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Unidad 1 Introducciòn A La Ingenierìa Ambiental PDF
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Programa de la asignatura:
Clave
Ingeniera ambiental
Unidad 1. Introduccin a la ingeniera ambiental
ndice Unidad 1. Introduccin a la ingeniera ambiental Presentacin de la unidad Propsitos de la unidad Competencia especfica 1.1. Definicin de ingeniera ambiental 1.1.1. Conceptos bsicos de las ciencias ambientales 1.1.2. Principios de ecologa 1.2. Entorno natural 1.2.1. Equilibrio de ecosistemas Actividad 1. Cadenas trficas y ciclos biogeoqumicos 1.2.2. Ciclos biogeoqumicos Actividad 2. Ciclos biogeoqumicos dentro de los ecosistemas 1.2.3. Procesos geoqumicos Actividad 3. Riesgo ambiental Actividad 4. El riesgo y su impacto ambiental 1.2.4. Balance de materia y energa Autoevaluacin Evidencia de aprendizaje. Ingeniera ambiental Autorreflexiones Cierre de la unidad Para saber ms Fuentes de consulta
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Propsitos
Al finalizar el curso podrs: Identificar la interrelacin entre las cadenas trficas con los ciclos biogeoqumicos. Determinar la importancia que tienen los ciclos biogeoqumicos para que los ecosistemas se conserven. Reconocer los efectos que el humano tiene sobre la naturaleza mediante la conceptualizacin del riesgo ambiental.
Competencia especfica
Identificar el alcance de la ingeniera ambiental para distinguir los procesos del entorno natural mediante los ciclos biogeoqumicos y los procesos geoqumicos.
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mediante la observacin, o bien, la experimentacin. Esta ciencia ambiental, abarca todos los campos de la naturaleza estudiando el ambiente natural y el ambiente creado por el hombre. Por otro lado, la ingeniera, aplica la ciencia ambiental y las matemticas para usar las propiedades de la materia y las fuentes de energa para crear estructuras, mquinas, productos, sistemas y procesos. Con base en estos dos conceptos se puede inferir lo que es la ingeniera ambiental, que se compone de la ciencia ambiental y la ingeniera. La ingeniera ambiental es una rama de la ingeniera que busca el manejo, conservacin y produccin de los recursos naturales. Sin embargo, es la Divisin de Ingeniera Ambiental de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE, por sus siglas en ingls) que publican una definicin para sta profesin, la cual se escribe a continuacin: La ingeniera ambiental hace un razonamiento y realiza la prctica tcnica para la solucin de problemas de saneamiento ambiental, en la provisin de abastecimientos pblicos de agua seguros, agradables y amplios; la disposicin adecuada o el reciclamiento de agua residual y residuos slidos; el alcantarillado adecuado en reas urbanas y rurales, para tener un saneamiento adecuado, y el control de la contaminacin de agua, suelo y atmsfera, as como del impacto social y ambiental de esas soluciones. Adems, se ocupa de problemas tcnicos en el campo de la salud pblica, como el control de enfermedades propagadas por artrpodos, la eliminacin de riesgos a la salud de origen industrial y la provisin de sanidad adecuada en reas urbanas, rurales y recreativas, as como el efecto de los avances tecnolgicos sobre el ambiente. (Mackenzie y Susan, 2004) La ciencia ambiental se enfoca entonces en tres objetivos principales: 1. Asegurar la provisin de suministros pblicos como el agua de una manera aceptable. 2. Manejo del agua residual y reciclado de residuos. 3. Control de la contaminacin en el agua, suelo y atmsfera.
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La vida responde a cambiosambientales por medio de ajustes de forma, tamao, color, simetra o comportamiento. Es decir, ante los cambios de salinidad, pH, humedad, tono de luz, niveles de presin y temperatura es que la unidad debe de desarrollar la capacidad de adaptarse por lo tanto, existe la diversidad. Al hablar de la vida sabemos que se va a perpetuar, es decir, va a existir una continuidad. Un ser vivo entonces, nace, vive, se reproduce y muere, preservando por medio de la reproduccin la vida. Los seres vivos son capaces de repararse a s mismos a menos que se exponga a fuerzas que excedan su capacidad de recuperacin. Por otro lado, en la vida los organismos, que se conforman de la unidad, se interrelacionan entre s, al hacer esto causan efectos unos a otros llamando a esto, en la ingeniera ambiental, mtodo de sistemas. Los sistemas ambientales son complejos, as que los ingenieros simplifican el sistema hasta que se pueda entender o tratar y que se comporte de similar a un sistema real, dando aproximaciones satisfactorias. Dentro del marco natural el hombre se encuentra en una jerarquizacin, propuesta por Odum (1972), para explicar la organizacin de la vida. Tambin llamado espectro biolgico donde existen niveles de organizacin de la vida, en el cual un nivel est representando a los elementos vivos o componentes biticos del ambiente, otro por la materia y la energa, representando a los no vivos o componentes abiticos del ambiente. En la siguiente figura se muestra el esquema propuesto por Odum (1972), en el primer nivel se representa a las clulas; el segundo nivel, en orden ascendente, se localizan los niveles de tejidos y rganos; despus est el nivel del organismo, en donde se est el hombre en su escala individual, posteriormente, siguen los niveles de poblacin y comunidad, siendo el nivel de poblacin donde el hombre se ubica como especie y en el nivel de comunidad se le considera como un elemento ms.
