CONTAMINACIÓ TÈRMICA: CARACTERÍSTIQUES, CONSEQÜÈNCIES, EXEMPLES - MEDI AMBIENT - 2025

La contaminació tèrmica ocorre quan algun factor provoca un canvi indesitjable o perjudicial en la temperatura ambiental. El mitjà més afectat per aquesta contaminació és l'aigua, però també pot afectar l'aire i el sòl.

La temperatura mitjana de l'ambient es pot alterar tant per causes naturals com per accions humanes (antropogèniques). Entre les causes naturals hi ha els incendis forestals no provocats i les erupcions volcàniques.

Temperatura de la superfície terrestre. Font:

Dins de les causes antropogèniques estan la generació d'energia elèctrica, la producció de gasos d'efecte hivernacle i processos industrials. Igualment, contribueixen els sistemes de refrigeració i condicionament d'aire.

El fenomen de contaminació tèrmica més rellevant és l'escalfament global, que implica l'augment de la temperatura mitjana planetària. Això és degut a l'anomenat efecte hivernacle ia les aportacions nets de calor residual per part de l'ésser humà.

L'activitat que més contaminació tèrmica genera és la producció d'electricitat a partir de la crema de combustibles fòssils. A l'cremar carbó o derivats de l'petroli es difon calor i es produeix CO2, principal gas d'efecte hivernacle.

La contaminació tèrmica ocasiona canvis físics, químics i biològics que produeixen un impacte negatiu en la biodiversitat. La propietat més rellevant de les altes temperatures és el seu poder catalític i inclou les reaccions metabòliques que tenen lloc en els organismes vius.

Els éssers vius requereixen unes condicions d'amplitud de variació de temperatura determinada per sobreviure. És per això que qualsevol alteració d'aquesta amplitud pot implicar la disminució de les poblacions, la seva migració o la seva extinció.

D'altra banda, la contaminació tèrmica afecta directament la salut humana causant esgotament per calor, xoc tèrmic i agreuja les malalties cardiovasculars. Addicionalment, l'escalfament global provoca que malalties tropicals ampliïn el seu rang geogràfic d'acció.

Prevenir la contaminació tèrmica requereix modificar les maneres de desenvolupament econòmic i els hàbits de la societat moderna. Això al seu torn implica implementar tecnologies que redueixin l'impacte tèrmic en l'ambient.

Es presenten aquí alguns exemples de contaminació tèrmica com la central nuclear Santa Maria de Garoña (Burgos, Espanya) que va operar entre 1970 i 2012. Aquesta central abocava les aigües calentes del seu sistema de refredament a el riu Ebre augmentant fins a 10 ºC la seva temperatura natural.

Un altre cas característic de contaminació tèrmica ens l'aporta l'ús d'aparells condicionadors d'aire. La proliferació d'aquests sistemes per reduir la temperatura incrementa la temperatura d'una ciutat com Madrid en fins a 2 ºC.

Finalment, el cas positiu d'una empresa productora de margarina a Perú que empra aigua per refrigerar el sistema i l'aigua calenta resultant es tornava a la mar. Així, van aconseguir estalviar energia, aigua i reduir les aportacions d'aigua calenta a el medi ambient.

Característiques

- La calor i la contaminació tèrmica

La contaminació tèrmica és derivada de la transformació d'altres energies ja que tota energia a l'desplegar genera calor. Aquest consisteix en l'acceleració de el moviment de les partícules de l'mig.

Per tant la calor és una transferència d'energia entre dos sistemes que estan a diferents temperatures.

la temperatura

La temperatura és una magnitud que mesura l'energia cinètica d'un sistema, és a dir el moviment mitjana de les seves molècules. Aquest moviment pot ser de translació com en un gas o vibracions com en un sòlid.

Es mesura mitjançant el termòmetre, de el qual existeixen diversos tipus sent els més comuns el de dilatació i l'electrònic.

El termòmetre de dilatació es basa en el coeficient de dilatació de certes substàncies. Aquestes substàncies a l'escalfar-se s'estiren i el seu ascens va marcant una escala graduada.

