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Termodinamica en beneficio del medio ambiente, vinculado a la ingenieria mecatronica, energias renovables y amigables para el medio ambiente...

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UNIVERSIDAD LA SALLE Facultad de Ingeniería, Termodinámica ambiental, 2021

Termodinámica ambiental. La Termodinámica aplicada en beneficio del medio ambiente. Estevez Arce Marco Antonio, Gaytan Benitez David, Cheng Chieh Hsiung, Pallares Rojo Juan Pablo. Facultad de ingeniería, ULSA. procesos espontáneos y el intercambio de energía con su entorno. Resumen— En este escrito se desarrolló una investigación sobre la termodinámica y sus relacionados, así como sus aplicaciones y como éstas pueden beneficiar el medio ambiente. Para verificar esto, realizamos un extenso estudio del tema conforme a los objetivos de desarrollo sostenible según la ONU y relacionar la información con nuestra carrera: Ingeniería Mecatrónica. Objetivo: Conocer las aplicaciones que tiene la Termodinámica para mejorar la situación del medio ambiente a nivel nacional e internacional, además de propiciar una alternativa adentrandonos dentro de las energías renovables, sus implicaciones y como estas pueden ser la solución mas efectiva.

I. INTRODUCCIÓN La termodinámica es la rama de la física que estudia los efectos de los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico, a un nivel macroscópico. La raíz "termo" significa calor y “dinámica” se refiere al movimiento, por lo que la termodinámica estudia el movimiento del calor en un cuerpo. La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de manera desordenada. La termodinámica estudia este movimiento desordenado. La importancia práctica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos físicos que describe. En consecuencia, el conocimiento de esta diversidad ha derivado haca una enorme productividad tecnológica. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas termodinámicos. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas, los

Los principales elementos que tenemos para su estudio son: •

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Las leyes de la termodinámica: definen la forma en que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. La entropía es una magnitud que define el desorden en que se mueven las partículas internas que forman la materia, es decir, la energía cinética que tienen las partículas que componen un cuerpo. La entalpía. La entalpía es una función de estado del sistema físico considerado. La cantidad de calor suministrada a un sistema es utilizada para aumentar la entalpía y hacer un trabajo externo.

La termodinámica se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como: • Alimentación. • Ciencia de los materiales. • Aplicaciones industriales. • Arquitectura. • Generación de electricidad. En el medio ambiente existen muchos cambios provocados por el calor y la temperatura, estos ocasionan el calentamiento global, ya que es provocado por el aumento de la temperatura, el principal efecto que causa el calentamiento global es el efecto invernadero, fenómeno que se refiere a la absorción por diversos gases contaminantes como son el dióxido de carbono (CO2), los clorofluorocarbonos (CFC), metano (CH4), el óxido de nitrógeno (N2O) y el ozono de la troposfera. Los daños que ocasiona la deforestación llevan a un incremento del dióxido de carbono (CO2) en el aire, debido a que los árboles vivos almacenan

dicho compuesto químico en sus fibras, pero cuando son cortados, el carbono es liberado de nuevo hacia la atmósfera. El CO2 es uno de los principales gases "invernadero", por lo que el corte de árboles contribuye al peligro del cambio climático. La termodinámica siempre va a existir en el medio ambiente porque nosotros mismos somos parte de ella ya que uno como ser humano, nuestro cuerpo genera calor y energía, como también la masa. La termodinámica siempre va a tener relación directa de una u otra forma con cualquier cosa u objeto en el medio ambiente, ya que esta ciencia puede ser aplicada o estudiada en todos los aspectos de la vida; una característica de la termodinámica como la temperatura la podemos relacionar con el clima la diversidad biológica, el efecto invernadero, la inversión térmica y la salud de los seres vivos en el medio ambiente. II.

SISTEMA DE FORMATO

Se ha elegido usar “WORD” como principal sistema de formato para el concurso de investigación, desarrollo e innovación tecnológica. III.

