La enseñanza sobre la energía se basa en 8 conceptos clave:
1.1 La energía es una cantidad que se transfiere de un sistema a otro. La energía es la habilidad de un sistema para realizar un trabajo. Un sistema ha realizado un trabajo si ha ejercido una fuerza sobre otro sistema a cierta distancia. Cuando esto sucede, la energía se transfiere de un sistema a otro. Al menos parte de la energía también se transforma de un tipo a otro durante este proceso. Se puede determinar la cantidad de energía que se transfiere dentro o fuera de un sistema.
1.2 La energía de un sistema u objeto proveniente de su temperatura se llama energía térmica. Cuando hay una transferencia neta de energía de un sistema a otro, debido a una diferencia de temperatura, la energía transferida se llama calor. La transferencia de calor ocurre de tres maneras: convección, conducción y radiación. Como toda transferencia de energía, la transferencia de calor involucra fuerzas ejercidas a lo largo de una distancia a cierto nivel a medida que los sistemas interactúan.
1.3 La energía no se crea ni se destruye. El cambio en la cantidad total de energía en un sistema siempre es igual a la diferencia entre la cantidad de energía transferida y a la cantidad transferida fuera del sistema. La cantidad total de energía en el universo es finita y constante.
1.4 La energía disponible para realizar un trabajo útil disminuye a medida que se transfiere de un sistema a otro. Durante todas las transferencias de energía entre dos sistemas, se pierde algo de energía en los alrededores. En un sentido práctico, esta energía perdida se ha "agotado", a pesar de que todavía está en alguna parte. Un sistema más eficiente perderá menos energía, hasta alcanzar un límite teórico.
1.5 La energía viene en diferentes formas y se puede dividir en categorías. Las formas de energía incluyen energía luminosa, energía elástica y energía química entre otras. Hay dos categorías en las que se encuentran todo tipo de energía: cinética y potencial. Cinética describe los tipos de energía asociados con el movimiento. Potencial describe la energía que posee un objeto o sistema debido a su posición con respecto a otro objeto o sistema y las fuerzas entre los dos. Algunas formas de energía son en parte energía cinética y en parte energía potencial.
1.6 Las reacciones químicas y nucleares implican transferencia y transformación de energía. La energía asociada con las reacciones nucleares es mucho mayor que la asociada con las reacciones químicas para una cantidad dada de masa. Las reacciones nucleares tienen lugar en los centros de las estrellas, en bombas nucleares y en reactores nucleares basados en fisión y fusión. Las reacciones químicas ocurren ampliamente en los sistemas terrestres vivos y no vivos.
1.7 Se utilizan muchas unidades diferentes para cuantificar la energía. Al igual que con otras cantidades físicas, muchas unidades diferentes están asociadas con la energía. Por ejemplo, julios, calorías, ergios, kilovatios por hora y BTUs son todas unidades de energía. Siempre se puede convertir una unidad de energía a otra (por ejemplo, 1 caloría = 4.186 julios).
1.8 La potencia es una medida de la tasa de transferencia de energía. Es útil hablar sobre la velocidad a la que la energía se transfiere de un sistema a otro (energía por tiempo). Esta tasa se llama potencia. Un julio de energía transferida en un segundo se denomina vatio (es decir, 1 julio / segundo = 1 vatio).
Energía es una palabra que cuenta con muchos significados, pero no tiene una definición universal.
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¿Qué tipo de energía aparece en la imagen? La montaña rusa el Delfín Rayo en Tokyo, Japón, alcanza una velocidad de 81mph. Fotografía de Ben Garney.
En nuestra vida diaria, interactuamos constantemente con diferentes formas de energía. La energía está contenida en la gasolina, la comida para gatos y las estrellas y la energía se mueve de una forma a otra a través del viento, el movimiento y el calor. Entonces, ¿cómo comenzamos a enseñar algo que es intuitivamente obvio, pero a la vez abstracto y complejo?
