INSTITUTO DE EDUCACIN SUPERIOR DE EDUCACIN TCNICA Y FORMACION PROFESIONAL

PROFESORADO DE NIVEL SECUNDARIO EN FSICACIENCIA DE LA TIERRAFLUJO TRMICO: DONDUCCIN Y CONVECCIN

Integrantes:Cuenca, Claudio GernimoDuarte Bianchi, Diego SebastianMorales Chapo, Ana CarolinaOviedo, Leonardo AgustinTurrella, GerardoProfesora: Esther Sandoval

2015

LA TIERRA COMO FUENTE DE CALORLA EXISTENCIA de temperaturas altas en el interior de la Tierra ha sido supuesta desde tiempos antiguos con base en observaciones en la superficie. Los volcanes, manantiales termales y otras manifestaciones superficiales del calor encerrado dentro de la Tierra han sido las evidencias de que la temperatura en su interior debe ser mucho ms alta que la que se tiene en la superficie. Por otra parte, desde antes que se contara con la tecnologa de perforacin de pozos, ya el hombre se haba dado cuenta que al internarse en grutas o minas que descendan a profundidades considerables, la temperatura aumentaba. En este siglo se comenzaron a hacer mediciones en pozos de la variacin de la temperatura con la profundidad y se observ que en zonas "normales", o sea donde no existen manifestaciones termales superficiales, la temperatura en la corteza de la Tierra aumenta a una razn de 30C por kilmetro. Esto nos indica que en alguna parte en el interior de la Tierra existe una fuente de calor que lo irradia hacia la superficie. Ahora nos queda otra interrogante: de dnde viene este calor? Y esta pregunta nos lleva a los tiempos de la formacin de la Tierra.Una de las hiptesis ms aceptada (ya que difcilmente puede ser comprobada) acerca de la formacin del sistema solar, es la que afirma que ste evolucion a partir de una acumulacin de polvo csmico (nebulosa), que al compactarse en presencia del campo gravitacional del Sol form los diferentes cuerpos que componen el sistema solar. Segn esta hiptesis, las caractersticas de los planetas quedaron determinadas por su masa inicial y su distancia al Sol. Al irse compactando, la masa de estos "protoplanetas" aumentaba cuando otras partculas chocaban contra ellos y se les anexaban, lo cual haca que aumentara tambin su temperatura. sta fue una de las fuentes iniciales del calor de la Tierra, pero al ir evolucionando sta, otras fuentes hicieron su aparicin.Una vez que el planeta como tal estuvo formado, esto es, cuando atrap las partculas que se encontraban en la misma rbita, sucedi un cataclismo conocido como diferenciacin gravitacional y que fue simplemente el hundimiento de los elementos ms pesados y el transporte a la superficie de los ms ligeros, ya que al formarse el planeta todos los elementos se hallaban distribuidos al azar, en la forma en que se fueron agregando. Esta redistribucin de los elementos se llev a cabo con una gran liberacin de energa por friccin, lo que provoc un aumento en la temperatura y la fusin de la mayor parte del material que formaba la Tierra. A partir de este proceso, la estructura de la Tierra sufri una estratificacin, formando una serie de capas concntricas (Figura 1), las cuales han sido determinadas por medio de datos sismolgicos que tambin han sido tiles para determinar sus caractersticas fisicoqumicas. Figura 1. Estructura interna de la Tierra con las capas determinadas por medio de datos sismolgicos.Las principales capas que conforman la Tierra son tres: corteza, manto y ncleo, sus espesores son variables pero en promedio tienen valores de 30, 2 900 y 3 500 kilmetros respectivamente. A su vez, las dos ltimas se subdividen en: manto superior e inferior y ncleo externo e interno.