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Cuadro obtenido en Enkerlin et al. (1997). Es aqu donde podemos definir lo que es poblacin y comunidad. Entendindose que por poblacin a un conjunto o grupo de organismos o individuos que se entrecruzan produciendo descendencia frtil ycomunidad, el conjunto de poblaciones que habitan un espacio fsico determinado. sta ltima junto con la interaccin de los elementos no vivos del ambiente constituyen los sistemas ecolgicos, representando el nivel superior del espectro biolgico.
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Lago, intercambio de materia. La estructura de un ecosistema se constituye por elementos biticos y abiticos. Los primeros se clasifican en productores (plantas), consumidores (animales) y desintegradores (hongos y microorganismos). Tambin se pueden clasificar en auttrofos (plantas) y hetertrofos (animales, hongos y microorganismos). Por otro lado los elementos abiticos estn compuestos de sustancias inorgnicas como el carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, entre otras y de compuestos orgnicos como protenas, lpidos, carbohidratos, etc. Algunos autores consideran dentro de estos elementos la temperatura, humedad, luz y suelo. Se define hbitat como el espacio donde un grupo o poblacin de organismos residen, se reproducen y perpeta su existencia debido a que cumple con sus condiciones necesarias para ello.
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La imagen muestra un organismo en su hbitat. Un ecosistema es capaz de autorregularse, a esta capacidad se le llama homeostasis, cuyo significado es estado estable. O bien, se puede interpretar como el mantenimiento de la constancia y continuidad de sus funciones y su estructura. El ecosistema ms grande, la Tierra, se le conoce como exosfera y se compone de la bisfera, capa de vida en la Tierra y los componentes abiticoshidronsfera, litsfera y atmsfera. Agregando un componente por las acciones del hombre, la tecnsfera. Esto da pie a un ecosistema poco comn. Sin embargo existe un modelo que describe la importancia de los atributos ecolgicos que agregan el componente socioeconmico de los ecosistemas en que participa el hombre, observa el siguiente esquema, donde las flechas indican fuerzas de homeostasis o interaccin de impactos, segn su magnitud y naturaleza, pueden ser positivas o negativas. Dejando en claro que las actividades humanas impactan en las condiciones ecolgicas, provocando deterioro. Sabemos que no se pueden eliminar las actividades del hombre, pero s se pueden regular.
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Esquema del modelo del ecosistema que integra al hombre como un ser viviente y elemento ambiental con impacto sobre los atributos naturales del sistema. A pesar de que este modelo es muy integral, por el momento se tratar ms a fondo la parte natural.
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En otras palabras el equilibrio de los ecosistemas se mantiene cuando existe la homeostasia. En la conservacin de la homeostasia, existe la cadena trfica, que es la transferencia de energa por medio de los alimentos de una serie de organismos, cada organismo se alimenta del precedente y es alimento del siguiente. Esta cadena tambin se le conoce como cadena alimenticia. La cadena inicia en un vegetal, el cual se dice que es un productor (organismo auttrofo, fabrica su propio alimento) ste sintetiza sustancias orgnicas a partir de sustancias inorgnicas que toma del aire, del suelo y energa solar (fotosntesis) o bien, en algunos casos mediante sustancias y reacciones qumicas (quimiosintesis). El siguiente nivel en la cadena son los consumidores. Organismo que se alimenta del productor, ste ser el consumidor primario y el que se alimenta de ste, ser el consumidor secundario que debe ser un carnvoro. Existen carnvoros que devoran carnvoros como los zorros que devoran los bhos y los pjaros que comen insectos depredadores. Algunas especies, como el hombre, que comen tanto plantas como otros animales, se les llaman omnvoros. En el ltimo nivel de la cadena se encuentran los descomponedores o degradadores, microorganismos que actan sobre los organismos muertos, degradando la materia orgnica. Finalmente, con ayuda del ambiente, los microorganismos transforman nuevamente los nutrientes en materia orgnica o sustancias inorgnicas devolvindola al suelo (nitritos, nitratos y agua) y a la atmsfera (dixido de carbono). Aunque en ste nivel se engloba todos los procesos de descomposicin, la forma ms sencilla es la planteada.
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Finalmente, escribe una conclusin que sintetice tus ideas. Consulta la Rbrica general de foros que se encuentra en la seccin de Material de apoyo.
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rocas y suelos (como minerales de carbonato en la caliza). Su principal depsito son los ocanos con casi el 85% del total del planeta con el carbono disuelto como gas dixido de carbono. Los ocanos, adems contienen iones de carbonato y bicarbonato. La fotosntesis es el proceso impulsor del ciclo de carbono. Las plantas captan el dixido de carbono, disponible en el aire, y lo convierten en materia orgnica. Incluso, los compuestos de carbono orgnicos de los combustibles fsiles empezaron en la fotosntesis (como se muestra en la imagen del Ciclo del carbono). El dixido de carbono (CO2) almacenado en ellos se libera actualmente en los procesos de combustin. ste ciclo incluye la liberacin de dixido de carbono como resultado de la respiracin de los animales, los incendios, la difusin desde los ocanos, la precipitacin de minerales de carbonato y la desintegracin de las rocas.