El termòmetre electrònic es fonamenta en la transformació de l'energia tèrmica en elèctrica traduïda en una escala numèrica.

L'escala més comuna utilitzada és la proposta per Anders Celsius (ºC, graus Celsius o centígrads). En ella els 0 ºC corresponen a del punt de congelació de l'aigua i els 100 ºC a punt d'ebullició.

- La termodinàmica i la contaminació tèrmica

La termodinàmica és la branca de la Física que estudia les interaccions de la calor amb altres formes d'energia. La termodinàmica contempla quatre principis fonamentals:

- Dos objectes amb diferents temperatures intercanviaran calor fins arribar a l'equilibri.

- L'energia no es crea ni es destrueix, només es transforma.

- Una forma d'energia no pot transformar-se totalment en una altra sense pèrdua de calor. I el flux de calor serà de el mitjà més calent a el menys calent, mai a l'contrari.

- No és possible arribar a una temperatura igual a l'zero absolut.

Aquests principis aplicats a la contaminació tèrmica determinen que tot procés físic genera transferència de calor i produeix contaminació tèrmica. A més, la mateixa es pot produir bé sigui per augment o disminució de la temperatura de l'mig.

Es considera que l'augment o disminució de la temperatura és contaminant quan es surt dels paràmetres vitals.

- Temperatura vital

La temperatura és un dels aspectes fonamentals per a l'ocurrència de vida tal com la coneixem. L'amplitud de variació de temperatura que permet la major part de la vida activa va de -18 ºC a 50 ºC.

Poden existir organismes vius en estat latent en temperatures de -200 ºC i 110 ºC, però són casos poc freqüents.

bacteris termòfils

Certs bacteris trucades termòfils poden existir a temperatures de fins a 100 º C sempre que hi hagi aigua líquida. Aquesta condició ocorre a altes pressions en el fons marí en zones de xemeneies hidrotermals.

Això ens indica que la definició de contaminació tèrmica en un mitjà és relativa i depèn de les característiques naturals de l'mig. Així mateix, està relacionada amb els requeriments dels organismes que habiten una zona donada.

ésser humà

En l'humà, la temperatura corporal normal va de 36,5 ºC a 37,2 ºC, i la capacitat homeostàtica (compensar variacions externes) és limitada. Les temperatures inferiors a 0 ºC per temps perllongats i sense cap protecció artificial causen la mort.

Igualment, temperatures superiors als 50 ºC de forma constant són molt difícils de compensar a llarg termini.

- Contaminació tèrmica i el medi

A l'aigua, la contaminació tèrmica causa un efecte més immediat ja que aquí la calor es dissipa més lentament. En l'aire i al terra la contaminació tèrmica té efectes menys contundents a causa de que la calor es dissipa amb major velocitat.

D'altra banda, en àrees petites la capacitat de l'ambient per dissipar grans quantitats de calor és molt limitada.

Efecte catalític de la calor

La calor té un efecte catalític sobre les reaccions químiques, és a dir, accelera aquestes reaccions. Aquest efecte és el factor principal pel qual la contaminació tèrmica pot tenir conseqüències negatives a l'ambient.

Així, uns pocs graus de temperatura de diferència poden disparar reaccions que d'altra manera no ocorrerien.

causes

- Escalfament global

La Terra ha passat per cicles d'altes i baixes temperatures mitjanes al llarg de la seva història geològica. En aquests casos, les fonts de l'augment de la temperatura de la planeta van ser d'índole natural com el sol i l'energia geotèrmica.

Actualment, el procés d'escalfament global està associat a les activitats desenvolupades per l'ésser humà. En aquest cas, el principal problema és la disminució de la taxa de dissipació de l'esmentat calor cap a l'estratosfera.

Això ocorre a causa principalment a l'emissió de gasos d'efecte hivernacle per l'activitat humana. Entre les mateixes destaquen la indústria, el trànsit vehicular i la crema de combustibles fòssils.

