una propuesta para la enseñanza aprendizaje de la energía ... · departamento de didactica de las...

PROPUESTAS

Una propuesta para la enseñanza aprendizaje de la energía y su conservaciónbasada en la investigación en didáctica de las ciencias

Jordi Solbes

Departamento de Didactica de las Ciencias ExperimentalesUniversitat de València, España

[email protected]

En este trabajo se presenta una propuesta para la enseñanza de la energía que incluye todos los aspectosconceptuales, de procedimiento y de relaciones CTSA, que es necesario tener en cuenta para conseguir unaprendizaje significativo del alumnado y un cambio de su actitud, como muestra la investigación en didác-tica de las ciencias.Palabras clave: enseñanza, energía, conceptos, procedimientos, actitudes.

In this work a proposal is presented for the energy teaching that includes all the conceptual and procedureaspects and STES relations that are necessary to have into account for getting a significant learning of thepupil and a change in his attitude, like investigation in didactics of the sciences shows. Keywords: teaching, energy, concepts, procedures, attitudes.

Introducción

Gran parte de las propuestas para la ense-ñanza aprendizaje de la energía se han basadoen la existencia de ideas alternativas, plante-ándose la necesidad de un cambio conceptualen las mismas. En Solbes y Tarín (1998) sepresentan brevemente algunas de dichas pro-puestas. Recientemente, se han presentadomateriales (López et al., 2005) que plantean laenseñanza de la energía para generar actitudesy comportamientos del alumnado y del profe-sorado sobre sostenibilidad, teniendo en cuen-ta la actual situación de emergencia planetaria(en especial, el calentamiento global) estrecha-mente vinculada a la obtención y uso de recur-sos energéticos. Por último, en una tesis doc-

toral sobre el principio de a conservación de laenergía y sus implicaciones didácticas (Tarín,2000), en el análisis de la mayor parte de loslibros de texto, de laboratorio y manuales delos equipos de secundaria y bachillerato utili-zados en nuestro país, detectamos que no exis-tían prácticas de ese tema.

Esta propuesta se ha elaborado planteandoel proceso de enseñanza aprendizaje como unainvestigación dirigida a producir cambios con-ceptuales, de procedimiento y de actitud quepermitan superar las dificultades de aprendi-zaje de los alumnos.

Para ello, se plantea una serie de objetivosy se señalan las dificultades que se presentanen su consecución; los que se muestran en laTabla 1.

Revista de Enseñanza de la Física. Vol. 20, Nº 1 y 2, 2007, pp. 65-90

66 SOLBES

Objetivos

Reconocer la energía como una propiedad de todoslos sistemas

Identificar el trabajo como un proceso detransferencia de energía

Clasificar distintas formas de energía como cinéticaso potenciales.

Caracterizar el trabajo mecánico como el productode una fuerza por el desplazamiento que realiza

Reconocer la energía cinética como la asociada almovimiento

Asociar la energía potencial gravitatoria a laposición de un objeto sobre la Tierra y atribuirla ala interacción entre el objeto y la Tierra.

Reconocer que la energía de un sistema aislado seconserva.

Reconocer que la energía se transforma.

Establecer las limitaciones de la conservación de laenergía mecánica.

Reconocer el calor como un mecanismo detransferencia de energía

Interpretar el primer principio de la termodinámicay reconocerlo como una generalización de la ley deconservación de la energía mecánica.

Reconocer la degradación de la energía. como latransformación de energía mecánica en calor.Familiarizar con el método de trabajo de loscientíficos

Utilizar la conservación de la energía en lainterpretación de fenómenos de importancia social:agotamiento de fuentes de energía, energíasrenovables.

Valorar las consecuencias sociales, ambientales, etc.,de la producción y consumo de la energía.

Dificultades de aprendizaje

Asociación de la energía sólo a los sistemasen movimiento o con vida.

Análisis de los fenómenos como unasecuencia temporal de acontecimientos sinconsiderar el sistema de forma global.

Identificación de las formas de energía consus fuentes.

Identificación del trabajo con el esfuerzo.

Localización de la energía potencialgravitatoria en un objeto.

Reconocimiento del consumo de energíapero no su conservación.

Análisis de los fenómenos en términosperceptivos sin considerar latransformación de la energía.

Desconocimiento de la transformación deenergía mecánica en interna.

Identificación del calor con la temperatura

Desconocimiento de la degradación de laenergía.

Identificación de la transformación deenergía mecánica en interna como un gastode energía.

Desconocimiento de los procedimientosimplicados en el mismo y, en particular, quéhacer cuando no coincide lo predicho porla teoría, con los resultados delexperimento.

Desconocimiento de las relaciones CTSA ysus implicaciones en la vida cotidiana.

Desconocimiento de las relaciones CTSA ysus implicaciones en la vida cotidiana.

