Colorado State University

¿Qué pasa cuando llevas un soplete a un globo de agua? ¿Qué podemos aprender incendiando una galleta con crispa de chocolate? En esta página responderemos a todas sus ardientes preguntas sobre energía.

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Puedes hacer una conexión con la energía de casi cualquier tema de la ciencia – la energía impulsa las reacciones químicas y las estructuras moleculares, es absolutamente necesaria para la vida y puede actuar como una presión selectiva sobre los organismos, puede cambiar los equilibrios ecológicos, es un elemento clave de como pensamos sobre temas físicos como las ondas y el electromagnetismo (ver ediciones relevantes de todo lo que necesitas saber…). Esta universalidad hace que la energía sea emociónate y desafiante de enseñar: Entender la conservación de la energía y principios energéticos básicos permite a los estudiantes establecer críticas y significativas conexiones entre las diferentes disciplinas científicos, pero puede ser difícil saber por donde empezar y como transmitir la naturaleza de la energía. No podemos ver energía, y toma muchas formas diferentes en el mundo. Pero ciertamente es real, y podemos cuantificarlo. Vamos a explorar más.

Teoría

Es difícil, como dijimos, para definir claramente la energía. Llamémoslo una especie de moneda que se puede negociar para hacer que las cosas sucedan – tu puedes enviar un poco de energía y obtener algo que desea a cambio, pero la energía no se desaparece; solo se transfiere o transforma. La energía no puede ser creada o destruida. Decimos que la energía se conserva – puedes convertir un tipo de energía en otro tipo (o incluso, en ciertas circunstancias bastante extremas, en masa), pero nunca podrás aumentar o disminuir la cantidad total de energía en el universo. Aclararemos este panorama y seguiremos enfatizando la conservación de la energía a medida que avanzamos.

Vamos a considerar principalmente cuatro tipos de energía aquí:

1. Energía cinética – energía de movimiento; K = (½) mv², donde m es masa (en kg), v es velocidad (en m/s), y K es energía cinética (en Joules, J)
2. Energía potencial – energía almacenada de la posición
   1. La energía potencial gravitacional aumenta a medida que un objecto sube por encima de alguna posición de equilibrio; U_g = mgh, donde m es masa (en kg), g es la magnitud de la aceleración debido a la gravedad (9.8 m/s² en la tierra), h es altura por encima de la posición de equilibrio (en m; h is negativo para objetos por debajo del equilibrio), y U_g es energía potencial gravitacional (en J)
   2. La energía potencial del resorte está presente en un resorte que se estira o comprime más allá de su posición de equilibrio; U_sp = (½)k∆x², donde k es la constante de resorte en cuestión (en N/m), ∆x es el desplazamiento del equilibrio (en m) y U_sp es la energía potencial del resorte (en J)
   3. La energía potencial eléctrica es la energía presente en la carga eléctrica que está lejos de su position de equilibrio en un campo eléctrica: U_elec = qV, donde q es la cantidad de carga (en Coulombs, C), V es el potencial eléctrico (en voltios, V), y U_elec es la energía potencial eléctrica (en J) – no trabajaremos mucho aquí; ¡ve TODO LO QUE NECESITAS SABER SOBRE LA ELECTRICIDAD para mucha más discusión!
3. Engería térmica – energía de movimiento molecular, con más movimiento correspondiente a una mayor energía térmica; no vamos a trabajar con una ecuación en particular para esto, sino más bien considerarlo cualitativamente
4. Energía química – energía almacenada en enlaces entre átomos; no vamos a considerar una ecuación en particular para esto tampoco.

Cualquiera o todos estos tipos de energía pueden estar presentes en cualquier sistema dado. Un sistema es un conjunto de entidades que interactúan que elegimos considerar al resolver un problema energético. Sabemos que la cantidad total de energía en el universa permanece constante, por lo que siempre podríamos elegir el universo como nuestro sistema, pero eso podría complicarse un poco. Afortunadamente, la conservación de la energía se aplica a través de las escales, por lo que podemos elegir sistemas mucho más pequeños para analizar. Vamos a considerar un caso simple: Usted recoge una caja pesada. Tomaremos nuestro sistema como tu y la caja. La energía química en tu cuerpo se transforma en energía potencial gravitacional de la caja, mas algo de energía térmica en tu cuerpo.

Esto nos lleva a otra consideración importante: la eficiencia. Es probable que sus alumnos ya tengan una comprensión intuitiva de la eficiencia – se trata de ser capaces de lograr un resultado deseado con el menor “desechos” posible. Esta es esencialmente la definición de eficiencia que usaremos aquí: la relación de lo que “obtienes” con lo que tienes que “pagar”. En el ejemplo anterior, su eficiencia no fue 100%; lo que “conseguiste” era energía potencial gravitacional en la caja, pero tenias que “pagar” más este valor que en energía química, como lo demuestra tu aumento de la energía térmica. Resulta que tu cuerpo es, como promedio general para la mayoría de las actividades, alrededor del 25% eficiente. Esto significa que de la energía química que “pago”, alrededor del 75% se transformó en energía térmica.

