Trabajo Acdemico de Balance y Energía

U N I V E R S I D A D A L A S P E R U A N A SDirección Universitaria de Educación a Distancia

Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental

TRABAJO ACADÉMICOCICLO ACADÉMICO 2013 - 3 - MÓDULO II

DATOS DEL CURSO:

Escuela Profesional: INGENIERÍA AMBIENTAL

Asignatura: BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

Docente: ERWIN PASTOR WATANABE

Ciclo: V Periodo Académico: 2013- 3

DATOS DEL ALUMNO:

UDED: Andahuaylas

Apellidos: Sicha Navarro

Nombres: Alcides Silvestre Código: 2011111911

U N I V E R S I D A D A L A S P E R U A N A SDIRECCIÓN UNIVERSITARIA DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

Escuela Académica Profesional de Ingeniería Ambiental

1- esquematizar y definir la ruta de la energía a través de los ecosistemas naturales y su papel.

Los ecosistemas están compuestos por organismos que transforman y transfieren energía y compuestos químicos. La fuente energética inicial para todos los ecosistemas es el sol. Los productores primarios son los organismos que constituyen la entrada de energía en los ecosistemas, usando la energía solar para transformar el agua y el CO2 en hidratos de carbono. Todos los demás organismos de un ecosistema son mantenidos por esta entrada de energía. Existen dos grandes grupos de organismos que dependen de los productores primarios: los consumidores son aquellos que obtienen su energía y nutrientes a partir de organismos vivos, mientras que los descomponedores son los que satisfacen esas necesidades a partir de organismos muertos.

RUTAS DE ENERGÍA EN EL ECOSISTEMA

La combinación por donde fluye la energía y circula la materia entre los componentes bióticos y abióticos en la naturaleza se denomina ecosistema.

La ruta de la energía se establece desde que los autótrofos, fotosintéticos, producen materiales orgánicos que resultan ser la fuente de energía para otros heterótrofos.

Hay una ruta de materiales aclicos que va del biótico hacia los órganos vivos y regresa al servo río del ambiente abiótico, la efectúan los organismos degradadores, que descomponen la materia orgánica muerta para formar materiales que serán reutilizados para los organismos autótrofos.

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

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El diagrama se muestra como la energía (flechas oscuras) y los nutrientes inorgánicos (flechas claras) fluyen a través del ecosistema. Debemos, primeramente, aclarar algunos conceptos. La energía "fluye" a través del ecosistema como enlaces carbono-carbono. Cuando ocurre respiración, los enlaces carbono-carbono se rompen y el carbono se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2). Este proceso libera energía, la que es usada por el organismo (para mover sus músculos, digerir alimento, excretar desechos, pensar, etc.) o perdida en forma de calor. Las flechas oscuras en el diagrama representa el movimiento de esta energía. Observe que toda la energía proviene del sol, y que el destino final de toda la energía es perderse en forma de calor. La energía no se recicla en los ecosistemas.

Los nutrientes inorgánicos son el otro componente mostrado en el diagrama. Ellos son inorgánicos debido a que no contienen uniones carbono-carbono. Algunos de estos nutrientes inorgánicos son el fósforo en sus dientes, huesos y membranas celulares; el nitrógeno en sus aminoácidos (las piezas básicas de las proteínas); y el hierro en su sangre (para nombrar solamente unos pocos nutrientes inorgánicos). El flujo de los nutrientes se representa con flechas claras. Observe que los autótrofos obtienen estos nutrientes inorgánicos del almacén de nutrientes inorgánicos usualmente el suelo o el agua que rodea la planta. Estos nutrientes inorgánicos son pasados de organismo a organismo cuando uno es consumido por otro. Al final, todos los organismos mueren y se convierten en detrito, alimento para los descomponedores. En esta etapa, la energía restante es extraída y perdida como calor y los nutrientes inorgánicos son regresados al suelo o agua


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para ser utilizados de nuevo. Los nutrientes inorgánicos son reciclados, la energía no.

Para resumir: En el flujo de energía y de nutrientes inorgánicos, es posible hacer algunas generalizaciones:

La fuente primaria (en la mayoría de los ecosistemas) de energía es el sol. El destino final de la energía en los ecosistemas es perderse como calor. La energía y los nutrientes pasan de un organismo a otro a través de la

cadena alimenticia a medida que un organismo se come a otro. Los descomponedores extraen la energía que permanece en los restos de

los organismos, los nutrientes inorgánicos son reciclados pero la energía no.

De toda la energía solar que llega a la superficie terrestre, sólo una pequeña parte, entre un 0,1% y 1% se incorpora a los organismos productores o autótrofos.