Ciclo de carbono. La causa principal de la asimilacin del carbono inorgnico en formas orgnicas es la productividad primaria en los ocanos. Las concentraciones de CO2 varan con la profundidad. La fotosntesis, en aguas superficiales, es muy activa y es donde ocurre el consumo neto de gas. En aguas ms profundas es donde ocurre la produccin neta mediante los procesos de respiracin y descomposicin. La razn por la que el carbono se concentra ms en los ocanos se debe a que en ellos se capta el CO2 mucho ms lentamente que el ritmo con el que el CO2 de origen humano se acumula en la atmsfera. Adems cuando aumenta la cantidad de CO2 disuelta disminuye la capacidad qumica para captar ms CO2. sta est limitada por dos ciclos principales: las bombas de solubilidad y biolgica. La bomba de solubilidad es la fuerza neta con la que se realiza la disolucin de CO2 en el agua. Como las aguas polares son ms fras en la superficie que en capas profundas, la disolucin del CO2 es mayor en la superficie, por lo que su disolucin es de la atmsfera al agua. La
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diferencia de temperatura entre la superficie y las capas profundas del ocano se genera un desplazamiento de aguas fras hacia el fondo del mar arrastrando consigo CO2. Por otro lado, la bomba biolgica se compone del fitoplancton, el zooplancton y las bacterias, adems de sus depredadores. Ellos captan carbono, produciendo un ciclo de carbono y nutrientes que se encuentran presentes en las aguas ocenicas superficiales. Cuando estos organismos mueren se sedimentan en regiones profundas del ocano, llevando el CO2 a esas reas con la materia fecal de esos mismos seres vivos. As las profundidades se convierten en un depsito de CO2 que liberan el carbono mediante el mezclado del agua, se difunde por medio de la corriente que se genera con el cambio de temperatura y con ayuda del viento se lleva a la superficie. Se dice que este ciclo ha sido alterado por medio del consumo de combustibles fsiles, produccin a gran escala de ganado y la quema de bosques. Aunque no se ha llegado a una conclusin, se dice que, el aumento de CO2 a aumentado la temperatura global de la Tierra. Ciclo del nitrgeno El nitrgeno de los lagos usualmente est en la forma de nitratos ( ) y proviene de fuentes externas, por ejemplo, ros subterrneos o corrientes alimentadoras (mirar la imagen del ciclo del nitrgeno). Pasa por un ciclo del nitrato al nitrgeno orgnico, de ste al amoniaco y regresa al nitrato, esto solo es posible cuando el agua permanece en un estado aerbico. Sin embargo, en los sedimentos anaerbicos, donde la descomposicin de algas disminuye el aporte de oxgeno, las bacterias reducen el nitrato a gas nitrgeno (N2) y se pierde del sistema, a este proceso se le llama desnitrificacin. Reduciendo el tiempo en el que el nitrgeno permanece en el lago, sta tambin puede originar la formacin de (xido nitroso). Su reaccin se escribe:
2 NO3 carbonoorgnico N 2 CO2 H 2O
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Ciclo del nitrgeno. El nitrgeno es captado por las algas y organismos del fitoplancton, toman el nitrgeno, lo reducen qumicamente a compuestos de amino (NH2-R) y lo incorporan en compuestos orgnicos. Las algas muertas liberan el nitrgeno orgnico al agua en la forma amoniaco (NH3). Se libera un ion de las sustancias orgnicas ( ) adems, de los que provienen de los desechos industriales y la lixiviacin agrcola (como fertilizantes y abono); esto se oxida a nitrato ( ), por efecto de las bacterias nitrificantes en un proceso denominado nitrificacin:
4 NH 4 6O2 4 NO2 8 H 4 H 2O 4 NO2 2O2 4 NO3
La primera relacin es para las especies Nitrosomonas y la segunda para las Nitrobacter. La reaccin se escribe:
NH 4 2O2 NO3 2 H H 2O
Algunos microorganismos pueden fijar el gas nitrgeno de la atmsfera y convertirlo en nitrgeno orgnico. En el caso de los lagos, las bacterias fotosintticas llamadas cianobacterias,
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o algas verde-azules por sus colores, son la que realzan la funcin de fijadores de nitrgeno, tienen la ventaja sobre las algas verdes cuando las concentraciones de amonio son bajas, mientras que las de otros nutrientes abundan en grado suficiente. Tambin se pueden encontrar las azollas, nico helecho acutico fijador de nitrgeno, fuente valiosa de nitrgeno para fines agrcolas. Tambin los lquenes cumplen la misma funcin. La influencia de los seres humanos en ste ciclo se ha alterado por la manufactura y uso de fertilizantes industriales, el consumo de combustibles fsiles y la produccin de gran escala de cultivos fijadores de nitrgeno. Es por esto que ha aumentado la liberacin de nitrgeno biolgicamente utilizable