Debido al mecanismo por el cual se formaron, las capas externas son ms ricas en minerales compuestos por slice y aluminio, y a medida que aumenta la profundidad aumenta tambin el contenido de fierro y magnesio, que son elementos ms pesados, hasta llegar al ncleo que se supone est formado principalmente por fierro y nquel. Como ejemplo de rocas formadas por minerales con alto contenido de slice y aluminio tenemos las arcillas y el granito, siendo este ltimo el tipo de roca predominante en la corteza de tipo continental. Entre las rocas formadas en proporciones significativas por minerales ferro magnesianos tenemos el basalto, la olivina y la peridotita; el basalto es la roca que forma la corteza de tipo ocenico y tanto a la olivina como a la peridotita se les encuentra formando la base de la corteza y el manto superior.Poco a poco la corteza terrestre se fue enfriando hasta solidificarse; sin embargo las capas interiores no se enfriaron tan rpidamente, en gran parte debido a que la corteza es muy mala conductora del calor y acta como un aislante para las capas interiores, que de esta forma pueden mantener temperaturas altas. Adems de evitar que el calor del interior de la Tierra escape, la corteza es en parte generadora de calor adicional debido a la presencia de una gran cantidad de elementos radiactivos en ella. Podra parecer paradjico que los elementos radiactivos hayan permanecido en las capas ms superficiales de la Tierra a pesar de ser elementos pesados, sin embargo es posible encontrar una explicacin a esto al observar que los elementos radiactivos generalmente se combinan con otros elementos para formar compuestos ligeros, siendo sta la forma como fueron transportados a las capas superiores. En la actualidad se les encuentra principalmente en la corteza terrestre y en menor concentracin en el manto superior.Los principales elementos productores de energa por decaimiento radioactivo son el uranio, el tono y el potasio. A estos elementos se les encuentra en concentraciones significativas en rocas granticas, las cuales forman la parte superior de la corteza continental que en algunos lugares montaosos llega a tener ms de 50 kilmetros de espesor y puede llegar a producir casi 10 microcal/g/ao (una calora es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a l5.5C). Por su parte, la corteza ocenica y la parte inferior de la corteza continental, que son de tipo basltico, generan solamente cerca de 1 microcal/g/ao, la dcima parte de lo que produce el granito. El manto superior, formado en su mayor parte por peridotita, tambin va a producir una pequea cantidad de calor de aproximadamente 0.01 microcal/g/ao. De acuerdo con estas cifras la produccin de calor de la corteza y el manto sera de un poco ms de 1.5 x 10 13 cal/seg, lo que hace un total de 4.7 x 10 20 cal/ao. Para tener una idea de lo que esto significa, es necesario hacer una equivalencia: 4.7 x 1020 caloras es el equivalente a la energa liberada por la explosin de casi medio milln de bombas nucleares de 1 megatn (la bomba atmica que destruy Hiroshima fue de 20 kilotones).Las fuentes que generan el calor proveniente del interior son las que hemos mencionado. Sin embargo existen otras, como las mareas terrestres, el choque de meteoritos y la atraccin gravitacional del Sol y la Luna generan el 10% del total del calor de la Tierra. Adems de causar las mareas ocenicas, los esfuerzos generados por la atraccin gravitacional deforman la parte slida de la Tierra y aunque estas deformaciones son del orden de una parte en un milln, ocasionan un desplazamiento de cerca de 30 cm en la superficie terrestre. Por otra parte, la energa solar que recibe la Tierra es de casi 10 24 cal/ao.MECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALOREL transporte de calor en el interior de la Tierra se lleva a cabo por medio de tres mecanismos: conduccin, conveccin y radiacin; sin embargo, los tres tienen diferente grado de importancia en las diferentes capas: en la corteza el principal medio de transporte de calor es la conduccin mientras que en el manto lo es la conveccin y radiacin. Pero antes de describir lo que sucede en la Tierra es necesario explicar cmo funciona cada uno de ese tipo de mecanismos, para despus establecer cmo es que influyen en la disipacin de la energa contenida en el interior de la Tierra y por lo tanto determinar su contribucin al enfriamiento de sta.La conduccin es la forma como se transporta el calor de un cuerpo ms caliente a uno ms fro con el cual se encuentra en contacto. La eficiencia de sta depende de una propiedad de los materiales que se llama conductividad trmica y que nos dice cul ser la diferencia de temperatura provocada por un flujo de calor: a mayor conductividad menor ser la diferencia de temperatura a travs del material. Un ejemplo de buen conductor lo es una barra de metal, la cual al ser calentada en uno de sus extremos inmediatamente conducir el calor hasta el otro extremo. Por otro lado, un ejemplo de mal conductor lo sera la madera, la cermica y el aire.La conveccin es un proceso un poco ms complejo que se da solamente en fluidos (lquidos y gases). Al ser calentada la parte inferior de un fluido, sta se expandir y se volver menos densa que la parte superior ms fra, por lo cual tender a subir, con lo que la parte fra quedar ahora en contacto con la fuente de calor repitindose de esta forma el proceso y dando origen a lo que se llama celdas de conveccin, en las cuales existen corrientes ascendentes y descendentes. Este mecanismo se va a generar a partir de un cierto valor de la diferencia de temperatura y depende de la viscosidad y densidad del fluido.La radiacin es una forma de transporte de calor que es importante a temperaturas altas; en realidad todos los cuerpos que tienen temperatura por arriba del cero absoluto (cero grados Kelvin o 273.15C) emiten radiacin, pero la frecuencia de la radiacin emitida es proporcional a la temperatura del material: los seres humanos emitimos radiacin en el infrarrojo y un trozo de hierro calentado a temperaturas muy altas empezar a emitir en el espectro visible.

