Cap 10 Calor Terrestre G3-14

8/18/2019 Cap 10 Calor Terrestre G3-14

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C PITULO XPITULO X

C LOR LOR

TERRESTREERRESTRER RR R

IngIng°° M. Lajo G.M. Lajo G.11

I.- LA TIERRA COMO FUENTE DE CALOR

La existencia de temperaturas

altas en el interior de la Tierra ha

sido supuesta desde tiempos

antiguos.

Los volcanes, manantiales

termales y otras manifestaciones

superficiales del calor encerrado

dentro de la Tierra han sido las

v u uen su interior debe ser mucho

más alta que la que se tiene en la

superficie.

IngIng°° M. Lajo G.M. Lajo G. 22


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Se dice que la temperatura en la corteza de la TierraSe dice que la temperatura en la corteza de la Tierraaumenta a una razón deaumenta a una razón de 3030°°C /KilómetroC /Kilómetro. Esto. Esto

nos indica que en alguna parte en el interior de lanos indica que en alguna parte en el interior de laTierra existe una fuente de calor que lo irradiaTierra existe una fuente de calor que lo irradia

. .


Los principales elementos productores de energía porLos principales elementos productores de energía por

decaimiento radioactivo son el uranio, el torio y eldecaimiento radioactivo son el uranio, el torio y elpotasio. A estos elementos se les encuentra enpotasio. A estos elementos se les encuentra en

concentraciones significativas en rocas graníticasconcentraciones significativas en rocas graníticas

en la corteza terrestre.en la corteza terrestre.



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II.II.-- MECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALORMECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALOR

EL transporte de calor en el interior de la Tierra seEL transporte de calor en el interior de la Tierra se

lleva a cabo por medio de tres mecanismos:lleva a cabo por medio de tres mecanismos:

Conducción,Conducción,

Convección yConvección y

RadiaciónRadiación




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Es la forma como se transporta el calor

de un cuerpo más caliente a uno más frío

con el cual se encuentra en contacto.

conducciónconducción

a e c enc a e s a epen e e una

propiedad de los materiales que se llama

conductividad térmica y que nos dice cuál

será la diferencia de temperatura

provocada por un flujo de calor: a mayor

conductividad menor será la diferencia de

temperatura a través del material.

barra de metal, la cual al ser calentada en

uno de sus extremos inmediatamenteconducirá el calor hasta el otro extremo.

Por otro lado, un ejemplo de mal

conductor lo sería la madera, la cerámica

y el aire.IngIng°° M. Lajo G.M. Lajo G. 77

Es un proceso un poco más complejo que

se da solamente en fluidos (líquidos y

gases). Al ser calentada la parte inferior

de un fluido, ésta se ex anderá se

convecciónconvección

volverá menos densa que la parte

superior más fría, por lo cual tenderá a

subir, con lo que la parte fría quedará

ahora en contacto con la fuente de calor

repitiéndose de esta forma el proceso y

dando origen a lo que se llama celdas de

convección, en las cuales existen

.Este mecanismo se va a generar a partir

de un cierto valor de la diferencia de

temperatura y depende de la viscosidad y

densidad del fluido.



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radiaciònradiaciòn

Es una forma de transporte de calor que es

importante a temperaturas altas; en realidad todos

los cuerpos que tienen temperatura por arriba del

cero absoluto (cero grados Kelvin o -273.15°C)

emiten radiación, pero la frecuencia de la radiación

emitida es proporcional a la temperatura del

ma er a : os seres umanos em mos ra ac n en

el infrarrojo y un trozo de hierro calentado a

temperaturas muy altas empezará a emitir en el

espectro visible.


De esta forma observamos que el transporte deDe esta forma observamos que el transporte decalor en el interior de la Tierra va a depender de lacalor en el interior de la Tierra va a depender de latemperatura y de las características del material.temperatura y de las características del material.

temperaturas relativamente bajas.temperaturas relativamente bajas.

El manto se comporta como un fluido y como laEl manto se comporta como un fluido y como laconvección es mucho más eficiente en este caso,convección es mucho más eficiente en este caso,ése es el principal medio de transporte, aunése es el principal medio de transporte, aun

hacen posible que la energía también sehacen posible que la energía también setransporte por medio de la radiación.transporte por medio de la radiación.