L'escalfament global representa avui dia el més gran i perillós procés de contaminació tèrmica que existeix. A més, l'emissió de calor per l'ús global de combustibles fòssils incorpora calor addicional a el sistema.

- Centrals termoelèctriques

Una central termoelèctrica és un complex industrial destinat a produir electricitat a partir d'un combustible. Aquest combustible pot ser fòssil (carbó, petroli o derivats) o un material radioactiu (urani per exemple).

Central termoelèctrica Endesa As Pontes (Espanya). Font: Image provided by ☣Banjo

Aquest sistema requereix refrigeració de les turbines o reactors i per això es fa servir l'aigua. En la seqüència de refredament, s'extreu un gran volum d'aigua d'una font convenient i freda (un riu o el mar).

Posteriorment, les bombes el forcen a través de tubs que estan envoltats pel vapor d'aigua calenta d'escapament. La calor passa de el vapor a l'aigua de refredament i l'aigua escalfada es retorna a la font portant un excés de calor a l'ambient natural.

- Incendis forestals

Els incendis forestals són un fenomen comú avui dia, sent en molts casos provocats directament o indirectament per l'ésser humà. La crema de grans masses boscoses transfereix enormes quantitats de calor principalment a l'aire i al terra.

- Aparells condicionadors d'aire i sistemes de refrigeració

Els aparells condicionadors d'aire no només alteren la temperatura de l'àrea interior, sinó que causen desequilibris en l'àrea externa. Per exemple, els aires condicionats dissipen cap a l'exterior un 30% més que la calor que extreuen de l'interior.

Segons l'Agència Internacional de l'Energia existeixen al voltant de 1.600 milions d'aparells condicionadors d'aire en el món. Igualment, els refrigeradors, neveres, caves i qualsevol equip destinat a baixar la temperatura en una àrea tancada generen contaminació tèrmica.

- Processos industrials

De fet, tots els processos industrials de transformació impliquen la transferència de calor a l'ambient. Algunes indústries ho fan a taxes particularment altes com les dedicades a liquat de gasos, metal·lúrgia i producció de vidre.

Liquat de gasos

Les indústries de regasificació i de liqüefacció de diversos gasos d'ús industrial i mèdic requereixen processos de refrigeració. Aquests processos són endotèrmics, és a dir, absorbeixen calor refredant el medi circumdant.

Per això, s'empra aigua que és retornada a l'ambient a una temperatura més baixa que la inicial.

metal·lúrgiques

Els alts forns de fosa emeten calor a l'ambient, ja que arriben temperatures superiors als 1.500 ºC. D'altra banda, els processos de refredament dels materials fan servir aigua que reingressa amb major temperatura a l'ambient.

Producció de vidre

En els processos de fos i modelat de l'material s'assoleixen temperatures de fins a 1.600 ºC. En aquest sentit, la contaminació tèrmica generada per aquesta indústria és considerable, sobretot en l'ambient de treball.

- Sistemes d'il·luminació

Els llums incandescents o focus i les llums fluorescents dissipen energia en forma de calor a l'ambient. A causa de l'alta concentració de fonts d'il·luminació en àrees urbanes, aquesta arriba a ser un focus de contaminació tèrmica significatiu.

- Motors de combustió interna

Els motors de combustió interna, com els dels automòbils poden generen al voltant de 2.500 ºC. Aquesta calor és dissipada a l'ambient mitjançant el sistema de refredament, específicament a través de l'radiador.

Tenint en compte que en una ciutat circulen diàriament centenars de milers de vehicles, és possible inferir la quantitat de calor transferit.

- Els centres urbans

A la pràctica, una ciutat és un focus de contaminació tèrmica causa de l'existència en ella de molts dels factors ja assenyalats. No obstant això, una ciutat és un sistema l'efecte tèrmic arriba a formar una illa de calor en el marc del seu entorn.

Illes de calor a Espanya. Font: Galjundi7

efecte albedo

L'albedo fa referència a la capacitat que té un objecte de reflectir la radiació solar. Més enllà de l'aportació calòrica que pot fer cada element present (automòbils, llars, indústries), l'estructura urbana exerceix una sinergia significativa.