Tabla 1 - Listado de objetivos y las dificultades que se presentan en su consecución

UNA PROPUESTA PARA LA ENSEÑANZA APRENDIZAJE DE LA ENERGÍA Y SU CONSERVACIÓN... 67

Se ha planteado un tema que incluye todoslos aspectos conceptuales, de procedimiento yde relaciones CTSA, etc., ya que como pone demanifiesto la investigación en didáctica de lasciencias, hay que tenerlos en cuenta para con-seguir un aprendizaje significativo del alumna-do y un cambio de actitud. A nivel conceptual,se propone una enseñanza que parte de lasideas alternativas de los alumnos, para presen-tar la energía como un concepto unificador detoda la física, desarrollar su conservación,transformación, transferencia y degradación ymostrar las limitaciones de su conservación enlas formulaciones que aparecen en mecánica ytermodinámica. Se recurre para ello a la histo-ria de la física, para extraer de la misma losproblemas significativos, poniendo al alumna-do en situación de abordarlos, y poner demanifiesto el carácter tentativo de la ciencia,las limitaciones de la misma, el trabajo colecti-vo de los científicos, las controversias entreellos. (Solbes y Traver, 1996 y 2003).

También se abordan trabajos prácticoscomo pequeñas investigaciones, es decir, losestudiantes se plantean problemas, formulanhipótesis, proponen diseños experimentales,analizan e interpretan los datos y elaboranconclusiones (González, 1992). En concreto,se incluye además de los habituales experi-mentos de calorimetría, uno similar al realiza-do por Joule que permite determinar con bas-tante exactitud el equivalente mecánico delcalor y otros dos sobre conservación de ener-gía, en uno de los cuales la energía aparente-mente no se conserva, lo que lleva a los estu-diantes a replantearse qué hacer cuando nocoinciden las predicciones teóricas y los resul-tados experimentales.

Se aplican los conceptos introducidos a lacomprensión de problemas de relevancia tec-nológica, social y ambiental (relacionesCTSA) (Solbes y Vilches, 1997), en particular,el consumo desigual de energía en el mundo,sus efectos de agotamiento de recursos energé-ticos, calentamiento global. Se insiste en queexisten alternativas (AAVV, 2006; Sapiña,2005), en que las hubo antes y que por intere-ses particulares no se desarrollaron suficiente-mente [el propio autor comenzó investigandosobre células fotovoltaicas (Segura et al.,

1981), campo que debió abandonar por faltade financiación], y se discute qué podemoshacer cada uno de nosotros para mejorar lasituación. Estas actividades no son comple-mentarias, como aparecen en la mayoría delos textos, sino que se integran en el desarro-llo del tema. Esta propuesta así planteada per-mite considerar este trabajo como una contri-bución a la Década de la Educación para elDesarrollo Sostenible (2005-2014). Y, porúltimo, los estudiantes con sus profesores,revisan y evalúan lo que han aprendido.

En esta propuesta los estudiantes, trabajanen pequeños grupos y abordan las diferentesactividades bajo la dirección del profesor quepuede realizar reformulaciones de las aporta-ciones de los grupos y añadir información, lacual podrá ser mejor asimilada, ya que res-ponde a cuestiones que los estudiantes se hanplanteado previamente. Estas característicasson compartidas con otros diferentes modelosde indagación escolar (Nacional ResearchCouncil, 2000) y se van imponiendo hasta enla propia enseñanza de la Universidad como sepuede apreciar en un artículo publicado enNature (Powell, 2003).

Los materiales presentados corresponden alúltimo curso de la enseñanza secundaria obli-gatoria (estudiantes de 15 años). Las activida-des aparecen con la letra A y en cursiva paraevitar que se confundan los textos que prece-den a algunas actividades y los comentariosque las siguen. En los comentarios se dice loque se pretende con las mismas, que resulta-dos cabe esperar, etc. Parte de estas activida-des se han discutido con otros profesores y sehan aplicado a estudiantes, que obtienen bue-nos resultados si se comparan con los obteni-dos por alumnos a los que se les ha presenta-do el concepto de energía a través de la ense-ñanza habitual (Solbes y Tarín, 2004). Otrasincorporadas más recientemente, dado elcarácter flexible del programa de actividades,como las relativas a los experimentos de con-servación de la energía, también se han pro-bado con los estudiantes del IES José RodrigoBotet de Manises (Valencia) con buenos resul-tados cualitativos que aparecen en el propiotexto. Pasemos entonces a la presentación dela propuesta.

Revista de Enseñanza de la Física. Vol. 20, Nº 1 y 2, 2007

68 SOLBES

La energía y su transferencia: trabajo y calor

Galileo ya se planteaba el problema de laexistencia de alguna relación entre el despla-zamiento experimentado por un cuerpo mien-tras actúa sobre él una fuerza y el cambio develocidad que se produce. Esta búsqueda derelaciones directas entre cambios (no sólo develocidad) o transformaciones de la materia ysus causas, condujo, a lo largo de un sinuosoproceso de más de 150 años, a la introducciónde nuevas magnitudes físicas en particular losconceptos de trabajo, energía y calor y al esta-blecimiento de relaciones que iban a mostraruna gran potencia explicativa y predictiva.

A.0 Cita algún ejemplo de uso de laenergía por los seres humanos a lo largode la historia.

