Balance Másico y Energético en Ambiente Modulo_2013

8/19/2019 Balance Másico y Energético en Ambiente Modulo_2013

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ci encias Agrícola s, Pecuari as y del Medio AmbienteContenido di dáctico del curs o Balance más ico y energético en problemáticas ambientales

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS, PECUARIAS

Y DEL MEDIO AMBIENTE

358081 – BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO EN PROBLEMÁTICAS

AMBIENTALES

ANGEL DARIO GONZALEZ DELGADO

(Director Nacional)

JUAN FERNANDO GOMEZ

(Acreditador)

BOGOTA

2013


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INDICE DE CONTENIDO

Pág.

ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO 7

INTRODUCCIÓN GENERAL 8

UNIDAD 1. REFERENTES E INTRODUCCIÓN AL BALANCE DE MATERIA Y

ENERGÍA 10

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS AMBIENTALES Y SUPROBLEMÁTICA 11

Lección 1. ¿Qué son las ciencias ambientales? 11

Lección 2. Principios de ingeniería y ciencias ambientales 14

Lección 3. Fundamentos de los sistemas ambientales17

Lección 4. Ecosistemas e influencia humana 19

Lección 5. Ciclos de los nutrientes y bioacumulación 23

CAPÍTULO 2. CÁLCULOS EN INGENIERÍA, PROCESOS Y VARIABLES DEPROCESOS 27

Lección 6. Dimensiones, unidades y conversión de unidades 27

Lección 7. Temperatura y presión 30

Lección 8. Masa, fuerza y volumen 34

Lección 9. Unidades de concentración 36

Lección 10. Elección de una base de cálculo para la resolución de problemas 40

CAPÍTULO 3. TEORÍAS UNIFICADORAS 44Lección 11. Conceptos básicos de química 44

Lección 12. Reacciones químicas y estequiometria 47

Lección 13. Ley de conservación de la materia y leyes ponderales 51

Lección 14. Leyes de la termodinámica 55

Lección 15. Principios de cinética química 58

Actividades de autoevaluación de la Unidad 1 63

Fuentes documentales de la Unidad 1 64

UNIDAD 2. BALANCE DE MATERIA 65

CAPÍTULO 4. BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS NO REACCIONANTES 66

Lección 16. Fundamentos de los balances de materia 66

Lección 17. Formulación del problema del balance de materiales 69

Lección 18. Cálculos de balances de materia 72

Lección 19. Balances en procesos de varias unidades 75

Lección 20. Recirculación, desviación y purga 79


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CAPÍTULO 5. BALANCES DE MATERIA EN SISTEMAS REACCIONANTES 85

Lección 21. Balances elementales 85

Lección 22. Balance por componentes con reacción única 90

Lección 23. Balance por componentes con reacciones químicas múltiples 94

Lección 24. Conversión de balances elementales a balances por componentes 101

Lección 25. Técnicas de resolución de problemas 104

CAPÍTULO 6. SISTEMAS DE UNA Y VARIAS FASES 110

Lección 26. Gases ideales 110

Lección 27. Gases reales 113

Lección 28. Equilibrio de fases en sistemas de un componente 115

Lección 29. Equilibrios vapor-líquido para sistemas multicomponentes 118

Lección 30. Saturación parcial y humedad 122

Actividades de autoevaluación unidad 2 125


UNIDAD 3. BALANCE DE ENERGÍA Y APLICACIONES 129

CAPÍTULO 7. ENERGÍA Y BALANCES DE ENERGÍA 130

Lección 31. Formas de energía 130

Lección 32. Balances de energía para sistemas cerrados 135

Lección 33. Balances de energía para sistemas abiertos 138

Lección 34. Balances de energía mecánica 142

Lección 35. Caracterización del estado de un sistema 146

CAPÍTULO 8. BALANCES DE ENERGÍA EN SISTEMAS SIN Y CON REACCIÓN

QUÍMICA 151Lección 36. Propiedades de estado y trayectorias hipotéticas de los procesos 151

Lección 37. Operaciones de cambio de fase, mezclado y disolución 154

Lección 38. Calor de reacción y calor de formación 157

Lección 39. Balances de energía en reacciones químicas 161

Lección 40. Reactores y análisis de reactores 166

CAPÍTULO 9. APLICACIONES DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍACOMBINADOS, EN SISTEMAS AMBIENTALES 170

Lección 41. Industria y medio ambiente 170

Lección 42. Contaminación del aire, combustibles y combustión 173

Lección 43. Tratamiento y potabilización de agua 177

Lección 44. Tratamiento de aguas residuales 183

Lección 45. Ingeniería de residuos sólidos 186

Actividades de autoevaluación de la Unidad 3 190



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LISTA DE CUADROS

Pág.

Tabla 1. Unidades principales del sistema internacional. 28

Tabla 2. Unidades derivadas del sistema internacional. 28

Tabla 3. Prefijos utilizados en el sistema internacional. 28

Tabla 4. Selección de una base de cálculo para la resolución de problemas. 41

Tabla 5. Condiciones estándares comunes para un gas ideal. 111


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LISTA DE IMÁGENES

Pág.

Figura 1. Ilustración de las interacciones existentes entre las cinco esferasambientales. 14

Figura 2. Ciclo natural del agua. 25

Figura 3. Representación de la presión actuando sobre un volumen pequeñode fluido de manera uniforme y por todas las paredes (a) y dirección de lapresión del fluido sobre las fronteras (b). 31

Figura 4. Manómetro de extremo abierto y extremo cerrado. 31Figura 5. Barómetro. 32

Figura 6. Punto de ebullición y congelación para tres escalas diferentes detemperatura. 34

Figura 7. Productos químicos comunes, usados en la vida diaria. 44

Figura 8. Clasificación de la materia. 47

Figura 9. Ley de la conservación de la masa. 52

Figura 10. Sistemas termodinámicos. 56

Figura 11. Concentración de reactivos (A o B) y de productos (C o D) conrespecto al tiempo. 60

Figura 12. Diagrama de energía para una reacción (a) exotérmica y (b)endotérmica. 62

Figura 13. Diagrama de un Evaporador y un Evaporador-Cristalizador. 73

Figura 14. Diagrama de Secador Indirecto (izquierda) y Secador con Aire(Derecha). 73

Figura 15. Diagrama columna de destilación. 74

Figura 16. Diagrama de un sistema con unidades múltiples. 76

Figura 17. Diagrama de un sistema con unidades múltiples ejemplo 2. 78

Figura 18. Diagrama de un sistema con bypass . 80

Figura 19. Diagrama de recirculación. 81

Figura 20. Diagrama recirculación ejemplo 2. 82

Figura 21. Diagrama de flujo del ejemplo cloración de benceno. 97


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Figura 22. Interpretación grafica de la fórmula de iteración de Wegstein. 108

Figura 23. Desviación de los gases reales respecto a la ley de los gases idealesa altas presiones. 114

Figura 24. Diagrama de fases del H2O y CO2 (no a escala). 116

Figura 25. Diagrama de pistón movil. 116

Figura 26. Esquema de un sistema liquido-vapor en las distintas fases delproceso. 117

Figura 27. Equilibrios vapor - líquido para una mezcla binaria (las líneaspunteadas indican las composiciones en equilibrio). 119

Figura 28. Transformación de una mezcla parcialmente saturada de vapor deagua-aire en una mezcla saturada conforme se reduce la temperatura . 122

Figura 29. Gas parcialmente saturado, con el agua y el aire separadosconceptualmente. 123

Figura 30. Energía potencial. 131Figura 31. Representación de trabajo. 133

Figura 32. Formas de transferencia de calor. 134

Figura 33. Sistema cerrado. 135

Figura 34. Sistema abierto. 139

Figura 35. Sistema de reacción general. 167


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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didáctico del curso académico Balance Másico y Energético en Problemáticas

Ambientales fue diseñado por Oriol Jiménez Silva, quien es Químico y PhD en Ciencias Químicas. El

Doctor Jiménez, se ha desempeñado como profesor e investigador universitario y asesor público

de entidades territoriales. A partir del año 2013, el contenido didáctico se encuentra en proceso

permanente de actualización por parte de Angel Darío González Delgado, quien es Ingeniero

Químico y candidato a Doctor en Ingeniería Química. Para citar este material por favor hacerlo de

la siguiente manera:

Jiménez, O. (2013). Balance Másico y Energético en Problemáticas Ambientales. Módulo didáctico.

Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.


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INTRODUCCIÓN GENERAL

En los últimos años, el aumento significativo de la conciencia por la protección del medio

ambiente, ha puesto de manifiesto la necesidad de que todos los sectores productivos, concentren

esfuerzos en controlar y reducir sus participaciones en las acciones que contribuyen a dañar almedio ambiente, dada la limitada capacidad de soporte de nuestro planeta. Esta nueva forma de

producir, sin frenar el desarrollo y sin comprometer la sostenibilidad, necesita incorporarse por

todo el colectivo afectado (sector productivo, usuario final), para en conjunto dar respuestas

satisfactorias en la forma de actitudes más respetuosas con el entorno ambiental y que el

resultado de ese esfuerzo se transforme en valores culturales para conducir a todos hacia una

convivencia comprometida con un futuro sostenible.