Per exemple, els materials en els centres urbans (principalment concret i asfalt) tenen un baix albedo. Això fa que s'escalfin molt, el que unit a la calor emesa per l'activitat a la ciutat potencia la contaminació tèrmica.

Aportacions nets de calor urbà

Diverses investigacions han demostrat que la generació de calor per les activitats humanes durant un dia càlid en una ciutat pot ser molt alt.

Per exemple, a Tòquio hi ha una aportació neta de calor de 140 W / m2, equivalent a un augment de la temperatura d'aproximadament 3 ° C. A Estocolm l'aportació net s'estima en 70 W / m2, equivalent a un increment de 1,5 ºC en la temperatura.

conseqüències

- Canvis en les propietats físiques d'aigua

L'augment de la temperatura de l'aigua producte de la contaminació tèrmica provoca canvis físics en aquesta. Per exemple, disminueix l'oxigen dissolt i augmenta la concentració de les sals afectant els ecosistemes aquàtics.

En cossos d'aigua sotmesos a canvis estacionals (congelació hivernal), afegir aigua calenta altera la taxa de congelació natural. Això al seu torn afecta els éssers vius que s'han adaptat a aquesta estacionalitat.

- Impacte en la Biodiversitat

vida aquàtica

En els sistemes de refredament de plantes termoelèctriques, l'exposició a temperatures elevades produeixen un xoc fisiològic per a certs organismes. En aquest cas s'afecta el fitoplàncton, el zooplàncton, ous i larves de plàncton, peixos i invertebrats.

Molts organismes aquàtics, sobretot peixos són molt sensibles a la temperatura de l'aigua. En una mateixa espècie el rang de temperatura ideal varia depenent de la temperatura d'aclimatació de cada població concreta.

A causa d'això, les variacions de temperatura provoquen desaparició o migració de poblacions senceres. Així, l'aigua de descàrrega d'una planta termoelèctrica pot augmentar la temperatura a 7,5-11 º C (aigua dolça) i 12-16 ºC (aigua salada).

Aquest xoc tèrmic pot conduir a una mort ràpida o induir efectes secundaris que afecten la supervivència les poblacions. Entre d'altres efectes, l'escalfament de l'aigua disminueix l'oxigen dissolt en l'aigua, causant problemes d'hipòxia.

eutrofització

Aquest fenomen afecta greument els ecosistemes aquàtics causant fins i tot la desaparició de la vida en els mateixos. S'inicia amb la proliferació d'algues, bacteris i plantes aquàtiques producte d'aportacions artificials de nutrients a l'aigua.

A l'augmentar les poblacions d'aquests organismes, consumeixen l'oxigen dissolt en l'aigua causant la mort de peixos i altres espècies. L'augment de la temperatura de l'aigua contribueix a l'eutrofització a l'disminuir l'oxigen dissolt i concentrar les sals, afavorint el creixement d'algues i bacteris.

vida terrestre

En el cas de l'aire, les variacions de temperatura afecten els processos fisiològics i el comportament de les espècies. Molts insectes disminueixen la seva fertilitat davant temperatures per sobre de certs nivells.

Igualment, les plantes són sensibles a la temperatura per la seva floració. L'escalfament global està causant que algunes espècies ampliïn la seva extensió geogràfica, mentre que altres la vegin restringir-se.

- Salut humana

Cop de calor

Les temperatures inusualment altes afecten la salut humana, i pot ocórrer l'anomenat xoc tèrmic o cop de calor. Aquest consisteix en una deshidratació aguda que pot ocasionar la paràlisi de diversos òrgans vitals i fins i tot ocasionar la mort.

Les onades de calor arriben a causar centenars i fins a milers de persones com a Chicago (EUA), on el 1995 van morir aproximadament 700 persones. Per la seva banda, les onades de calor a Europa entre 2003 i 2010 han causat la mort de milers de persones.

malalties cardiovasculars

D'altra banda, les altes temperatures afecten negativament el quadre de salut de persones amb malalties cardiovasculars. Aquesta situació és especialment greu en els casos d'hipertensió.