del suelo y materia orgnica. Los efectos de la liberacin de este elemento son las lluvias cidas y la acidificacin de los lagos, hasta la corrosin de metales de construccin. Ciclo del fsforo Los seres vivos toman fsforo en su forma de fosfatos de la erosin de rocas. Es por eso que est presente en las cuentas, usualmente en forma del ortofosfato inorgnico dado que la roca mediante la meteorizacin se descompone y se liberan los fosfatos, pasan a los vegetales por medio del suelo y luego a los animales. Cuando stos excretan los descomponedores actan para producir de nuevo fosfatos. El papel que desempea el fsforo es vital. Es componente de los cidos nucleicos como el ADN, sustancias intermedias en la fotosntesis y en la respiracin celular. Adems, los tomos de fsforo proporcionan la base para la formacin de los enlaces de alto contenido de energa del ATP, tambin se encuentra en los huesos y los dientes de animales. Una parte de los fosfatos son arrastrados al mar, donde las algas, los peces y las aves marinas lo toman y producen guano, que se usa como abono en la agricultura, ya que libera gran cantidad de fosfatos. Por otro lado, los restos de algas, peces y restos de animales marinos dan lugar a rocas fosfatadas en el fondo del mar donde afloran por movimientos de la litosfera continental. En la descomposicin bacteriana de los restos de animales, el fsforo se libera en forma de ortofosfatos (H3PO4) que utilizan los vegetales verdes, formando as el fosfato orgnico (biomasa vegetal) y la lluvia, en ocasiones, trasporta este fosfato a los mantos acuferos o a los ocanos. En el caso del fsforo no forma compuestos voltiles que le permitan pasar de los ocanos a la atmsfera y retornar a tierra firme. Una vez en el mar, slo puede reciclarse mediante aves marinas que recogen el fsforo que pasa a travs de cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos; y por el levantamiento geolgico de los sedimentos del ocano hacia tierra firme, un proceso que se realiza muy lentamente.
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Finalmente, este elemento es un recurso sin reserva en la atmsfera, su extraccin es limitada por los yacimientos terrestres (mayoritariamente Marruecos) y su produccin mundial es similar a la petrolera. Por otro lado, las actividades humanas han originado la liberacin de fsforo proveniente de las aguas negras y de las operaciones de ganadera. Su aplicacin en fertilizantes tambin origina alteraciones del ciclo de este elemento.
Ciclo de fsforo
Ciclo de azufre Este elemento forma parte de las protenas. Como en el ciclo del nitrgeno, los microorganismos juegan un papel importante en su ciclo. Las bacterias ayudan a la oxidacin de minerales que contienen pirita, liberando gran cantidad de sulfato. Las plantas y otros productores primarios lo obtienen principalmente en su forma de ion sulfato (SO4-2). Los organismos que lo ingieren en las plantas lo incorporan a las molculas en protena y, as pasa a los organismos del nivel trfico superior. Al morir los organismos, el azufre derivado de las protenas que contena entra al ciclo del azufre y se transforma para que las plantas vuelvan a usarlos como ion sulfato (Ver la imagen del ciclo del azufre). El azufre se encuentra almacenado en sedimentos ocenicos y su intercambio es en su forma de dixido de azufre (SO2) que se realiza en las comunidades acuticas por medio de los sedimentos mencionados y las rocas. Mientras que el cambio se realiza con las comunidades terrestres por medio de la atmsfera. El SO2 atmosfrico se disuelve en el agua de lluvia o se deposita en forma de vapor seco.
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Estos procesos se realizan en: hidrosfera, atmsfera, bisfera y gesfera, utilizando la transformacin de minerales y rocas que conforman la corteza terrestre. Hidrosfera La hidrosfera es un sistema constituido por el agua. La Tierra es el nico planeta en nuestro Sistema Solar en el que el agua se encuentra presente de manera continua, cubriendo el 71% de su superficie. La masa total de la hidrosfera es de aproximadamente 1,41021 kg que se reparte en componentes masivos que son: Glaciares. Cubren parte de la superficie continental, sobre todo los dos casquetes glaciares de Groenlandia y la Antrtida. Sin embargo, tambin abarcan los glaciares de montaa y volcn, en todas latitudes, ambos de menor extensin y espesor. Escorrenta superficial. Sistema dinmico formado por ros y lagos. Agua subterrnea. Como dice el nombre son subterrneas que se encuentra embebida en rocas porosas de manera ms o menos universal. Atmsfera. Se encuentra en forma de nubes. Biosfera. Se encuentra formando parte de plantas, animales y seres humanos.