Una forma de evaluar las interrelaciones que ocurren en un proceso productivo o sistema natural,

es mediante su estructuración, de tal forma que se representen todos los pasos constituyentes del

mismo, es decir desde su inicio hasta su fin. Este procedimiento constituye en los procesos de

ingeniería, una práctica recomendable para realizar estudios donde se precise una visión holística

del comportamiento integral del sistema o proceso, principalmente con objeto de definir aspectos

técnicos, económicos o medioambientales.

En general, estos estudios se concentran en el balance del proceso a través de los flujos de

entrada (materia o energía) y los flujos de salida (productos, coproductos y residuos) de cada

unidad de proceso o del sistema, y, en función de los objetivos propuestos y de los intereses

iniciales, los resultados serán aprovechados en diferentes fines: cambio de tecnología, estrategia

de mercadeo, minimización de impactos ambientales, optimización de recursos, etc.

De esta forma con el desarrollo de este módulo se pretende exponer las bases de los balances demateria y energía y su utilidad para el análisis de los procesos naturales e industriales que suelen

presentarse en los estudios de impacto ambiental, en el cual se busca identificar los aspectos clave

en los que se basan dichos balances. Otro de los objetivos de este módulo es proporcionar al

estudiante la habilidad para realizar cálculos de balance de masa para numerosas situaciones y

sistemas. El curso también pretende conectar el conocimiento y las habilidades adquiridas por el

estudiante en los primeros cursos de la enseñanza de la ingeniería, de tal manera que se fortalezca

la capacidad del estudiante para resolver problemas propios de su profesión aplicados a brindar

soluciones validas medioambientalmente hablando. Las tareas de grupo y seminarios tienen como

objetivo desarrollar las habilidades comunicativas de los estudiantes y su capacidad para cooperar

a nivel profesional. De igual forma, las visitas de estudio ilustran cómo los contenidos teóricos dela asignatura son utilizadas por los ingenieros en el diario vivir de su profesión y por lo tanto tienen

como objetivo inspirar a los estudiantes.


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Este módulo se estructura en 3 unidades, equivalente a 9 capítulos y 45 lecciones, y através de su contenido se fomentan competencias relacionadas con la cuantificación decargas contaminantes a partir de los balances de materia y energía de procesosindustriales y sistemas naturales, y, a partir de ello, proponer soluciones para optimizar y

minimizar impactos. De igual forma el estudiante se apropia de elementos y herramientaspara la comprensión y resolución de problemas ambientales, respondiendo así a lanecesidad y responsabilidad de preservar el ambiente para asegurar el futuro de lahumanidad.

En la Unidad 1, se presentan al estudiante los conceptos básicos ligados a problemasambientales, planteándolos como sistemas donde se busca mostrar la influencia humanasobre el cambio de los ecosistemas, enfatizando en la aplicación de la ingeniería y cienciasambientales y en los ciclos de los nutrientes y bioacumulación. En el mismo orden de ideasse plantearán las unidades básicas, las variables y las representaciones conceptuales queson usadas para describir y manejar los procesos industriales y/o naturales.Adicionalmente, existe una necesidad de unificar conocimientos y teorías especialmentede procesos químicos y físicos, por lo cual se recordarán conceptos básicos de química,termodinámica y reactores.

En la Unidad 2, se presentan elementos introductorios al balance de masa, cómo se escoge una

base de cálculo, y se realizan balances de masa elementales en sistemas tanto no reaccionantes

como en sistemas reaccionantes. De igual forma se desarrollan habilidades en el balance de masa

por componentes, el empleo de diagramas de flujo de procesos, sistemas de recirculación,

desviación y purga, así como el balance en sistemas de una y varias fases. En esta unidad se

presentarán algunas aplicaciones comunes para procesos ambientales tales como contaminaciónatmosférica y potabilización de agua, entre otros.

En la Unidad 3, se presentarán los fundamentos básicos de los balances, las clases y los cálculos,

necesarios para realizar balances de energía y balances de materia y energía combinados. En el

último capítulo del módulo se presentan diferentes aplicaciones de balances de materia y energía

en sistemas ambientales (combustión, ingeniería de residuos sólidos, tratamiento de aguas,

industria y medio ambiente), que pueden ser de gran utilidad para el desarrollo profesional de los

estudiantes.

¡Muchos Éxitos y Bienvenidos!


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UNIDAD 1. REFERENTES E INTRODUCCIÓN AL BALANCE DE MATERIA YENERGÍA

UNIDAD 1

Nombre de la

UnidadREFERENTES E INTRODUCCIÓN AL BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS AMBIENTALES Y SU PROBLEMÁTICA

Lección 1 ¿Qué son las ciencias ambientales?

Lección 2 Principios de ingeniería y ciencias ambientales

Lección 3 Fundamentos de los sistemas ambientales

Lección 4Ecosistemas e influencia humana

Lección 5Ciclos de los nutrientes y bioacumulacion

CAPÍTULO 2 CÁLCULOS EN INGENIERÍA, PROCESOS Y VARIABLES DE PROCESOS

Lección 6 Dimensiones, unidades y conversión de unidades

Lección 7 Temperatura y presión

Lección 8 Masa, fuerza y volumen

Lección 9 Unidades de concentración

Lección 10 Elección de una base de cálculo para la resolución de problemas

CAPÍTULO 3 TEORIAS UNIFICADORAS

Lección 11 Conceptos básicos de química

Lección 12 Reacciones químicas y estequiometria

Lección 13 Ley de conservación de la materia y leyes ponderales

Lección 14 Leyes de la termodinámica

Lección 15 Principios de cinética química


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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS AMBIENTALES Y SUPROBLEMÁTICA

Introducción

En momentos en que la humanidad debate fuertemente sobre su futuro en relación a varios

asuntos prioritarios e impostergables de la agenda mundial, entre los que están el tema de la

pobreza, el de la alimentación y el del agua; hay otros dos tópicos que también complementan esa

preocupación: los recursos naturales y el problema latente de la energía. Es sabido que los

problemas medioambientales a nivel mundial comienzan a ser preocupantes ya que en un futuro

no muy lejano, puede ponerse en peligro la supervivencia de la humanidad. El tema de la energía

por su parte, reviste especial importancia en toda ésta discusión en virtud de los fuertes intereses

económicos y geopolíticos que su entorno mantiene y la disponibilidad finita de sus reservas

naturales. Acontece sin embargo, que tanto el asunto ambiental como el energético demandan

acciones y sobre todo soluciones inmediatas, efectivas, viables y de bajo costo. El primero por que

está suficientemente demostrada la vulnerabilidad del ecosistema, y las fatales consecuencias que

su afección y degradación genera sobre nuestra calidad de vida. En el caso de la energía, se tienen

fuertes impl icaciones sobre la balanza de pagos de los países, la economía y con ello directamente

sobre el bolsillo de todos nosotros. Todos estos problemas nos obligan a plantear un nuevo

modelo de funcionamiento más considerado con el medio ambiente. Es por eso que en este

capítulo se presentan al estudiante los conceptos básicos ligados a problemas ambientales,

planteándolos como sistemas donde se busca mostrar la influencia humana sobre el cambio de los

ecosistemas, enfatizando en la aplicación de la ingeniería y ciencias ambientales, en los ciclos de

los nutrientes y bioacumulación.

Lección 1. ¿Qué son las ciencias ambientales?

La incapacidad de la especie humana para vivir en armonía con el planeta, la gran interacción

entre el hombre y el sistema natural, son los grandes problemas mediambientales de hoy. Hasta

nuestros días, ninguna especie, excepto el hombre, ha conseguido modificar tan

substancialmente, en tan poco tiempo, las características propias del planeta. Así, se plantean los

grandes problemas planetarios siguientes:

Superpoblación y desigualdades

El incremento del efecto invernadero

Destrucción de la capa de ozono Humanización del paisaje

Preservación de la biodiversidad

La erosión, la desertización y la destrucción de la selva

Y a escala local:

El sistema productivo


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El agua

Los residuos domésticos

Suministro energético

El sistema de transportes

Visto de esta forma, el mayor desafío que enfrenta la humanidad en la edad moderna es la

preservación del planeta tierra como un lugar hospitalario para la vida humana y para todas las

otras formas de vida. Por medio de su propio ingenio y las herramientas que han desarrollado

durante siglos, los seres humanos han encontrado muchas maneras de explotar la tierra y sus

recursos. El resultado ha sido una acumulación de riqueza y bienestar material. Esta prosperidad,

medida principalmente en términos de bienes materiales, ha cobrado un precio alto. El agua se ha

contaminado, la calidad del aire se ha deteriorado tanto que se ha vuelto peligrosa para la salud

humana, los residuos se han dispersado en la tierra o han sido enterrados en ella, dejando legados

de veneno para las generaciones futuras. Y los recursos de la tierra, ya sean minerales, agua, tierra

para cultivos, bosques y combustibles fósiles, entre otros, han disminuido seriamente o h an sidodañados a un grado alarmante en un periodo muy corto de tiempo.