De esta forma observamos que el transporte de calor en el interior de la Tierra va a depender de la temperatura y de las caractersticas del material. La corteza se comporta como un slido y tiene temperaturas relativamente bajas. El manto se comporta como un fluido y como la conveccin es mucho ms eficiente en este caso, se es el principal medio de transporte, aun cuando las temperaturas relativamente altas hacen posible que la energa tambin se transporte por medio de la radiacin. Sin embargo, el transporte de calor desde el interior hacia la superficie no es el nico mecanismo de disipacin de energa. La continua creacin y destruccin de montaas consume 2.4 x 10 16 cal/ao, los sismos liberan 2.4 x 1018 cal/ao (26 x 10 10 kilowatts- hora/ao), los 800 volcanes activos que existen en la Tierra producen cerca de 1 km3 de lava por ao, o sea 1.2 x 10 16 cal/ao y para efectos de comparacin con los mecanismos de disipacin de calor, diremos que cada ao la Tierra pierde 2 x 10 20 cal por conduccin a travs de su superficie.No obstante que la principal forma de transporte de calor en la corteza es la conduccin, esto no excluye que existan algunas reas en las cuales el calor se transmite principalmente por conveccin, aprovechando zonas de debilidad en la roca slida que forma la corteza (fallas, fracturas, etc.). A travs de esas zonas van a ascender fluidos calientes que provienen de diferentes profundidades y pueden tener caractersticas distintas: pueden ser rocas fundidas generadas en la base de la corteza, o bien pueden estar constituidos principalmente por agua originada en la superficie de la Tierra y que ha penetrado hasta profundidades donde se ha calentado por contacto con rocas a alta temperatura, de tal forma que vuelve a ascender a la superficie transportando parte de la energa del interior.Estas formas de transporte de calor en la corteza han sido observadas directamente; en cambio, las formas en que se transporta el calor debajo de la corteza han tenido que ser inferidas a partir de evidencias superficiales. La existencia de la conveccin en el manto ha sido apoyada en particular por la comprobacin de la migracin de los continentes. Estos hechos han sido las bases para la elaboracin de la teora de la tectnica de placas, la cual explica la mayor parte de los fenmenos geolgicos observados. A pesar de los factores que sirven como comprobacin indirecta de la existencia de conveccin en el manto, an existen interrogantes respecto a este fenmeno: cul es su extensin? Alcanza la totalidad del manto o slo una parte de ste? Es ste un fenmeno continuo o se lleva a cabo slo durante ciertos periodos de tiempo?, etc. Estas son preguntas que quedan para ser contestadas por las futuras generaciones de cientficos dedicados a las ciencias de la Tierra.LA TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRAAl penetrar en la corteza de la Tierra se observa un cambio en la temperatura, en general sta aumenta; a esa variacin de la temperatura con la profundidad se le llama gradiente geotrmico. El valor del gradiente geotrmico en la corteza terrestre vara mucho de un lugar a otro: se han llegado a medir gradientes de slo 10C por kilmetro, mientras que en algunas zonas se han observado variaciones de la temperatura de 200 y hasta 800C/km. Sin embargo, la mayora de las zonas del planeta en las que no se tienen anomalas trmicas se agrupan alrededor de un promedio de 25 a 35C/km, a este valor se le considera el gradiente geotrmico normal. Esto es en cuanto a la corteza, pero para determinar o estimar la variacin de la temperatura dentro del manto se requiere de algunas hiptesis.El flujo de calor en la superficie de la Tierra se calcula como el producto del gradiente geotrmico por la conductividad trmica de las rocas (Figura 2), siendo estos dos parmetros determinados directamente. El gradiente geotrmico se determina midiendo la temperatura a lo largo de pozos suficientemente profundos para evitar las perturbaciones en las capas superficiales (hasta 200 m) provocadas por las variaciones diurnas y estacionales de temperatura, as como por el flujo de aguas subterrneas. Estos factores no afectan las mediciones hechas en el ocano, ya que la temperatura del fondo marino es prcticamente constante, por lo cual slo se necesita una sonda de dos a cinco metros de longitud, con sensores de temperatura distribuidos a lo largo de ella, la cual penetra los sedimentos del fondo ocenico (Figura 3). La determinacin de la conductividad trmica se lleva a cabo en el laboratorio, en muestras de las rocas en las que se midi el gradiente geotrmico. Estas muestras se someten a un flujo de calor conocido, el cual va a generar una diferencia de temperatura a lo largo de la muestra, de tal forma que entre mayor sea esta diferencia de temperatura, menor ser la conductividad trmica de la muestra.

