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Ficha temática

Conservación de la Energía

Te invitamos a estudiar la energía calórica, la conservación de la energía y distintas fuentes con el siguiente recurso desarrollado por educarchile.

Conservación de la Energía

Energía calórica

Un sistema físico posee energía cuando tiene la capacidad de realizar un trabajo mecánico; es decir, cuando de alguna manera puede aplicar una fuerza sobre algo y desplazarlo. El trabajo, que designamos por T, se define como:

T = F • d           [7]

En esta expresión, F es la fuerza aplicada (en la dirección del desplazamiento) y d el desplazamiento experimentado (ver figura 25). La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de unidades (S.I.) es newton•metro, que se denomina joule (J).

Ilustración de un hombre empujando un bloque. Se lee "Hombre trabajando"

Cuando el agua hierve en una tetera posee energía, por cuanto el vapor que sale de ella puede hacer girar, por ejemplo, una rueda de paletas. Si se calienta un gas encerrado en un cilindro que tenga un émbolo, será capaz de desplazarlo (Ver figura 26). Este es el principio básico por el cual funciona la máquina de vapor y el motor de combustión de un automóvil.

Figura 26

¿Por qué tiene sentido decir que eso que denominamos calor, medimos en calorías y designamos por Q es energía?

El equivalente mecánico del calor. Según cuenta la historia, fue Benjamín Thompson, más conocido como conde de Rumford, quien se diera cuenta de que la teoría del calórico estaba equivocada. Al taladrar cañones para el ejército, observó que se producía calor en forma inagotable y ello no era consistente con la idea de que los cuerpos poseyeran una cierta cantidad de una sustancia llamada calórico. Más bien ese calor se originaba a partir del movimiento del taladro y el roce que se produce entre la broca y el material perforado. Sin embargo, fue otro inglés, James Prescot Joule, quien medio siglo después abordó el tema desde un punto de vista cuantitativo. Probablemente Joule pensó así: si cierta cantidad de agua se encuentra encerrada en un recipiente del cual el calor no pueda escapar (por ejemplo un termo), la energía mecánica que se ocupa al agitarla debe estar relacionada con el aumento de temperatura que debe experimentar el agua. Durante años diseñó un experimento que le permitiera medir y relacionar las dos cantidades involucradas: la energía mecánica (E) y el calor (Q). La figura 27 esquematiza el experimento. Al soltar la masa m, ésta desciende haciendo girar una rueda de paletas que agita el agua. Como la energía mecánica inicial del “peso” es mgh, si v es la rapidez con que llega al suelo, tendremos que la energía mecánica disipada es:  

Fórmula[8]

Esta cantidad puede medirse, y debe ser proporcional al calor que gana el agua. Si m es la masa de agua, c su calor específico y triánguloT el aumento de temperatura que registra el termómetro, este calor debe ser:

Q = cmtriánguloT        [9]

Figura veintisiete

Si no hay disipación de energía mecánica por efectos de roce en las poleas, ni pérdidas de calor en el agua por mal aislamiento térmico en el recipiente, las expresiones [8] y [9] deben ser iguales, pero como las medimos en diferentes unidades (joules y calorías, respectivamente), debe existir entre ellas una equivalencia.

La relación encontrada por Joule después de múltiples mediciones le permitió concluir que 1 caloría es igual a 4,18 joules. A este importante valor se le denomina equivalente mecánico del calor. El calor es energía mecánica que se transfiere de un cuerpo a otro.

Roce y calor. También hemos observado que la fricción está asociada a un aumento de temperatura. Por ejemplo, al lijar madera, al cortar un metal con una sierra o simplemente al frotarnos las manos cuando tenemos frío, apreciamos que la energía del movimiento se traduce en un aumento de temperatura. Entonces, ¿de dónde proviene el calor que llega a nuestras manos?

Las estrellas fugaces o meteoros suelen ser rocas que viniendo del espacio penetran en nuestra atmósfera. El roce con ella suele ser lo suficientemente grande como para aumentar su temperatura hasta fundirlas. Este es el origen de la luz que se produce cuando las personas dicen “vi caer una estrella”.

Si en un mismo punto doblamos sucesivamente un alambre galvanizado, notaremos que en esa zona la temperatura aumenta y, si insistimos, probablemente el alambre termine cortándose. ¿Por qué ocurren estos efectos?

