Tema 3. Estudio de la energía y recursos energéticos. PDF

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Profesor: Isabel...

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Tema 3: Estudio de la energía y recursos energéticos.

1. Conocimientos básicos para el estudio de la energía en la Educación Primaria. a) Finalidad del estudio de la energía. b) Interacciones entre sistemas materiales: tratamiento energético. c) Marco de estudio de la energía para Educación Primaria. d) Transferencia y transformación de la energía. 2. Ejercicio de clase sobre la transferencia y transformación de la energía. 3. Fuentes y recursos energéticos. a) b) c) d)

Fuentes de energía. ¿Cómo se fabrica la electricidad? Centrales de energía con fuentes de energía renovables. Impacto ambiental de la producción de electricidad.

4. Problemática del aprendizaje de contenidos escolares sobre la energía. a) Obstáculos para el aprendizaje. 5. Análisis y diseño de actividades de enseñanza para el estudio de la energía y recursos energéticos.

1. Conocimientos básicos para el estudio de la energía en la Educación Primaria. a) Finalidad del estudio de la energía. El estudio de la energía es complejo, por lo que la finalidad de los estudios energéticos debe ser doble: -

Introducción al concepto de energía como causa del comportamiento de los sistemas materiales, propiedades y cambios. Aproximación al conocimiento de las fuentes y recursos energéticos para profundizar en las ideas anteriores y como medida para comprender los problemas sociales y ambientales actuales.

Para estas finalidades, se deben abordar los siguientes contenidos: 1. Referidos al concepto de energía: o Interacciones entre sistemas materiales. o Energía. o Transferencia y transformación de la energía. 2. Referidos a las fuentes y recursos energéticos: o Fuentes energéticas. o Producción de la electricidad. o Consumo energético.

b) Interacciones entre sistemas materiales: tratamiento energético. Los sistemas materiales, al interaccionar, intercambian energía con un resultado neto que lleva a cada sistema a aumentar o disminuir su estado energético inicial. Estos cambios pueden afectar al sistema material, afectando a: -

Cambios de posición: Se modifica el estado de reposo o movimiento del sistema. Son cambios físicos. Cambios de estado: Se modifican las variables termodinámicas (presión, volumen y temperatura). Son cambios físicos. Cambios de composición: Se modifica la naturaleza particular de la materia en su nivel atómico-molecular. Son cambios químicos.

Los cambios en los sistemas tienen mucho que ver con el comportamiento de las cargas eléctricas de la materia. Por otro lado, cabe destacar que, en cualquier cambio de un sistema, se cumplen los principios de conservación de la masa y de la carga eléctrica del sistema.

c) Marco de estudio de la energía para Educación Primaria. El estudio de la materia en contextos escolares responde a 3 enfoques:

1. Energía como capacidad de un sistema para realizar un trabajo (energíatrabajo): Causa un problema didáctico, ya que, el concepto de energía en el uso cotidiano (esfuerzo o fuerza de acción) es diferente al empleado en el contexto científico (magnitud escalar que mide el efecto de una fuerza en la posición del sistema).

2. Energía como la causa que provoca cambios en los cuerpos (energía y cambio): El problema didáctico que se presenta, debido a la acepción cotidiana de la energía cuyos cambios son fáciles de percibir a nivel macroscópico , es doble: -

Limita la existencia de la energía a las situaciones de cambio y sus efectos perceptibles. No se contempla y diferencia la energía del concepto de interacción.

3. Energía como una propiedad que asociamos a cada estado de un sistema (energía y propiedad): Es considerada como una propiedad que asociamos a cada estado de un sistema. Por lo que presenta menor problema didáctico que las demás, a pesar de ser menos intuitiva y más abstracta, ya que no puede ser percibida por nuestros sentidos (masa, volumen o temperatura).

d) Transferencia y transformación de la energía. La energía es la propiedad general de toda la materia. Tiene las siguientes características: 1. Tienen una magnitud escalar. Por lo que no puede ser medida directamente con un instrumento, por su carácter abstracto. Para poder medirla, es necesario que dos sistemas interaccionen y se pueda medir a través de: o Los cambios que provoca. o Los cambios que experimenta. 2. Significado abstracto: No se percibe, como el volumen, la masa o la temperatura. 3. Concepto muy útil: en ciencia y tecnología.

➢ ¿Cómo podemos medir la energía? La energía se mide en diferentes unidades: julios (J), calorías (cal), electronvoltio (eV), kilovatio hora (kWh)… Sin embargo, en el SI se mide en julios: J = N · m, siendo 1J el trabajo realizado por la fuerza de 1N cuando se desplaza su punto de aplicación 1m. Cuando 2 sistemas (A y B) interaccionan y modifican su posición, estado y composición, han intercambiado energía con un balance neto a favor de A (si aumenta su energía) y en contra de B (si disminuye su energía). En este caso A será el sistema receptor de energía y; el sistema B será el emisor de energía.