En la figura 2 se ve que si conocemos el flujo de calor en la superficie, basta con restarle el calor producido en la corteza para conocer el flujo de calor que proviene del manto y de esta forma extrapolar el valor de la temperatura en la base de la corteza; sin embargo, a partir de esa profundidad, hay otros mecanismos de transferencia de calor aparte de la conduccin y no es posible actualmente cuantificar las contribuciones particulares de cada uno de ellos. Debido a esto, las principales evidencias de la temperatura en el interior de la Tierra provienen de las diferencias en las velocidades de propagacin de las ondas ssmicas en las diferentes capas que forman el planeta. Con estos datos se pueden establecer una serie de discontinuidades que determinan la frontera entre las capas y nos pueden ayudar a establecer las temperaturas ms probables a esas profundidades: Tipo de rocaProfundidad (Km)Produccin de calor en la capa (10-13 cal/seg.cm)Flujo de calor de la base de la capa (mcal/cm2.seg)Temperatura en la base de la capa (C)

Granito(Corteza superior)0 - 16 4.8 2600

Gabro(Corteza inferior)16 - 40 1.9 1 1100

Olivia-Gabro (Cortezainferior)40-601.00.8 1300

Peridotita(manto superior)60 - 100 0.20.6 1600

Figura 2. Flujo de calor debido al transporte por conduccin en las capas que forman la corteza y parte del manto superior en una regin continental montaosa.

Figura 3. Tcnicas de medicin de flujo de calor en el ocano.