Esperemos que todo esto sea lo suficiente sensato, pero es posible que haya visto una preocupación con el escenario inicial. ¿Que nos impide tomar solo la caja como nuestro sistema? ¿O solo la persona que lo levanta? La respuesta es esta: ¡Nada en absoluto! Dependiendo de lo que sabemos y de lo que queremos saber sobre la situación, cualquiera de ellos es una opción perfectamente aceptable del sistema y coherente con la conservación de la energía. Para entender por qué, tendremos que considerar una nueva idea: el trabajo. El trabajo es una transferencia de energía a nuestro fuera de un sistema por medio de fuerzas aplicadas por un objecto en el sistema a algo fuera de él, o viceversa. Si tomamos solo la caja como nuestro sistema, decimos que la persona que levanta la caja si funciona en ella; esta transferencia de energía al sistema se transforma en energía potencial gravitacional de la caja. Si la persona que levanta la caja es la única componente del sistema, decíamos que el trabajo es realizado por el sistema; esta transferencia externa de energía es igual a la entrada energía química, menos energía térmica.

Hablando de energía térmica; sabes que no te quedaras caliente para siempre después de haber levantado una caja. Eventualmente tu energía térmica disminuirá de nuevo a su valor de equilibrio. Una vez más, si tomamos a la persona que levanta a la caja como el sistema, podríamos considerar que transferirá energía térmica a un objecto con una temperatura mas baja que ellos mismo (por ejemplo, el aire circundante). Esto no es trabajo, por qué no hay fuerza involucrada. Llamamos transferencia de energía térmica a nuestro calor fuera de su sistema. Un ultimo punto aquí: Usted sabe que se refrescaría más rápido después de levantar la caja si estuviera frío afuera que si fuera un día cálido de verano, y que se sentiría más difícil levantar la caja rápidamente a que levantarla lentamente. Claramente hay algo físicamente significativo en la velocidad a la que se transfiere o transforma la energía – lo llamamos poder de cantidad.

Aplicación

La energía es un gran tema para la exploración y experimento abierto. Hemos desarrollado y probado en el aula actividades sobre la naturaleza de la energía y sobre la conservación de la energía. Dicho esto, también tenemos videos sobre experimentos y demostraciones que pueden ayudarte a hacer que la energía sea interesante y divertida para tus estudiantes; estos videos serán nuestro enfoque aquí. Hemos organizado los videos en términos de “las 5 E’s”: Entablar, Explorar, Explicar, Extender y Evaluar. ¡Esta estructura ha funcionado bien para nosotros en talleres de maestros, y esperamos que funcione bien para usted también! Sin embargo, siempre damos la bienvenida a sus comentarios. Póngase en contacto con nosotros en cualquier momento para hacernos saber lo que esta funcionando, lo que no, y como podemos hacer que este recurso sea más útil para usted. ¡Disfrute!

Entablar

El propósito del segmento Entablar es despertar el interés de los estudiantes. No necesitamos transmitir conceptos directamente en esta etapa, simplemente dar a los estudiantes la oportunidad de pensar y emocionarse con el tema que discutiremos.

Video 1: Pretzeles en llamas de oxígeno liquido

La energía química en tu cuerpo proviene de los alimentos (que en última instancia provienen de plantas, que obtiene energía del sol, en la que la masa se convierte en energía a medida que los átomos se fusionan). Podemos probar el contenido de energía de un alimento encendiéndolo en llamas – más energía química en los alimentos significa más combustible para el fuego. Aquí empapamos el interior de un palo de pretzel con oxigeno liquido (condensado del aire en el lado de un recipiente de nitrógeno líquido); esto aumenta la tarifa de combustión del Pretel, a un efecto bastante espectacular.

Video 3: Cristal liquido

Este experimento es un poco diferente de los otros dos de esta sección, pero las transiciones de fase —la aplicación de la conservación de energía que explora— son interesantes e importantes. A temperatura ambiente, es posible mantener el acetato de sodio por debajo de su punto de congelación. Una ligera perturbación y una pequeña superficie para construir sobre harán que la solución cristalice (congelar). A medida que los átomos que antes se deslizaban unos de otros en la solución líquida se encierran en una celosía de cristal, su energía cinética disminuye. Ya sabes, por la conservación de la energía, que esta energía no sólo desaparece; de hecho, se transforma en energía térmica. ¡La congelación en realidad calienta la solución!