> Grupo de apoyo sobre El agua y el futuro de la energía |
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La mayor parte del agua entra dentro del subsuelo, que en gran medida es permeable, y por tanto no suficientemente resistente para impedir que el agua siga cayendo. Lo contrario ocurre en los lechos de los ríos, cuyos cauces son esencialmente impermeables |
I. Los ciclos de la
naturaleza Existe
un principio fundamental de la Mecánica que indica que toda partícula (o
cuerpo, o ente) tiende a ocupar la posición o estado de mínima energía.
Este principio, en cuanto a concepto, procede de nuestra propia observación
intuitiva, pues continuadamente confirmamos que los objetos caen tanto
como pueden, hasta encontrar otros objetos, más resistentes por así
decirlo, que los frenan en su caída. Eso mismo ocurre con el agua,
precipitada por la lluvia, la nieve y el granizo,
que continúa su precipitación cuesta abajo, hasta llegar al mar,
del cual no cabe seguir bajando. Precisamente por esa tendencia hacia el
estado de mínima energía (mínima altura en el campo gravitatorio) la
mayor parte del agua entra dentro del subsuelo, que en gran medida es
permeable, y por tanto no suficientemente resistente para impedir que el
agua siga cayendo. Lo contrario ocurre en los lechos de los ríos, cuyos
cauces son esencialmente impermeables (aunque algunos, como el Guadiana,
tengan cauces interrumpidos, debido a la permeabilidad general del
territorio). Cuando las moléculas de agua llegan al mar, todas al mismo tiempo no pueden estar en la posición de mínima energía. Aquí aparece otro Principio, aparentemente no tan intuitivo, pero sin embargo confirmado una y otra vez por nuestra experiencia en diversas áreas de la Física. Quiénes se han ocupado particularmente de este tema que vamos a describir (por necesitarlo para nuestro análisis) son los Termodinámicos, que lo definieron como la tendencia, en los sistemas complejos (de más de una partícula) a aumentar la Entropía, función que tiende a un máximo (no a un mínimo, como la Energía). El término Entropía no es nada intuitivo (y menos aún cuando se define como un factor integrante) pero fácilmente se le asocia el concepto de desorden, y así se viene a afirmar que los sistemas complejos tienden hacia un estado de mínima energía con el máximo desorden. |
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Si tenemos una placa caliente y otra fría, y las adherimos una a otra, sabemos con seguridad que sus temperaturas tenderán a igualarse, por lo cual el calor fluirá de la placa caliente a la fría, e irá fluyendo hasta que sus temperaturas se igualen. Cuando ello ocurra, la energía de agitación media de las partículas constituyentes de una y otra placa habrá alcanzado el mismo valor. |
Aunque dicho de esta forma resulta tal Principio aparentemente más inteligible, el desorden no lo debemos entender en el sentido habitual de nuestro entorno (el desorden de un cajón, o de un bolso de señora, o de una estantería, aunque todo ello tienda inevitablemente al desorden) sino como la tendencia de la naturaleza a repartir la energía disponible (o el espacio disponible) de manera tan igualatoria como sea posible, entre las partículas constituyentes del sistemas complejo. Por
lo común, en nuestro mundo ordinario esas partículas son moléculas (a su
vez constituidas de átomos, a su vez constituidos de electrones y núcleo,
etc.). Efectivamente observamos que si en la esquina de una habitación
abrimos un frasco de colonia, poco después huele a colonia por toda la
habitación, pues las moléculas tienen a ocupar todo el espacio disponible.
En tal sentido hay que entender el desorden: las moléculas no se quedan
acantonadas junto al tarro. Tampoco ocupan sólo la mitad izquierda o
derecha de la habitación. Tienden a ocuparla toda. Más
específico para nuestro discurso es el tema de la temperatura, que debemos
considerar como una expresión o valor medio de la energía interna de
agitación que poseen las partículas del sistema. Esa energía de agitación
puede ser de traslación (isótropa, sin ventajas en una dirección, pues
entonces es energía cinética en su sentido estricto) o puede ser energía
de vibración o de rotación de las partículas, si tienen tales estados
interiores de excitación (cosa que no tienen las moléculas monoatómicas,
por ejemplo). Cuando un cuerpo tiene muy alta temperatura, significa que sus
constituyentes, generalmente moléculas, tienen una energía de agitación térmica
muy alta. Nuestra experiencia (acrisolada en los postulados de la Termodinámica
y la Transmisión de calor) nos indica que los cuerpos se tienden a
isotermalizar (que sería lo equivalente a buscar el desorden). Si tenemos
una placa caliente y otra fría, y las adherimos una a otra, sabemos con
seguridad que sus temperaturas tenderán a igualarse, por lo cual el calor
fluirá de la placa caliente a la fría, e irá fluyendo hasta que sus
temperaturas se igualen. Cuando ello ocurra, la energía de agitación media
de las partículas constituyentes de una y otra placa habrá alcanzado el
mismo valor. Inicialmente la situación era ordenada (o jerarquizada) pues
una placa tenía más temperatura que la otra. Al final, ambas tienen la
misma temperatura (proceso en el cual se incrementa la entropía, pero eso
escapa a los objetivos de esta ponencia). |
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Contemplado nuestro mundo desde estos Principios Físicos, deberíamos encontrar el planeta isotermalizado, y todos sus constituyentes en la posición de mínima energía potencial gravitatoria. Pero la mera observación de nuestro mundo nos indica que no es así. |
Así
pues, contemplado nuestro mundo desde estos Principios Físicos, deberíamos
encontrar el planeta isotermalizado, y todos sus constituyentes en
reposo, en la posición de mínima energía potencial gravitatoria. Pero
la mera observación de nuestro mundo nos indica que no es así (ni a