Las ciencias naturales y la ingeniería, tienen un papel a desempeñar en la protección del medio

ambiente, inicialmente para explicar los fenómenos ambientales y en posteriormente para

conservar y aumentar la calidad del ambiente con el desarrollo de procesos más limpios y

sostenibles. Se llama desarrollo sostenible aquél desarrollo que es capaz de satisfacer las

necesidades actuales sin comprometer los recursos y posibilidades de las futuras generaciones.

Intuitivamente una actividad sostenible es aquélla que se puede mantener. Por ejemplo, cortar

árboles de un bosque asegurando la repoblación es una actividad sostenible. Por contra, consumir

petróleo no es sostenible con los conocimientos actuales, ya que no se conoce ningún sistema

para crear petróleo a partir de la biomasa. Hoy sabemos que una buena parte de las actividades

humanas no son sostenibles a medio y largo plazo tal y como hoy están planteadas.

Cuando hablamos de ciencias naturales, nos referimos al conocimiento que se adquiere y prueba

reconociendo y formulando un problema, así como recolectando datos mediante observación y

experimentación. Las ciencias naturales incluyen disciplinas tan diversas como la biología, química,

geología, física y las ciencias ambientales. Las ciencias ambientales en su sentido más amplio son

las ciencias de las complejas interacciones que se producen entre lo terrestre y atmosférico, vida

acuática, y ambientes antropológicos. Incluye todas las disciplinas, como la química, la biología, la

ecología y la sociología, que afectan o describir estas interacciones. Para los fines de este módulo,

las ciencias ambientales se definen como el estudio de la tierra, aire, agua, y e ntornos de vida, y

los efectos de la misma tecnología. En gran medida, la ciencia ambiental ha evolucionado a partir

de las investigaciones, de las maneras por las cuales y de los lugares en los cuales, los organismos

vivos desarrollan sus ciclos de vida. Esta es la disciplina de la historia natural, que en los últimos

tiempos se ha convertido el estudio de los factores ambientales que afectan a los organismos y


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cómo los organismos interactúan con estos factores y entre ellos mismos. Dado que las ciencias

ambientales son un cuerpo organizado de conocimientos acerca de relaciones ambientales, la

ciencia ambiental cuantitativa es una colección organizada de teorías matemáticas aplicables para

describir e investigar las relaciones ambientales.

Si se admite que las ciencias ambientales tienen sus raíces en las ciencias naturales, y que las

formas más rudimentarias de generalización acerca de los procesos naturales son tan antiguas

como las civil izaciones, entonces las ciencias ambientales son muy antiguas. Sin e mbargo, no fue

hasta la segunda mitad del siglo pasado, que se empezó a mencionar a las ciencias ambientales en

diferentes publicaciones especializadas y el término adquirió un carácter más relevante en el

estudio de las ciencias naturales e ingeniería.

El conjunto de abordajes de la crisis ambiental y de la categoría general de ambiente por parte de

las diferentes disciplinas científicas constituyeron, desde la década del setenta del siglo pasado,

una nueva área de conocimiento en la que se reunieron las llamadas ciencias ambientales. Así, enla primera fase de su proceso de constitución, el área de conocimiento ambiental surgió a partir

del esfuerzo de las ciencias tradicionales por comprender y contribuir a la solución de los

problemas ambientales y por definir el concepto de ambiente.

En este contexto surgieron múltiples conceptos de medio ambiente, como se le denominó en

Colombia durante bastante tiempo al objeto de estudio de las ciencias ambientales. Luego, varios

reconocidos autores demostraron que esta expresión es redundante e innecesaria puesto que

utiliza dos términos, medio y ambiente, que significan la misma idea, tanto en su etimología como

en el sentido que habitualmente se les atribuye: lo que cerca o rodea algo, es decir, entorno. Por

esta razón desde hace ya varios años, en el país se ha generalizado el uso de la palabra “ambiente”

en lugar de la expresión “medio ambiente”.

Dado que tuvieron su origen en distintas disciplinas científicas tradicionales, las definiciones de

ambiente fueron, y siguen siendo, muy diversas. Las más comunes entre la comunidad académica

y científica que trabaja temas ambientales desde la perspectiva de las ciencias sociales,

especialmente desde la sociología, la antropología y la historia, entiende ambiente como el campo

de interacciones o relaciones entre sociedad y naturaleza o entre cultura y ecosistema. Igualmente

es muy frecuente el concepto propuesto desde la ecología, que define ambiente como el

ecosistema del cual los seres humanos hacemos parte.

Para bien o para mal, el ambiente en el que todos los seres humanos deben vivir se ha visto

afectado irreversiblemente por la tecnología. El aire, el agua, la tierra, la vida y la tecnología están

fuertemente interconectados como se muestra en la Figura 1. De cierta manera esta figura esboza

la relación que existe en los balances de materia y energía entre una y otra esfera ambiental aquí

ilustradas.


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Figura 1. Il ustración de las interacciones existentes entre las cinco esferas ambientales.

Fuente: Manahan, 2004

Las ciencias ambientales han desarrollado nuevas formas de investigación basadas en un enfoque

interdisciplinario y transdisciplinario que, además, reconoce la validez e importancia de otras

formas de conocimiento con las cuales se mantiene en permanente diálogo. En su actual fase de

desarrollo, las ciencias ambientales se nutren de los incesantes intercambios, no sólo entre las más

variadas disciplinas científicas sino, también, entre distintos modos de producción de

conocimiento. En ello radica la fuerza y especificidad de sus nuevos métodos de trabajo.

Para tener una idea más amplia acerca de las ciencias ambientales lea el documento que se

encuentra en el siguiente [Enlace].

Lección 2. Principios de ingeniería y ciencias ambientales

Según Poveda (2001), ingeniería es el conjunto de conocimientos teóricos, deconocimientos empíricos y de prácticas que se aplican profesionalmente para disponer de

http://www.congresodecienciasambientales.com/inicio_archivos/Libro_Ciencias_Ambientales.pdfhttp://www.congresodecienciasambientales.com/inicio_archivos/Libro_Ciencias_Ambientales.pdfhttp://www.congresodecienciasambientales.com/inicio_archivos/Libro_Ciencias_Ambientales.pdf


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las fuerzas y de los recursos naturales, y de los objetos, los materiales y los sistemashechos por el hombre para diseñar, construir, operar equipos, instalaciones, bienes yservicios con fines económicos, dentro de un contexto social dado, y exigiendo un nivel decapacitación científica y técnica ad hoc —particularmente en física, ciencias naturales y

economía—, especial notoriamente superior al del común de los ciudadanos.

La historia de la ingeniería como término, no es muy larga pero si muy compleja, una granparte de la tecnología que se conoce hoy en el mundo fue desarrollada en Europa desdefinales de la Edad Media y posteriormente durante la Revolución Industrial, en los siglosXVIII, XIX y XX. Para corroborar esta afirmación, basta recordar cuándo y dónde surgierony crecieron la tecnología del trabajo y el uso de la madera, las primeras máquinaselementales como el cabrestante y el torno, la tecnología minera, la metalurgia química yfísica, la hidráulica, la siderurgia, el vapor, los ferrocarriles, la arquitectura naval, losmotores de combustión interna, la electricidad, el automóvil, la tecnología química

pesada, etc. Fue en Inglaterra, Alemania y Francia donde primero se configuró y sereconoció la profesión de ingeniero como la persona dedicada al estudio y al manejo delos ingenios, es decir de las máquinas de todo tipo.

Las ciencias que utiliza la ingeniería en sus varias ramas y denominaciones son muchas,pero pueden dividirse en cuatro grandes grupos:

1. Ciencias naturales: como la química y estadística.

2.

Ciencias técnicas: como mecánica general e hidráulica.

3.

Tecnología y ciencias especializadas para diversas ramas: como estructuras

mecánicas, diseño de máquinas o procesos metalúrgicos, y,

4.

Ciencias complementarias: como economía y administración.

La ingeniería adopta numerosas especialidades y subespecialidades según las áreas delconocimiento que predominan en ella (por ejemplo, ingeniería eléctrica, ingenieríageográfica, ingeniería química, ingeniería ambiental) o según el tipo de problemas a quese aplique (ingeniería de minas, ingeniería industrial, ingeniería de petróleos y otras).