Conservación de la energía. Imaginemos que estamos en una pieza donde la temperatura es un poco baja y la queremos calentar. Para ello podemos encender algún artefacto que nos entregue calor, como una estufa eléctrica o de gas, por ejemplo. Cualquiera de estos artefactos requiere una fuente energética para funcionar, ya que ninguno de ellos es autosuficiente. Por ejemplo, en el caso de una estufa eléctrica debemos conectarla a la red de la habitación para encenderla. ¿Qué es la corriente, sino una transferencia de energía?, ¿de dónde proviene esta energía eléctrica? Es posible que provenga de una central hidroeléctrica distante que transforma la energía potencial del agua de un embalse (E = mgh) en energía eléctrica a través del movimiento de grandes turbinas generadoras. Esto significa que la energía que necesitamos para calentar nuestra pieza es equivalente a la energía de una masa de agua ubicada a una altura determinada (por esta razón la mayor parte de las centrales hidroeléctricas están ubicadas en las zonas cordilleranas de nuestro país). Por otra parte, si la estufa es de gas, el proceso será algo distinto, pues el gas que se utiliza como combustible es un conjunto de compuestos químicos que reacciona con el oxígeno para producir otros compuestos y calor. En cualquier caso, lo que observamos es un proceso de transformación de “algo” que llamamos energía y que permite (produce) el movimiento, o la calefacción, o la vida.

En el motor de un automóvil una chispa enciende el gas del petróleo, provocando una explosión, que a su vez produce el movimiento de piezas mecánicas llamadas pistones, los cuales transmiten el movimiento a través de engranajes hasta llegar a las ruedas y convertir la energía química del petróleo en energía cinética o de movimiento.

El ciclo del agua es uno de los mejores ejemplos de transformación de energía. El agua en los mares es evaporada por la energía calórica que entrega el sol. El agua evaporada sube y viaja en forma de vapor de agua, forma nubes y luego precipita a tierra, nutriendo a todos los seres vivos. Si precipita en las alturas, sus cursos pueden ser retenidos en embalses, usándose para mover turbinas: el agua tiene energía potencial que es transformada en energía calórica.

Figura veintiocho

En síntesis, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Ello es conocido como el principio de conservación de la energía.

Recursos energéticos. Se han inventado muchos sistemas para transformar energía, aprovechando, por ejemplo, el calor de la tierra (centrales geotérmicas), la radiación del sol (centrales solares), el movimiento del viento (centrales eólicas) e incluso el movimiento de las mareas (centrales mareomotrices). Todas ellas son formas eficientes de aprovechar la energía que la naturaleza nos provee, energía que ha levantado monumentales cordilleras y que ha labrado ríos y grandes caídas de agua, materia prima de nuestras centrales hidroeléctricas. Desde las profundidades de la tierra, la naturaleza nos provee del gas y el petróleo que mueven nuestro mundo. Por esta razón, la comunidad internacional está sumamente preocupada por aquellos recursos naturales no renovables, como el petróleo y el gas, que a mediano o largo plazo, inevitablemente, se acabarán. Además hay grandes peligros debido a la contaminación ambiental, que en las últimas décadas ha tomado un carácter global, afectando ciclos naturales de gran escala y trayendo consecuencias a gran nivel también. 

Por esto se investiga la posibilidad de obtener otras fuentes de energía más eficientes, como la generación de grandes cantidades de energía controlada a través de la fusión nuclear. Si esto se logra algún día, de un vaso de agua podríamos sacar la misma energía que nos entregan toneladas de petróleo.

foto color
 CONSERVANDO LA ENERGÍAPara desarrollar esta guía, te sugerimos observar atentamente los dibujos que ilustran algunas situaciones relacionadas con la ley de conservación de la energía. Necesitarás la ficha temática “Conservación de la energía” y un esquema del ciclo del agua.Ir a la actividad

Guía del docente: CONSERVANDO LA ENERGÍA

Descripción curricular:

- Nivel: 2.º Medio 

- Subsector: Ciencias físicas

- Unidad temática: El movimiento

- Palabras clave: Newton, aceleración, fuerza, principio de masa, inercia, acción y

  reacción, peso.

 

- Contenidos curriculares: Fuerza y movimiento

- El concepto de fuerza que actúa sobre un objeto. Fuerza de acción y

  reacción. Formulación y discusión del principio de inercia.