El agua en la superficie terrestre es el resultado de la desgasificacin del manto terrestre, que se compone de rocas que contienen cierta cantidad de sustancias voltiles, donde el agua es la ms importante. Esta se escapa del manto a travs de procesos volcnicos e hidrotermales y la recupera gracias a la subduccin. En los niveles superiores de la atmsfera la radiacin solar provoca la fotlisis del agua, rompimiento de sus molculas, dando lugar a la produccin de hidrgeno (H) que dado a su bajo peso atmico termina por perderse en el espacio. Existen cambios de estado y de transporte que permite al agua formar el ciclo hidrolgico o ciclo del agua. Ciclo del agua o ciclo hidrolgico El ciclo del agua es la circulacin y conservacin del agua y donde se presentan los tres estados del agua: slido (hielo, nieve), lquido y gas (vapor de agua). Los ocanos, ros, nubes y lluvia estn en constante cambio: el agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra en la tierra, etc. Sin embargo, la cantidad total de agua en el planeta se conserva. El ciclo hidrolgico comienza con la evaporacin del agua desde la superficie del ocano. A medida que se eleva a la atmsfera, el aire se va humedeciendo y se enfra transformando el vapor en agua, llamado proceso de condensacin. A la conjuncin de las gotas se le llama nube. Luego por peso caen
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o se precipitan. El estado en el que caen va a depender de la temperatura, si en la atmsfera hace mucho fro, el agua caer como nieve o granizo. En cambio, si es ms clida, caern gotas de lluvia. Los seres vivos aprovecharn una parte del agua que llega a la superficie terrestre y otra escurrir por el terreno hasta llegar a un ro, lago u ocano, fenmeno llamado escorrenta. Por otro lado, un porcentaje del agua se filtrar a travs del suelo, formando capas de agua subterrnea, conocidas como acuferos a este proceso se le llama percolacin. Tarde o temprano, toda esta agua volver nuevamente a la atmsfera, debido principalmente a la evaporacin. Fases del ciclo del agua El ciclo hidrolgico interacta constantemente con el ecosistema debido a que los seres vivos dependen de este elemento para sobrevivir y a su vez ayudan al funcionamiento del mismo. Por otro lado, este ciclo presenta cierta dependencia de una atmsfera poco contaminada y de un cierto grado de pureza del agua para su desarrollo convencional, ya que el ciclo podra entorpecerse por el cambio en los tiempos de evaporacin, condensacin, etc. Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: 1. Evaporacin. El agua transfiere a la atmsfera por este proceso. Aqu el agua lquida se transforma en vapor. Se evapora en la superficie ocenica, sobre la superficie terrestre. Tambin en los organismos, por medio del fenmeno de transpiracin en el caso de las plantas y sudoracin en el caso de los animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10% al agua que se incorpora a la atmsfera. Es frecuente no poder distinguir ente la vaporizacin y la transpiracin, es por ello, que se tiene el trmino de evapotranspiracin para referirse a las prdidas de agua combinadas por transpiracin y evaporacin. 2. Condensacin. El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeas gotas. Dentro de este fenmeno se puede considerar la solidificacin que ocurre cuando la temperatura disminuye en el interior de una nube por debajo de 0 C, el vapor de agua o el agua misma se congelan, precipitndose, posteriormente en forma de nieve o granizo, siendo la principal diferencia entre los dos conceptos que en el caso de la nieve se trata de una solidificacin del agua de la nube que se presenta por lo general a baja altura: al irse congelando la humedad y las pequeas gotas de agua de la nube, se forman copos de nieve, cristales de hielo polimrficos (es decir, que adoptan numerosas formas visibles al microscopio), mientras que en el caso del granizo, es el ascenso rpido de las gotas de agua que forman una nube lo que da origen a la formacin de hielo, el cual va formando el granizo y aumentando de tamao con ese ascenso. Cuando sobre la superficie del mar se
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produce una tromba marina (especie de tornado que se produce sobre la superficie del mar cuando est muy caldeada por el sol) este hielo se origina en el ascenso de agua por adherencia del vapor y agua al ncleo congelado de las grandes gotas de agua. 3. Precipitacin. Esto ocurre cuando las gotas de agua que conforman las nubes se enfran unindose gota por gota hasta formar gotas mayores que terminan por precipitarse, por efecto fsico de aceleracin gravitacional, a la superficie terrestre en razn a su mayor peso. La precipitacin puede ser slida (nieve o granizo) o bien lquida (lluvia). 4. Infiltracin. Este fenmeno ocurre cuando el agua llega al suelo y penetra a travs de sus poros y pasa a ser subterrnea. La proporcin de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrenta) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. Parte de sta agua infiltrada vuelve a la atmsfera por evaporacin o por la transpiracin de las plantas, que la extraen con sus races extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuferos, estructuras naturales que contienen agua estancada o circulante, aqu parte del agua alcanza la superficie por las circunstancias topogrficas e intersectan (es decir, cortan) la superficie del terreno. 5. Escorrenta. Medios por los que el agua lquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas secos, incluidos la mayora de los llamados desrticos, la escorrenta es el principal agente geolgico de erosin y de transporte de sedimentos. 6. Circulacin subterrnea. Gracias a la fuerza gravitacional se produce este fenmeno, como la escorrenta superficial, de la que se puede considerar una versin. Presenta dos modalidades: Se da en zona vadosa, especialmente en rocas karstificadas, como son a menudo las calizas, y es una circulacin siempre pendiente abajo. Ocurre en los acuferos en forma de agua intersticial que llena los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por fenmenos en los que intervienen la presin y la capilaridad.