Con respecto a la relación ciencia e ingeniería, es sumamente importante en tener claroque la ciencia no es lo mismo que la ingeniería, pero van totalmente de la mano el uno dela otra. El término ciencia por un lado, viene del latín scientia, de scire, que significaconocer. Es un término utilizado para referirse al conocimiento de algún ámbito, área. Eltérmino ingeniería por su parte, es la aplicación de esos distintos conocimientos para deese modo poder satisfacer distintas necesidades del ser humano. Esos conocimientos seaplican con respecto a la tecnología. Es sabido que gracias esto hemos llegado al punto en


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que, hoy en día vivimos de una manera muy confortable, sencilla y globalizada, todo estogracias a los avances hechos en ingeniería. Dicho de otro modo se puede aplicar una viejamáxima que reza: “los científicos descubren cosas y los ingenieros las hacen trabajar”.

En cuanto a casos específicos podemos señalar la relación existente entre la ingenieríaambiental y las ciencias ambientales, para llegar a la conclusión que la ingenieríaambiental basa todos sus desarrollos tecnológicos en las ciencias ambientales. Son estas, yen especial la ciencia ambiental cuantitativa, las que proporcionan las teorías básicas queaprovechan los ingenieros ambientales para diseñar soluciones con respecto a problemasambientales. Las Ciencias Ambientales reúnen la evaluación científica de laspotencialidades, limitaciones y susceptibilidades del ambiente, con el desarrollo desoluciones a los problemas de deterioro de la calidad ambiental. Constituyen unarespuesta a los requerimientos de armonizar el desarrollo con la preservación de lacalidad de los recursos naturales renovables y con la conservación de la calidad del

ambiente.

Recordemos que la ingeniería ambiental es un área y rama de las ciencias ambientales quese basa en el diseño, la aplicación, y la gestión de procesos, productos y serviciostecnológicos para la prevención, el control y remedio de problemas de degradaciónambiental; para el desarrollo del uso sustentable de recursos naturales en procesosproductivos y de consumo, teniendo siempre como prioridad la excelente calidad de vidaen nuestro entorno.

La ingeniería ambiental contribuye a garantizar, mediante la conservación y preservación

de los recursos naturales, una mejor calidad de vida para la generación actual y para lasgeneraciones futuras. Esta disciplina, en pleno desarrollo, ve cada vez más claro suobjetivo y ha venido consolidándose como una necesidad, ya que proporciona una seriede soluciones propicias para enfrentar la actual crisis ecológica que vive el planeta. Poresto, es considerada por muchas personas como una profesión de gran futuro.Igualmente, el ingeniero ambiental debe saber reconocer, interpretar y diagnosticarimpactos negativos y positivos ambientales, evaluar el nivel del daño ocasionado en elambiente (en el caso de un impacto negativo) y proponer soluciones integradas deacuerdo a las leyes medioambientales vigentes, así descubrir una relación ambiental mássevera.

Mackenzie (2004), señala ejemplos claros de cómo interactúan las ciencias ambientales yla ingeniería a través de las profesiones, científicos e ingenieros ambientales, uno de ellosmenciona lo siguiente:

A principios del siglo XX se construyo una presa para almacenar agua de enfriamiento enuna central eléctrica. No se consideró el impacto de la presa sobre el oxígeno en el río, ni


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sobre su capacidad de sostener la vida de peces. No se tuvo en cuenta la migración de lossalmones. Para remediar el problema, los científicos y los ingenieros ambientalesdiseñaron una escalera para peces, que no sólo les proporcionó un medio para rodear lapresa, sino que también aireó el agua y aumentó su oxígeno disuelto. Los científicos

ambientales proporcionaron el conocimiento de la profundidad del agua y la altura de losescalones que podrían remontar los peces. Los ingenieros ambientales determinaron losrequisitos estructurales del desvío para permitir el flujo de agua suficiente que rodearía lapresa y proporcionaría la profundidad suficiente.

Lección 3. Fundamentos de los sistemas ambientales

Para poder hablar de sistemas ambiental debemos señalar que un sistema es un conjunto

de elementos y las interrelaciones entre ellos, en el que interesa considerar

fundamentalmente el comportamiento global. En un sistema se comprueba que el todo es

más que la suma de sus partes; así por ejemplo, un televisor montado es más complejoque sus partes sueltas (cables, tornillos, pantalla, etc.), ya que sueltas carecen de función.

Si sólo me fijo en sus elementos carece de significado y no se puede explicar el fenómeno.

Las interacciones entre los elementos del sistema ponen de manifiesto las llamadas

propiedades emergentes que surgen del comportamiento global.

Un sistema será del tamaño y complejidad que determine el observador que lo quiere

observar, así por ejemplo, una célula es un sistema donde sus elementos (núcleo,

membrana, citoplasma, orgánulos) interrelacionan entre sí para mantener su función. Un

individuo también se puede considerar un sistema donde sus elementos (huesos,músculos, vasos sanguíneos, nervios) interrelacionan entre sí para mantener su función y

la vida. Un bosque sería otro ejemplo de sistema donde sus elementos (plantas, hongos,

ríos, charcos, animales, microorganismos, aire) interrelacionan entre sí para mantener el

funcionamiento del bosque.

Nuestro planeta se puede concebir como un sistema termodinámico que recibe energíaconcentrada del sol, realiza un trabajo y emite al espacio exterior energía degradada enforma de calor. Las leyes de la termodinámica explican desde un punto de vistamacroscópico, las restricciones generales que la naturaleza impone a aquellos sistemasmateriales cuyo funcionamiento se basa en la transformación de la energía, como es elcaso del sistema tierra.

La tierra también puede ser considerada como un conjunto de sistemas ambientales,donde existe vida sin apoyo artificial, soportada únicamente sobre dichos sistemas loscuales estudiados individualmente corresponden a la hidrosfera, la geosfera, la


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atmosfera, y la biosfera. Consideradas en su conjunto, generalmente las actividadeshumanas se percibían como perturbaciones indeseables en esas otras esferas, causandocontaminación y efectos generalmente adversos. Una visión así es demasiado estrecha,debiéndose incluir una quinta esfera, la antroposfera, que involucra a todas las

actividades y artículos que los humanos fabricamos. Considerando a la antroposfera comoun sistema ambiental, los seres humanos podemos modificar nuestras actividades, parahacer un daño mínimo al ambiente o, incluso, para mejorarlo.

La hidrosfera es la capa de agua que rodea la Tierra. El agua circula continuamente deunos lugares a otros, cambiando su estado físico, en una sucesión cíclica de procesos queconstituyen el denominado ciclo hidrológico, el cual es la causa fundamental de laconstante transformación de la superficie terrestre. La energía necesaria para que sepuedan realizar esos cambios de estado del agua y el ciclo hidrológico procede del Sol. Enresumen es una cubierta dinámica, con continuos movimientos y cambios de estado, que

regula el clima, participa en el modelado del relieve y hace posible la vida sobre la Tierra.La hidrosfera almacena la mayor parte de energía recibida por la tierra e interactúatermodinámicamente con la atmosfera generando la mayor parte del trabajo de lossistemas ambientales.

La hidrosfera se formó por la condensación y solidificación del vapor de agua conteniendoen la atmósfera primitiva. El agua cubre casi las tres cuartas partes de la superficie de laTierra. La mayoría (97%) es agua salada que forma mares y océanos y, una pequeña parte(3%), se encuentra en la atmósfera y sobre los continentes, generalmente en forma ríos,lagunas, lagos y aguas subterráneas.

La atmósfera se puede definir como la envoltura de gases que rodea la Tierra. Se formópor la desgasificación que sufrió el planeta durante su proceso de enfriamiento desde lasprimeras etapas de su formación (al bajar la temperatura muchas sustancias que estabangaseosas pasaron a líquido o sólido). A esto hay que añadir grandes cantidades de gases ypolvo emitidos por los volcanes y los cambios a lo largo del tiempo, por causa de los seresvivos que aportaron O2 y N2 y disminuyeron la concentración de CO 2 y, cómo no, loscambios actuales provocados por las actividades humanas que aumentan el CO2 mediantela quema de combustibles fósiles y la deforestación.

Alejándose de la geosfera, la atmósfera es una capa fluida de unos 10000 km, formada porgases, líquidos y sólidos en suspensión. La atmósfera es parte importante de lo que haceposible que la Tierra sea habitable. Bloquea y evita que algunos de los peligrosos rayos delSol lleguen a Tierra. Atrapa el calor, haciendo que la Tierra tenga una temperaturaagradable. Y el oxígeno presente en nuestra atmósfera es esencial para la vida. Laatmosfera actúa como frontera activa con el espacio exterior y es responsable de granparte de la transformación de energía solar en trabajo.

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La geosfera es la parte sólida de la Tierra y está formada por rocas y minerales, engloba lacorteza continental, de entre 20 y 70 km de espesor, y la corteza oceánica o partesuperficial del manto consolidado, de unos 10 km de espesor. Se presenta dividida en

placas tectónicas que se desplazan lentamente sobre la astenosfera, capa de materialfluido que se encuentra sobre el manto superior. La corteza terrestre compuesta deminerales basados en silicatos, es la parte de la geosfera que está disponible parainteractuar con los demás sistemas ambientales de la tierra y que es accesible a los sereshumanos. En la corteza terrestre se encuentra el suelo que sostiene el crecimiento de lasplantas, base del alimento para todos los organismos vivos que la habitan.