Canvis bruscos de temperatura

Les variacions brusques de la temperatura poden debilitar el sistema immunològic i fer més susceptible a l'organisme davant malalties respiratòries.

Higiene i medi ambient laboral

La contaminació tèrmica és un factor de salut laboral en algunes indústries, per exemple la metal·lúrgica i la de l'vidre. Aquí els treballadors es veuen sotmesos a calor radiant que poden causar greus problemes de salut.

Encara que òbviament es prenen mesures de seguretat, la contaminació tèrmica és significativa. Entre les afeccions estan l'esgotament per calor, el xoc tèrmic, cremades per calor radiat extrem i problemes de fertilitat.

malalties tropicals

L'augment de la temperatura global fa que malalties fins ara restringides a certes àrees tropicals ampliïn el seu radi d'acció.

A l'abril de 2019 es va celebrar el 29è Congrés Europeu de Microbiologia Clínica i Malalties Infeccioses a Amsterdam. En aquest esdeveniment es va assenyalar que malalties com la chikungunya, el dengue o la leishmaniosi poden expandir-se a Europa.

Igualment, l'encefalitis transmesa per paparres es pot veure afectada pel mateix fenomen.

Com prevenir-la

Es tracta de reduir les aportacions nets de calor a l'ambient i evitar que la calor produïda quedi atrapat en l'atmosfera.

- Ús de fonts d'energia i tecnologies més eficients per a la generació d'electricitat

Fonts d'energia

Les centrals termoelèctriques provoquen la major aportació de contaminació tèrmica en termes de transferència de calor net a l'atmosfera. En aquest sentit, per reduir la contaminació tèrmica és fonamental substituir les energies fòssils per energies netes.

Els processos de producció d'energia solar, eòlica (de vent) i hidroelèctrica (de l'aigua) fan aportacions de calor residual molt baixos. Igual passa amb altres alternatives com l'energia onamotriu (les ones) i la geotèrmica (calor de la terra),

tecnologies

Les centrals termoelèctriques i les indústries els processos requereixen sistemes de refredament poden emprar sistemes de circuit tancat. També poden incorporar sistemes de difusió de la calor mecànics que contribueixin a reduir la temperatura de l'aigua.

- Cogeneració

La cogeneració consisteix a produir simultàniament energia elèctrica i energia tèrmica útil com a vapor d'aigua o aigua calenta. Per això s'han desenvolupat tecnologies que permeten recuperar i aprofitar la calor residual generat en els processos industrials.

Per exemple, el projecte INDUS3ES finançat per la Comissió Europea està desenvolupant un sistema basat en un "transformador de calor". Aquest sistema és capaç d'absorbir la calor residual de baixa temperatura (70 a 110 ºC) i tornar-lo a una temperatura major (120-150 ºC).

Altres dimensions de generació d'energia

Sistemes més complexos poden incloure altres dimensions de producció o transformació energètica.

Entre aquestes tenim a la trigeneració que consisteix a incorporar processos de refrigeració a més de la generació d'electricitat i calor. A més, si addicionalment es genera energia mecànica es parla de tetrageneración.

Alguns sistemes són trampes de CO2, a més de produir electricitat, energia tèrmica i mecànica, en aquest cas es parla de cuatrigeneración. Tots aquests sistemes contribueixen addicionalment a reduir les emissions de CO2.

- Reduir l'emissió de gasos d'efecte hivernacle

A causa de que l'escalfament global és el fenomen de contaminació tèrmica de major impacte en el planeta, es fa necessària la seva mitigació. Per aconseguir això el principal és reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle, entre ells el CO2.

La reducció de les emissions requereix un canvi en el patró de desenvolupament econòmic, substituint fonts d'energia fòssil per energies netes. De fet, això redueix l'emissió de gasos d'efecte hivernacle i la producció de calor residual.