7. Fusin. Cambio de estado que se produce cuando la nieve pasa a estado lquido al producirse el deshielo. 8. Evaporacin. El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente, por lo que nunca se termina, ni se agota el agua. El movimiento del agua es muy complejo. Sin embargo, se present una visin simplista para poder incluso elaborar clculos relacionados con el estudio del agua. Por ejemplo, se puede hablar del problema de almacenamiento, que es la cantidad de volumen de agua que el lago
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gana o pierde en un periodo dado. Se define una ecuacin de balance de masas para un lago. En este caso la sustancia a tratar es el agua, y el sistema es, el lago. Por lo que la ecuacin de balance de masas es: Tasa de acumulacin de masa = entrada de masa salida de masa O bien Tasa de acumulacin de masa =
Qsal E ET I sal ) agua (Qent P R I ent
Donde Qent = tasa de flujo de las corrientes que llegan al lago (vol.* tiempo-1) P = tasa de precipitacin (vol.* tiempo-1) R = tasa de escurrimiento (vol.* tiempo-1) I ent = tasa de filtracin hacia el lago (vol.* tiempo-1) E = tasa de evaporacin de cuerpos de agua, como los lagos, ros y estanques (vol.* tiempo-1)
agua
Ciclo hidrolgico
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Atmsfera La atmsfera es la capa ms externa y menos densa de la Tierra. Est constituida por gases que varan en cantidad dependiendo de la presin a diversas alturas. Esta mezcla de gases que conforma la atmsfera es el aire. En los primeros 11 km de altura, desde la superficie del mar, se encuentra el 75% de masa atmosfrica. Se compone principalmente de oxgeno (21%) y el nitrgeno (78%). La atmsfera y la hidrosfera constituyen el sistema cerrado que evita las temperaturas extremas de noche y de da. Son capas fluidas superficiales del planeta, cuyos movimientos dinmicos estn estrechamente relacionados. Adems, las corrientes de aire reducen drsticamente las diferencias de temperatura entre el da y la noche, distribuyendo el calor por toda la superficie del planeta. La atmsfera protege la vida sobre la Tierra porque absorbe gran parte de la radiacin solar ultravioleta en la capa de ozono. Adems, acta como escudo protector de meteoritos, los cuales se convierten en polvo a causa de la friccin que sufren al hacer contacto con el aire. La vida, durante millones de aos, ha transformado la composicin de la atmsfera. Por ejemplo; la cantidad de oxgeno libre en la atmsfera es posible gracias a las formas de vida, como son las plantas, que convierten el dixido de carbono en oxgeno (regresa al ciclo de carbono) el cual, a su vez, es respirable por las dems formas de vida, tales como los seres humanos y los animales en general. Biosfera La biosfera es el sistema formado por el conjunto de los seres vivos propios del planeta Tierra, se distribuye cerca de la superficie de la misma, junto con el medio fsico que les rodea y que ellos contribuyen a conformar. Tambin se habla de biosfera al referirse al espacio dentro del cual se desarrolla la vida. Tambin se dice que es el ecosistema global. Al mismo concepto nos referimos con otros trminos, que pueden considerarse sinnimos, como ecosfera o biogeosfera. En todos los casos es una creacin colectiva de una variedad de organismos y especies que interactan entre s y forman la diversidad de los ecosistemas. Tiene propiedades que permiten controlar, dentro de unos lmites, su propio estado y evolucin. Gesfera Es la capa de la Tierra de estructura rocosa que sirve de soporte para los dems sistemas terrestres como la bisfera y la atmsfera, stos situados en la parte superficial de la capa.
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Se constituye de las siguientes zonas: Corteza. Capa superior llamada tambin Litsfera u Oxsfera (porque se considera una esfera de oxgeno). Es en esta capa donde vive el hombre y realiza sus actividades como la agricultura o minera. Manto. Capa intermedia, se ubica entre la corteza y el ncleo. Conocida tambin como Mesosfera, est conformada por rocas en estado semislido el lquido, debido a las altas temperaturas. Tiene un espesor de 2850 km y se compone principalmente de magnesio, silicio y hierro. Representa el 82% del volumen de la Gesfera. Se divide en dos subcapas: Pirosfera. Es donde se encuentra el fondo de los volcanes. Astenosfera. Es donde se encuentra el magma formando corrientes convectivas (magma en movimiento) sobre la cual flotan y se mueven las placas tectnicas.
Ncleo. Capa ms profunda, tambin conocida como Nife porque se conforma de Nquel y Hierro. Existen altas presiones y temperaturas en ella, temperaturas de 6000 C aproximadamente. Es lo que se conoce como el centro de la Tierra y posee un grosor de 3470 km. Se divide en dos subcapas: Ncleo externo: se encuentra en estado lquido. Ncleo interno: se encuentra en estado slido, debido a las presiones altas que se experimentan en la zona.