Hasta una profundidad de 100 km el comportamiento del material se asemeja al de un slido. Esta capa es denominada litsfera y comprende la corteza y parte del manto superior.A partir de 100 km y hasta aproximadamente 300 km, un decremento en las velocidades ssmicas indica la presencia de zonas de fusin parcial, lo cual requiere que las temperaturas sean de 1000 a 1 200C.

Figura 4. Variacin de la temperatura en el interior de la Tierra (lnea punteada), con base en datos sismolgicos y propiedades de minerales a diferentes presiones y temperaturas.

A los 400 y 700 km de profundidad se observan dos incrementos en las velocidades ssmicas, que de acuerdo con experimentos de laboratorio, corresponden a cambios de fase que tienen lugar a 1500 y 1 900C respectivamente. A los 2 900 km se ha observado que no se propagan las ondas ssmicas transversales, mismas que no se transmiten en lquidos, de donde se infiere la fusin de lo que se denomina ncleo exterior y la existencia a esta profundidad de temperaturas del orden de 3 700C. La reaparicin de este tipo de ondas a los 5 100 km indican a esa profundidad temperaturas por debajo del punto de fusin (4 300C) del material que forma el ncleo interior y del cual se supone que est constituido principalmente por fierro.

Aun cuando todava faltan por esclarecer muchos detalles, con base en esos datos y suponiendo que hay una variacin continua de la temperatura con la profundidad, es posible establecer una curva hipottica de la temperatura en el interior de la Tierra, la cual tendra aproximadamente las caractersticas de la que se muestra en la figura 4, de donde la temperatura en el ncleo interior de la Tierra sera de alrededor de 4 000C.Efectos de la conveccin, conduccin y radiacin en la tierraMovimiento de las placas tectnicas:El origen del movimiento de las placas est en unascorrientes de materiales que suceden en el manto, las denominadascorrientes de conveccin, y sobre todo, en la fuerza de la gravedad.Las corrientes de conveccin se producen por diferencias detemperatura y densidad, de manera que los materiales ms calientes pesan menos y ascienden y los materiales ms fros, son ms densos y pesados y descienden.

En estos dibujos se puede apreciar como lalitosfera que se hunde por debajo de las islas volcnicasarrastra al resto de la placa

Las manifestaciones termales superficiales Son la prueba visual del calor encerrado en el interior de la Tierra, y que se transmite por conduccin y conveccin hacia la superficie de la tierra, pero adems de esto, la espectacularidad que las caracteriza les aade un valor esttico que ha hecho que en muchos pases se considere parques nacionales a las zonas que las contienen; uno de los ejemplos ms conocidos lo tenemos en Yellowstone (Oregon, EUA), la cual es probablemente una de las zonas geotrmicas ms grandes del mundo y en donde se puede encontrar casi todo tipo de manifestaciones termales superficiales: manantiales, giseres, fumarolas, fosas de lodo, terrazas de slice, fosas calientes, suelos vaporizantes, etctera. 1. Manantial termal. 2. Giser. 3. Fumarola.

4. Fosas de lodo. 5. Terrazas de Slice. 6. Suelo Vaporizante.Manantial termal aguas que surgen de la Tierra de modo espontneo y que poseen un alto nivel de mineralizacin as como tambin temperaturas superiores a los 5 C, ms alta que la temperatura media anual del lugar.El giser es una fuente de agua caliente de la parte interior de la superficie terrestre. Ocasionalmente, esta agua emana en la superficie como una naciente termal lanzando una columna de agua caliente hacia arriba.Fumarolas son gases emitidos por las lavas cuando alcanzan determinadas temperaturas. Su composicin no es lineal, sino que vara segn la temperatura, desde que se manifiestan hasta que se extinguen.Fosa de lodo son bsicamente manantiales termales pero con muy poca agua. En general se forman por descargas de vapor de agua caliente que se encuentra a profundidad.Terrazas de slice es una manantial termal que va formando terrazas, si el slice es abundante, indica que la temperatura a la que estuvieron en contacto las rocas y el agua debi haber sido muy alta.Suelo Vaporizante se forma cuando se evaporan fluidos cidos a una cierta profundidad.