Antes de abordar las ideas cualitativas detrabajo y energía conviene detenerse para jus-tificar el interés del tema. Para ello, se utiliza-rá la actividad anterior que permite que losestudiantes reflexionen sobre la importanciade la energía en la sociedad. Señalaremos, acontinuación, la dificultad que ofrece la intro-ducción del concepto de energía. No olvide-mos que la elaboración de este concepto,hasta llegar a su total comprensión medianteel principio de conservación de la energía, fueun proceso que duró unos dos siglos. Por otraparte, los conceptos de energía y de camposon los más potentes, fructíferos y unificado-res de la física clásica. Como dice Holton yBrush (1976) “el concepto de energía propor-cionó un vínculo unificador de los fenómenosmecánicos y térmicos, el concepto de camposuministró a la electricidad, el magnetismo, lagravedad y la luz un marco común de teoríasfísicas”. Además, el campo y la energía siguenconservando su validez en la física moderna.Todo esto, pone de manifiesto su importanciay, a la vez su dificultad. Por tanto, hace quesea uno de los temas más investigados por ladidáctica de las ciencias, especialmente en elnivel de los estudiantes (como veremos a con-tinuación), pero también en la formación delprofesorado.

Como consecuencia de esta dificultad, exis-te una polémica en la didáctica de las ciencias,sobre la conveniencia de comenzar introdu-ciendo el concepto de trabajo antes del deenergía o viceversa (Sexl, 1981; Duit, 1981 y1984). Opinamos que es preferible una intro-ducción prácticamente simultánea de los con-ceptos de trabajo y energía por lo que presen-taremos, en primer lugar, el concepto cualita-tivo de trabajo y, a continuación, el de ener-gía. El tratamiento cuantitativo de ambasmagnitudes se realizará de forma sencilla, sindistinguir entre los distintos tipos de trabajo(conservativo, disipativo, etc.). Por tanto, noslimitaremos a mostrar que el trabajo que serealiza sobre un cuerpo puede producir varia-ciones de energía cinética, potencial o deambas. Esto, pensamos, puede facilitar lacomprensión por el alumnado de la conserva-ción y la variación de la energía.

También se incluyen actividades CTSA enlas que se presentan aspectos ambientales,sociales y técnicos de la energía, por su granimpacto en el mundo en que vivimos y por lamejora que producen en el aprendizaje al esta-blecer conexiones con los intereses de losalumnos.

En consecuencia, desarrollaremos el temasegún el siguiente hilo conductor:

1. Conceptos cualitativos de trabajo y energía1.1. Idea cualitativa de trabajo1.2. Idea cualitativa de energía1.3. Formas de energía2. Profundización en el concepto de trabajo2.1. Definición operativa de trabajo2.2. Medida de la eficacia en la realización

de trabajo3. Profundización en el concepto de energía. 3.1. Energía cinética3.2. Energía potencial gravitatoria4. Ley de conservación y transformación de

la energía5. Concepción actual de la naturaleza del

calor: una transferencia de energía6. La degradación de la energía.7. Problemas asociados al uso de la energía

y posibles soluciones


1. Conceptos cualitativos de trabajo y energía

1.1. Idea cualitativa de trabajoUn sistema es un cuerpo o conjunto de

cuerpos que separamos del Universo paraestudiar lo que les sucede. Lo que queda fuerade él se llama entorno o alrededores. Los sis-temas físicos interactúan de distintas formasentre sí y estas interacciones producen cam-bios en los mismos. Introduciremos a conti-nuación cualitativamente algunos conceptosque nos permitirán estudiarlos.

A.1 Considera diversos ejemplos de lo quese entiende por trabajo en la vida corrientey establece a partir de los mismos el con-cepto cualitativo de trabajo

Pensamos que esta actividad inicial, permi-te superar las habituales introducciones pura-mente operativas, carentes de significado físi-co. Como en tantos otros casos, la discusióncualitativa permite conectar con las ideas quelos alumnos ya tienen. En la exposición de losdistintos grupos aparecen las ideas de cambio(transformación) y de fuerza (esfuerzo). Trasla puesta en común, la clase puede llegar así alconcepto cualitativo de trabajo como “latransformación de la materia a través de lasinteracciones, es decir, por la acción de fuer-zas”, según la clásica definición de Maxwell(1877), que expresa con bastante propiedaduna primera idea de trabajo.

A.2 En las situaciones que aparecen a con-tinuación, señala si se realiza o no trabajo:a) Subir un saco a una altura determinada,b) picar una piedra, c) empujar una pared, d) caminar sosteniendo una maleta.

Sería didácticamente incorrecto pasar poralto la frecuente confusión entre trabajo yesfuerzo (Driver y Warrington, 1985). Se tratade un error conceptual bastante generalizado.Conviene, pues, detenerse en ésta y otras posi-bles confusiones abordando los ejemplos pro-puestos por los alumnos. Así, la cuestión “¿Setrabaja cuando se está sosteniendo un obje-to?” exige una respuesta matizada. Parece evi-

dente que el objeto (si es indeformable) nosufre transformaciones. Sin embargo, laimpresión de estar realizando trabajo que losalumnos tienen no es errada: el propio sujetoque soporta al objeto experimenta transfor-maciones (su corazón va más deprisa, transpi-ra...).

Por último, hay que insistir en que la com-prensión del concepto no puede lograrse sintener en cuenta sus relaciones con el conceptoasociado de energía, al que se refieren tambiénlos alumnos desde el primer momento.

1.2. Idea cualitativa de energíaEl concepto de energía nos es muy familiar

por usarse frecuentemente en el lenguaje coti-diano, pero conviene que nos detengamospara aclarar y profundizar en su significadofísico.