Este principio ayuda a los/las estudiantes a familiarizarse con algunos de los fundamentos de la energía, muchos de los cuales se basan en la física. Queremos que los/las estudiantes se sientan cómodos con el concepto de que la energía se presenta de muchas formas, se puede transferir de un sistema a otro y se puede medir.
Si bien es difícil definir el término energía, no es difícil identificar, describir y medir los tipos específicos de energía.
La energía mecánica es la energía de los sistemas mecánicos, como una bola rodando en una rampa o una canica disparada desde una catapulta. La energía mecánica puede estar en tres formas:
La energía potencial gravitacional es la energía de un objeto o sistema debido a la atracción gravitacional. Por ejemplo, podemos calcular la energía mecánica de una bola que se cae desde una ventana alta o la energía potencial gravitacional del agua en una presa utilizada para generar energía hidroeléctrica.
La energía cinética es energía debido al movimiento de un objeto. Un carro a toda velocidad, una pelota de béisbol en el aire y un esquiador que se desliza cuesta abajo son algunos ejemplos de objetos con energía cinética. Los volantes de inercia son un método para almacenar energía cinética.
La energía potencial elástica es la energía almacenada en un resorte estirado, una banda elástica u otro material elástico.
La energía térmica es la energía que resulta de la energía cinética de las moléculas de una sustancia. Una tetera con té caliente tiene más energía térmica que una fría. Los objetos que están calientes emiten energía térmica y la transferencia de energía térmica provoca cambios en la temperatura.
La energía radiante es la energía de la radiación electromagnética, como la luz visible, los microondas o los rayos X.
La energía química es energía almacenada en enlaces químicos. La gasolina y los alimentos son ejemplos de compuestos con energía química potencial.
La energía nuclear es un nombre que se le da a la energía que resulta de la conversión de masa a energía durante las reacciones nucleares. Esta es una fuente de energía potente y abundante porque una pequeña cantidad de masa se puede convertir en una gran cantidad de energía como lo describe la famosa ecuación de Einstein E = mc2 .
Independientemente de la forma que toma la energía, la energía tiene un valor numérico que podemos medir y asignar a objetos o sistemas. Cuando el sistema experimenta algún cambio, la energía puede transformarse de un tipo de energía a otro.
Los/las estudiantes pueden experimentar y reconocer diferentes formas de energía.
Comprender cómo se definen y miden los diferentes tipos de energía ofrece una base desde la cual se pueden enseñar otros aspectos de la energía. Los conceptos de pérdida de energía, transferencia de energía de un sistema a otro y formas de medir la energía son conceptos esenciales a la hora de enseñar sobre la energía. Si bien puede ser tentador saltarse estos fundamentos y comenzar a enseñar directamente contenido relativo a turbinas eólicas y paneles solares, es importante establecer un marco de referencia para comprender qué es la energía antes de hablar sobre diferentes combustibles, fuentes de energía y usos de la energía.
Lo fascinante de la energía es cómo una forma de energía puede transformarse en formas de energía no relacionadas. James Prescott Joule realizó experimentos pioneros que demostraron que una cantidad de energía mecánica se puede transformar en la misma cantidad de energía térmica. Por ejemplo, una explosión convierte energía potencial química en energía cinética, energía radiante y energía térmica. La energía radiante puede transformarse en energía eléctrica por la célula fotovoltaica. La energía térmica puede transformarse en energía eléctrica por un generador termoeléctrico.
En todos los casos de transformación energética, parte de la energía se transforma en energía térmica. Debido a que esta energía a menudo no se puede recuperar de una manera útil, esta energía térmica a menudo se considera desperdiciada o pérdida.
Ayudar a los/las estudiantes a comprender estas ideas
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Cuando se intentan comprender las formas de energía es frecuente que se den malentendidos. Por un lado, todos tenemos un sentido intuitivo de lo que es la energía. Pero la ciencia de la energía puede ser compleja. Los/las docentes deben encontrar el punto medio entre ofrecer explicaciones precisas, sin llegar a simplificar demasiado o crear más ideas erróneas.