escala del planeta, ni del sistema solar, ni del universo entero, que
resulta enormemente jerarquizado, con las masas agrupadas en astros y
temperaturas muy diferentes entre ellos, aunque gran parte del universo
no nos sea propiamente conocida, por estar constituida por materia y
energía oscuras). ¿Quiere eso decir que fallan los principios de la Mecánica?. No, en absoluto, pero ciertamente no lo son todo. En el cuadro anterior falta algo. Falta precisamente la Energía, o más exactamente la Generación de Energía, particularmente a través de reacciones nucleares, en las que una fracción exigua, y aún así apreciable, de la masa reaccionante, se libera como energía (básicamente como energía cinética de los productos). Si
no hubiera Generación de Energía con tan altísima potencia en nuestro
universo, en él reinarían esas condiciones antedichas de equilibrio
isotermo, que realmente serían de un equilibrio casi helado (de apenas
3 K, 270 0C bajo cero). Dentro de cuatro o cinco mil millones
de años, cuando el sol haya dejado de trabajar como estrella activa,
esta parte del universo quedará en esa situación, en ese equilibrio
que la Mecánica entiende como perfecto, pues a él tiende, con la mínima
energía y el máximo desorden, es decir, isotermo todo él a
temperaturas tan bajas como las antedichas. Lo
que nos impide tender hacia ese equilibrio es la enorme cantidad de
energía que proviene del Sol, gracias a la cual se activan una serie de
mecanismos que en definitiva llevan a la propia vida, que es justo lo
contrario al equilibrio térmico desordenado. La vida es un proceso
altamente jerarquizado, donde unos entes, los cuerpos vivos, se
estructuran y ordenan, disminuyendo por tanto su entropía, aunque al
mismo tiempo aumente la del conjunto vital en que nos encontramos, tanto
por interacciones térmicas como por reacciones químicas, a través de
los excrementos, que son el subproducto inevitable de la reducción de
entropía que se da en los cuerpos vivos. Con los excrementos
incrementamos la entropía del medio ambiente. E igual cabría decir de
la putrefacción de la materia muerta. Aún
siendo necesaria, la energía tampoco resulta suficiente para completar
el cuadro físico en el que se desarrolla nuestra naturaleza, y en el
que son fundamentales los ciclos, entendiendo por ciclo la repetición
armónica o cuasi-armónica de unas determinadas pautas físico-químicas,
y también biológicas. Para completar este cuadro y entender los ciclos
hay que tener en cuenta la disposición geométrico-cinemática de
nuestro planeta, con sus movimientos de traslación y rotación, más de
inclinación de la eclíptica y demás aspectos de nuestra órbita, en
relación al Sol fundamentalmente. |
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La energía tampoco resulta suficiente para completar el cuadro físico en el que se desarrolla nuestra naturaleza, y en el que son fundamentales los ciclos, entendiendo por ciclo la repetición armónica o cuasi-armónica de unas determinadas pautas físico-químicas, y también biológicas. |
Esos ciclos están activados por la energía solar, y modulados por los parámetros geométrico-cinemáticos como los antedichos. Si solo tuviéramos energía, nuestros patrones termofísicos estarían esencialmente equilibrados, como equilibrado está microscópicamente el sol. Aunque tenga variaciones superficiales y algunos indicios de ciclicidad de muy poca amplitud, su potencia lleva prácticamente invariable más de mil millones de años, y desde su propia constitución hace unos cuatro mil quinientos millones de años, ni su radio ni su potencia han variado sustancialmente, a pesar de que cada segundo sintetiza 600 millones de toneladas de helio a partir de hidrógeno, y algo más del 0,6% de esa masa desaparece, convertida en energía que radia a una potencia de 3,86x1026 W. De ella nos llega a la Tierra una pequeña fracción, totalizando 1,75x1017 W (en valor medio), aunque no toda esa energía llega a interaccionar con la biosfera.
Figura 1. Diagrama de presión (druck), densidad (dichte), temperatura (temperatur) en el interior del sol. La
interacción de la radiación térmica solar con nuestro planeta es bien
compleja, como se recoge -muy esquemáticamente- en la figura adjunta. Prácticamente
un 30% de la radiación es reflejada de modo casi inmediato, por lo que la
carga térmica solar que alimenta el planeta es de 1,2x1017 W
(120.000 TW) que es unas 10.000 veces mayor que toda la energía consumida
por la humanidad, tanto generada artificialmente (algo más de 11,5 TW)
como aprovechando la biomasa (algo más de 1,3 TW). |
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El ciclo del agua puede considerarse el ciclo natural por antonomasia, y sin la acción de la radiación solar, dejaría de existir. |
Del
cuadro anterior nos interesa fundamentalmente un dato: unos 36.000 TW de
insolación se absorben en evaporar agua. Ello no es anómalo, pues la
mayor parte de la superficie del planeta es mar, y sus características
termofísicas son fundamentales para el equilibrio del planeta, tanto por
calor sensible como por calor latente (evaporación/condensación). Y
aquí entroncamos con la idea crucial de ciclo: el ciclo del agua, que
puede considerarse el ciclo natural por antonomasia, y que sin la acción
de la radiación solar, dejaría de existir. Hemos
dicho que los océanos absorben, en evaporación una potencia solar media
de 36.000 TW, lo cual equivale a 8,6x1015 cal/s. Si contamos
que para producir la evaporación del agua desde condiciones ambientales
normales hay que suministrar unas 600 calorías por gramo de agua, la
potencia anterior equivale a una evaporación de 1,42x107 m3/s,
esto es 14,2 millones de toneladas al segundo. Por supuesto, este valor
oscila a lo largo del tiempo, pero en media, e integrado en todo un año,
proporciona un valor de referencia absoluta: se evaporan 450.000 km3
de agua al año.
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