Adems de estas manifestaciones, a las que se les denomina hidrotermales, puesto que implican la descarga de agua o vapor, se tienen los volcanes, los cuales en lugar de agua arrojan lava, que es una mezcla de roca fundida, gases y vapor a temperaturas generalmente mayores de 600C (cuando la lava se encuentra an en el interior de la Tierra se le llama magma).

La distribucin de manifestaciones termales en la superficie de la Tierra no es uniforme y obviamente est relacionada con zonas de actividad tectonovolcnica reciente en trminos geolgicos, lo cual quiere decir que esta actividad ha tenido lugar en los ltimos cientos de miles de aos. Esta actividad proveer de la fuente de calor indispensable para que se tengan manifestaciones termales. En la actualidad, las principales zonas donde el calor del interior se manifiesta en la superficie estn circunscritas a las fronteras entre placas que pueden ser constructivas o destructivas (Figura 8). Estas fronteras se caracterizan por contener reas en las que el material del manto se desplaza hacia la superficie y como se encuentra a mayores temperaturas que la de la corteza, da origen a zonas anmalas y por lo tanto a manifestaciones superficiales.

Figura 8. Localizacin de los principales sistemas geotrmicos:1. Meager Mt.; 2. Los Geysers; 3. Yellowstone; 4. Saltn Sea; 5. Cerro Prieto; 6. Los Humeros; 7. La Primavera; 8. Los Azufres; 9. Ahuachapn; 10. Momotombo; 11. Bouillante; 12. El Tato; 13. Krafla; 14: Namafjal; 15. Svartsengi; 16. Larderello; 17. Makhashcala; 18. Kizildere; 19. Puga; 20. Aluto; 21. Langano; 22. Olkaria; 23. Pauzhetskiy; 24. Matzukawa; 25. Otake; 26. Tatun; 27. Makban; 28. Tiwi/Bacman; 29. Tongonan/Palinpinon; 30. Dieng; 31. Kawah Kamodjang; 32. Broadlands; 33. Wairakei.

SISTEMAS GEOTRMICOSEn su sentido ms amplio, el trmino describe un sistema de transporte de calor mediante conduccin y conveccin, desde una fuente a profundidad hasta una zona de descarga que generalmente es la superficie de la Tierra. Este transporte de calor usualmente se efecta a travs de un fluido geotrmico que puede ser magma, en el caso de sistemas volcnicos, o bien agua caliente o salmuera (agua con alta concentracin de sales), vapor y gases en un sistema geotrmico en el sentido estricto del trmino. En su camino desde la fuente hacia la zona de descarga, el fluido geotrmico puede ser almacenado temporalmente en un yacimiento, que en el caso de un sistema volcnico forma la cmara magmtica. Estas descargas concentradas de calor que son los sistemas geotrmicos no se encuentran distribuidos uniformemente en la superficie de la Tierra, sino que estn localizados preferentemente en franjas caracterizadas por ser fronteras activas entre placas. Esta actividad provoca que el material del manto tenga movimientos verticales, o sea que rocas a alta temperatura se desplacen hacia la superficie dando origen a anomalas trmicas. Las manifestaciones superficiales (y por lo tanto la descarga) del sistema van a ser afectadas fuertemente por las condiciones hidrolgicas y topogrficas de la zona, las cuales van a definir la recarga del sistema y la permeabilidad de las capas que forman el yacimiento. Para ejemplificar cmo influyen estos factores, se muestran las secciones transversales simplificadas de dos sistemas geotrmicos: uno en terreno plano y otro en terreno montaoso. De ah se ve claramente que aunque a profundidad ambos sistemas son equivalentes, en la superficie se obtiene una diferente distribucin y diferentes tipos de manifestaciones, lo cual es muy importante tomar en cuenta al estar efectuando la exploracin superficial de un sistema geotrmico.