A.3 Expón las ideas cualitativas que ten-gas sobre el concepto de energía

Hay que señalar que, en esta actividad, laidea de energía como “capacidad de un siste-ma para realizar trabajo” surge sin dificulta-des aparentes. Algunos autores han señaladoque esta idea no es correcta porque todos lossistemas tienen energía y, sin embargo, notodos pueden realizar trabajo (por ejemplo,muchos sistemas tienen sólo energía interna,pero como están a la misma temperatura queel exterior, no pueden producir transformacio-nes). Esto les ha llevado a definir la energíacomo la capacidad de los sistemas para pro-ducir transformaciones o cambios. Otros laconsideran una propiedad de los sistemas quesólo cambia cuando se producen interaccio-nes, lo cual es cierto, pero no suficiente, por-que esto también se puede afirmar de otrasmagnitudes que se conservan en los sistemas:la cantidad de movimiento, el momento angu-lar, etc. Mejorar esto con el teorema de EmmyNoether que afirma que la energía es la mag-nitud que se conserva debido a la invarianzade las leyes de la física respecto a traslacionestemporales nos llevaría demasiado lejos. Porello, pensamos que hay suficientes razones,tanto científicas como didácticas, para conti-


70 SOLBES

nuar utilizando con estudiantes de 15 años laidea de energía como capacidad del sistemapara producir transformaciones.

A.4 Explica si los siguientes cuerpos tienenenergía:a) una persona que camina; b) una botella de agua;c) un coche que se mueve con una veloci-dad de 120 km/h; d) una persona que está sentada;e) una cacerola con agua hirviendo.

En esta actividad vemos que algunos alum-nos no reconocen la energía como una propie-dad de todos los cuerpos debido a que asocianla energía con el movimiento o con los seresvivos (Solomon, 1983). De acuerdo con dichapreconcepción, los cuerpos en reposo no pose-erán energía.

A.5 ¿Qué sucede con la energía de un siste-ma que realiza trabajo? Pon un ejemplo.

Por su parte, esta actividad conduce aexpresar la idea de que, al realizar trabajo, elsistema consume energía, experimenta unavariación de energía. Por supuesto, esta idea(que puede concretarse en una hipotética rela-ción entre el trabajo W y la variación de ener-gía, de la forma W = DE) es aún muy impreci-sa y habrá de ser profundizada. Pero, de entra-da, permite comprender mejor los ejemplos derealización de trabajo en situaciones de la vidapráctica considerados en el apartado 1.1. Asípuede entenderse más claramente por qué alsostener un objeto se realiza trabajo (asociadoa una disminución de energía del sujeto).

En resumen, el trabajo se nos muestracomo una forma de transferencia de energíadesde un sistema al exterior o viceversa. Si elsistema realiza trabajo, disminuye su energía.Si se realiza trabajo sobre el sistema, aumentasu energía.

1.3. Formas de energíaLa importancia de la energía en las socie-

dades modernas hace que todos los días oiga-

mos hablar de ella, si bien hay que señalar queno siempre el lenguaje ordinario coincide conel científico y ello es fuente de nuevas confu-siones que intentamos clarificar en este apar-tado.

A.6 Enumera las distintas formas de ener-gía que conozcáis.A.7 Indica, para cada una de las formas deenergía consideradas, en qué se basa sucapacidad de realizar trabajo, de transfor-mar la materia.

En la primera actividad los alumnos enu-meran toda una serie de fuentes de energía,que confunden con formas de energía (Carr yKirkwood, 1988; Solomon, 1985). Resalta eldesorden de esta enumeración, que la siguien-te actividad debe contribuir a superar hacien-do ver el carácter cinético de algunas denomi-naciones (energía eólica, etc.) y el carácterpotencial de las demás (¡no sólo la potencialgravitatoria!). En definitiva, ha de quedarclaro que toda la energía o es cinética asocia-da al movimiento relativo de unos objetos res-pecto a otros o es potencial, es decir, debida alas interacciones de los cuerpos (gravitatorias,eléctricas) y avanzar hacia la idea que, porsupuesto, no se debe hablar de energía térmi-ca o calorífica, concepción alternativa muyfrecuente todavía incluso en algunos textos yque es necesario deshacer. También convienedejar de utilizar la expresión “energía mecáni-ca” (cinética más potencial gravitatoria)

A.8 Elabora una relación entre las princi-pales fuentes de energía, indicando carácterrenovable o no, su consumo, etc.A.9 Sigue en la prensa, durante el tiempoque indique el profesor, todas las noticiasrelacionadas con la energía. Elabora undossier con las mismas con el fin de debatirlas consecuencias sociales, económicas,medioambientales, tecnológicas, etc., que eluso de la energía genera.A.10 Visita una central de producción deenergía (hidráulica, nuclear, térmica, solar,etc.) y realiza un trabajo sobre la misma.



Una vez establecidas las formas de energía,es fácil que los alumnos comprendan que lamayor parte de las formas enumeradas inicial-mente son, en realidad, fuentes de energía.