Una dificultad común es el concepto de potencia y las unidades para describir la energía y la potencia. En el sistema métrico, las unidades que se usan para medir la energía son julios. Un julio es la cantidad de energía requerida para acelerar un objeto quieto de 1 kg a una velocidad de 1 m/s en un segundo, o para levantar un objeto de 1 kg aproximadamente 10 cm verticalmente. Las calorías, BTU y kilovatios/hora son otras unidades que se pueden usar para medir la energía.
La potencia, que es la tasa de transferencia de energía, se mide en julios por segundo, también llamados vatios. A diferencia de otras unidades que describen tasas (por ejemplo, millas por hora para la velocidad, dólares por hora para los salarios), la unidad "vatios" tiene el "por segundo" ya incorporado a la unidad. Sin el "por segundo" en las unidades, los/las estudiantes a menudo piensan que un vatio es una cantidad de energía, en lugar de una velocidad a la que se transfiere la energía. Por ejemplo, una bombilla de 100 vatios utiliza 100 julios de energía eléctrica por segundo, transformándola principalmente en energía térmica.
Contribuyendo a esta confusión tenemos la unidad de kilovatios por hora. Un kilovatio por hora es 1.000 vatios por 3.600 segundos, o 3.6 millones de julios. Esta es una unidad muy común de energía a la hora de facturar el uso de los servicios eléctricos.
Trayendo estas ideas a su clase
¿Cómo funciona el trabajo? Este video TED-ed ilustra los conceptos de trabajo y potencia, los cuales nos ayudan a entender muchas de las leyes físicas que gobiernan nuestro universo. En esta lección, Peter Bohacek explora la relación entre cada concepto al aplicarlos a dos objetos comunes: una bombilla y un reloj de pared.
Como se ilustra en el vídeo TED-ed, los conceptos matemáticos básicos se pueden usar para comprender cómo se cuantifica la energía, cómo medir la energía de distintas formas y luego convertir esas cantidades en unidades comunes. Los términos como potencia (energía a lo largo del tiempo) y trabajo (fuerza a lo largo de la distancia) se pueden medir y calcular fácilmente. Todos estos términos tienen significados alternativos, pero relacionados, en la vida diaria, por lo que para que los/as estudiantes se familiaricen con las definiciones matemáticas será necesario que comprendan unos nuevos significados ligeramente diferentes, para las mismas palabras.
Muchas formas de transformación de energía se pueden observar en el aula, por lo que las demostraciones son un medio eficaz para ilustrar las transformaciones entre diferentes formas de energía.
Una batería química que enciende una bombilla que ilumina una superficie: la energía química se transforma en energía eléctrica, que se transforma en energía radiante y (principalmente) térmica. Examinar la etiqueta de una bombilla permite a los/las estudiantes calcular la eficiencia al determinar la proporción entre la producción de luz (lúmenes) y la potencia utilizada (vatios). Las bombillas de mayor eficiencia producirán más lúmenes de luz visible por vatio.
El generador de manivela/motoresy una bombilla muestran cómo la energía cinética se puede transformar en energía eléctrica. Conectar dos generadores de manivela / motores a la vez muestra cómo la cinética se puede transformar en energía eléctrica y luego volver a ser cinética.
Una juntura de Peltier (o generador termoeléctrico) transforma la energía eléctrica en una diferencia de temperatura, o una diferencia de temperatura en energía eléctrica.