A partir de esta entrada de energía solar comienza un flujo unidireccional de energía a través de todos los organismos de un ecosistema, que fluye desde los organismos autótrofos hasta los heterótrofos, hasta que finalmente se disipa en el medio ambiente.

En cada nivel trófico se produce una transferencia de energía de un nivel al siguiente, de un ser vivo a otro, siendo aprovechable sólo el 10% en cada uno de ellos. La progresiva reducción de energía es la que determina que no haya más de cuatro o cinco niveles tróficos.

Los organismos productores transforman la energía solar en energía química mediante la fotosíntesis, quedando esta energía retenida en las moléculas orgánicas.

Los organismos consumidores adquieren las moléculas orgánicas mediante la alimentación, absorbiendo dicha energía, utilizándola para sus funciones vitales y una parte de la energía se pierde en forma de calor (Q), los restos orgánicos (R.O) tanto de productores como de consumidores son desintegrados por los descomponedores que liberan los últimos restos de energía al medio ambiente.


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CICLOS BIOGEOQUIMICOS

La distribución y transporte de materiales, los cuales controlan el recambio y transformación de éstos en los ambientes terrestres, acuáticos y atmosféricos. Los ciclos biogeoquímicos constituyen un sistema regulador de la hidrosfera y la biosfera. Estos ciclos describen los movimientos y las interacciones de los elementos químicos esenciales para la vida, a través de procesos físicos, químicos y biológicos. Los flujos de los elementos que pueden ser abiertos, como el flujo de energía o cerrados, como el ciclo de la materia.

El ciclo de la materia es una interacción permanente entre la fase biótica y la fase abiótica, es un proceso sin principio ni fin; es decir, un reciclaje combinado y continuo, en una serie de procesos auto regulado; los deshechos son el punto de partida para formar algo nuevo.

CICLO DEL AGUA:

La circulación y conservación de agua en la Tierra se llama ciclo hidrológico, o ciclo del agua.

El ciclo hidrológico comienza con la evaporación del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una nube.


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Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia.

CICLO DEL CARBONO:

El intercambio de carbono entre los componentes bióticos y abióticos del ecosistema mediante los procesos de fotosíntesis y respiración es conocido como el ciclo del carbono.

El carbono en forma de CO2, se incorpora al sistema biótico del ecosistema a través del proceso de fotosíntesis en los organismos fotosintéticos: plantas, algas marinas, fitoplancton y cianobacterias. La fuente de carbono más importante para estos organismos es el CO2, que se encuentra en forma gaseosa y también constituye parte de la atmósfera, o disuelto en el agua de océanos, lagos y ríos.

CICLO DEL FOSFORO:


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El fósforo es un elemento que forma parte de la materia viva se localiza en el protoplasma, también es un componente de los ácidos nucleicos como el ADN, de las moléculas almacenadoras de energía, y se encuentra también en los huesos y los dientes de animales, incluyendo al ser humano. La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas.

CICLO DEL NITROGENO:

El nitrógeno en la atmósfera es muy abundante, pues representa 78% del aire respirable; sin embargo, son pocos los organismos capaces de absorberlo directamente para poder utilizarlo en sus procesos vitales.

La fijación del nitrógeno consiste en la conversión de este elemento en otros compuestos de utilidad para las plantas. Sólo las bacterias llamadas nitrificantes pueden llevar a cabo el proceso de fijación. Recientemente se ha descubierto que también algunas algas, como las verde-azules realizan este proceso.

Materia y energía en los ecosistemas

Todos los seres vivos necesitan materia y energía para llevar a cabo sus funciones vitales. Toda la energía utilizada por los seres vivos proviene del Sol, está energía es consumida y ya no volverá a ser utilizada por los seres vivos, por eso se dice que la energía que atraviesa un ecosistema es unidireccional, es decir, fluye en una sola dirección. La materia orgánica procedente de restos y cadáveres de seres vivos es transformada por algunos microorganismos en materia inorgánica. Esta materia es consumida por los seres autótrofos y heterótrofos. A su vez, cuando estos mueren, sus restos son de nuevo transformados en materia inorgánica, es por ello, que la materia constituye un ciclo cerrado en el ecosistema


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El 99.98% de la energía disponible sobre la superficie de la Tierra proviene del Sol, la restante de las mareas, de la nuclear o atómica, de la termal o sea del calor del interior de la Tierra, y de la gravitacional o sea la fuerza de la gravedad. La radiación solar, que llega a la superficie terrestre, varía según la latitud a mayor distancia de la línea ecuatorial menor radiación, la altura sobre el nivel del mar a más altura más radiación, la orografía valles profundos tienen menos horas de sol y la nubosidad a mayor nubosidad menos radiación, influenciando fuertemente en el tiempo y el clima.

¿En qué formas puede alterarse o interrumpirse el flujo de la energía por las actividades de los humanos?