- Període de refredament de l'aigua refrigerant

Una alternativa emprada per algunes centrals termoelèctriques és la construcció de llacunes de refredament. La seva funció és reposar i refredar les aigües derivades de sistema de refrigeració abans de retornar-les a la seva font natural.

Exemples de contaminació tèrmica

Central termoelèctrica de Brayton (Estats Units). Font: Wikimaster97commons

Central Nuclear Santa Maria de Garoña

Les centrals nuclears produeixen energia elèctrica a partir de la descomposició de material radioactiu. Això genera molta calor, i és necessari un sistema de refrigeració.

La central nuclear Santa Maria de Garoña (Espanya) era una central de generació elèctrica tipus BWR (boiling water reactor o reactor d'aigua en ebullició) inaugurada el 1970. El seu sistema de refredament emprava 24 metres cúbics aigua per segon del riu Ebre.

Segons el projecte original, les aigües residuals retornades a el riu no superarien als 3 ºC respecte a la temperatura del riu. El 2011 un informe de Greenpeace, corroborat per una empresa ambiental independent, va determinar augments de temperatura molt superiors.

L'aigua a la zona de l'abocament arribava als 24 ºC (de 6,6 a 7 ºC de l'aigua natural del riu). Després, als quatre quilòmetres llera avall de la zona d'abocament, superava els 21 ºC. La central va cessar les seves operacions el 16 de desembre del 2012.

Aparells condicionadors d'aire a Madrid (Espanya)

A les ciutats hi ha cada vegada més sistemes condicionadors d'aire per reduir la temperatura ambient a l'estació càlida. Aquests aparells funcionen extraient aire calent de l'interior i difonent el mateix a l'exterior.

En general no són d'alta eficiència, de manera que difonen a l'exterior fins i tot més calor que el que extreuen de l'interior. Aquests sistemes per tant són una font rellevant de contaminació tèrmica.

A Madrid el conjunt d'aparells condicionadors d'aire presents a la ciutat eleven la temperatura ambient fins a 1,5 o 2 ºC.

Un exemple positiu: planta productora de margarina a Perú

La margarina és un substitut de la mantega obtingut per hidrogenació d'olis vegetals. La hidrogenació requereix saturar amb hidrogen l'oli vegetal a altes temperatures i pressions.

Aquest procés requereix un sistema de refredament basat en aigua per capturar la calor residual generada. L'aigua absorbeix la calor i eleva la seva temperatura, sent després tornada a l'ambient.

En una empresa peruana productora de margarina, un flux d'aigua calenta (35 º C) causava contaminació tèrmica al mar. Per contrarestar aquest efecte, l'empresa va implementar un sistema de cogeneració basat en un circuit tancat de refredament.

Mitjançant aquest sistema es va aconseguir reutilitzar l'aigua calenta per preescalfar l'aigua d'ingrés a la caldera. D'aquesta manera es va estalviar aigua, energia i es redueix el flux d'aigua calenta a la mar.

referències

1. Burkart K, Schneider A, Breitner S, Khan MH, Krämer A and Endlicher W (2011). The effect of atmospheric thermal conditions and urban thermal pollution on all-causi and cardiovascular mortality in Bangla Desh. Environmental Pollution 159: 2035-2043.
2. Coutant CC and Brook AJ (1970). Biological aspects of thermal pollution I. entrainment and discharge canal effects *. CRC Critical Reviews in Environmental Control 1: 341-381.
3. Davidson B and Bradshaw RW (1967). Thermal Pollution of Water Systems. Environmental Science & Technology 1: 618-630.
4. Dingman SL, Weeks WF and ien IC (1968). The effects of thermal pollution on river ice conditions. Water Resources Research 4: 349-362.
5. Galindo RJG (1988). Contaminació en els ecosistemes costaners, un enfocament ecològic. Universitat Autònoma de Sinaloa, Mèxic. 58 pàg.
6. Indus3Es Project. (Vist el 12 d'agost al 2019). indus3es.eu
7. Nordell B (2003). Thermal pollution causes global warming. Global and Planetary Change 38: 305-12.