La biosfera está compuesta por todos los organismos vivientes. En su mayor parte, estosorganismos viven en la superficie de la geosfera, en el suelo o justamente debajo de lasuperficie del mismo. En la hidrosfera también se concentran grandes poblaciones de

organismos. No obstante, la biosfera puede ser considerada como una capa muy delgadaen la inter-fase entre la geosfera y la atmosfera. En la geosfera interacciona con los demássistemas ambientales por medio de los ciclos biogeoquímicos a través de los cualescirculan elementos y nutrientes como el oxígeno, el nitrógeno y el carbono.

Finalmente, como consecuencia de las actividades humanas, la antroposfera hadesarrollado fuertes interacciones con los demás sistemas ambientales. Tanto así, quepodrían citarse muchos ejemplos de estas interacciones. Con la quema de loscombustibles fósiles, los seres humanos modifican la atmosfera e influyen en lageneración de gases de efecto invernadero, causantes de los problemas de cambioclimático, inundaciones, etc. Los seres humanos aprovechan las fuentes de agua, desvían aesta de su ciclo natural, la usan, la contaminan y la devuelven a la hidrosfera. Lasemisiones de material particulado a la atmosfera por parte de actividades humanas,afectan procesos de reflexión de la luz solar, y otras características de la atmosfera. Laantroposfera por lo tanto altera y perturba los ciclos biogeoquímicos.

En el siguiente enlace podrá observar un [video] donde se explican un poco masdetalladas las interacciones entre los sistemas ambientales.

Lección 4. Ecosistemas e influencia humana

Un ecosistema, lo conforman comunidades de organismos vivos que interactúan unos conotros y con su entorno físico, incluido en este la luz solar, la lluvia y los nutrientes delsuelo. Los seres vivos de un ecosistema tienden a interactuar en mucho mayor grado quelos organismos de dos o más ecosistemas. Los ecosistemas pueden variar mucho detamaño. Por ejemplo, un estanque de 2m de diámetro podría considerarse un ecosistema,ya que las plantas y los animales que viven en él, dependen unos de otros y son propios de

http://www.youtube.com/watch?v=_Bnuo1n_pVg&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=_Bnuo1n_pVg&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=_Bnuo1n_pVg&feature=related


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este tipo de sistema. Sin embargo es aún más grande la biosfera terrestre, la cual podríaconsiderarse como el ecosistema terrestre por excelencia. Cada ecosistema es un hábitat,que se define como el sitio donde vive una población de organismos.

Los ecosistemas pueden definirse adicionalmente como sistemas en los cuales fluye lamateria. Esta también sale de los ecosistemas. La entrada y la salida de materia de losecosistemas, es pequeña si esta es comparada con la cantidad de la propia materia quefluye en el ecosistema. Si se piensa en un lago como ecosistema, la materia fluye hacia élen forma de dióxido de carbono que se disuelve en el agua; nutrientes, que se lixivian delsuelo y sustancias químicas que provienen de los ríos o riachuelos que lo alimentan. En ellago la materia fluye de un organismo vivo a otro en la forma de alimento, materialexcretado o gases respiratorios.

Otras características de los ecosistemas es su capacidad de cambiar con el tiempo, entre

estos encontramos el cambio de los lagos, al paso del tiempo, de un sis tema con agua muyclara, niveles bajos de nutrientes y cantidades bajas de una gran variedad de especies, aotro con agua muy turbia, niveles altos de nutrientes y poblaciones numerosas de unascuantas especies; ambos s istemas son ecosistemas muy diferentes, sin embargo puedenser considerados como ecosistemas naturales o artificiales.

Ecosistema Terrestre: De acuerdo con los tipos de vegetación dominante, se haestablecido cinco tipos principales de ecosistemas: bosques tropicales de hoja ancha;bosques de coníferas y bosques templados de hoja ancha; pastizales , sabanas, matorrales;y manglares. Los ecosistemas terrestres son aquellos en los que los animales y plantas

viven en el suelo y en el aire. Allí encuentran todo lo que necesitan para vivir.Dependiendo de los factores abióticos de cada ecosistema, podemos definir distintos tiposde habitad terrestres: desiertos, praderas y selvas.

En Colombia, los ecosistemas se clasifican como:

Bosques tropicales de hoja ancha: los bosques tropicales o selvas se caracterizan porvegetaciones leñosas de más de cinco metros de altura, altísima diversidad y densidad deflora y fauna. Bosques básales secos y muy secos. Entre 0 y 1.000 msnm, en climas quetienen al menos un período crítico de déficit de humedad. Se distribuyen en la planicie delCaribe y en los valles interandinos.

Bosques submontanos (subandinos). Bajo este nombre se agrupan todos los bosques quese desarrollan entre los 1.000 y 2.000 msnm. Ubicados en las laderas de los Andes, lasierra nevada de Santa Marta y la serranía de la Macarena.


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Bosques montanos (andinos). Se encuentran entre los 2.000 y 2.700 msnm; son bosquesbajos, de 25 m o más bajos. Han sido bosques muy alterados por la ganadería de tierrafría. Los bosques montanos se caracterizan por tener un clima benigno, con abundancia derecursos, generador del recurso del agua y albergan el 78 % de la población actual del

país. Muchos de los ingenieros de las ciencias ambientales tienen la responsabilidad deproteger los ecosistemas y la vida que existe de ellos. Aunque los ecosistemas cambiannaturalmente, la actividad humana acelera el proceso natural en diversos grados (conrespecto al tiempo). Actividades aparentemente inocuas o favorables pueden causardesorden en el ambiente. Por ejemplo, aunque las actividades agrícolas en gran escalapermitan la producción de alimentos baratos para alimentar a millones de persones,pueden causar el paso de plaguicidas, fertilizantes, dióxido de carbono y otros gases deinvernadero al ambiente. Las plantas hidroeléctricas se consideran una fuente limpia yrenovable de energía. Sin embargo, la construcción de presas tiene efectos nocivos en losecosistemas ribereños, ya que reduce en forma significativa la población de peces,además de causar la erosión del suelo y la disminución de la vegetación cuando se dejasalir mucha agua.

Bosques montanos altos (altoandinos). Se encuentran entre los 2.700 msnm y los 3.200msnm, en condiciones favorables. Son bosques bajos, muy densos e importantes en elciclo hidrológico. Actualmente, se encuentran en riesgo por el uso agropecuario.Bosques inundables o aluviales. Se desarrollan a lo largo de ríos e incluyen los bosques devega y de galería de sabanas y selvas. En especial, se encuentran en la Orinoquía yAmazonia. Alcanzan alturas de hasta 20 m.

Bosques de Guaduales. Las guaduas constituyen la especie dominante, en estos bosques.

Ellas forman densas coberturas en las orillas de los ríos y en zonas húmedas cercanas alnivel del mar, en los valles aluviales hasta cerca de 2.000 msnm en las montañas. Alcanzanun mayor número hacia los 1.300 msnm, donde han sido presionados por la expansióncafetera.

Bosques de Catinga. Formaciones vegetales que incluyen desde bosques altos amatorrales bajos. Su desarrollo está limitado por la escasez de nutrientes y por laestacionalidad causada por inundación y extrema sequía. Se encuentran en sectores de laAmazonia, influidos por el macizo de las Guayanés.

Bosques de coníferas y bosques templados de hoja ancha. En Colombia no han existidobosques templados de hoja ancha, pero sí algunos bosques de coníferas; hoy virtualmenteextintos como resultado de la explotación de sus maderas.

Otro tipo de ecosistemas corresponde a aquellos que se desarrollan en medio acuático,los cuales pueden ser de agua dulce o marinos. Dentro de estos últimos merecen


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destacarse los manglares y los arrecifes de coral, que contribuyen a formar islas y costasextensas.

Los manglares reciben este nombre ciertos bosques cenagosos que rodean muchas costas

en las regiones tropicales y subtropicales. En nuestro país se encuentran tanto en la costaatlántica como en la pacífica. Los manglares, como su nombre lo indica, están constituidospor diversas especies de mangles, que son árboles y arbustos altamente resistentes a lasalinidad del agua de mar y que se caracterizan por tener unas raíces muy largas yenmarañadas, que sobresalen de la superficie pantanosa a manera de zancos. Estas raícesretienen buena parte de los nutrientes arrastrados por los ríos. Por tanto del piso de losmanglares es un lodo enriquecido que propicia la proliferación de una gran variedad deespecies animales entre los que se encuentran caimanes, tortugas, cangrejos peces, aves,ostras, serpientes, esponjas y langostas. Además de servir de abrigo a esta fauna tanvariada, los manglares sirven para proteger las costas de la excesiva erosión que provocanlas tormentas tropicales.