Con la contaminación de la actividad industrial, con la construcción de vías, grandes complejos arquitectónicos como edificios, rellenos en zonas de baja mar ya que se produce el aislamiento de las especies y su medio donde habitan, es decir el uso indiscriminado del ambiente natural de las especies donde fluye esa energía y los componentes de un ecosistema se relacionan de tal manera que si uno de ellos sufre alguna modificación implica alteración en los demás. De aquí la importancia de las relaciones entre sus componentes, que varían según los casos, pero siempre se observa lo siguiente: un flujo de energía que va de unos organismos a otros, un reciclaje de sustancias minerales (nutrientes) que se


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incorporan desde el medio abiótico a los seres vivos, y vuelven de nuevo al medio abiótico con las deyecciones y la descomposición de sus restos y esto al interrumpirse puede alterar el ecosistema, a medida que la población humana aumenta, también lo hace el impacto humano sobre el medio ambiente. Los seres humanos a menudo causan contaminación liberando sustancias que causan daño no intencional al aire, el agua y el suelo. Muchas actividades humanas alteran los ecosistemas. Ejemplos de estos problemas son: el smog, la destrucción de la capa de ozono, el calentamiento global y la lluvia ácida.

Los impactos que provocan los humanos en el aire, el clima, la tierra y el agua descritos anteriormente están sucediendo al mismo tiempo. Estos impactos contribuyen a la alteración de los ecosistemas, es decir, la destrucción o un cambio sustancial en el funcionamiento de los ecosistemas naturales. La alteración de los ecosistemas es evidente cuando las especies y a veces las comunidades enteras desaparecen.

2- Dibujar un diagrama que pueda explicar algunos procesos y en cada uno, definir el límite del sistema, sistema, los alrededores y las corrientes de materia y energía que atraviesan el límite del sistema.

a- Ingresa el agua desde una tubería a la caldera, se vaporiza y sale como vapor. La energía necesaria para la evaporación se obtiene por combustión del gas metano con aire fuera de la superficie de la caldera.

En las calderas de condensación la temperatura es todavía más baja y la formación de ácidos se evita con un combustible no tenga azufre (generalmente funcionan con gas natural), lo que permite el aprovechamiento del calor de vaporización del agua formada en la combustión (CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O). Su gran ventaja es que el rendimiento es mucho mayor que las normales, pero el problema que puede aparecer en ellas es que la temperatura que alcanza el calo portador es más baja que en las normales, lo que exige emisores (radiadores) más grandes (con mayor superficie de emisión) o sistemas de emisión a baja temperatura (suelo radiante)

El esquema básico de funcionamiento de todas las calderas es prácticamente el mismo, dependiendo de que utilicen carbón, bagazo de caña (metano) o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los


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quemadores de la misma, que varían según el tipo de combustible empleado. Independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse el agua en los tubos de la caldera y producir vapor.

b- En una central termoeléctrica el vapor de agua ingresa a una turbina rotatoria y hace girar a un eje conectado a un generador eléctrico.

Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera de vapor, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad.

Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto tobera-álabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la unidad.

En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

El Éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la maquina a vapor de vaivén desarrollada por el inventor e ingeniero escocés James Watt utilizaban la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de este. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor convencionales.


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Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor ha remplazado a las máquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro.

La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino q fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes más notables en este desarrollo fueron el británico Charles Algernon Parsons, responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias fases aprovechándose su energía en cada una de ellas y De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas adecuadas para el uso eficiente de la expansión del vapor.

Una central termoeléctrica de vapor consiste en una caldera, una turbina, un condensador y un equipo de bombeo que utiliza el ciclo termodinámico.

En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de alabes o paletas de pequeño tamaño. El cuerpo a medida presión posee asimismo centenares de alabes pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene alabes aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente, por lo cual los alabes de la turbina de hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma. Hay que advertir, por otro, lado que este vapor, antes de entrar en la turbina ha de ser cuidadosamente deshumificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría serian lanzadas a gran velocidad contar los alabes, actuando como si fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.

El vapor del agua a presión, por lo tanto, hace girar los alabes de la turbina generando energía mecánica, a su vez el eje que un e a los tres cuerpos de la turbina de alta, media y baja presión hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red d transporte a alta tensión mediante la acción de un transformador o distribuida a un consumidor.

Por su parte, el vapor debilitado y a su presión es enviada a unos condensadores. Allí es enfriado y a su presión es enviado a unos condensadores. Allí es enfriado y


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convertido de nuevo en agua. Esta es conducida otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo productivo puede volver a iniciarse.

El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, dependiendo de que utilicen carbón, bagazo de caña o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varían según el tipo de combustible empleado. Independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse el agua en los tubos de la caldera y producir vapor.