Capas de la Tierra
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Acumulacin = entrada salida Donde la acumulacin es lo que entra y sale del sistema. Entendiendo, como sistema, un ecosistema: un tanque, un ro, etc. Al usar ste mtodo, se comienza trazando un diagrama de flujo del proceso, o un diagrama conceptual del subsistema ambiental. En el diagrama se debe indicar las entradas, salidas y acumulaciones en las mismas unidades. Las fronteras se trazan de tal manera que los clculos se simplifiquen lo ms que se pueda. Este sistema, dentro de las fronteras, se le denomina volumen de control (Mackenzie y Susan, 2004). Ejemplo: Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composicin de los humos en % base seca. Hay que seguir un mtodo sencillo para realizar el problema. Paso 1. Interpretar adecuadamente el enunciado del problema. El metano es un gas a temperatura ambiente, si se quema con aire suficiente se convierte en CO2 y H2O. En la salida que sern los humos aparecer por lo tanto CO2, H2O, N2 y O2 por haber aire excedente. No aparecer el metano CH4 porque la reaccin con aire suficiente se considera completa. El exceso se supone siempre sobre la cantidad estequiomtrica. Paso 2. Dibujar un diagrama de flujo. Paso 3. Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos. Paso 4. Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operacin. Se dibuja el diagrama colocando datos y reacciones:
Paso 5. Seleccionar una base sencilla para los clculos. Paso 6. Inspeccionar de nuevo el diagrama y leer de nuevo el enunciado.La base ms cmoda de clculo est en el enunciado y es 1 Kmol de CH4.
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Paso 7. Desarrollar un balance de materias parcial o total. Existe una condicin particular que liga el oxgeno estequiomtrico con el aire total que entra (exceso del 20%): Oxgeno estequiomtrico: 2 Kmol ya que la reaccin requiere 2 moles de oxgeno por mol de metano. Aire necesario de entrada: 21,2/0,21 Kmol. Resulta cmodo calcular el oxgeno que sale por diferencia entre el que entra y el que ha reaccionado: O2 a la salida Kmol = 21,2 - 2 = 0,4 Kmol. Balance de Carbono Balance de Nitrgeno Balance de Hidrgeno A la entrada: CH4 : 1 Kmol = CO2 a la salida. Por lo tanto CO2 = 1 Kmol. A la entrada 2 1,20,79/0,21 Kmol = N2 a la salida. A la entrada (1Kmol CH4) 4 = H2O 2 en salida H2O = 2 Kmol en la salida, aunque al pedir la composicin en base seca no es necesaria.
Paso 8. Resolucin del sistema de ecuaciones. La composicin molar queda: CO2: 1100/(0,4 + 1 + 9,02) = 9,59 % N2: 9,02100/(0,4 + 1 + 9,02) = 86,57 % O2: 0,4100/(0,4 + 1 + 9,02) = 3,84 % Paso 9. Comprobar que la solucin es lgica y no hay errores. Comprobacin: Masa a la entrada: 1 Kmol CH4 16 + 2,4 Kmol O2 32 + 2,4 0,79/0,21 Kmol N2 28 = 345,6 Kg. Masa a la salida: 1 Kmol CO2 44 + 2,4 0,79/0,21 Kmol N2 28 + 0,4 Kmol O2 32 + 2 Kmol H2O 18 = 345,6 Kg Por lo tanto, el resultado es correcto. Hay ocasiones donde el tiempo es un factor importante con el fin de disear una solucin. Para estos casos se tiene la ecuacin: Tasa de acumulacin = tasa de entrada tasa de salida Donde la tasa indica unidad de tiempo. Por lo que se puede escribir una expresin en la notacin diferencial de la siguiente manera:
dM d (ent ) d ( sal ) dt dt dt
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Donde M es la masa acumulada y (ent) y (sal) son la masa que entra y la masa que sale, respectivamente. Esto se debe de definir en un intervalo de tiempo. Ejemplo: Patricia llena su tina de bao, pero olvid poner el tapn. Si el volumen de la tina es 0.350 m3 y de la llave salen 1.32 L*min -1, y por el fondo salen 0.32 L*min-1, cunto tiempo tardar en llenarse la tina? Si Paty cierra el agua cuando la tina est llena, cunta agua habr desperdiciado? Supn que la densidad del agua es 1000 kg*m-3. Se realiza el diagrama del balance de masa:
Se convierten los volmenes en masas. Para hacerlo se aplica, en este caso, la densidad del agua. Masa = (volumen)(masa)=acumulacin() Donde Volumen = (tasa de flujo)(tiempo)= Q(t) Entonces para la ecuacin del balance de materia, sabemos que 1.0m3=1000L, por lo que 0.350 m3=350L Acumulacin = masa que entra masa que sale Acumulacin=1.32t-0.32t 350L = (1.00 L*min-1)(t) Por lo que t=350 min Ahora obtenemos la cantidad de agua desperdiciada que es:
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Agua desperdiciada = (0.32 L*min-1)(350min)=112L Balance de energa Cuando hablamos de energa nos referimos a la primera ley de la termodinmica. En ella, la energa es la capacidad para efectuar trabajo. Se dice que una fuerza realiza trabajo sobre un cuerpo cuando la ejerce en una cierta distancia. El Joule es la fuerza que se define como Newton entre la distancia recorrida. Mientras que la potencia es la rapidez o tasa con que se efecta el trabajo. Con estos fenmenos se caracteriza la primera ley de la termodinmica que se expresa como sigue:
QH U 2 U1 W
Donde
H U PV
Donde H= entalpa (en kJ) U= energa interna (o energa trmica)(en kJ) P= presin (en kPa)
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cv