Todos los intercambios energéticos están sujetos a los principios de conservación y degradación de la energía: a) Principio de conservación: Establece que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Este solo se cumple si los sistemas materiales que intercambian energía están aislados del exterior. Ej.: Termo, que conserva su energía calorífica, manteniendo la temperatura. b) Principio de degradación: Establece que la energía cuando se intercambia, en mayor o menor grado, va dejando de ser útil. Esta energía se degrada en forma de calor, que se transcribe al medio ambiente circundante. Ej.: La energía del Sol se degrada en forma de calor en la Tierra, aumentando la temperatura del suelo, mares y atmósfera. Solo una parte de esta energía es usada por las plantas, animales y personas.

➢ Transferencia de la energía. La energía de un sistema material solo se puede transferir mediante traba jo o calor. Si se realiza un trabajo sobre el sistema y/o se le proporciona calor, aumentará la energía del sistema (positivo). Si, por el contrario, es el sistema el que realiza el trabajo o cede calor, la energía del sistema disminuye (negativo). -

Trabajo: Energía que se transfiere de un sistema material (A) a otro (B) cuando la interacción provoca un desplazamiento y/o deformación de B. Calor: Energía que se transfiere de un sistema material (A) a otro (B) cuando se encuentran a distintas temperaturas, siendo TA > TB.

La relación entre energía, calor y trabajo de un sistema material se expresa a través de la siguiente ecuación: E2 – E1 = W + Q E2 = energía del sistema en el estado 1. E1 = energía del sistema en el estado 2. W = trabajo realizado sobre el sistema (+) o por el sistema (-). Q = calor aportado al sistema (+) o perdido por el sistema (-).

Problema didáctico: El significado científico de calor y trabajo no se corresponde con el significado cotidiano

➢ Transformación de la energía. Significa que la energía, cuando se transfiere puede pasar de una forma a otra. Hay diversas formas de adjetivar la energía y, sirven para identificar: 1. Tipo de interacción que provoca cambios en la materia. 2. Efectos perceptibles o fenómenos resultantes de la interacción. 3. Al sistema material por alguna propiedad asociada a los cambios que provocan las interacciones. 4. Al sistema material o fuente que emite energía.

Problema didáctico: Supone un problema en los niveles básicos, ya que no es coherente con la idea de energía como propiedad general de la materia. La energía de un sistema material en un momento dado es la suma de una energía interna (U) y una energía externa EM. -

Energía interna (U): Depende de la composición y estructura del sistema material a nivel submicroscópico y de su extensión. Pero no se modifica si lo que cambia es la posición del sistema (reacciones químicas, cambios de estado, cambios en las variables termodinámicas (P, V, T), cambios en la posición de las cargas eléctricas).

-

Energía externa (EM): Depende de los cambios energéticos que se producen en el sistema como resultado de interacciones. Puede o no modificar la energía interna inicial.

2. Ejercicio de clase sobre la transferencia y transformación de la energía. a) Clavamos una púa dando martillazos. Sistemas materiales: Persona, púa, pared, martillo. Interacciones: Mecánica Cambios: Posición y temperatura. Explicación de la transferencia: La energía de la persona pasa a la pared a través de la púa y el martillo, provocando un cambio en la pared. La persona transfiere su energía en forma de trabajo, ya que provoca un desplazamiento (principio de conservación). Por otro lado, al haber fuerza de rozamiento, se produce un aumento de temperatura en el sistema material, que se degrada al ambiente en forma de calor (principio de degradación). Explicación de la transformación: La persona (energía química) transforma su energía golpeando la pared (energía mecánica) a través de la púa y el martillo. Cuando la persona golpea la pared su energía cinética es máxima y la potencial disminuye. Sin embargo, cuando la mano asciende para volver a golpear, disminuye su energía cinética, siendo su energía potencial máxima.

b) Columpiamos a un niño en el parque. Sistemas materiales: Persona, columpio y niño. Interacciones: Mecánica y GRAVITATORIA. Cambios: Posición y temperatura. Explicación de transferencia: La persona empuja el columpio, por lo que cambia de posición y la persona realiza un trabajo sobre el columpio. Después lo empuja y lo suelta. El columpio describe un arco, debido a la atracción de la Tierra y la fuerza de tensión del columpio, por lo que baja y vuelve a subir hasta llegar a las manos de la persona. Con el movimiento se produce rozamiento, aumentando la temperatura de los sistemas y, por tanto, cede energía en forma de calor al medio ambiente (principio de degradación). Explicación de transformación: La persona para empujar al columpio usa su energía muscular o química (fuente de E). el columpio adquiere energía potencial másxima y cinética 0. Cuando lo suelta la potencial va disminuyendo y la cinética aumenta, que llega a la máxima en vertical. Al regresar, cuando sube la energía potencial vuelve a ser máxima y la cinética 0. Este proceso se va repitiendo. La energía interna disminuye en la persona que empuja y en los sistemas aumenta por el rozamiento, que aumenta la temperatura, por el principio del equilibrio térmico y degradación.