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SOL

Tierra


Sin embargo, el transporte de calor desde el interiorSin embargo, el transporte de calor desde el interiorhacia la superficie no es el único mecanismo dehacia la superficie no es el único mecanismo de

disipación de energía.disipación de energía.

La continua creación y destrucción de montañasLa continua creación y destrucción de montañas

consumeconsume 2.4 x 102.4 x 101616 cal/año, los sismos liberan 2.4 xcal/año, los sismos liberan 2.4 x

10101818 cal/año (26 x 1010 kilowattscal/año (26 x 1010 kilowatts--hora/año), los 800hora/año), los 800

volcanes activos que existen en la Tierra producenvolcanes activos que existen en la Tierra producen

cerca de 1 km3 de lava por año, o sea 1.2 x 10cerca de 1 km3 de lava por año, o sea 1.2 x 101616

cal/año y para efectos de comparación con loscal/año y para efectos de comparación con losmecanismos de disipación de calor, diremos quemecanismos de disipación de calor, diremos que

cada año la Tierra pierde 2 x 10cada año la Tierra pierde 2 x 102020 cal porcal por

conducción a través de su superficie.conducción a través de su superficie.IngIng°° M. Lajo G.M. Lajo G. 1212


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III.III.-- GRADIENTE GEOTERMICOGRADIENTE GEOTERMICO

Al penetrar en el interior de la corteza de la Tierra se Al penetrar en el interior de la corteza de la Tierra se

observa un cambio en la temperatura, en generalobserva un cambio en la temperatura, en generalésta debe aumentar.ésta debe aumentar.

esa var ac n e a temperatura con a pro un aesa var ac n e a temperatura con a pro un a

se le llamase le llama Gradiente Geotérmico.Gradiente Geotérmico.


El valor del GradienteEl valor del GradienteGeotérmico en laGeotérmico en lacorteza terrestre varíacorteza terrestre varíamucho de un lugar amucho de un lugar aotro: se han llegado aotro: se han llegado amedir Gradientes demedir Gradientes desólo 10sólo 10°°C/kilómetro,C/kilómetro,mientras que enmientras que enalgunas zonas se hanalgunas zonas se hanobservadoobservado

variaciones de lavariaciones de latemperatura de 200 ytemperatura de 200 yhasta 800hasta 800°°C/Km.C/Km.



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Sin embargo, la mayoría de las zonas del planeta enSin embargo, la mayoría de las zonas del planeta en

las que no se tienen anomalías térmicas se agrupanlas que no se tienen anomalías térmicas se agrupanalrededor de los 25 a 35alrededor de los 25 a 35°°C/Km. Los 30ºC/Km. se leC/Km. Los 30ºC/Km. se le

considera el gradiente geotérmico promedio.considera el gradiente geotérmico promedio.


Los Primeros Km.Los Primeros Km.de la superficie dede la superficie de

V.V.-- LA TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA .LA TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA .--

,,GradienteGradienteGeotérmico varíaGeotérmico varíacomo promediocomo promedioentre 30ºC/Kmentre 30ºC/Km



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Hasta una profundidadHasta una profundidad

de 100 Km. elde 100 Km. elcomportamiento delcomportamiento delmaterial se asemeja almaterial se asemeja alde un sólido.de un sólido.

Esta capa esEsta capa esdenominada litosfera ydenominada litosfera ycomprende la corteza ycomprende la corteza yparte del mantoparte del mantosuper or.super or.


A part ir de 100 Km. y A part ir de 100 Km. yhasta aproximadamentehasta aproximadamente300 Km., un decremento300 Km., un decremento

sísmicas indica lasísmicas indica lapresencia de zonas depresencia de zonas defusión parcial, lo cualfusión parcial, lo cualrequiere que lasrequiere que lastem eraturas sean detem eraturas sean de

1000 a 1 2001000 a 1 200°°C.C.



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A los 400 y 700 Km.de profundidad se

observan dos

incrementos en las

velocidades sísmicas,

que de acuerdo con

experimentos de

laboratorio,

cambios de fase que

tienen lugar a 1 500 y

1 900°C

respectivamente.IngIng°° M. Lajo G.M. Lajo G. 1919

A los 2 900 Km. se ha observadoque no se propagan las ondas

sísmicas transversales, mismas que

no se transmiten en líquidos, de

se denomina núcleo exterior y la

existencia a esta profundidad de

temperaturas del orden de 3 700°C.

