Principiul conservarii energiei in probleme de mediu

1. Concepte fundamentale privind energia

Prima lege a termodinamicii arata ca energia poate fi transformata dintr-o forma in alta, dar niciodata creata sau distrusa. Astfel, cand o schimbare de orice fel are loc intr-un sistem inchis, are loc o crestere sau o scadere a energiei interne, caldura este emisa sau absorbita si este efectuat un lucru mecanic. Deci

, unde:

variatia energiei interne;

- caldura absorbita;

- lucrul mecanic efectuat.

In stiinta mediului se are in vedere energia incidenta a soarelui pe unitate de arie in ecosistem si eficienta cu care aceasta energie este convertita de catre organisme in alte forme. Conform legii enuntate, transformarea energiei solare in energie chimica de catre plante se face dupa ecuatia:

In cazul animalelor ierbivore balanta de energie este:

Legea a doua a termodinamicii precizeaza ca procesele care implica transformari de energie nu au loc fara o degradare a energiei dintr-o forma in alta. Ca exemplu, in fig1.32. se da cresterea ierburilor perene absorbind energie solara(J/m² an).

	Fig.1.32.

Legea a doua a termodinamicii explica de ce ecosistemul poate mentine organizare si ordine. Sistemul tinde spontan in directia cresterii dezordinii (aleatorie). Daca se considera sistemul ecologic, atunci se intelege ca ordinea (entropia negativa) poate fi produsa in ecosistem daca mai multa dezordine (entropie) este produsa. In ecosistem, raportul dintre energia totala emisa si biomasa este o functie de ordin termodinamic pentru sisteme omogene. Fara energie solara, in ecosistem nu ar exista un ciclu al elementelor. Din punct de vedere fizic criza de mediu este o criza de entropie, deoarece poluarea produce dezordinea. Entropia creste prin distribuirea poluantilor.

2. Folosirea energiei si resurse de energie

Omenirea are nevoie de 9.000kJ/zi pentru supravietuire, dar in tarile dezvoltate se consuma 900.000kJ/zi, adica de 1.000 ori mai mult decat in tarile sarace, fig.1.33.

	Fig.1.33.

Prapastia intre tarile dezvoltate si cele subdezvoltate este evidentiata in fig. 3.2. unde se prezinta consumul in tone de carbune echivalent pe cap de locuitor (surse ONU). Dar sursele de energie sunt inca in mod ineficient folosite si cresterea eficientei este o cale de a recupera energia. In prezent avem o criza datorita lipsei de energie, care face o criza de alimente (hrana) deoarece 40% din populatia globului nu are cantitatea minima de hrana. Rezulta ca perfectionarea tehnologiilor ofera rezerve de energie. Ca exemplu, se prezinta eficienta (%) a unor sisteme de conversie.

3. Productivitatea

Productivitatea este definita ca fiind raportul cantitate pe ha in agricultura si difera in functie de consumul de energie si fertilizatori. In tabel se da productia in kg/ha pentru unele culturi, comparativ cu alte tari:

Kg	Grau	Porumb	Cartofi	Soia
SUA
India
Media pe glob

Deoarece populatia creste mult mai rapid in tarile subdezvoltate, nu este posibil sa se mentina constant un minim de hrana, chiar cel existent astazi si care este insuficient, pe cap de locuitor.

4. Energia in ecosisteme

Modelul fluxului de energie in ecologie este prezentat in fig. 1.34:

Fig. 1.34

Fluxul de energie poate fi reprezentat si piramidal, ca de exemplu pentru mari si oceane ca in fig. 1.35.

Fig1.35

Fluxurile de energie in ecologie sunt de mare importanta, deoarece aprecierea eficientei unui sistem se face dupa criterii energetice.

In practica s-a demonstrat ca eficienta organismelor vii este cu atat mai mare cu cat suprafata de contact cu mediul raportata la greutate este mai mare. Ca exemplu, in fig. 1.36. se da viteza de eliminare a cadmiului (Cd) in functie de lungimea diferitelor organisme. De asemenea in fig. 1.37. se da la scara logaritmica dependenta timpului de injumatatire a concentratiei de DDT pentru organisme de diferite greutati.

Fig1.37 Fig1.36

Pentru ecosistemul terestru balanta totala de energie este:

Radiatia neta este definita de radiatia pe unde scurte si lungi. Ca exemplu al eficientei activitatii umane in agricultura, in fig. 3.6' se da o diagrama a consumului de  energie in agricultura, cifrele fiind in kcal/m²zi.

Fig.1.38.

5. Consumul de energie si balanta globala de energie

Scenariul privind consumul global de energie pentru 2030 arata ca acesta va fi de 4.4 ori mai mare decat in prezent, adica de 35 TW. Rezervele disponibile de energie fosila sunt date in fig.1.39

Fig.1.39.

Printre alte resurse neconventionale sunt incluse gazele din industrie, etc. Folosirea carbunelui fosil inseamna oxidarea carbunelui sau a hibridelor de carbon, ce produc bioxid de carbon, conform reactiilor.

Dar rezultatul, CO₂,   influenteaza climatul, deoarece este estimat un volum de CO₂ de 52*10¹⁵ mol CO₂. Aceasta tendinta va putea provoca drastice schimbari in climatul regional daca nu se va schimba situatia. Mai mult CO₂ inseamna ca va creste absorbtia radiatiilor cu lungime de unda lunga, ceea ce va duce la cresterea temperaturii, adica asa numitul efect de sera, cu consecinte extrem de grave.

6. Bugetul de energie al plantelor si animalelor

Orice animal este dependent de clima prin fluxul de energie incidenta: animalele cu sange cald (homeotermice) necesita o temperatura aproximativ constanta a corpului, in timp ce animalele cu sange rece (porikilotermice) pot avea o temperatura a corpului in limite mari. Caldura metabolica este generata din consumul de hrana si din energia aditionala de la radiatii incidente: soare, mediu, etc. Balanta de energie pentru un animal este, la suprafata:

Pentru plante este important de studiat caile pentru ca acestea sa primeasca (in emisfera nordica) mai multa caldura de la soare. De exemplu, plasand plantele pe pante artificiale, fig.1.39., atunci variatia temperaturii pe parcursul unei zile este prezentata in fig.1.40.

Fig.1.39.

Curba 1, fig.1.40., va fi pentru panta cu fata la sud (catre soare), iar curba 2 pentru panta cu fata la nord. In acelasi scop, de a schimba curba de variatie a temperaturii pe durata a 24h la plante se folosesc si alte metode: umbrire pe vreme calduroasa, masini de vant, arderea de combustibili fosili, irigatii, stropire cu apa rece, cabluri de incalzire a solului, etc.

Concluzia este ca omul, prin poluantii industriali, influenteaza negativ curba de temperatura pe parcursul a 24 de ore si trebuie gasite metode pentru corectia acesteia.

Fig.1.40