En cuanto a las fuentes de energía consu-mida en el mundo en 2001, las dominantesson las no renovables (un 86,3 % del total).Éstas se distribuyen en petróleo (35,1 %, 332EJ, 1 EJ=1018 J), carbón (22,6 %, 94 EJ), gasnatural (21,7 %, 91 EJ) y nuclear (6,9 %, 29EJ). Las energías renovables aportan en laactualidad un 13,7 % (57 EJ) de la energíaprimaria: un 9,3 % (39 EJ) corresponde a labiomasa, un 2,3 % (9 EJ) a la hidráulica y el2,2 % (9 EJ) restante a las nuevas renovables(solar-térmica y fotovoltaica, la eólica, etc.)(Sapiña, 2005)

A.11 ¿Cómo está evolucionando el consu-mo de energía?A.12 Valora críticamente la distribucióndel consumo mundial de energía

El consumo de energía ha ido en aumentoconstante debido principalmente a dos razo-nes: por el crecimiento de población y por elincremento de energía consumida por habi-tante. Así, en las sociedades cazadoras unapersona consumía 20.000 J/día, en las prime-ras sociedades agricultoras 50.000 J/día, en lasociedad industrial europea hacia 1870,280.000 J/día y un norteamericano hacia1970, 1.000.000 J/día. También ha idovariando el tipo de energía consumida mayo-ritariamente: en la antigüedad, la leña; duran-te la revolución industrial, el carbón y, en laactualidad, el petróleo.

Sin embargo, las cifras de consumo revelanun abismo que separa los países pobres de losricos. Los 270 millones de norteamericanosconsumen tanta energía -en un 80 % de origenfósil- como los 3.600 millones de habitantesde África, América del Sur y Asia. Así, en elaño 1994, un habitante de los EEUU consu-mía por año 8 TEP; uno de la Unión Europea,3,7 TEP; uno de España, 2,4 TEP; uno de laIndia, 0,2 TEP (El TEP -tonelada equivalentede petróleo- es la energía obtenida por la com-bustión de una tonelada de petróleo. 1 TEP =

4,18.1010 J) (Solbes, 2002).También hay grandes diferencias en cuanto

a los tipos de energía consumida entre elmundo desarrollado y el tercer mundo. Un 30% de la humanidad (1.700 millones de perso-nas) queda excluida de cualquier forma deenergía que no sea la que proporciona la bio-masa (leña, especialmente). Hay 2.400 millo-nes de personas que no tienen acceso a la elec-tricidad. Por ello, en los porcentajes de consu-mo de energía primaria en el tercer mundo, labiomasa representa el 35 % del total, el petró-leo el 26 %, el carbón el 25 %, el gas naturalel 8 %, etc. Por el contrario, en la Unión Euro-pea el consumo de energías renovables sólorepresenta el 5,38 % (Solbes, 2002).

2. Profundización en el concepto de trabajo

2.1. Definición operativa de trabajoHemos visto que trabajo es el acto de trans-

formar la materia mediante la aplicación defuerzas. Sin embargo, en física es necesariobuscar definiciones que permitan calcular elvalor de la magnitud trabajo. Para ello, hayque saber cómo depende de otras magnitudes.

A.13 Limitándonos al dominio de las trans-formaciones mecánicas propón una defini-ción de trabajo basada en el concepto cua-litativo que acabamos de establecer.A.14 La unidad de trabajo en el sistemainternacional es el Julio (J). Propón unadefinición de la misma.

La definición operativa W = F.d que losalumnos proponen (y que conviene aceptarinicialmente, pese a sus indudables limitacio-nes) aparece ahora como consecuencia delconcepto cualitativo y así debe ser verbalizadopor los alumnos, al menos en lo que se refierea la inclusión de ambos factores (la fuerza F yel desplazamiento d). Pero la idea de una pro-porcionalidad directa de ambos factores esuna simple hipótesis que debe ser profundiza-da, evitando así respuestas memorísticas. Seles puede plantear, para ello, que analicenotras expresiones y razonen si pueden ser con-sideradas como definiciones operativas correc-

72 SOLBES

tas de la magnitud trabajo, por ejemplo, W =F/d o W = F+d (Calatayud et al., 1988). Acontinuación se debe insistir en la necesidadde evitar definiciones del tipo “1N x 1m”carentes de todo significado. Al hacerlo, losalumnos llegan a proponer una definición másfísica como “trabajo que se realiza cuandouna fuerza de 1 N se desplaza 1 m”.

A.15 Propón ejemplos de trabajo dandouna estimación de su valor en unidadesinternacionales.A.16 Se ha de subir un tonel a un camióndesde el suelo. Considera cualitativamentecuándo se realiza más trabajo: al elevardirectamente el tonel o al utilizar un planoinclinado.

Estas actividades de “estimación” son muyconvenientes para familiarizar a los alumnoscon los órdenes de magnitud de situaciones rea-les. Es sobradamente conocida la importanciaque tienen dichas estimaciones, no sólo en lavida cotidiana, sino en la propia ciencia: Fermi,por ejemplo, las utilizaba para seleccionar a susfuturos investigadores (Lévy-Leblond, 2002).Situaciones como el trabajo realizado al elevaruna maleta a una altura dada o un ascensor aun piso determinado pueden, además, prepararal alumno para entender la relación del trabajocon la energía potencial.