La reaparición de este tipo de ondas

a los 5 100 Km. indican a esa

profundidad temperaturas por debajodel punto de fusión (4 300°C) del

material que forma el núcleo interior

y del cual se supone que está

constituido principalmente por hierro.



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Aun cuando todavía faltan por

esclarecer muchos detalles, con

base en esos datos y suponiendoque hay una variación continua de

la temperatura con la profundidad,

es posible establecer una curva

hipotética de la temperatura en el

interior de la Tierra, la cual tendría

aproximadamente las

características de la que se

muestra en la figura , de donde la

empera ura en e n c eo n er or

la Tierra sería de alrededor de

4 000°C.


V.V.-- FACTORES QUE AFECTAN EL GRADIENTEFACTORES QUE AFECTAN EL GRADIENTE

GEOTÈRMICOGEOTÈRMICO

Los factores que afectan el GradienteLos factores que afectan el Gradiente GeotèrmicoGeotèrmico son sieteson sietey son:y son:

1.1.-- Variación de la Conduct ividad Térmica debido a suVariación de la Conductividad Térmica debido a sucomposicióncomposición

2.2.-- Variación de la Tº por proximidad de magmasVariación de la Tº por proximidad de magmasFundidos.Fundidos.--

3.3.-- La Circulación de aguas subterráneas.La Circulación de aguas subterráneas.--4.4.-- Humedad presente en las rocas.Humedad presente en las rocas.--

5.5.-- Influencia de la Presión y Temperatura en laInfluencia de la Presión y Temperatura en laconducción Térmica.conducción Térmica.--6.6.-- Producción y Consumo de Calor por reaccionesProducción y Consumo de Calor por reacciones

químicas.químicas.--7.7.-- Radiactividad.Radiactividad.--



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No todos los materiales tienenNo todos los materiales tienenla misma conductividad térmica,la misma conductividad térmica,

1.1.-- Variación de la Conduct ividad TérmicaVariación de la Conductividad Térmicadebido a su composicióndebido a su composición

solo material su Conductividadsolo material su ConductividadGeotérmica sería definida, peroGeotérmica sería definida, peroal tener una composiciónal tener una composiciónheterogénea se debe esperarheterogénea se debe esperarque su conductividad tambiénque su conductividad tambiénsea heterogénea. Comosea heterogénea. Como

donde hay presencia dedonde hay presencia de

yacimientos de sulfuros yyacimientos de sulfuros yóxidos siempre presenta unaóxidos siempre presenta unaconductividad elevada conconductividad elevada conrespecto al medio que la rodea.respecto al medio que la rodea.


El Gradiente Geotérmico sueleEl Gradiente Geotérmico sueleelevarse en las proximidades deelevarse en las proximidades demagmas fundidos o la presencia demagmas fundidos o la presencia de

2.2.-- Variación de la Tº por proximidadVariación de la Tº por proximidad

de magmas Fundidosde magmas Fundidos

volcánicas. Los cuales elevan la Tº,volcánicas. Los cuales elevan la Tº,el calor producido se manifiesta enel calor producido se manifiesta enel exterior en forma de actividadel exterior en forma de actividadvolcánica. Ejemplo el Sur del Perú.volcánica. Ejemplo el Sur del Perú.Hawai, etc. En algunos lugares seHawai, etc. En algunos lugares semanifiesta con la presencia demanifiesta con la presencia deaguas termales.aguas termales.

Ejemplo La Calera (Chivay), Yura yEjemplo La Calera (Chivay), Yura yJesús en Arequipa. Chuschuco yJesús en Arequipa. Chuschuco yCalientes en Tacna. Calacoa enCalientes en Tacna. Calacoa enMoquegua.Moquegua.



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Aguas termales


3.3.-- La Circulación de aguas subterráneas.La Circulación de aguas subterráneas.--

La circulación de aguas subterráneas hacenLa circulación de aguas subterráneas hacen

variar el Gradiente Geotérmico, de acuerdo avariar el Gradiente Geotérmico, de acuerdo a

la T en que se encuentra dichas aguasla T en que se encuentra dichas aguas

subterráneas.subterráneas.