c) Una pelota bota en el suelo tres veces antes de pararse. Sistemas materiales: suelo, pelota, Tierra (gravedad) Interacciones: gravitatoria y elástica. Cambios: posición y temperatura. Explicación de transferencia: Un individuo deja caer la pelota a cierta altura y esta atraída por la Tierra va cambiando su posición hasta caer al suelo, lo que denominamos transferencia de energía en forma de trabajo (cambio de posición). Choca con el suelo y se deforma (cambio de posición), transferencia de trabajo. Cuando recupera su forma, bota y el proceso se repite. En cada bote con el suelo se generan rozamientos y aumentan la temperatura de la pelota y el suelo por encima de la temperatura ambiente y cede energía en forma de calor. (Principio de degradación.) a cada bote la pelota va perdiendo energía. Explicación de transformación: al tener una cierta altura, la pelota tiene energía potencial gravitatoria. Cuando se suelta la pelota, esta baja y su energía potencial disminuye y aumenta la cinética (velocidad). Cuando choca con el suelo, la energía cinética se convierte en elástica y esta se transformará posteriormente en potencial y cinética, porque vuelve a subir y vuelve a botar, aunque sean a menor altura cada vez, hasta que la energía cinética sea 0 y se vuelve a repetir el proceso. d) Un saltador de trampolín da un doble salto mortal antes de caer al agua. Sistemas materiales: Saltador y trampolín Interacciones: Gravitatoria y elástica. Cambios: Posición y temperatura. Explicación de transferencia: El saltador llega al borde del trampolín y da un salto, realizando un trabajo, deformándose el trampolín. Cuando este recupera su forma, transfiere su energía al saltador, saliendo lanzado este hacia arriba (principio de conservación, porque la energía del trampolín pasa al saltador y viceversa). En el aire el saltador realiza el salto y cae en la piscina por atracción gravitatoria, que ejerce sobre él la Tierra y que hace que cambie de posición (trabajo). Debido al rozamiento del trampolín cuando se deforma y del saltador con el aire, aumenta la temperatura. De esta manera, la temperatura se degrada al ambiente en forma de calor (principio de degradación). Explicación de transformación: El saltador utiliza su cuerpo (fuente de energía) para saltar en el trampolín, deformándolo y, adquiriendo energía potencial elástica (cambio de posición) que hace empujar al saltador en forma de energía mecánica (cinética y cambio de velocidad). El saltador sube hasta su máxima energía potencial. Cuando baja la potencial disminuye y la cinética es máxima. La energía interna del saltador cambia.

e) Damos al interruptor para encender las lámparas de la habitación. Sistemas materiales: Circuito eléctrico y bombilla, porque la persona lo único que hace es que cuando aprieta el interruptor y apaga la bombilla, por eso no la mencionamos Interacciones: Eléctrica Cambios: Se enciende la bombilla; y la Tª de la bombilla y del circuito. Explicación de transferencia: Al darle al interruptor se cierra el circuito y la energía eléctrica se transfiere a través del circuito (cambio de posición de los electrones). Hay una transferencia de energía en forma de trabajo, emitiendo luz y calor (principio de conservación). Los electrones encuentran resistencia al paso de la corriente eléctrica y el circuito aumenta su temperatura, pero como el ambiente circundante está a menor temperatura, se transfiere la temperatura (principio de degradación) Explicación de transformación: Tras el cambio de posición de los electrones, la energía se transforma en energía térmica (cambio de temperatura) en el circuito y en energía luminosa o radiante (efecto de interacción) en la bombilla. Esto se percibe como luz y calor. La energía térmica, por el principio del equilibro térmico se transfiere en forma de calor.

f) Una linterna deja de iluminar al agotarse las pilas. Sistemas materiales: Pilas, bombilla y linterna. Interacciones: No hay interacción, porque se agota la pila. Cambios: Deja de iluminar. Explicación de transferencia: Cesa la transferencia de energía de la pila a la linterna porque no hay energía eléctrica y al no haber movimiento de electrones, la luz cesa. Explicación de transformación: La transformación de energía ha cesado, porque la fuente de energía se ha agotado.