MARCO CONCEPTUAL

Temperatura: magnitud física que expresa el grado o nivel de calor o frío de los cuerpos o del ambiente. Calor: Energía que se manifiesta por un aumento de temperatura y procede de la transformación de otras energías. Trabajo: fuerza que se aplica sobre un cuerpo para desplazarlo de un punto a otro. Densidad: es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. Presión: magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie. Peso específico: peso de un volumen unitario de una sustancia. Energía interna: es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen un cuerpo. Sistema abierto: sistema que consta de un volumen fijo del espacio. Sistema cerrado: sistema que consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar la frontera. Sistema aislado: sistema en el cual, ni masa ni energía pueden atravesar su frontera. Propiedad intensiva: aquellas independientes de la masa del sistema.

Propiedad extensiva: aquellas cuyo valor depende del tamaño o extensión del sistema. Propiedad específica: propiedades extensivas expresadas por unidad de masa. Proceso reversible: es espontáneo tanto en un sentido como en sentido inverso. Proceso irreversible: sólo es espontáneo en un sentido. Gas ideal: todas las colisiones entre sus moléculas son perfectamente elásticas y no existen fuerzas de atracción intermoleculares. Equilibrio termodinámico: no hay potenciales desbalanceados dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores. Estado termodinámico: conjunto de propiedades que describen por completo al sistema al poderse medir o calcular, ya que no experimenta ningún cambio. Primera ley de la termodinámica: “La energía no se crea ni se destruye y permanece constante”. Segunda ley de la termodinámica: “La cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”. Tercera ley de la termodinámica: “La entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante definida”. Ley cero de la termodinámica: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Medio ambiente: es el espacio en el que se desarrolla la vida de los distintos organismos favoreciendo su interacción. En él se encuentran tanto seres vivos como elementos sin vida y otros creados por la mano del hombre. Seres vivos: son organismos de organización molecular compleja caracterizados por poder desarrollar diferentes comunicaciones, viven en un mismo medio y comparten características específicas. IV.

DESARROLLO

Uno de los temas de mayor importancia a nivel mundial es la interacción entre la problemática ambiental y la problemática energética. Es notable el incremento de daño y contaminación al medio ambiente, desde la creación y el desarrollo de la industria, esto debido a los procesos energéticos que se llevan a cabo en cada una de ellas, los cuales afectan directamente a sus alrededores y a ecosistemas cercanos. La termodinámica que estudia el almacenamiento, transformación y transferencia de la energía, toma gran importancia en el tema de procesos energéticos, sin la termodinámica, las industrias no

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tendrías sistemas energéticos controlados y eficientes, pero el problema es que las empresas no tienen un uso consciente y han aumentado exponencialmente la contaminación en todo el mundo. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios y según la termodinámica, no se crea ni se destruye, solo se transforma, el problema es el uso que les da la industria, ya que contaminan sin discriminación por no tener buenos sistemas y procesos energéticos, donde se pueda reducir este tipo de conflictos. El problema de la contaminación industrial afecta al aire, al agua y a la tierra. Por ejemplo, la contaminación inmensa del aire, donde las industrias desprenden partículas contaminantes al ambiente sin pensamiento o planeación alguno, también la quema a gran escala de combustibles fósiles como el petróleo, el carbón o el gas, además de agua residual envenenada que llega a ríos, lagos y mares. También el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas sin control, el manejo y almacenamiento inapropiado de desperdicios orgánicos e inorgánicos como el plástico, desechos de fábricas, hospitales y restaurantes, la destrucción de televisores analógicos y sus delicados componentes tóxicos, el almacenamiento inapropiado de medicamentos tóxicos caducados y la baja calidad de los procesos de refinación del petróleo, generando compuestos orgánicos volátiles y sustancias químicas que consisten en pequeñas y finas partículas como el humo y los gases que se elevan a la atmósfera, como por el uso de vehículos sin regulación. La termodinámica es parte esencial de la vida en general, sin ella no tendríamos idea de cómo funciona gran parte de nuestro mundo y universo, la energía siempre ha sido esencial y ha sido la fuerza vital de nuestro planeta, tanto así que la vida en la Tierra depende de ella, fue creada para estudiar este tipo de fenómenos relacionados con la energía. Las fuentes de energía son elaboraciones naturales complejas, de las que el ser humano extrae energía con el fin de obtener alguna utilidad. Desde el descubrimiento del fuego en la Prehistoria, pasando por la creación de la máquina de vapor en la Primera Revolución Industrial, hasta la obtención de energía eléctrica a partir de reacciones atómicas, el hombre ha buscado sin cesar recursos energéticos de los que sacar provecho para el futuro. Sin embargo, las principales fuentes de energía han cambiado a lo largo del tiempo, causando cada vez más problemas ambientales que afectan al bienestar de