La actividad humana también cambia los ecosistemas por medio de la destrucción deespecies. La pérdida del hábitat pone en riesgo la existencia de determinadas especies enun ecosistema. Por ejemplo, la destrucción de los bosques amenaza la existencia mismade la mariposa monarca; si se destruyen los bosques al punto de que pierda su hábitatinvernal podría ocurrir la extinción global de esta mariposa: la perdida localizada delalgodoncillo priva a la monarca de su ambiente de reproducción, lo que origina suextinción local. La destrucción de un ecosistema no es la única forma en la que los sereshumanos afectan las poblaciones animales. La liberación de compuestos tóxicos tambiénamenaza la vida silvestre. Una tercera forma en la que se pone en riesgo a las especies es

la introducción de especies foráneas en un ecosistema, y como ultimo mecanismo con elque se extinguen las especies es la caza excesiva, a veces legal y en otros casos en formailícita.

Muchos países han promulgado leyes para proteger especies de la extinción, en EstadosUnidos se promulga la ley de importancia en la protección de los ecosistemas y de lasplantas y animales que viven en ellos es la National Environmental policy de 1969. LaNational Environmental policy es significativa en el sentido de que su redacción justifica laprotección del ambiente sobre bases estéticas, culturales y éticas. El congresoestadounidense reconoce el impacto profundo de la actividad humana en el entorno

natural y la importancia crítica de restaurar y mantener la calidad ambiental para elbienestar general y desarrollo de la humanidad. Por medio de dicha ley se busca fomentary promover el bienestar general y desarrollo del hombre, para crear y mantenercondiciones en las cuales puedan coexistir los seres humanos y la naturaleza en armoníaproductiva, además de satisfacer las necesidades sociales, económicas y de otro tipo degeneraciones actuales y futuras. Uno de los aspectos importantes de los reglamentos es


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agua permanece por cientos de años y en las nubes el tiempo de residencia no superaunos cuantos días.

La comunidad biótica incluye todos los organismos vivos. Esta comunidad puede servir

como un fondo de recambio y también sirven para mover elementos químicos de unestado del ciclo a otro. Por ejemplo, los árboles toman el agua del suelo y la evaporan a laatmósfera. La energía para la mayoría de las trasformaciones de los compuestos químicoses provista tanto por el sol como por el calor liberado por la tierra.

Los diversos ciclos de los nutrientes entran en estrecha interacción dentro del ecosistema.Como ejemplo basta citar que, en la información de ciertos compuestos como el fosfatoférrico, el fósforo pasa de un estado insoluble a otro soluble, con lo cual queda adisposición de los organismos del ecosistema. El ingreso de los diversos elementos a losecosistemas ocurre principalmente a través de la atmósfera, vía deposición o

asentamiento (seca y húmeda) o por fijación biológica activa (CO 2 y nitrógeno), quecontribuye en forma importante al ciclo biogeoquímico. Los aportes de nutrientes deorigen geológico al sistema provienen de la meteorizacíon de minerales, los cuales ejercenun rol considerable sobre la fertilidad del suelo y procesos bióticos en el ecosistema.

Los seres vivos están formados por elementos químicos, fundamentalmente por oxígeno,hidrógeno, carbono y nitrógeno que, en conjunto, suponen más del 95% de peso de losseres vivos. El resto de los elementos son fósforo, azufre, calcio, fierro y potasio; aunqueestos elementos se encuentran presentes en cantidades muy pequeñas, algunos de ellosmuy importantes para el metabolismo de muchos organismos vivos. Estos elementos

también se encuentran abióticamente, y están acumulados en depósitos. Así, existendiversos elementos y compuestos en la atmósfera, como O 2, N2 y CO; en el suelo H2O,nitratos, fosfatos y otras sales; y en las rocas fosfatos, carbonatos y silicatos, entre otros.Estos equilibrios de elementos y sustancias entre los componentes bióticos y abióticoscorresponden a los ciclos biogeoquímicos. Como ejemplo podemos señalar al ciclo delagua, ver figura 2.

http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/ciclogeo.htm#Comunidadhttp://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/ciclogeo.htm#Comunidad


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Figura 2. Ciclo natural del agua

Fuente: http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html

Cuando estos ciclos se ven afectados ya sea por la introducción de una especie totalmenteajena o en mayor concentración en el ciclo, o como consecuencia de la actividad humanaque da como resultado una alteración nociva del estado natural del medio causandoinestabilidad, desorden daño o malestar en un ecosistema, en un medio físico o en losseres vivos, se denomina contaminación. El contaminante puede ser una sustanciaquímica, energía (como sonido, calor, o luz), o incluso genes. A veces el contaminante esuna sustancia extraña, o una forma de energía, y otras veces una sustancia natural.

Dicho de otra manera, la contaminación ambiental corresponde a la acumulación desustancias sólidas, liquidas o gaseosas, o mezclas de ellas, que se da en los reservorios yfondos de recambio de los ciclos biogeoquímicos, siempre que alteren desfavorablementelas condiciones naturales del mismo, o que puedan afectar la salud, la higiene o elbienestar del público, provocando algún desequilibrio, irreversible o no, en el medioinicial.

La bioacumulación es el proceso de acumulación de sustancias químicas en organismosvivos de forma que estos alcanzan concentraciones más elevadas que las concentraciones

en el medio ambiente o en los alimentos. Las sustancias propensas a la bioacumulaciónalcanzan concentraciones crecientes a medida que se avanza en el nivel trófico en lacadena alimenticia. En función de cada sustancia, esta acumulación puede producirse apartir de fuentes abióticas (suelo, aire, agua), o bióticas (otros organismos vivos). Lasprincipales vías de introducción de una sustancia química en un organismo vivo son larespiratoria y la digestiva.

http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.htmlhttp://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sonidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Genhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Concentraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_ambientehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cadena_alimenticiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Aparato_respiratoriohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aparato_digestivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aparato_digestivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aparato_respiratoriohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cadena_alimenticiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_ambientehttp://es.wikipedia.org/wiki/Concentraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Genhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sonidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmicahttp://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html


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Los bioacumuladores son organismos vivos dotados de la capacidad de absorber delambiente determinadas sustancias y almacenarlas en el interior de sus propios tejidos sineliminarlas mediante procesos metabólicos. La utilidad principal de este tipo de

organismos es la de bioindicadores: monitoreando los cultivos de bioacumuladores esposible evaluar grado de contaminación de los ecosistemas, analizando factores como lapresencia de metales pesados (plomo, vanadio, cadmio, cromo, zinc, níquel, manganeso),hidrocarburos, otras sustancias tóxicas y elementos radioactivos como el cesio 137.

Haga click en los siguientes enlaces para profundizar en los temas de ciclo del agua ybioacumulación

http://es.wikipedia.org/wiki/Bioindicadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Plomohttp://es.wikipedia.org/wiki/Vanadiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cadmiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cromohttp://es.wikipedia.org/wiki/Zinchttp://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADquelhttp://es.wikipedia.org/wiki/Manganesohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cesiohttp://www.youtube.com/watch?v=0VuabmeLa4Ihttp://www.youtube.com/watch?v=0VuabmeLa4Ihttp://www.youtube.com/watch?v=JZr0D-aHKp8http://www.youtube.com/watch?v=JZr0D-aHKp8http://www.youtube.com/watch?v=JZr0D-aHKp8http://www.youtube.com/watch?v=0VuabmeLa4Ihttp://es.wikipedia.org/wiki/Cesiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Manganesohttp://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADquelhttp://es.wikipedia.org/wiki/Zinchttp://es.wikipedia.org/wiki/Cromohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cadmiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Vanadiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Plomohttp://es.wikipedia.org/wiki/Bioindicador


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CAPÍTULO 2. CALCULOS EN INGENIERÍA, PROCESOS Y VARIABLES DEPROCESOS

Introducción

Como es bien sabido, en los procesos intervienen una cantidad de variables que deben seranalizadas, interpretadas, manipuladas, etc. con el fin de comprender que factoresintervienen, qué materias primas se utilizan, en qué cantidad, bajo qué condiciones,cuáles productos se generan, qué desechos se producen, qué cantidad de energía serequiere para que el proceso se lleve a cabo, etc. El papel del ingeniero, en este orden deideas es identificar todas estas variables y operarlas adecuadamente a través de losbalances de materia y energía para poder llevar a cabo de manera óptima el procesoproductivo, disminuir desperdicios, aumentar las eficiencias, utilizar de mejor manera laenergía, diseñar o seleccionar equipos y para poder adentrarse en cálculos más complejosrelacionados con las Operaciones Unitarias. En este capítulo, se trataran los temas de

unidades y conversión, algunas variables utilizadas en el diseño, construcción y puesta enmarcha de sistemas de producción, como lo pueden ser: unidades de concentración(porcentaje en masa, molaridad, normalidad, etc.); unidades de diseño (volumen, latemperatura, la presión, etc.). Finalmente, en la última lección de este capítulo seestablecerán las condiciones para seleccionar la base de cálculo más adecuada para laresolución de problemas de balance materia y energía.

