Sistemas urbanos / regionales termodinámicamente sostenibles

La mayoría de los modelos discutidos en las dos secciones anteriores se han basado en el concepto de información metafórica de entropía proveniente de Shannon y Weaver, con la posible excepción del desarrollo de Wilson de la dinámica lenta que se basa más directamente en Boltzmann. Sin embargo, otra vertiente del análisis entrópico de los sistemas urbanos y regionales se basa más en el enfoque ontológico original en el que un sistema urbano o regional se ve impulsado por la termodinámica en su sentido físico original que implica transferencias de energía y transformaciones siguiendo la Segunda Ley de la Termodinámica. Entre los que persiguen este enfoque se encuentran Rees (1992), Balocco et al. (2004), Zhang y col. (2006), Marchinetti, Pulselli y Tierzi (2006) y Purvis et al. (2019).

El enfoque de la mayor parte de esta investigación está particularmente en la sustentabilidad ecológica de los sistemas urbanos y regionales, viéndolos como sistemas disipativos abiertos que experimentan entradas y salidas de energía y materiales (Georgescu-Roegen, 1971; Prigogine,1980). Mientras que para los sistemas cerrados la entropía aumenta, con los sistemas abiertos la entropía puede aumentar o disminuir si la energía y los materiales fluyen hacia el sistema. Este fue de hecho el Schrōdinger (1945) argumento sobre la vida, que implica un proceso antientrópico mediante el cual los seres vivos extraen energía y crean orden y estructura mientras viven. Un término específico para anti-entropía es exergía (Rant,1956).

Distingamos entonces tres conceptos: entropía total o S total , entropía interior o S i , y entropía exterior o S o . Estos se relacionan dinámicamente de acuerdo con

\[\mathrm{d} S_{\text {total }} / \mathrm{d} t=\mathrm{d} S_{i} / \mathrm{d} t+\mathrm{d} S_{0} / \mathrm{d} t, \text { with } \mathrm{d} S_{i} / \mathrm{d} t>0\]

Sin embargo, d S o / d t puede ser positivo o negativo, por lo que si es negativo y tiene un valor absoluto que excede el valor absoluto que excede al de S i , entonces la entropía total puede disminuir a medida que el sistema genera orden a medida que se dibuja. en energía y materiales, solo para exportarlos como desperdicio y desorden, con la entropía aumentando fuera del sistema. Como Wackernagel y Rees (1996) lo expresaron, “Las ciudades son agujeros negros entrópicos,” lo que plantea serias dudas sobre su sostenibilidad, ya que generan grandes huellas ecológicas.

La exergía se define a menudo como la cantidad máxima de trabajo útil posible para alcanzar un estado de entropía máxima, lo que significa que debe ser cero si se logra un estado de entropía máxima. Rant’s (1956) la formulación original estaba en el contexto de la ingeniería química. Si B es exergía, U es energía interna, P es presión, V es volumen, T es temperatura, S es entropía, μ i es el potencial químico del componente i, y N i son los moles del componente i , entonces la formulación de Rant es dada por

\[B=U+P V--T S-\Sigma \mu_{i} N_{i}\]

Esto implica, ceteris paribus, que

\[\mathrm{d} B / \mathrm{d} t \leq 0 \leftrightarrow \mathrm{d} S / \mathrm{d} t \geq 0\]

que destaca la interpretación de la exergía como anti-entropía. 6

Una aplicación de esto usando una modificación de la ecuación de Rant debido a Moran y Sciubba (1994) ha sido realizado por Balocco et al. (2004). Estudian la exergía involucrada en la construcción de edificios y la depreciación real en la ciudad de Castelnuovo Beardenga cerca de Siena, Italia. Esto también implica el uso de relaciones input-output involucradas con la industria de la construcción. Llegan a la conclusión de que los edificios más recientes no son tan eficientes como los más antiguos, y que los construidos en 1946-1960 proporcionan la mayor sostenibilidad.

Siguiendo a Wackernagel y Rees, así como a Balocco, Paeschi, Grazzini y Basosi, y también a Haken (1988) y Svirizhev (2000), Zhang y col. (2006) participan en un ambicioso esfuerzo para aplicar conceptos de entropía al estudio del desarrollo sostenible de Ningbo, China, una ciudad de casi 6 millones de habitantes algo al sur de Shanghai en la provincia de Zhejiang. Su esfuerzo combina tanto medidas ontológicas de entropía como de información metafórica, ya que dividen su análisis en cuatro partes. Los dos primeros están vinculados al desarrollo y mantienen la entropía de entrada y la energía de salida impuesta , que están básicamente determinadas por la producción. Los dos segundos se consideran parte del metabolismo del sistema urbano, el metabolismo regenerativo y el metabolismo destructivo . los cuales están ligados a la generación de contaminación y su saneamiento. Esto se convierte en una medida de armonía con el medio ambiente. El resultado del primero da el grado de desarrollo mientras que el segundo da el grado de armonía. Ellos estiman estos para el período 1996-2003 y encuentran que estas dos medidas generalmente iban en direcciones opuestas, con el grado de desarrollo aumentando (asociado con la disminución de la entropía) a medida que disminuía el grado de armonía (asociado con el aumento de la entropía). Esto plantea el problema de la sostenibilidad del desarrollo urbano en China de manera bastante aguda.

Marchinetti, Pulselli y Tierzi (2006) 7 considere este enfoque desde un nivel más general, basándose en ideas debidas a Morin (1995) con respecto a la autonomía versus la dependencia de los sistemas en su entorno, mientras se utiliza el enfoque de estructuras disipativas de los sistemas abiertos asociados con Prigogine (1980). Ven que los sistemas urbanos evolucionan entre los extremos de la autarquía y la globalización. Sin embargo, argumentan que al final ninguno de estos extremos es sostenible.En su defensa de un camino equilibrado, enfatizan cómo los sistemas urbanos y regionales son ecosistemas que operan sobre la base de los flujos de energía (Odum,1969) dentro de un conjunto de totalidades complejas que surgen de un conjunto de componentes de micro-nivel que interactúan (Ulanowicz, 2012).