Por otro lado si hay un cambio de fase sin un cambio de presin, la entalpa se define como: H Mc p T Donde H = es el cambio en la entalpa cp =calor especfico a presin constante En el caso de los slidos y lquidos se considera
c p cv
y que H U
La energa al igual que la masa se puede balancear de la siguiente manera: Prdida de la entalpa de un cuerpo caliente= ganancia de entalpa de un cuerpo fro. Ejemplo: Unas ciruelas se sumergen en agua hirviendo (100C) para quitarles la piel (a este proceso se le llama blanqueado de conservas) antes de enlatarlas. El agua que sobra de este proceso tiene alta concentracin de materia orgnica, por lo que hay que tratarla antes de tirarla. Este proceso es biolgico y se efecta a 20C. Antes de desechar el agua se debe enfriar a 20C. En un tanque de concreto se vaca 40 m3 de agua residual y se deja enfriar. Suponiendo que no existen prdidas hacia el exterior, la masa del tanque es de 42000 kg y su calor especfico vale 0.93 kJ*kg-1*K-1, cul es la temperatura de equilibrio del tanque de concreto con el agua residual? La densidad del agua es 1000kg* m3. La prdida de entalpa del agua que est hirviendo es:
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Ahora si se considera un sistema abierto se tiene la ecuacin de balance de energa ms completa. Cambio neto de energa= energa de la masa que entra en el sistema energa de la masa que sale del sistema + Flujo de energa hacia o desde el sistema. El flujo de energa puede realizarse por medio de la conduccin, la conveccin o la radiacin. Conduccin es la transferencia de calor por medio de un material por difusin molecular debido a un gradiente en la temperatura. Conveccin es la transferencia de calor por medio del movimiento de un fluido en gran escala, como por ejemplo el viento que sopla. Radiacin es la transferencia de calor donde el transporte de energa se realiza por medio de la radiacin electromagntica. Implica que un objeto tiene que absorber la energa radiante y que el mismo objeto radie energa. Aqu, el cambio de la entalpa es la energa que se absorbe menos la que se emite.
Como vers stos procesos fsicos los puedes observar en la naturaleza y se utilizan para estudiarlos y modelar la realidad para estimar lo que se puede tener. Sin embargo, por el momento se queda hasta aqu tu aprendizaje. En el avance de tu carrera podrs aplicar especficamente stos conocimientos.
Autoevaluacin
Llego el momento de resolver el ejercicio de Autoevaluacin que se encuentra en la seccin de la unidad 1, el cul te servir para identificar los conocimientos adquiridos y aquellos temas que necesitas repasar. Adelante!
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Unidad 1. Introduccin a la ingeniera ambiental
Es posible que las poblaciones de las dos especies permanezcan aproximadamente iguales si empezamos con nmeros iguales de cada una de ellas y luego dejamos que el sistema funcione por s mismo? Cabra esperar que la proporcin de la poblacin final fuera diferente si empezramos con un nmero doble de antlopes? Con un nmero doble de leones?
2. Identifica el ecosistema que se desarrollara, los ciclos bioqumicos involucrados y en caso de que no fuera aislada la reserva, qu impacto ambiental tendra? 3. Guarda tu reporte como IAM_U1_EA_XXYZ. 4. Consulta la Escala de evaluacin que se encuentra en el aula. 5. Enva tu trabajo a tu Facilitador y espera su retroalimentacin, de ser necesario realiza las modificaciones que te sugiera y vuelve a enviar tu documento. Recuerda que tu archivo no debe de exceder los 4 MB.
Autorreflexiones
Para finalizar con el estudio de la unidad, recuerda entregar tu Autorreflexin de las preguntas que te proporciona tu Facilitador(a) en el foro, tal como se comento en la seccin de Informacin general de la asignatura en el tema de Evaluacin.
Cierre de la unidad
En esta unidad aprendiste lo que se estudia en la ciencia ambiental y tambin a interpretar estos conocimientos. El panorama general que se te present en esta unidad te ayudar a interpretar lo que viene en las unidades posteriores. Has aprendido a situarte como parte del ecosistema para hacer un adecuado manejo de los recursos, que es lo que viene en la siguiente unidad. Sigue adelante!
Para saber ms
Si quieres aprender ms sobre aplicaciones de la ingeniera ambiental te recomendamos que veas la pgina de Addlink donde hallars software cientfico. Para reforzar tus conocimientos de balances de energa puedes verificar los siguientes libros:
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Unidad 1. Introduccin a la ingeniera ambiental
Himmelblau, D.M. (1997).Principios y clculos bsicos de ingeniera qumica.Mxico: Prentice Hall. Felder R.M.; Rousseau, R.W. (1991).Principios elementales de los procesos qumicos. Delaware: Addison-Wesley.
Fuentes de consulta
Mackenzie, L. D., Susan, J. M. (2004).Ingeniera y ciencias ambientales.Mxico: McGraw Hill Interamericana. Enkerlin, E.,C., Cano, G., Garza, R., A., Vogel, E. (1997). Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. Mxico: International Thompson. Turk, T., W. (2006). Ecologa contaminacin medio ambiente. Mxico: Mc Graw Hill Internacional.
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