Lección 6. Dimensiones, unidades y conversión de unidades

Una unidad de medida, es una magnitud particular definida y adoptada por convención,

con la cual se comparan las otras magnitudes de la misma naturaleza para expresarcuantitativamente su relación con esta magnitud, de igual forma y para los mismo finesuna cantidad medida o contada tiene un valor numérico y en la mayoría de los cálculosesta se convierte en una herramienta útil y esencial para escribir el valor y la unidad decada cantidad que aparece en una ecuación. Esta cantidad puede expresarse en términosde cualquier unidad que tenga la dimensión apropiada. Así, cada vez que se hagareferencia a una dimensión significa que puede medirse, como la longitud, el tiempo, latemperatura o que puede ser calculada sumando, restando multiplicando o dividiendo lasotras dimensiones.

Las unidades utilizadas para las mediciones científicas son las del sistema métrico comose conoce Sistema internacional de unidades (SI), este se desarrolló en Francia a finalesdel siglo XVIII y es utilizado en la mayoría de los países del mundo, tradicional mente elsis tema métrico ha s ido el más común, sin embargo, en estados unidos has sido mástradicional el manejo del sistema Ingles. Por ejemplo, la mayoría de los compuestoscomestibles enlatados y bebidas en los supermercados aparecen tanto en unidades


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métricas como inglesas, para mayor comprensión las unidades principales del sistemamétrico se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Unidades pri ncipales del s is tema internacional .UNIDADES BASICAS

Cantidad Unidades Símbolo

Longitud Metro M

Masa Kilogramo Kg.

Cantidad de una sustanci a o

Moles

Gramo-mol Mol o g-mol

Tiempo Segundo S

Temperatura Kelvin K

Corriente eléctrica Amperio A

Intensidad luminosa Candela CdFuente: Brown, (2009).

Como complemento de estas unidades básicas, se derivan las unidades derivadas quehacen parte del sistema internacional de unidades, las más utilizadas se presentan en latabla 2.

Tabla 2. Unidades derivadas del si stema internacional .UNIDADES DERIVADAS

Cantidad Física Nombre de Unidades Símbolo

Equivalente en

términos de las

unidades básicas

Volumen Litro L o l 0,001 m3 / 1000 cm

3

Fuerza Newton N 1 Kg.. m/s2

Presi ón Pascal Pa 1 N/m2

Energía, Trabaj o Joule J 1 N.m

2 = 1Kg..m

2/s

2

Potencia Watt W 1 J/s= 1 Kg.. m2/s

3

Fuente: Brown, (2009).

De igual forma en el sistema métrico se utilizan prefijos para indicar fracciones decimaleso múltiplos de varias unidades, un ejemplo de ello se muestra en la tabla 3.

Tabla 3. Prefijos util izados en el si stema internacional de unidades.PREFIJOS MAS COMUNES QUE SE UTILIZAN EN EL SISTEMA METRICO

Prefijo Abreviatura Significado Ejemplo

Giga G 109 1 gigametro (Gm) = 1 x 10

9m

Mega M 106 1 megametro (Mm) = 1 x 106m

Kilo K 103 1 kil ometro (Km) = 1 x 10

3m

Deci D 10-1

1 decímetro (dm) = 0,1 m

Centi C 10-2

1 centímetro (cm) = 0,01 m

Mili M 10-3

1 mil ímetro (mm) =0,001 m

Micro µa 10

-6 1 micrómetro (µm) = 1 x 10

-6m


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Nano N 10-9

1 nanómetro (nm) = 1 x 10-9

m

Pico P 10-12

1 pic ometro (pm) = 1 x 10-12

m

Femto F 10-15

1 fentometro (fm) = 1 x 10-15

mFuente: Brown, (2009).

Por otro lado muchas actividades científicas implican cálculos numéricos, pesar, medir,preparar soluciones e infinitos cálculos, en la mayoría de los casos es necesario convertircantidades expresadas en ciertas unidades a otras y a este proceso se le conoce comoconversión de unidades, por lo cual nos referimos a la transformación de una cantidadexpresa en una cierta unidad de medida para luego ser expresado por otra equivalente enel mismo sistema de unidades o no , esta conversión entre unidades no es difícil y semaneja todos los días.

De cualquier forma la manera más sencilla de hacer los cálculos que implican unidadesdiferentes es utilizando el método de análisis convencional, en el cual una cantidad

descrita con ciertas unidades se puede convertir en una cantidad equivalente con distintasunidades por medio de un factor de conversión que expresa la relación entra unidades,es decir:

Cantidad original x factor de conversión = cantidad equivalente

Por ejemplo se sabe que 1 metro es igual a 39,37 pulgadas, esta relación se escribe comofracción para poder ser planteada en forma de factor de conversión , ya sea en metros porpulgada o en pulgadas por metro.

Factor de conversión entre metros y pulgadas: Si bien este, muchos otros factores de conversión son iguales a 1, ya que la cantidadpuesta en el numerador es equivalente en valor a la que se encuentra en el denominador,es decir, al multiplicar por un factor de conversión es equivalente a multiplicar por 1, demanera que el valor de la cantidad no varía.

O

El método de análisis dimensional que es utilizado para la solución de problemasutilizando factores de conversión describe que las unidades son tratadas como números,por lo tanto, se pueden multiplicar o dividir como números, de manera que a la hora deresolver un problema se debe plantear como una ecuación de tal forma que las unidades

Estas dos cantidades son

equivalentes

Estas dos cantidades son

equivalentes


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que no son deseadas se cancelen y queden solo las que se quiere obtener. Por ejemplo, sise sabe que un edificio mide 127,5 pulgadas y desea saber a cuantos metros equivale,puede escribir la altura en pulgadas y plantear una ecuación multiplicando la altura por elfactor de conversión en metros por pulgada:

Cantidad de inicio Cantidad equivalente

Factor de conversión

La unidad “in” se cancela del lado izquierdo de la ecuación, ya que esta aparece tanto

arriba como debajo de la línea de división, entendiendo que la única unidad quepermanece es “m”. Para garantizar que el método del análisis dimensional de la respuestacorrecta es necesario que la ecuación planteada sea de manera que las unidades que no

se deseen se cancelen. Si la ecuación es planteada de otra manera, las unidades no secancelaran en forma apropiada y no se obtendrá la respuesta correcta.

En ocasiones muchos problemas pueden parecer complicados, pero por lo general todaslas dificultades se sortean si se analiza el problema en forma apropiada, para ello tenga encuenta:

Identificar la información que se proporciona, incluidas las unidades. Identificar la información que se necesita en la respuesta, incluyendo las unidades. Encontrar una relación entre lo que se conoce y lo que se desconoce, luego

plantear la estrategia para lograr llegar de una a otra.

Lección 7. Temperatura y presión

La presión se define como la cantidad d fuerza que es ejercida sobre una unidad de áreade alguna sustancia. En el siglo XVIII Blas Pascal, científico francés describió dos principiosimportantes acerca de la presión ( leyes de Pascal); El primer principio advierte que lapresión es capaz de actuar en todas las direcciones de un volumen pequeño de fluido deforma uniforme, por otro lado, El segundo principio enuncia que un fluido confinado porfronteras sólidas, donde la presión actúa de manera perpendicular a la pared, en la figura3 se ilustran estos dos principios

Cuando se conoce la cantidad de fuerza que se ejerce sobre un área dada, es posiblecalcular la magnitud de la presión del fluido, utilizando la presión que representa lasegunda ley de Pascal.


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Figura 3. Representaci ón de la presión actuando sobre un volumen pequeño de fluido de manera uniformey por todas l as paredes (a) y dirección de la presi ón del flui do sobre las fronteras (b)

Fuente: Mott, (2006)

La presión, al igual que la temperatura, se pueden expresar en escalas absolutas orelativas, los instrumentos que miden la presión absoluta o relativa solo depende de lanaturaleza de este, Por ejemplo, un manómetro de extremo abierto (fig xxx) mide lapresión relativa (presión manométrica) debido a que la diferencia es la presión de laatmosfera sobre el extremo abierto del manómetro. Sin embargo si se cierra el extremode este manómetro (figura 4), y se crea un vacío en el extremo de este, estaremosmidiendo contra un vacío perfecto, o contra “ausencia de presión”, a esta medición se le

conoce como Presión absoluta , debido a que la presión absoluta se basa en un vacíoperfecto, es decir, un punto de referencia que no cambia con el lugar, la temperatura, elclima u otros factores, la presión absoluta establece un valor preciso e invariable que se

puede fácilmente identificar, de esta manera el punto cero de una escala de presiónabsoluta corresponde a un vacío perfecto, mientras que el punto cero de una escala depresión relativa por lo general corresponde a la presión del aire que nos rodea en todomomento.