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4.4.-- HumedadHumedad

presente en laspresente en lasrocas.rocas.--

El contenido deEl contenido de

humedad en lashumedad en las

rocas también es unrocas también es un

factor en la variaciónfactor en la variación

del Gradientedel Gradiente

Geotérmico y estaráGeotérmico y estará

en función de su T.en función de su T.


Los efectos de la P y la T en laLos efectos de la P y la T en laconductividad térmica estáconductividad térmica estáinfluenciada a medida que seinfluenciada a medida que seprofundiza en el interior de la Tierra,profundiza en el interior de la Tierra,

5.5.-- Influencia de la Presión y TemperaturaInfluencia de la Presión y Temperatura

en la conducción Térmicaen la conducción Térmica

si la P y la T aumentan tambiénsi la P y la T aumentan tambiénaumenta el Gradiente geotérmico.aumenta el Gradiente geotérmico.

De acuerdo a investigacionesDe acuerdo a investigacionesllevadas a cabo sobre lasllevadas a cabo sobre lasfluctuaciones del campo magnéticofluctuaciones del campo magnéticoterrestre se sabe que a los 200 oterrestre se sabe que a los 200 o300 Kms de profundidad la300 Kms de profundidad laConductividad Eléctrica ex erimentaConductividad Eléctrica ex erimenta

un aumento, si el razonamiento esun aumento, si el razonamiento escorrecto la Conductividadcorrecto la ConductividadGeotérmica también debe aumentar,Geotérmica también debe aumentar,por tener una relación directapor tener una relación directa(Wiedemann(Wiedemann--Franz).Franz).



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6.6.-- Producción y Consumo de Calor por reaccionesProducción y Consumo de Calor por reaccionesquímicas.químicas.--En determinados lugares las rocas y el suelo puedenEn determinados lugares las rocas y el suelo pueden

elevar su T cerca de la superficie por reacciones químicas,elevar su T cerca de la superficie por reacciones químicas,donde las zonas de sulfuros en contacto con el agua y eldonde las zonas de sulfuros en contacto con el agua y elOxígeno reaccionan constituyéndose lo que en geologíaOxígeno reaccionan constituyéndose lo que en geología

,,producción de calor y corrientes eléctricas.producción de calor y corrientes eléctricas.




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7.7.-- Radiactividad.Radiactividad.--

Corresponde a laCorresponde a laenergía producida porenergía producida por

los elementoslos elementos

radiactivos presentesradiactivos presentes

en las rocas ígneasen las rocas ígneas

de al superficiede al superficie

erres re.erres re.


VI.VI.-- FUENTES DE CALOR TERRESTRE.FUENTES DE CALOR TERRESTRE.--

Principalmente se considera a tres, y son:Principalmente se considera a tres, y son:

A. A.-- CALOR PRODUCTO DE LA DESINTEGRACIÒN RADIOACTICACALOR PRODUCTO DE LA DESINTEGRACIÒN RADIOACTICA

B.B.-- CALOR DE FORMACIÓN DE LA TIERRACALOR DE FORMACIÓN DE LA TIERRA

C.C.-- CALOR DE AGRADACI NCALOR DE AGRADACI N



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A. A.-- CALOR PRODUCTO DE LACALOR PRODUCTO DE LA

DESINTEGRACIÒN RADIOACTICADESINTEGRACIÒN RADIOACTICA

Es la principal fuente que proporciona calorEs la principal fuente que proporciona calordel interior a la superficie terrestre.del interior a la superficie terrestre.

Sabemos que los elementos radiactivos comoSabemos que los elementos radiactivos comoresultado de la emisión espontánea deresultado de la emisión espontánea departículas, los núcleos radiactivos separtículas, los núcleos radiactivos setransforman o desintegran en núcleos detransforman o desintegran en núcleos de

elementos más estables y con un menorelementos más estables y con un menornúmero atómico que su predecesora.número atómico que su predecesora.


Ejemplo, cuando se desintegra un átomo de uranioEjemplo, cuando se desintegra un átomo de uranio

con un p.a. 238, la suma de las masas del átomocon un p.a. 238, la suma de las masas del átomoresultante y de las partículas radiactivas emitidasresultante y de las partículas radiactivas emitidas

como Alfa y Beta desprendidas es menor que elcomo Alfa y Beta desprendidas es menor que el

. .. .

electrón voltios.electrón voltios.

