ECONOMIA ECOLOGICA

ECONOMÍA ECOLÓGICA GESTIÓN AMBIENTAL

UNIDAD II:

• LA TERMODINÁMICA Y LA ECONOMÍA

La termodinámica (del griego termo, que significa "calor" y dinámico, que significa "fuerza") es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor.

Específicamente, la termodinámica se ocupa de las propiedades macroscópicas (grandes, en oposición a lo microscópico o pequeño) de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras.

Estudia los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenos mecánicos y químicos que implican tales intercambios. En particular, estudia los fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica o viceversa.

Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se transforma de una forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.

LEYES DE LA TERMODINAMICA

Principio cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».

Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro del físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas del sistema.

Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.

Primera ley de la termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos termodinámico).

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Tercera ley de la termodinámica

Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las leyes de la termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.13 El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.

Es importante remarcar que los principios o leyes de la termodinámica son válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprender los límites de la segunda ley de la termodinámica jugando con las propiedades microscópicas de las partículas que componen un gas.

LA NATURALEZA ENTROPICA DEL PROCESO ECONOMICO

Algunos economistas han aludido al hecho de que el hombre no puede crear ni destruir la materia o la energía. Esta verdad se deriva del principio de conservación de la materia-energía, es decir, la primera ley de la termodinámica. (...) ¿Qué es entonces lo que produce el proceso económico (...) ¿Cómo puede producir el hombre un objeto material, si se encuentra incapacitado para producir materia o energía?

Lo primero que advertimos es que el proceso económico es un sistema parcial, que como todos los de este tipo, se halla circunscrito por un límite, a través del cual se intercambia materia y energía con el resto del universo material. Este proceso ni produce ni consume materia-energía, tan sólo las absorbe y expele continuamente. Esto es lo que la física pura nos enseña (... ). La diferencia entre lo que entra al proceso económico y lo que sale de él (...) no puede ser sino cualitativa.

Esta diferencia cualitativa la confirma una rama especial de la física: la termodinámica. Desde el punto de vista de ésta, la materia-energía entra al proceso económico en un estado de baja entropía y sale en un estado de alta entropía. (...).

Los economistas no vinculan el análisis del proceso económico con las limitaciones del medio material. Así las cosas no es extraño que nadie se haya percatado de que no podemos producir "mejores y mayores" refrigeradores, automóviles o aviones de retropropulsión, sin tener que producir también "mejores y mayores" desechos.

Así, científicos y economistas fueron tomados por sorpresa cuando a los habitantes de los países con "mejor y mayor” producción industrial se les vino encima de repente el gravísimo problema de la contaminación ambiental.

No obstante, hoy día nadie parece advertir que la causa de todo esto es que no hemos reconocido la naturaleza entrópica del proceso económico. Una prueba convincente de ello es que algunas autoridades que se encargan del problema de la contaminación nos quieren hacer creer, que hay máquinas y reacciones químicas que no producen desperdicios y que nos salvaremos por medio del reciclaje perpetuo de los desechos.

No se puede negar, al menos en principio, que podemos aprovechar hasta el oro diseminado en la arena de los mares, justo como podemos reciclar el agua hirviendo (...). Sin embargo, en ambos casos debemos utilizar una cantidad adicional de baja entropía en relación a lo que se está reciclando. No existe el reciclaje gratuito, como tampoco una industria sin desechos.

ECONOMÍA EN TÉRMINOS ENERGÉTICOS

En las secciones anteriores hemos visto como la entropía se incrementa continuamente. Podemos concluir a partir de allí que los recursos y los residuos tienen una misma naturaleza y sólo difieren en valor entrópico. En este sentido el proceso económico es un proceso entrópico.

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