Todo Lo Que Necesitas Saber Sobre Energía

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¿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; Ug = 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 Ug 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; Usp = (½)k∆x2, donde k es la constante de resorte en cuestión (en N/m), ∆x es el desplazamiento del equilibrio (en m) y Usp 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: Uelec = qV, donde q es la cantidad de carga (en Coulombs, C), V es el potencial eléctrico (en voltios, V), y Uelec 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 2: Fuego dulce

Estamos jugando con fuego y comida otra vez, pero esta vez no ay oxigeno liquido necesario. Al soplar una nube de azúcar en polvo sobre un soplete, nos aseguramos de que haya mucho oxigeno alrededor para una combustión rápida. ¡Como veras, el azúcar es bastante concentrada de energía química!

Explorar

En el segmento de exploración, los alumnos pueden experimentar de primera mano los principios que esperamos ensenarles. Todavía no necesitamos describir explícitamente ningún concepto todavía – los estudiantes comenzaran a resolverlos mientras exploran.

Video 1: Frio taladro

Como hemos pasado tiempo pensando sobre de donde viene la energía química en su cuerpo, pensemos en lo que podemos hacer con ella – pensemos en las transferencias y transformaciones de energía. Podemos modificar fácilmente un taladro eléctrico alimentado por bacteria para hacer un simple generador de mano manivela que los estudiantes pueden usar para explorar estos conceptos. La parte “manivela” será una especie de manija insertado en lugar de una broca. Asegúrese de sujetar el botón que necesitaría presionar para iniciar el taladro. En lugar de poner una batería en el taladro, querrá contactar un cable a cada contacto de la batería. Conectará estos cables a un dispositivo que desee alimentar. La serie de trasformaciones energéticas, entonces, es lo siguiente: Usas energía química en tu cuerpo para hacer el trabajo. Medida que se añade energía al taladro, se trasforma dentro del dispositivo que conecta al compartimiento de la batería. Aquí utilizamos un dispositivo peltier, que, dependiendo de la dirección de la corriente a través de él, mueve la energía térmica a un lado del dispositivo u otro. (Esto es el resultado de efecto termoeléctrico, que esta fuera del alcance de nuestra discusión aquí.) Un dispositivo peltier es por lo tanto una bomba de calor, al igual que su refrigerado – no “hace frio” simplemente se “mueve caliente” lejos de una determinada área (y por lo tanto en otra). Sin embargo, también podrías conectar los cables a un pequeño luces de festivo, u otro pequeño artilugio de su elección. Con un interruptor de doble polo y tiro, inclusión podría realizar una comparación directa entre bombillas incandescentes y luces de LED: ¡la eficiencia tiene sentido cuando puede sentir la diferencia en la energía que debe proporcionar para iluminar cada una!

Video 2: Fotón de la opera

Otra toma en un generador de manivela está basada en un girador de ensalada en lugar de un taladro. Pegamos imanes en el borde de la cesta del girador y unimos un solenoide con el exterior del girador tazón. A este solenoide conectamos un par de pequeñas luces de LED. Cuando trabajas en el embolo del girador de ensalada, la energía cinética rotacional de la cesta aumenta. A medida que los imanes de la cesta se mueven más allá del solenoide, el flujo magnético dentro del solenoide cambia constantemente, por lo que se induce una corriente eléctrica en el solenoide (consulte Todo lo que necesita saber sobre el magnetismo para obtener mucha más información sobre este tema). La energía eléctrica en la corriente (ver Todo lo que necesita saber sobre la electricidad) se transforma en energía de luz (fotón) en los LED.

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!

Explicar

Ahora es el momento de codificar y formalizar las observaciones de los estudiantes. Los siguientes videos pueden ayudarle a dilucidar y demostrar los conceptos básicos subyacentes a los descubrimientos que los alumnos hicieron mientras exploraban.

Video 1: Para pop o no pop

Llevar un soplete a un globo suena como una apuesta segura para estallar. Y para un globo lleno de aire, es… Pero no para un globo lleno de agua. Transferir energía al aire como calor simplemente hace que el aire se caliente y se expanda. La temperatura del globo superará rápidamente el valor máximo que la goma puede soportar, y el globo estallará. Sin embargo, tendrías que añadir mucha más energía para llevar un volumen equivalente de agua a la misma temperatura. ¡De hecho, tendrías que poner a hervir toda el agua y calentar el vapor de agua! Esto no es probable: si llevas un soplete a un globo de agua, vas a hervir el agua del globo, momento en el que su temperatura se mantendrá constante a unos 100 ̊C (la temperatura exacta varía un poco con tu elevación). Toda la energía que añades con el soplete entra en hervir el agua (es decir, haciendo que se someta a una transición de fase de líquido a gas), no a cambiar su temperatura, ¡para que el globo no estalle!

Video 2: Energía en los alimentos

Comenzamos con una interesante exhibición de comida en llamas; ahora pensemos en lo que eso significaba. Una revisión rápida: Usted necesita alimentos como una fuente de energía química para todo, desde procesos celulares básicos hasta correr un maratón. Podemos tener una idea de cuánta energía química hay en un alimento quemándolo; podemos acelerar el proceso de combustión añadiendo oxígeno líquido (condensado del aire utilizando nitrógeno líquido). Aquí usamos esta estrategia para tener una idea de la cantidad de energía en una galleta, un palo de pretzel y una galleta: ¡es fácil ver cuál te proporcionaría más energía!

Extender

Una vez que los principios básicos son claros, queremos alentar a los alumnos a expandir su pensamiento y hacer preguntas que van más allá del alcance de lo que ya hemos discutido.

Video: Ligeramente microondas

Si lo intenta usted mismo, asegúrese de seguir las precauciones de seguridad indicadas en el video.

Las ondas, incluidas las ondas electromagnéticas (oscilaciones emparejadas autosostenibles de campos eléctricos y magnéticos), transportan energía (consulte Todo lo que necesita saber sobre las oscilaciones y las ondas). Su horno microondas genera uno de este tipo de onda (microondas, como es de esperar); el componente de campo eléctrico de las microondas empuja las moléculas de agua en sus alimentos, aumentando así la energía térmica de sus alimentos. Podemos demostrar más dramáticamente que las ondas llevan energía poniendo algunas pequeñas bombillas fluorescentes en el microondas durante unos segundos. El componente de campo eléctrico de las microondas es lo suficientemente grande como para excitar electrones alrededor de átomos de mercurio dentro de las bombillas. Cuando estos electrones vuelven a bajar a niveles de energía más bajos, emiten su exceso de energía en forma de un fotón (un paquete de energía) de luz visible. Resultado neto: ¡Las bombillas se encienden!

Evaluar

Es importante averiguar lo que los estudiantes entienden después de las primeras cuatro Es. Las pruebas y los cuestionarios son una opción, pero hay muchos otros.

Este depende de ti, ¿qué funciona mejor para ti y tus estudiantes? Nosotros, por ejemplo, hemos tenido buenos resultados con voltear las mesas y dejar que los estudiantes hagan un video en esta etapa. ¡Nos encantaría saber qué funciona en tu aula!