Figura 4: Manómetro de extremo abierto y extremo cerrado


(a)

(b)


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Si se realiza una medición con una columna de mercurio como se ilustra en la figura 5, conel recipiente abierto a la atmosfera, el dispositivo se llama barómetro, y la lectura de lapresión atmosférica recibe el nombre de presión barométrica.

Figura 5: Barómetro


En todos los dispositivos para medir la presión representados en las figuras xxx y bbb, elfluido esta en equilibrio; es decir, se alcanza un estado de balance hidrostático en el que elfluido del manómetro se estabiliza, y la presión ejercida sobre el fondo del tubo en “U” enla parte del tubo abierta a la atmosfera o al vacío contrarresta exactamente la presiónejercida sobre el fondo del tubo en “U” en la parte del tubo conectada al tanque de N2. Elagua y el mercurio son fluidos indicadores que se usan comúnmente en los manómetros,de modo que las lecturas se pueden expresar en “centímetros o pulgadas de agua”,

“centímetros o pulgadas de mercurio”, etc.

Otro de los instrumentos comunes para la medición de presiones es el manómetro deBourdon , que normalmente (pero no siempre) indica una presión en cero cuando seencuentra abierto a la atmosfera. El elemento sensor de presión del manómetro deBourdon es un tubo metálico delgado con sección transversal elíptica cerrado en unextremo y doblado para formar un arco. De tal forma que a medida que se incrementa lapresión en el extremo abierto del tubo, este trata de enderezarse, y su movimiento seconvierte por medio de engranes y palancas el movimiento de un puntero sobre unacaratula.

En cuanto a las unidades de presión, debemos tener presente tres sistemas comunes:libras (fuerza) por pulgada cuadrada (psi), pulgadas de mercurio (pulg Hg) y pascales. Las

libras por pulgada cuadrada absolutas normalmente se abrevian “psia”, en tanto que“psig” se refiere a libras por pulgada cuadrada manométricas, dos unidades que

usualmente son utilizadas para expresar la presión; en el caso de las demás unidades, se


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debe tener cuidado de especificar claramente si son manométricas o absolutas. Hay otrossistemas para expresar la presión; entre los sistemas de uso más comunes esta:

Milímetros de mercurio (mmHg)

Pies de agua (ft H2O)

Atmosferas (atm)

Bares (bar) : 100kpa= 1bar

Kilogramos (fuerza) por centímetro cuadrado (Kg.f/cm2), una medida común peroteóricamente prohibida en el SI.

Es importante tener en cuenta que no se debe confundir la atmosfera estándar con lapresión atmosférica. La atmosfera estándar se define como la presión equivalente a 1atm o 760 mmHg a 0°C u otro valor equivalente, en tanto que la presión atmosférica esvariable y debe obtenerse de un barómetro cada vez que se necesita. Es posible que la

atmosfera estándar no sea igual a la presión barométrica en ningún lugar del mundo,excepto quizá al nivel del mar en ciertos días, pero esto resulta extremadamente útil pararealizar cualquier tipo de conversión de cualquier sistema de presión a otro.

La temperatura tiene varios significados, en general se define como una propiedad de lamateria que se relaciona con cualquier sensación de calor o frio, cuando se toca un cuerpoque está a menor temperatura que el mismo se experimenta una sensación de frio y locontrario de calor, sin embargo aunque los términos puedan tener una estrecha relación,no se debe confundir la temperatura con el calor.

Cuando dos cuerpos son encontrados a distinta temperatura, y estos son puestos encontacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpocaliente al frio, esto se presenta hasta que la temperatura de ambos cuerpos sea igual, dehecho, la temperatura es una propiedad física que determina la dirección del flujo delcalor.

Las escalas de temperatura que se utilizan por lo general en estudios científicos sonCelsius y Kelvin. La escala Celsius también es la escala cotidiana de temperatura en lamayoría de los países del mundo, originalmente este se basó en la asignación de 0 °C alpunto de congelación del agua y de 100 °C a su punto de ebullición en el nivel del mar. La

escala Kelvin es la escala de temperatura del sistema internacional, con el tiempo la escalaKelvin se basó en las propiedades de los gases, en esta escala el cero es la temperaturamás baja que puede alcanzarme, -273.15 °C, una temperatura a la que se le llama el ceroabsoluto. Tanto al escala Celsius como la escala Kelvin tiene unidades del mismo tamaño,es decir, un Kelvin tienen el mismo tamaño que un grado Celsius. De esta manera lasescalas Celsius y Kelvin se relacionan de la siguiente manera:


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K = °C + 273.15

El punto de congelación del agua, 0 °C es 273.15 K, s in dejarlo a un lado, la escálala común

de temperatura en Estados Unidos es la escala Fahrenheit, la cual no es utilizadageneralmente en estudios científicos, sin embargo, en esta escala el agua se congela a 32°F, y hierve a 212°F, de esta manera la escala Celsius y Fahrenheit se relacionan de lasiguiente manera:

°C = 5/9 (°F -32) o °F= 9/5 (°C) + 32

Es por ello que cualquier tipo de proceso térmico se puede expresar a cualquier escala detemperatura, según como sea necesario. Por ejemplo el punto de congelación y deebullición del agua, así como la temperatura normal del cuerpo humano se puede

expresar en cada una de las escalas así:

Figura 6: Punto de ebullición y congelación para tres escalas diferentes de temperatura

Fuente. Brown, (2009)

Para profundizar en el tema de temperatura siga este enlace.

Lección 8. Masa, fuerza y volumen

Si bien para muchos la materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en elespacio, es posible decir que la masa es la cantidad de materia que tiene un objeto,ahora, el sistema que abarca el concepto de Masa , es el sistema inglés y sus unidades son,normalmente, los gramos, kilogramos o miligramos, aunque la unidad fundamental es elkilogramo el cual equivale a 2,205 libras, sin embargo, para propósitos de la química y

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/propiedades/temperatura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/propiedades/temperatura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/propiedades/temperatura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/propiedades/temperatura.htm


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otras ciencias afines el kilogramo es demasiado grande y por ello se utiliza con mayorfrecuencia el gramo (1 gramo = 0,001Kg.). De igual forma hay que distinguir entre la masay el peso, recordemos, la masa es la cantidad de materia que tiene un objeto, ahora, elpeso es una, medida de la fuerza gravitatoria que actúa sobre el objeto, la masa es

independiente de la ubicación de un objeto. Por ejemplo. Un cuerpo posee la mismacantidad de materia estando en la tierra o en la luna., por el contrario el peso si dependede la localización del objeto; si el mismo cuerpo pesa 140 libras en la tierra, en la lunasolo pesara 23 libras, debido a que la gravedad en la luna es menor que la de la tierra, y enel mismo lugar de la tierra, dos objetos con masas idénticas tiene los mismos pesos, esdecir, los objetos experimentan una atracción idéntica por parte de la gravedad delplaneta. Toda esta confusión entre el concepto de masa y peso se debe tan solo aproblemas de lenguaje, ya que decimos que estamos “ Pesando” algo cuando en realidadse quiere expresas que estamos midiendo su masa por medio de la comparación de dosobjetos.

Fuerza, es la capacidad para vencer una determinada resistencia con independencia deltiempo empleado para realizarlo, de igual forma es definida como la capacidad de superaro contrarrestar resistencias mediante la actividad muscular, o sin dejar de un lado tambiénes considerado como la capacidad del músculo para ejercer tensión contra una resistencia

De acuerdo con la segunda ley de newton sobre el movimiento de los cuerpos, la Fuerza es proporcional al producto de la masa y la aceleración (longitud/tiempo2). Las unidadesnaturales de la fuerza son, por lo tanto:

(SI)

(CGS)

(Sistema Americano)Sin embargo, la fuerza aparece frecuentemente en problemas científicos, y para evitarutilizar unidades complejas se han definido unidades derivadas en cada sistema. En lossistemas métricos, las unidades derivadas de la fuerza (el newton en el sistema SI y la dinaen el sistema CGS) están definidas de manera que equivalgan a las unidades naturales.

Las fuerzas pueden ser consideradas de dos tipos, de contacto o a distancia:

Fuerzas de contacto, son aquellas que actúan solamente cuando es necesario el contactofísico entre los elementos que interaccionan. Ejemplo: Cuando se golpea una pelota conuna raqueta.


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Fuerzas a distancia, se producen sin necesidad de contacto físico entre los cuerpos queinteraccionan. Ejemplo: la fuerza que ejerce la tierra sobre ella si se encuentra en el aire,esta fuerza se llama peso

El volumen es el espacio que ocupan los cuerpos. Los cuerpos geométricos existen en elespacio y son por lo tanto objetos que tienen tres dimensiones (ancho, alto y largo)limitados por una o más superficie

Balance Másico y Energético en Ambiente Modulo_2013

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