En la siguiente actividad los alumnos res-ponden habitualmente que se hace menos tra-bajo subiendo el tonel por el plano inclinado,con lo que se pone en evidencia la confusióntrabajo/esfuerzo y se puede así insistir denuevo en el concepto cualitativo de trabajo(¿Acaso la transformación lograda no ha sidola misma?) y en el error de considerar la varia-ción de un único factor (“menos fuerza,menos trabajo”) olvidando el otro (“más des-plazamiento”). También se puede proponeralguna actividad cuantitativa del tipo:

A.17 Se eleva una masa de 50 kg a unaaltura de 12 m con una velocidad constan-te. ¿Qué trabajo hemos realizado? ¿Quetrabajo ha hecho la fuerza peso? ¿Cuál es eltrabajo realizado por la fuerza resultante?

2.2. Medida de la eficacia en la realización detrabajo: concepto de potencia

En la vida cotidiana no interesa tanto eltrabajo como la eficacia con que éste se reali-za, especialmente cuándo hablamos de máqui-nas (un coche, una grúa, etc.). Abordaremosesta cuestión en las siguientes actividades:

A.18 Propón una definición de una magni-tud que mida la mayor o menor eficaciacon que se realiza el trabajo.A.19 La unidad de potencia en el SistemaInternacional es el vatio (w). Propón unadefinición de la misma.

Aunque la mayor parte de los grupos par-ten de la idea de que una máquina eficaz es laque realiza mucho trabajo en poco tiempo (loque conduce directamente a introducir la rela-ción W/t como medida de la “eficacia”), algu-nos alumnos o el mismo profesor puedenhacer referencia a que se trata de un plantea-miento puramente cuantitativo que deja delado el aspecto “calidad”.

A.20 Realiza estimaciones aproximadas delvalor de la potencia para algunos ejemplosreales (motor de ascensor, persona subien-do una escalera, etc.).A.21 El kw.h (kilovatiohora) es una unidadde trabajo muy utilizada. Da una definiciónde la misma y calcula su equivalencia con eljulio.A.22 Haz una estimación aproximada delconsumo eléctrico de un mes en tu casa(teniendo en cuenta todos los electrodo-mésticos, bombillas, etc.) y compara conlos kw.h que indican los recibos de la com-pañía eléctrica.

La primera de estas actividades es un nuevoejemplo de estimación de órdenes de magni-tud, la segunda permite determinar el valordel kw.h (1 kw.h=1000.3600 J), unidad usadapor las compañías eléctricas, ya que el J es unaunidad de energía pequeña. Esto permite rea-lizar la tercera actividad, un ejemplo de rela-ciones CTSA de importancia porque muestralas implicaciones de la ciencia con la vida coti-diana. Para realizarla es conveniente investi-


gar la potencia de los electrodomésticos, bom-billas, etc. y estimar su tiempo de uso. Unaocasión conveniente para que los estudiantescomparen el consumo de las bombillas con-vencionales y de bajo consumo y vean que estamedida aplicada a un país produciría una sen-sible disminución de las emisiones de CO2(AAVV, 2006).

3. Profundización en el concepto de energía

Hemos visto que la energía es la capacidadde un sistema para realizar transformacionesde la materia, en particular, para realizar tra-bajo.

3.1. Energía cinéticaComo ya sabemos, la experiencia enseña

que un cuerpo dotado de movimiento es capazde realizar trabajo. A este tipo de energía se lellama cinética. A continuación, profundizare-mos en ella.

A.23 Señala, a título de hipótesis, de quémagnitudes dependerá la energía cinéticade un cuerpo que se mueve con respecto aotros. Señala, así mismo, algunos ejemplosdel interés que puede tener conocer y con-trolar esa energía.A.24 Sobre un cuerpo en reposo se realizaun trabajo para desplazarlo sobre unasuperficie horizontal. ¿Qué velocidadadquirirá?A.25 Calcula el trabajo necesario paraaumentar la velocidad de un cuerpo de 40kg desde 25 a 50 m/s.

La primera actividad es una nueva ocasiónpara la emisión de hipótesis. Conduce a losalumnos a expresar la energía cinética en fun-ción de la velocidad y de la masa. El profesordebe hacerles reflexionar sobre el hecho de quelas consecuencias de un choque no son pro-porcionales a la velocidad, sino al cuadrado dela misma. Dichos choques, así como los moli-nos de viento e hidráulicos, los arietes, etc., sonlos ejemplos usualmente mencionados.

Si se ha introducido la expresión:

d = 1 at2,

La siguiente actividad permite deducir que:

W = F.d = ma2 t2

y sustituyendo t = v/a, encontramos que:

W = mv2

Como en el caso de la actividad A.24 laenergía cinética inicial es 0, podemos generali-zar que W = ∆Ec. También se puede resolvermediante consideraciones cualitativas simila-res. Para ello, se puede ver que el trabajo pro-duce variaciones en la energía debida al movi-miento, es decir, en la energía cinética.

La última actividad es un ejercicio de apli-cación de la relación W = ∆Ec que no ofrecemayores dificultades.