La diferencia se convierte en calor. La partícula AlfaLa diferencia se convierte en calor. La partícula Alfa

es equivalente al peso atómico del Helio ( He2).es equivalente al peso atómico del Helio ( He2).

p.a. 238 emite una partícula Alfa, el nuevo p.a.. seráp.a. 238 emite una partícula Alfa, el nuevo p.a.. será

234, con 4 unidades menos que el anterior, asi:234, con 4 unidades menos que el anterior, asi:



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4234238

29092

1 Electrón voltio = 1.5921x10-6 ergios

U=Uranio, Th= Thorio, He= Helio o

partícula Alfa.


B.B.-- CALOR DE FORMACIÓNCALOR DE FORMACIÓNDE LA TIERRADE LA TIERRA

LLa Tierra tuvo un calora Tierra tuvo un calorinic ial de formación,inic ial de formación,que lo ha idoque lo ha idoperdiendo a través delperdiendo a través deltiempo geológico, entiempo geológico, enparte ha sidoparte ha sidomantenida por lamantenida por la

es ntegrac nes ntegrac nRadiactiva.Radiactiva.



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C.C.-- CALOR DECALOR DE AGRADACIÓN AGRADACIÓNLa ue seLa ue seobtiene porobtiene pormedio de unmedio de unimpacto.impacto.Como la caídaComo la caídade objetos.de objetos.

La caída de unLa caída de un

meteorito pormeteorito porejemplo.ejemplo.


VII.VII.-- UTILIZACION DEL CALOR TERRESTRE.UTILIZACION DEL CALOR TERRESTRE.--

LasLas manifestacionesmanifestaciones deldel calor calor terrestreterrestre hanhan sidosidoutilizadasutilizadas desdedesde hacehace siglossiglos tantotanto concon finesfinesrecreacionalesrecreacionales yy medicinales,medicinales, comocomo parapara lalaextracc nextracc n ee osos m nera esm nera es queque osos u osu ostermalestermales arrastranarrastran yy acumulanacumulan enen lala superficiesuperficie oobienbien aa profundidadesprofundidades somerassomeras..

SinSin embargoembargo haha sidosido sólosólo aa principiosprincipios dede esteestesiglosiglo queque lala explotaciónexplotación dede loslos recursosrecursosgeotérmicosgeotérmicos sese haha extendidoextendido yy desarrolladodesarrollado enen

,,dede actividadactividad tectónica,tectónica, dondedonde lala altaalta temperaturatemperaturadede loslos fluidosfluidos descargadosdescargados permitepermite susu utilizaciónutilizaciónsobresobre todotodo enen lala producciónproducción dede energíaenergía eléctrica,eléctrica,peropero tambiéntambién parapara calefaccióncalefacción yy algunosalgunos otrosotrosusosusos industrialesindustriales.. FiguraFigura NºNº 22 DiagramaDiagrama dede LindalLindal..



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LaLa principalprincipal restricciónrestricción alal usouso dede lala energíaenergíageotérmicageotérmica eses lala dificultaddificultad parapara susu transporte,transporte, por por

lolo queque preferentementepreferentemente sese tratatrata dede transformarlatransformarla aaenergíaenergía eléctricaeléctrica..

Para su ex lotación es necesario contar con losPara su ex lotación es necesario contar con los siguientes factores:siguientes factores:

aa..-- LaLa disponibilidaddisponibilidad dede suficientesuficiente fluidofluido (agua(agua y/oy/ovapor)vapor) parapara queque transportetransporte elel calor calor dede laslasprofundidadesprofundidades aa lala superficie,superficie, dede zonaszonaspermeablespermeables queque permitanpermitan esteeste transportetransporte yy aa lalavezvez dede unauna recargarecarga queque reemplacereemplace alal fluidofluido queque esesex ra oex ra o..

bb..-- LosLos fluidosfluidos geotérmicosgeotérmicos debendeben estar estar libreslibres dedeproductosproductos químicosquímicos queque puedanpuedan corroer corroer oo dañar dañar laslas instalacionesinstalaciones parapara susu extracciónextracción yy aplicaciónaplicación..


FiguraFigura

DiagramaDiagramae n a .e n a .



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