Radiación solar incidente en la superficie terrestre G “Constante Solar”:La energía que procedente del Sol que llega al techo de la atmósfera por unidad de superficie perpendicular a los rayos del sol y unidad de tiempo, promediada sobre un año solar: 1369 W/m2 Tierra/Superficie

49. Efecto invernadero: Balance de radiación en la atmósfera Efecto invernadero natural y de origen antropogénico. Emisión de Gases efecto invernadero ¡¡¡ El balance de radiación, onda corta y onda larga, en la atmósfera !!!

50. Transferencia de energía en forma de calor entre superficies. Superficies grises. Factor de forma Intercambio de radiación entre superficies que definen un recinto 2 1 F12el factor de forma de una superficie A1 con respecto otra A2 es la fracción de energía que procedente de A1 alcanza directamente A2. Master en Energías Renovables,