Las llamadas bolas "felices / tristes" disponibles en las empresas de suministro de educación científica muestran cómo la elasticidad de un material puede afectar la transferencia de energía. La bola "feliz" está hecha de un polímero que, cuando se comprime, almacena energía potencial elástica y libera una cantidad similar de energía cinética cuando no está comprimida. Por ejemplo, cuando la pelota se cae desde una altura de 1 metro, la energía potencial gravitacional se convierte en energía cinética a medida que la pelota cae. Cuando la pelota impacta el piso, la pelota se comprime y la energía cinética se convierte en energía potencial principalmente elástica (y algo de energía térmica). Cuando la pelota rebota, el potencial elástico se convierte de nuevo en energía principalmente cinética (y nuevamente, algo térmica), lo que hace que la pelota rebote a una fracción significativa de la altura desde la que se liberó. La relación entre la altura del rebote y la altura de liberación es la relación entre la energía final del sistema y la energía original, una estimación de la eficiencia de transferencia de energía. La pelota "triste" está hecha de un polímero que es menos elástico. Cuando esta bola se comprime, casi toda la energía mecánica se convierte en energía térmica y la bola no rebota casi.
Juguetes con resortes y los poppers de goma son otros ejemplos de transformaciones de energía similares.
Un "termo" o frasco aislado al vacío es un excelente ejemplo de transferencia de energía térmica. Describir cómo un termo aislado al vacío evita que la energía térmica se transfiere dentro o fuera ayuda a los/las estudiantes a darse cuenta de que el "frío" no es una cantidad o una forma de energía, sino una falta de energía térmica. Los/las estudiantes pueden estar interesados en la historia del desarrollo del frasco aislado al vacío y cómo fue comercializado por Thermos, que se benefició del hecho de que Dewar no patentó la idea.
Material educativo de la colección CLEAN
Por el momento, materiales sólo disponibles en inglés, pero le invitamos a usar eltraductor de Googlepara aprovechar los recursos.
Escuela intermedia
La actividad práctica, Dar una vuelta – Creando un modelo de una turbina de vapor hace que los/las estudiantes exploren cómo se pueden utilizar las distintas fuentes de energía para hacer girar una turbina y generar electricidad con un imán.
Escuela secundaria
Se pueden usar herramientas como la Calculadora de conversión de unidades de energía para ayudar a los/las estudiantes a comparar cantidades de energía en diferentes formas. Cuando los/las estudiantes entienden el significado subyacente a las diferentes unidades de energía, pueden considerar efectivamente la escala de uso de la energía, lo que es parte del Principio de Energía 6.
Una guía de la energía de la Tierra es un vídeo de TED-Ed que ilustra cómo se realiza un ciclo de la energía a través de los sistemas de la Tierra: atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera.
Universidad
El proyecto del calentador de agua solar permite a los equipos de estudiantes diseñar y construir dispositivos de calentamiento de agua solares y obtener una mejor comprensión de los tres tipos diferentes de transferencia de calor, cada uno de los cuales desempeña un papel en el diseño del calentador de agua solar. Tenga en cuenta que esta actividad está diseñada para estudiantes de secundaria, pero puede ser un excelente laboratorio para estudiantes universitarios de introducción.
Los flujos de energía global permite a los/las estudiantes analizar datos sobre fuentes y sumideros (usos) de energía globales y construir un diagrama para mostrar la escala relativa y las conexiones entre ellos. Se incluyen debates sobre escala, variaciones históricas, socio ambientales y geográficas en estos datos, así como implicaciones para el uso futuro de la energía.
Encuentra actividades y recursos visuales para la enseñanza de este tema.
¿Qué es la energía? de EIA Energy Kids, esta unidad cubre conceptos básicos sobre la energía, tipos de energía, unidades de energía y calculadoras de energía.
Simulaciones de PhET para la enseñanza de Energía, Trabajo y Potencia. Simulaciones interactivas que permiten a los/las estudiantes "experimentar" con variables cambiantes en diferentes sistemas de energía.
El aula de Física es un sitio web de física gratuito y en línea, desarrollado principalmente para estudiantes y docentes de la escuela superior. Por ejemplo, la animación de Transformaciones de energía para el esquí alpino ilustra la relación entre el trabajo y la energía.
![[creative commons]](/images/creativecommons_16.png)
Hay 7 más conceptos fundamentales. Para verlos todos...
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