El vapor del agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600°C (vapor recalentado), este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. Así pues, el vapor del agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación.

El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura 40°C, el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es


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transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador sincrónico acoplado a la turbina.

c- Un árbol obtiene sus nutrientes (agua y minerales) del suelo mediante las raíces y CO2 de la atmosfera y elabora su alimento con el proceso de la fotosíntesis y emite oxígeno en el día y CO2 de noche.

El tiempo afecta a lo que produce una planta. Por la noche no hay manera de que ocurra la fotosíntesis, por lo que lo único que emite la planta es dióxido de carbono. Durante los días nublados o con poca luz, los dos procesos están más o menos nivelados y se anulan entre sí. Sin embargo, durante los días de sol, las plantas liberan más oxígeno que dióxido de carbono, las plantas tienen dos fases una Diurna y una Nocturna.

Durante la Fase Diurna, a través de la fotosíntesis, gracias a la presencia del sol, la planta o el vegetal sintetiza glucosa, liberando mucho oxígeno y absorbiendo


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Dióxido de Carbono. Y absorbe el Dióxido de Carbono para sintetizar y no para respirar.

En la fase nocturna, deja de sintetizar glucosa y por lo tanto deja de absorber Dióxido de Carbono y de expulsar oxígeno.

De todos los seres vivos, los fundamentales y que representan la fuente de materia y energía son los vegetales clorofilados (tienen clorofila), ya que ellos son los únicos capaces de fabricar su propio alimento.

Las plantas durante la fotosíntesis no emiten CO2, sino que lo absorben del aire y lo utilizan para desarrollarse, el CO2, lo emiten, como el resto de animales, en el proceso de respiración celular, a través del cual se produce la energía de los seres vivos, las plantas emiten CO2 durante el día y la noche, lo que sucede es que durante el día, gracias a la fotosíntesis, absorben más CO2 del que expulsan.

¿Cómo lo hacen?


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A través de un proceso llamado fotosíntesis que utiliza el dióxido de Carbono atmosférico elemento inerte o abiótico como una de sus principales materia primas, al tener esta capacidad, a los vegetales se les denomina autótrofos; es decir, organismos capaces de fabricar su propio alimento.

La fotosíntesis es, entonces, un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía del sol en forma de luz y la transforman en energía química. Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biósfera terrestre la zona del planeta en la cual hay vida procede de la fotosíntesis.

Operacionalmente, la fotosíntesis se inicia en la clorofila sin ella, no hay fotosíntesis; luego deben concurrir las consideradas materias primas: el agua H2O llevada a las hojas desde la raíz, y el anhídrido carbónico o dióxido de carbono CO2, aportado en abundancia en la atmósfera terrestre.

Por ejemplo, un árbol centenario puede llegar a tener 200.000 hojas y aunque su contenido total de clorofila no llegue a los 200 gramos, en un día soleado es capaz de asimilar 9.400 litros de dióxido de carbono, producir 12 Kg de hidratos de carbono y liberar la misma cantidad de oxígeno que el dióxido de carbono asimilado.

Expuesta al sol, la hoja con clorofila capta de éste su luz en forma de energía lumínica, la cual provoca la reacción de las moléculas de agua H2O separándolas en hidrógeno (H+ o ion hidrógeno) y oxígeno O y acumulando como moléculas ATP la energía liberada en forma de electrones. El hidrógeno ion hidrógeno o protones de hidrógeno ya que han perdido su electrón del agua es almacenado en la planta y el oxígeno producto de la separación de las moléculas de agua es expulsado al exterior como material de desecho de la fotosíntesis desecho muy bienvenido por los seres vivos que lo usan para respirar.

Luego, el ion hidrógeno se unirá al CO2 que la planta toma del aire atmósfera y comienza a ocurrir una serie de reacciones químicas, en las cuales se van formando compuestos hasta llegar a formar la glucosa que es un compuesto orgánico; es decir, está formado por C, H, O. La glucosa se forma gracias a la energía que aporta la molécula de ATP.


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Junto con la glucosa la reacción entre el dióxido de carbono y los iones hidrógeno libera moléculas de nueva agua que se forman con hidrógenos sobrantes del agua aportada desde las raíces unidos a oxígenos sobrantes del CO2.

Generalmente se definen a la fotosíntesis como la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono atmosférico (CO2) y agua, gracias a la luz solar, según la reacción global:

Sin embargo, esto no es más que una simplificación de un proceso muy complejo, en el cuál la etapa clave es la rotura de una molécula de agua por la luz solar, liberándose oxígeno gaseoso, y obteniéndose iones hidrógeno y electrones. Estos últimos servirán para reducir el CO2 (ganando electrones) hasta glucosa en las etapas siguientes de la fotosíntesis:


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