g) Utilizamos la batidora para triturar los alimentos. Sistemas materiales: Batidora, persona y alimentos. Interacciones: Eléctrica y mecánica. Cambios: Posición (las cuchillas dan vueltas y los alimentos se trituran). Explicación de transferencia: La energía de la corriente eléctrica se transfiere al motor de la batidora, conectado a las cuchillas que cortan. Estas giran (rotación) y la energía de la corriente eléctrica realiza un trabajo sobre las cuchillas, ya que las pone en movimiento cortando los alimentos (trabajo). Cuando tocamos el sistema, aumenta el rozamiento y parte de la energía se pierde en forma de calor. Explicación de transformación: La energía de la corriente eléctrica (cambio de posición de los electrones) se transforma en energía cinética de rotación (cambio de velocidad), implicando cambio de velocidad haciendo que los alimentos se trituren. El rozamiento hace que aumente la temperatura, ejerciendo energía térmica que, por el principio del equilibrio térmico y degradación se pierde en forma de calor al ambiente que se encontraba a menor temperatura.

h) Un día de invierno, encendemos el radiador de la habitación para calentarnos. Sistemas materiales: Radiador y aire de la habitación. Interacciones: Térmica. Cambios: Temperatura (la habitación se calienta). Explicación de transferencia: La energía de la corriente eléctrica se transfiere al radiador en forma de calor, calentando el aceite del radiador. La energía del aceite caliente se transfiere al aire de la habitación que está a menor temperatura, en forma de calor, calentando el ambiente. Explicación de transformación: La energía de la corriente eléctrica se transforma en energía térmica del radiador y del aceite caliente (cambio de temperatura), que se transfiere a la habitación. Este aumento de temperatura, por el equilibrio térmico, pasa a la habitación que está a menor temperatura.

i) Un huevo necesita 3 minutos en agua hirviendo para cocerse. Sistemas materiales: Huevo y agua caliente. Interacciones: Térmica. Cambios: Químico y temperatura. Explicación de transferencia: La energía del agua caliente se transfiere al huevo en forma de calor, ya que está a menor temperatura. En el huevo se producen reacciones químicas, desnaturalizando las proteínas del huevo (cambio químico). Explicación de transformación: La energía del agua caliente pasa al huevo en forma de calor. Cambia la composición y la energía interna del huevo.

j) Chica en la cama elástica saltando. Sistemas materiales: Aire, Tierra, chica y cama elástica. Interacciones: Mecánica y elástica. Cambios: Posición y cambio de deformación. Explicación de transferencia: La chica que actúa como emisor de energía, salta sobre la cama, deformando la cama elástica y la chica ejerce una fuerza. Realiza un cambio de trabajo sobre la cama. Después la cama recupera su forma, pero impulsa a la chica hacia arriba, ejerciendo una fuerza que provoca el movimiento de la chica, por tanto, realiza un trabajo sobre la chica. Con el movimiento aparecen rozamientos con la chica y la cama, los anclajes de la cama y la chica y el aire. Esto aumenta la temperatura de los sistemas (chica, cama y anclajes). Al aumentar la temperatura, y estar a mayor que la temperatura ambiente, esta se degrada por el principio del equilibrio térmico. Esta degradación hace que la energía se vaya perdiendo en cada bote, hasta que la chica pare. Explicación de transformación: La chica utiliza su energía muscular o energía química (fuente de energía) para hundir la cama, transformándola en energía elástica y esta sube, aumentando su energía cinética, que pasa a ser potencial conforme la chica va ascendiendo. Al contrario, ocurre cuando baja, que la potencial disminuye y la cinética es máxima. Cuando la chica baja, aumenta la temperatura de los sistemas que se degrada y transfiere al ambiente en forma de calor. La energía térmica va aumentando por el principio de degradación de la energía y del principio térmico.

3. Fuentes y recursos energéticos. a) Fuentes de energía. Fuente de energía: Sistemas que de forma natural o artificial son emisores de energía, es decir, que suministra energía. Recurso energético: Es la cantidad de energía disponible en las fuentes de energía. Además, debe existir una tecnología que haga posible su captación y/o modificación para su posterior uso.

➢ Clasificación de las fuentes de energía: 1. Según la capacidad de regeneración: - Renovables: Aquellas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua, como consecuencia de la radiación solar o la atracción gravitatoria (eólica, hidráulica, mareomotriz, geotérmica y biomasa). -

No renovables: Aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza (carbón, petróleo, gas natural…).

2. Según el desarrollo tecnológico: - Convencionales: Aquellas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados (carbón, petróleo, gas natural, central hidráulica y nuclear). -

Alternativas: Se encuentran en una etapa de desarrollo tecnológico (energía solar, eólica, mareomotriz y biomasa).

3. Según el acceso a su utilización: - Primarias: Utilizadas directamente de la naturaleza (carbón, ...