- Relación entre la fuerza que actúa sobre un móvil y su aceleración.

  Concepto de masa inercial. Ejemplos en la naturaleza: en el cosmos, la vida

  diaria, el mundo de lo pequeño, con énfasis en la disparidad de valores. Uso

  de la notación científica.

 

- Aprendizajes esperados:

- Relacionan cualitativa y cuantitativamente efectos con causas (por

  ejemplo, aceleración con fuerza)

- Identifican el aporte al avance de la ciencia de algunos grandes

  físicos (Galileo, Kepler y Newton, por ejemplo)

- Miden y manejan con soltura magnitudes y unidades de uso común (la

  masa de un cuerpo, por ejemplo)

 

Contenidos relacionados:

- 1.º Medio: 

La luz: naturaleza ondulatoria de la luz.

La electricidad: carga y corriente eléctrica.

La electricidad: la energía eléctrica.

 

- 2.º Medio:

El movimiento: descripción del movimiento.

El movimiento: energía mecánica.

El calor: conservación de la energía.

La Tierra y su entorno: la Tierra, el dinamismo del planeta.

La Tierra y su entorno: el sistema solar.

La Tierra y su entorno: el universo.

 

- 3.º Medio:

Mecánica.

Fluidos.

 

- 4.º Medio:

Electricidad y magnetismo.

El mundo atómico.

 

Aprendizajes esperados de esta actividad: 

- Identificar situaciones en que una fuerza actúa sobre un cuerpo.

- Reconocer que las fuerzas actúan sobre los cuerpos y no son propiedad de éstos.

- Relacionar la fuerza, masa y aceleración como variables que componen la observación

  de Newton en su formulación del principio de masa.

- Reconocer las unidades con las que se mide la fuerza ejercida sobre un cuerpo.

- Reconocer que el peso es una fuerza.

- Identificar una situación cotidiana en la que se evidencia la ley de inercia.

- Relacionar la formulación de la ley con el actuar de la sociedad.

- Reconocer, mediante observaciones de un registro, la ley de acción y reacción en

  situaciones cotidianas.

 

Recursos digitales asociados:

- Ficha temática: Fuerza y movimiento.

- Diapositivas digitales (ppt): “El movimiento”

 

Actividades propuestas para este tema: 

En esta guía de trabajo se pretende reforzar las relaciones y observaciones que se incluyen

en las tres leyes del movimiento, planteadas por Isaac Newton. Mediante la presentación de

datos y el registro de experiencia, se pretende que el estudiante demuestre una comprensión

del manejo de conceptos incluidos en los contenidos de fuerza y movimiento.

 

ACTIVIDAD: Leyes de Newton

 

2H 

 

1. Mapas de contenidos tratados

 

mapa 

 

2. Desarrollo de la actividad: Leyes de Newton

 

Se recomienda aplicar esta guía de trabajo luego de las actividades de

reconocimiento de las leyes de Newton. Cada estudiante debe contar con la

guía del estudiante y acceso a la ficha n.º 10 “Fuerza y movimiento”.

 

Paso 1 

Proceda a leer en conjunto con ellos el contenido de la guía, y esté atento a

contestar posibles dudas en la formulación de la misma.

 

Paso 2

Pídales que desarrollen la guía de trabajo. Esté atento a las preguntas que

surjan, y vigile el desarrollo de la guía. En caso de que surjan dudas,

sugiera que anoten sus preguntas para hacerlas luego.

 

1.  Piensa en un objeto en reposo, como una pelota de fútbol en medio

     de una cancha.

 

a.  ¿Qué debe ocurrir para que esta pelota se mueva?

     Con esta pregunta se busca que los estudiantes asocien que

     uno de los efectos de la aplicación de una fuerza sobre un

     cuerpo es el movimiento. Por lo tanto, las respuestas que den

     cuenta de que necesitan aplicar una fuerza para que la pelota

     se mueva, están más cercanas al objetivo de esta pregunta.

 

b.  Señala tu grado de acuerdo con la frase “Para mover un objeto

     pesado, debo tener mucha fuerza”. Argumenta tu postura.

     Las fuerzas son interacciones entre dos cuerpos. Se evidencian

     cuando hay efectos, como movimiento, deformación o ruido de

     alguno de ellos o ambos. La fuerza no se posee, sino que se

     aplica o ejerce. La respuesta será más correcta mientras se

     reconozca que la fuerza se aplica.

