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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E4 - Máquina Térmica Atmosférica
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4600
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Reservorios térmicos atmosféricos
Cómo el contraste térmico entre trópicos y polos proporciona la fuente termodinámica de la máquina atmosférica.
Grupo 2: Grupo 2: Límite termodinámico de eficiencia
Cómo las temperaturas de los focos caliente y frío fijan el límite superior de eficiencia.
Grupo 3: Grupo 3: Conversión en trabajo mecánico
Cómo la máquina térmica convierte el contraste térmico en trabajo mecánico atmosférico observable.
Grupo 4: Grupo 4: Irreversibilidad y disipación
Por qué la eficiencia real queda muy por debajo del límite termodinámico.
Grupo 5: Grupo 5: Balance de entropía estacionario
Cómo la reducción y producción de entropía se compensan en régimen estacionario.
Grupo 6: Grupo 6: Amplificación polar y gradiente térmico
Cómo el calentamiento desigual de polos y trópicos reduce el gradiente térmico.
Grupo 7: Grupo 7: Respuesta de la circulación y del tiempo
Cómo la menor eficiencia debilita la circulación y los jets, alterando los patrones de tiempo.
ID:1685
Grupo 1: Grupo 1: Reservorios térmicos atmosféricos
Descripción
Cómo el contraste térmico entre trópicos y polos proporciona la fuente termodinámica de la máquina atmosférica.
Pregunta clave: Cómo el contraste térmico entre trópicos y polos proporciona la fuente termodinámica de la máquina atmosférica.
Cómo el contraste térmico entre trópicos y polos proporciona la fuente termodinámica de la máquina atmosférica. Toda máquina térmica, incluida la máquina térmica atmosférica, tiene un límite superior de eficiencia que depende únicamente de la razón entre la temperatura del foco frío y la temperatura del foco caliente: ese límite superior de eficiencia es igual a uno menos esa razón entre la temperatura del foco frío y la temperatura del foco caliente, de modo que cuanto más se acerca la temperatura del foco frío a la temperatura del foco caliente —es decir, cuanto menor es la diferencia de temperatura entre ambos focos—, más bajo es el límite superior de eficiencia de la máquina térmica atmosférica. Bajo el calentamiento del sistema climático, la temperatura del foco frío sube más rápido que la temperatura del foco caliente, un fenómeno conocido como amplificación polar, y ese aumento más rápido de la temperatura del foco frío reduce el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío. La atmósfera funciona como una máquina térmica que convierte la diferencia de temperatura entre un foco caliente y un foco frío en trabajo mecánico: el foco caliente son los trópicos, cercanos a trescientos kelvin, y el foco frío son los polos, cercanos a doscientos cuarenta kelvin, y el trabajo mecánico que esta máquina térmica atmosférica produce a partir de esa diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío son los vientos, los ciclones y las ondas atmosféricas.
ID:2998
Grupo 2: Grupo 2: Límite termodinámico de eficiencia
Descripción
Cómo las temperaturas de los focos caliente y frío fijan el límite superior de eficiencia.
Pregunta clave: Cómo las temperaturas de los focos caliente y frío fijan el límite superior de eficiencia.
Cómo las temperaturas de los focos caliente y frío fijan el límite superior de eficiencia. Toda máquina térmica, incluida la máquina térmica atmosférica, tiene un límite superior de eficiencia que depende únicamente de la razón entre la temperatura del foco frío y la temperatura del foco caliente: ese límite superior de eficiencia es igual a uno menos esa razón entre la temperatura del foco frío y la temperatura del foco caliente, de modo que cuanto más se acerca la temperatura del foco frío a la temperatura del foco caliente —es decir, cuanto menor es la diferencia de temperatura entre ambos focos—, más bajo es el límite superior de eficiencia de la máquina térmica atmosférica. La eficiencia real de la circulación atmosférica queda muy por debajo de ese límite superior de eficiencia, cercana apenas a un dos por ciento, porque muchos de los procesos que ocurren dentro de la máquina térmica atmosférica son irreversibles y no pueden convertir la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío en trabajo mecánico con la eficiencia máxima que el límite superior de eficiencia permitiría. En el funcionamiento estacionario de la máquina térmica atmosférica, la entropía que los procesos disipativos producen equilibra exactamente a la entropía que el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío reduce, y es precisamente esa producción de entropía por disipación la que le impide a la máquina térmica atmosférica alcanzar el límite superior de eficiencia descrito antes.
ID:2999
Grupo 3: Grupo 3: Conversión en trabajo mecánico
Descripción
Cómo la máquina térmica convierte el contraste térmico en trabajo mecánico atmosférico observable.
Pregunta clave: Cómo la máquina térmica convierte el contraste térmico en trabajo mecánico atmosférico observable.
Cómo la máquina térmica convierte el contraste térmico en trabajo mecánico atmosférico observable. La atmósfera funciona como una máquina térmica que convierte la diferencia de temperatura entre un foco caliente y un foco frío en trabajo mecánico: el foco caliente son los trópicos, cercanos a trescientos kelvin, y el foco frío son los polos, cercanos a doscientos cuarenta kelvin, y el trabajo mecánico que esta máquina térmica atmosférica produce a partir de esa diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío son los vientos, los ciclones y las ondas atmosféricas. Como el límite superior de eficiencia de la máquina térmica atmosférica depende de ese mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío, un gradiente de temperatura más pequeño reduce también la eficiencia de la máquina térmica atmosférica, y una máquina térmica atmosférica menos eficiente produce menos trabajo mecánico: la circulación general de la atmósfera y los vientos en chorro de las latitudes medias, dos de las formas en que la máquina térmica atmosférica convierte su diferencia de temperatura en trabajo mecánico, se debilitan. Ese debilitamiento de la circulación general de la atmósfera y de los vientos en chorro de las latitudes medias, que nace de la misma máquina térmica atmosférica y del mismo foco caliente y foco frío con los que empezó esta descripción, tiene implicaciones profundas para los patrones de tiempo que esa circulación general y esos vientos en chorro terminan produciendo.