la humanidad, como la contaminación y el vertido de residuos. Muchas herramientas que utilizamos en la vida cotidiana nos han sido dadas por la termodinámica, como las estufas, los microondas, los hornos, la electricidad, la electrónica, la comida, nuestras actividades recreativas, todo lo que hacemos tiene que ver con la termodinámica de un u otro modo. El cambio climático y la energía son ahora dos problemas en conjunto. Por ello, para abordar con éxito el problema del cambio climático es necesaria una transformación completa de los sistemas energéticos actuales. En vista de esta problemática, es fundamental que se consideren nuevas fuentes de energía más allá de las fósiles, fuentes que se puedan usar en armonía con el ambiente. En este sentido, se puede mencionar la energía solar, la energía eólica, la energía hidráulica, la energía geotérmica y la biomasa, todas energías renovables que se generan a partir de fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente. Los organismos vivos tienen una estructura altamente compleja. Por la segunda ley de la termodinámica tienden en forma natural a la degradación. El ciclo vital de todos los organismos vivos termina con la muerte, que es cuando los componentes del organismo se integran al medio ambiente para su degradación, de ese modo aumentan el grado de desorden o de entropía propuesto en la misma ley. Para mantener la vida de cualquier organismo, es necesario reponer la energía que éste gasta constantemente, con la cual se conserva la estructura y buen funcionamiento de los seres vivos. La ONU creo una agenda para el desarrollo sostenibles, esta consiste en una serie de objetivos a lograr para mejorar la calidad de vida de la gente, aquí nos podemos enfocar en aquellos que buscan proteger el planeta y cuidarlo para que las generaciones futuras puedan tener una calidad de vida digna. Podemos vincular algunos de los objetivo propuestos por la ONU. Como en el apartado 13 “Acción por el clima” este podria lograrse con la generación de energías amigables con nuestro medio ambiente. O como en el apartado 14 “Vida submarina” y 15 “Vida de ecosistemas terrestres”, creando un cambio en los usos y en los residuos de las grandes industrias, llegando a generar un impacto en el cual se busque dejar de dañar nuestras areas verdes y nuestros rio, lagos y mares.

V.

RELACIÓN CON LA INGENIERÍA MECATRÓNICA

Una vez abordados nuestras forma de solucionar un problema que cada dia se hace mas grande, hablando acerca de nuestro medio ambiente, nos viene la siguiente pregunta ¿Nosotros que podemos o podriamos hacer al respecto? Pues bien, dentro de nuestra carrera podemos hacer frente a estos desafios por medio de la innovación, ya que su definición a grandes rasgos es “Crear o mejorar procesos a través del diseño, planeación y desarrollo de productos o servicios” Los mecatronicos podemos llegar a crear y generar estas energías renovables, a su vez podemos automatizar los procesos de uso de energía y de los residuos de las empresas y las industrias, generando de esta manera un cambio significativo.

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VI.

CONCLUSIONES

VII.

BIBLIOGRAFÍA

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VIII.

AGRADECIMIENTOS...