1. principios generales de la termodinámica




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INTRODUCCIÓN



La termodinámica es la parte de las ciencias físicas que estudia la energía. Obviamente, todo proceso en la naturaleza ocurre por alguna intervención energética. La planta no es ajena a esta circunstancia, por lo cual el estudio del movimiento del agua a través de su sistema vascular debe hacerse a partir de las leyes termodinámicas. De este modo se logra una mayor comprensión de los complejos procesos que regulan el movimiento del agua desde el suelo hasta la atmósfera y su efecto sobre la producción en las plantaciones. Para los países que se encuentran geográficamente localizados en zonas alrededor de la línea Ecuatorial, esto es los países tropicales, un análisis bajo un modelo termodinámico dejará descubrir las ventajas comparativas de producir en estas condiciones dada la mayor incidencia de radiación solar durante el año, pero también permitirá intuir la necesidad de profundizar en una investigación propia, de tal manera que cada vez sea más claro que los modelos de producción en los países templados son diferentes a los tropicales y las ventajas de unos y otros solo estarán en la capacidad de aprovechar tales diferencias.

1. PRINCIPIOS GENERALES DE LA TERMODINÁMICA



La energía puede existir en numerosas formas, tales como: térmica, mecánica, cinética, eléctrica, magnética, química y nuclear, y su suma corresponde a la energía total de un sistema. Sin embargo, a la termodinámica no le interesa el estudio de la energía total, sino la de sus variaciones. Por otra parte, la materialización de dichos cambios se realiza a través de los límites de un volumen de control o sistema, el cual debe ser previamente definido y caracterizado.
Los sistemas se clasifican como: aislados, si no existe intercambio de energía o de materia que traspase los límites que definen las fronteras del sistema; cerrados, en el caso que exista un intercambio de energía con sus alrededores; y abierto, cuando el intercambio en la frontera es tanto de masa como de energía. Para el caso de los temas que se tratarán en este documento, interesan los sistemas cerrados, porque la teoría sobre las relaciones hídricas en el suelo, la planta y la atmósfera que hasta el momento presenta la literatura así se consideran

.

El estado termodinámico de un sistema se define por sus propiedades termodinámicas. Las propiedades del sistema suelo-planta-atmósfera son temperatura, volumen, presión, composición y entropía. Por lo tanto el estado termodinámico del sistema queda definido por los valores de todas o algunas de sus propiedades.

Se denominan propiedades extensivas aquellas que dependen del tamaño de la muestra, en tanto que las intensivas tienen el valor independiente del tamaño. Son ejemplo de ellas, el volumen y la entropía para las primeras, y la temperatura y la presión para las segundas. De otro lado, se consideran funciones de estado aquellas propiedades que dependen solo del estado inicial y final, para nada interviene la forma o ruta del proceso para alcanzar el estado final o su vía contraria.
La energía se transfiere de un sistema a otro solo por tres medios: calor, trabajo y masa. Para la termodinámica el calor se transfiere como acción de la variación de temperatura y sus mecanismos son por radiación, conducción y convección (estos dos últimos mecanismos son los que se utilizan para explicar el movimiento del agua en las plantas); el trabajo se realiza cuando una fuerza actúa a lo largo de una distancia, y para el caso específico de las relaciones hídricas en las plantas se da por la variación del volumen y la presión en la célula; en tanto que la variación de la masa, es el otro mecanismo para transferir energía, el cual se presenta durante la transpiración y la gutación.

2. LA TERMODINÁMICA DEL MOVIMIENTO DEL AGUA DESDE EL SUELO HASTA LA ATMÓSFERA A TRAVÉS DE LAS PLANTAS

2.1. Entalpía (H) y Primera Ley de la termodinámica

La Primera Ley de la termodinámica establece que: En todos los cambios físicos y químicos, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.

En otros términos, la primera ley pone límites importantes sobre el movimiento del agua en la planta porque son solo las transformaciones posibles de la energía las que deciden la disponibilidad del agua en los puntos de demanda.
El estudio de las relaciones hídricas1 a través de las transformaciones de la energía han tenido la mayor aceptación por parte de los investigadores y teóricos del asunto, se basa en la termodinámica del equilibrio en sistemas cerrados. De este modo se determina si un proceso ocurrirá o no, porque proporciona la información acerca del nivel de energía del sistema en algún estado inicial (antes de que ocurra el proceso) y en uno final (después de ocurrido el proceso). Si el estado final tiene menor nivel de energía que el inicial, entonces el proceso es factible desde un punto de vista energético y puede ser espontáneo (esto es, libera más energía de la que absorbe). Nótese que la termodinámica del equilibrio2 nada dice acerca de la rapidez con que ocurrirá un proceso, sólo si puede ser espontáneo o no.

Una medida de la energía asociada a un estado en particular del sistema es la entalpía (H):

Donde: H = entalpía; U = energía interna3; p = presión; V = volumen; al producto PV se le llama producto presión-volumen.
Por otro lado, la termodinámica establece que todo el calor que puede ser transferido por un sistema cerrado y en equilibrio, está representado por la ecuación [2], así:

Donde: Q = calor transferido4; U = energía interna; P = presión; V = volumen.
En tanto que para procesos reversibles en sistemas cerrados se cumple que:

Donde: Q = calor transferido; ∆S = variación de la entropía; T = Temperatura en °kelvin.
Es imposible cuantificar la energía interna absoluta de una sustancia, por lo tanto no es posible calcular su entalpía absoluta. Pero se pueden cuantificar las diferencias en entalpía (ΔH) entre dos estados si se mide el calor liberado o ganado por el sistema al moverse de un estado a otro. Los procesos que liberan calor se conocen como exotérmicos y ocurren cuando van de una entalpía superior a una menor; tienen un cambio negativo en entalpía (-ΔH). Los procesos que obtienen calor de los alrededores se llaman endotérmicos. Se presentan cuando el sistema pasa de una entalpía menor a una mayor, por lo que tienen un cambio positivo en entalpía (ΔH).
Como la entalpía es una medida de la energía, los procesos con -ΔH, deben ser espontáneo, ya que van de un estado energético mayor a uno menor (la energía sobrante se libera como calor), pero algunos procesos espontáneos tienen +ΔH. Al pasar de una entalpía menor a una mayor, extraen calor de los alrededores. Debe haber algo, además de la entalpía, que contribuya al estado energético total del sistema. Este algo es la entropía (S).


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