3.2. Energía potencial gravitatoriaEn la práctica nos encontramos con siste-

mas capaces de realizar un trabajo, indepen-dientemente de su estado de movimiento. Así,un arco en tensión, un muelle comprimido,dos imanes próximos o un cuerpo situado auna altura sobre la Tierra. Estos sistemasposeen una energía asociada a la posición desus partes, que se denomina potencial y esdebida a la existencia de fuerzas entre dichaspartes. De todas las formas de energía poten-cial consideradas vamos a ocuparnos única-mente de la energía potencial gravitatoria delsistema constituido por la Tierra y un objetopróximo a ella.

A.26 Indica de qué factores cabe suponerque dependerá la energía potencial gravita-toria cuando se tiene un cuerpo en las pro-ximidades de la superficie terrestre.

A veces se habla de la energía potencial deun cuerpo, pero esta energía no es una propie-dad del cuerpo (Martín y Solbes, 2001). Enefecto, la energía potencial se debe a la inte-racción del cuerpo y de la Tierra, es decir, a lainteracción del cuerpo con el campo gravita-torio terrestre.


2

12

12

74 SOLBES

A.27 Sobre un cuerpo situado a una alturadeterminada se realiza un trabajo. ¿Cómovariará su energía potencial?A.28 Un libro de 5 kg se encuentra a 2 mdel suelo de una habitación que, a su vez,está a 15 m sobre la calle. Halla la energíapotencial referida al suelo de la habitacióny al suelo de la calle. El cuerpo se dejaahora en libertad y cae hasta el suelo de lahabitación. Halla la variación de energíapotencial utilizando como sistemas de refe-rencia: a) el suelo de la habitación, b) lacalle. Comenta los resultados.

La primera actividad es una ocasión depracticar, de nuevo, la emisión de hipótesis. Lasiguiente pretende que los propios alumnosdeterminen la relación W = Fd = mgh, es decir,W = ∆Ep. Pueden comprender que, si se reali-za un trabajo sobre el cuerpo, la energíapotencial gravitatoria aumenta y, por tanto, suvariación es positiva. Por el contrario, el tra-bajo realizado por la fuerza de la gravedaddisminuye la energía potencial. La última acti-vidad permite a los alumnos constatar elcarácter relativo de las energías potenciales(con respecto al nivel tomado como origen dealturas) y el carácter absoluto de las variacio-nes. Conviene llamar la atención sobre el errorcometido en ocasiones por los alumnos, con-sistente en dar a g (en la expresión mgh) valo-res negativos o positivos “según el sistema dereferencia”. Este error proviene, seguramente,de una fijación funcional adquirida en cine-mática y que aquí carece de sentido.

4. Ley de conservación y transformación de la energía

En el apartado anterior hemos estudiadolas transformaciones que se producen cuandomodificamos la posición de un cuerpo o cam-biamos su velocidad. En cada caso hemosestablecido que el trabajo realizado sobre elcuerpo suponía una variación de energíapotencial Ep o cinética Ec, respectivamente. Engeneral, el trabajo sobre un cuerpo podrámodificar a la vez la posición y la velocidad

del cuerpo, cumpliéndose:

W = ∆Ec + ∆Ep

A.29 Señala qué le ocurrirá a la energía deun sistema que esté aislado del exterior, esdecir, que no intercambia energía con suentorno mediante trabajo o cualquier otroproceso de transferencia.

Esta actividad permite deducir fácilmenteque en un sistema aislado se tiene que W = 0y, por tanto, deberá cumplirse que ∆E = ∆(Ec+ Ep) = 0. Si definimos la energía total E = Ec+ Ep se cumple ∆E = 0 o también que la E =constante. En otras palabras, la energía de unsistema aislado se conserva. Como E = Ec +Ep esto quiere decir que la energía potencialpuede irse transformando en cinética, comosucede, por ejemplo, en una caída libre o vice-versa, en un lanzamiento vertical. Por eso esmejor enunciarlo como ley de conservación ytransformación de la energía.

Este resultado, aparentemente sencillo por-que todo el mundo lo conoce, ha sido el frutode unos 150 años de trabajo científico (Holtony Brush, 1976; Mason, 1986). Galileo (156 4-1642), en el Diálogo de la dos nuevas ciencias(1638), se planteaba el problema de si existealguna relación entre el desplazamiento expe-rimentado por un cuerpo mientras sobre élactúa una fuerza y el cambio de velocidad quese produce.

Otro problema que se plantea es el de lasvariaciones de movimiento que tienen lugarcuando los cuerpos chocan los unos con losotros. Huygens (1629/1695) propuso en 1669que la suma de las masas por el cuadrado delas velocidades de todos los cuerpos permane-ce constante antes y después del choque. Aesta magnitud se le dio el nombre de “visviva” y fue utilizada por Leibniz como base delas teorías mecánicas. La conservación de laenergía mecánica, no formulada claramente,es utilizada por Huygens para resolver el pro-blema del péndulo y por Daniel Bernouilli(1700-1782) en su estudio de los fluidos enmovimiento.

Hay que esperar casi medio siglo para que


la conservación de la energía para un sistemamecánico sea establecida por J. L. Lagrange(1736-1813) en su Mecánica Analítica (1788).Se sabe que la energía cinética es 1/2 de la “visviva” pero aún no se utiliza el concepto deenergía potencial Ep sino la “función de lafuerza”.