 

2.  El siguiente dibujo muestra el esquema de un pequeño camión de

     juguete sobre una superficie plana en altura. El camión está atado

     mediante un gancho a una cuerda que pasa por una polea. Desde la

     cuerda se cuelgan algunos objetos pesados.

 

truck

 

En el dibujo, m representa una masa que carga el camión y que es

variable. F representa una fuerza ejercida sobre el camión.

Se aplica una fuerza sobre el camión y se determina la aceleración

del camión. Se realizan varios experimentos, modificando cada vez la

carga que transportaba el camión (m). La siguiente tabla muestra

esos resultados:

 

                 tabla1 

 

a.  ¿En qué unidades se mide la fuerza?

     La fuerza se mide en Newton, o kg·m/s2

 

b.  De acuerdo con lo que observas en el dibujo y en la tabla,

     señala tu grado de acuerdo con la frase “El peso es una

     fuerza”. Argumenta tu posición.

     Si el peso de un cuerpo causa finalmente el movimiento del

     vehículo, se reconoce como un efecto de las fuerzas y por lo

     tanto sería una fuerza. También se reconoce al peso como la

     fuerza con la cual la Tierra atrae a los cuerpos (ley de

     gravitación universal).

 

3.  En otro experimento, se mantuvo la masa constante sobre el camión,

     cambiando la fuerza que se le aplica. Los resultados de la medición

     de la aceleración son los que muestra la siguiente tabla.

 

                 tabla2  

 

Observando las dos tablas presentadas:

a.  ¿Qué ocurre con la aceleración cuando la masa del camión

     aumenta?

     En la primera tabla puede verse el efecto. Mientras la fuerza se

     mantiene constante, la aceleración del camión disminuye con

     el aumento de la masa.

 

b.  ¿Qué ocurre con la aceleración del camión cuando aumenta la

     fuerza que se le aplica?

     De acuerdo con la segunda tabla, al mantener constante la

     masa del camión, si aumentamos la fuerza con que se empuja,

     también aumenta la aceleración.

 

4.  En muchos países del mundo, las leyes obligan a los automovilistas a

     usar el cinturón de seguridad. Explica la razón de esta medida,

     considerando la ley de inercia de Newton.

     La ley de inercia de Newton señala que los cuerpos tenderán a

     mantener su estado de reposo (o movimiento) si no hay ninguna

     fuerza que cambie ese estado. De acuerdo con ello, los pasajeros de

     un automóvil van a tender a moverse en el sentido en que se mueve

     el automóvil, pudiendo ello causar daños si el conductor del vehículo

     intenta detener su movimiento o si otra fuerza lo hace.

 

5.  Observa el siguiente dibujo, que ilustra una botella de champaña

     sobre una balanza, antes de descorcharse y justo en el momento en

     que el corcho sale disparado de la boquilla de la botella.

 

                    bottles 

     De acuerdo con la ley de acción y reacción, elabora una explicación

     de las diferencias que se observan en la lectura de la balanza.

     La explicación debe dar cuenta de la comprensión de la acción y la

     reacción. En este caso se distinguen dos cuerpos: la botella y el

     corcho. El contenido de la botella ejerce una fuerza sobre el corcho

     para que éste salga disparado por la boquilla. Cuando el corcho sale,

     ejerce una fuerza sobre la botella, en dirección contraria a su

     movimiento, lo cual se refleja en la lectura de la balanza. Las

     diferencias de masa entre los cuerpos definen cuál será el cuerpo que

     más se acelere al aplicarse la fuerza.

 

Paso 3

Pida a los estudiantes que lean la ficha n.º 10 y que contesten nuevamente

la guía. Haga hincapié en la revisión de conceptos definidos y en las

relaciones observadas por ellos, en comparación con las enunciadas en la

guía. Sugiera que intenten contestar sus dudas de acuerdo con el contenido

del texto.

Información

Técnica

Descripción BreveTe invitamos a estudiar la energía calórica, la conservación de la energía y distintas fuentes con el siguiente recurso desarrollado por educarchile.
Temas relacionados

>>Presentación: Descubriendo la conservación de la energía

>>Presentación: La energía que nos da la vida

>>Video: Usos de la energía

>>Video: Hidroeléctricas de pasada

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
2° medioFísicaFuerza y movimiento

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