ID:3000
Grupo 4: Grupo 4: Irreversibilidad y disipación
Descripción
Por qué la eficiencia real queda muy por debajo del límite termodinámico.
Pregunta clave: Por qué la eficiencia real queda muy por debajo del límite termodinámico.
Por qué la eficiencia real queda muy por debajo del límite termodinámico. Esta irreversibilidad de la máquina térmica atmosférica se explica por un balance de entropía: el mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío que impulsa a la máquina térmica atmosférica tiende, por sí solo, a reducir la entropía del sistema climático, mientras que los procesos disipativos de la máquina térmica atmosférica —la fricción y la cascada turbulenta que rompe los remolinos grandes en remolinos cada vez más pequeños— producen entropía. La eficiencia real de la circulación atmosférica queda muy por debajo de ese límite superior de eficiencia, cercana apenas a un dos por ciento, porque muchos de los procesos que ocurren dentro de la máquina térmica atmosférica son irreversibles y no pueden convertir la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío en trabajo mecánico con la eficiencia máxima que el límite superior de eficiencia permitiría. En el funcionamiento estacionario de la máquina térmica atmosférica, la entropía que los procesos disipativos producen equilibra exactamente a la entropía que el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío reduce, y es precisamente esa producción de entropía por disipación la que le impide a la máquina térmica atmosférica alcanzar el límite superior de eficiencia descrito antes.
ID:3001
Grupo 5: Grupo 5: Balance de entropía estacionario
Descripción
Cómo la reducción y producción de entropía se compensan en régimen estacionario.
Pregunta clave: Cómo la reducción y producción de entropía se compensan en régimen estacionario.
Cómo la reducción y producción de entropía se compensan en régimen estacionario. En el funcionamiento estacionario de la máquina térmica atmosférica, la entropía que los procesos disipativos producen equilibra exactamente a la entropía que el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío reduce, y es precisamente esa producción de entropía por disipación la que le impide a la máquina térmica atmosférica alcanzar el límite superior de eficiencia descrito antes. Esta irreversibilidad de la máquina térmica atmosférica se explica por un balance de entropía: el mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío que impulsa a la máquina térmica atmosférica tiende, por sí solo, a reducir la entropía del sistema climático, mientras que los procesos disipativos de la máquina térmica atmosférica —la fricción y la cascada turbulenta que rompe los remolinos grandes en remolinos cada vez más pequeños— producen entropía.
ID:3002
Grupo 6: Grupo 6: Amplificación polar y gradiente térmico
Descripción
Cómo el calentamiento desigual de polos y trópicos reduce el gradiente térmico.
Pregunta clave: Cómo el calentamiento desigual de polos y trópicos reduce el gradiente térmico.
Cómo el calentamiento desigual de polos y trópicos reduce el gradiente térmico. Bajo el calentamiento del sistema climático, la temperatura del foco frío sube más rápido que la temperatura del foco caliente, un fenómeno conocido como amplificación polar, y ese aumento más rápido de la temperatura del foco frío reduce el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío. Esta irreversibilidad de la máquina térmica atmosférica se explica por un balance de entropía: el mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío que impulsa a la máquina térmica atmosférica tiende, por sí solo, a reducir la entropía del sistema climático, mientras que los procesos disipativos de la máquina térmica atmosférica —la fricción y la cascada turbulenta que rompe los remolinos grandes en remolinos cada vez más pequeños— producen entropía. En el funcionamiento estacionario de la máquina térmica atmosférica, la entropía que los procesos disipativos producen equilibra exactamente a la entropía que el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío reduce, y es precisamente esa producción de entropía por disipación la que le impide a la máquina térmica atmosférica alcanzar el límite superior de eficiencia descrito antes.
ID:3003
Grupo 7: Grupo 7: Respuesta de la circulación y del tiempo
Descripción
Cómo la menor eficiencia debilita la circulación y los jets, alterando los patrones de tiempo.
Pregunta clave: Cómo la menor eficiencia debilita la circulación y los jets, alterando los patrones de tiempo.
Cómo la menor eficiencia debilita la circulación y los jets, alterando los patrones de tiempo. Ese debilitamiento de la circulación general de la atmósfera y de los vientos en chorro de las latitudes medias, que nace de la misma máquina térmica atmosférica y del mismo foco caliente y foco frío con los que empezó esta descripción, tiene implicaciones profundas para los patrones de tiempo que esa circulación general y esos vientos en chorro terminan produciendo. Como el límite superior de eficiencia de la máquina térmica atmosférica depende de ese mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío, un gradiente de temperatura más pequeño reduce también la eficiencia de la máquina térmica atmosférica, y una máquina térmica atmosférica menos eficiente produce menos trabajo mecánico: la circulación general de la atmósfera y los vientos en chorro de las latitudes medias, dos de las formas en que la máquina térmica atmosférica convierte su diferencia de temperatura en trabajo mecánico, se debilitan. La eficiencia real de la circulación atmosférica queda muy por debajo de ese límite superior de eficiencia, cercana apenas a un dos por ciento, porque muchos de los procesos que ocurren dentro de la máquina térmica atmosférica son irreversibles y no pueden convertir la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío en trabajo mecánico con la eficiencia máxima que el límite superior de eficiencia permitiría.
ID:3004