A.30 Diseña algún montaje experimentalpara contrastar la ley de conservación de laenergía mecánica en alguna situación parti-cular de fácil realización.

Los alumnos pueden concebir montajesexperimentales relativamente sencillos, comopor ejemplo, la caída libre, pero como ésta esmuy rápida, pueden plantearse la utilizacióndel plano inclinado o una polea con pesas aambos lados (máquina de Atwood).

Pese a la sencillez de estos trabajos prácti-cas, detectamos que la mayoría de los librosde texto y de laboratorio y manuales de losequipos de secundaria y bachillerato no lasincluían, como ya hemos señalado. Inicial-mente pensamos que esto era debido a que losmontajes eran redundantes con Cinemática yDinámica. Ahora bien, esta redundancia espositiva porque se pueden emplear los mismosdatos para diferentes prácticas.

Pensamos, entonces, que la ausencia eradebida a que se trataba de un trabajo experi-mental complejo y sujeto a grandes impreci-siones, ya que, entre otras cosas, en los insti-tutos no hay dispositivos que midan velocida-des instantáneas. Por eso, cuando se utiliza elplano inclinado y cronómetros para estudiarel MRUA, es conveniente usar barras largas yacanaladas, de madera o aluminio (1,5 o 2,0m). En este caso se estudia la proporcionali-dad entre el espacio e y la inversa del tiempoal cuadrado 1/t2, ya que a=2e/t2. Y siempreque se trata de proporcionalidades, las cosasfuncionan bien sea cual sea el montaje, comoveremos más adelante.

Ahora bien, cuando se intenta estudiar laconservación de la energía, no basta con pro-porcionalidades, hay que trabajar con igual-dades y entonces tenemos problemas. Deter-minar la energía potencial Ep no presenta difi-cultades, ya que ésta sólo depende de la altu-

ra, pero para determinar la energía cinética Echay que obtener el tiempo t para distintosespacios e y calcular así la velocidad v. Perocon cronómetros, aunque la regla sea larga,no hay suficiente precisión. En consecuencia,es conveniente en estos casos el uso de cronó-metros con dos células fotoeléctricas en formade U, que permiten cronometrar el tiempo detránsito entre ellas con una precisión de hastamilisegundos y que constituyen la dotaciónusual de muchos centros.

A.31 Realiza las experiencias propuestas.

Experiencia 1: Caída libreEl principal inconveniente es que el tiempo

de caída es muy breve, lo que se agrava por-que los soportes del laboratorio suelen tenerpoca altura (0,7 m). Para evitarlo, se constru-ye un soporte de 2 m de altura, se deja la célu-la superior fija y se va desplazando la inferiorunos 0,2 m cada vez. Se deja caer una pelotitade goma desde la célula superior (de maneraque la velocidad inicial es vo=0 m/s) y se deter-mina el tiempo de tránsito en ms, repitiendo elproceso 3 veces. Al realizar la quinta mediciónapareció un nuevo obstáculo. Es muy difícilhacer pasar el cuerpo por las dos células foto-eléctricas con forma de U simultáneamente,cuando éstas equidistan más de un metro, loque limita el número de medidas. Se realiza laexperiencia, y los resultados obtenidos se pue-den tratar con la calculadora o, mejor, enhojas de cálculo (Excel), para aprovechar lamotivación que los estudiantes manifiestanpor la informática y para familiarizar a losestudiantes con el uso científico de las mismas,contribuyendo a lo que algunos autores (Eche-varria, 2002) denominan alfabetización en lasTIC. Como se ha realizado una determinaciónaceptable del tiempo t, esto nos permite deter-minar la velocidad para cada posición, tenien-do en cuenta que v=at y e=at2/2, entoncesv=2e/t y la Ec=mv2/2.


76 SOLBES

A.32 Analiza los resultados. Se puede decir ala vista de los mismos si se conserva la ener-gía. ¿Qué se puede hacer para mejorarlos?

Se puede comprobar en la tabla de resulta-dos que, conforme cabía esperar, la energíapotencial disminuye linealmente con la altura,la energía cinética aumenta linealmente con ladistancia recorrida y la energía total es prácti-camente constante, pero en este caso la preci-sión no es muy grande, aunque aceptable si secompara con la que se puede obtener con cro-nómetros convencionales.

Esto no descarta el experimento, siempreque se acompañe de otros. Se puede preguntara los estudiantes qué hacer para mejorar losresultados. Proponen utilizar tubos de vidriotransparentes para evitar que la bola impactecon célula inferior y poder tomar así másmedidas. Evidentemente, estos resultados se-rían más precisos con otros medios técnicos,

como el sonar conectado a un ordenador quepermite detectar posiciones y velocidades ins-tantáneas y, aunque su uso no es muy comúnen nuestros Institutos, se encuentra cada vezmás extendido en la Universidad de nuestropaís y en los centros de secundaria de otrascomunidades autónomas de nuestro entorno,por ejemplo, Cataluña.

Experiencia 2. El plano inclinadoLos equipos de ENOSA incorporan planos

inclinados cortos (1 m), pero anchos que per-miten apoyar las células fotoeléctricas. Lavelocidad se determina como en el caso ante-rior y, como la inclinación era de 10º, la altu-ra resulta h=∆e.senθ. En este caso no hay obs-táculos técnicos y para conseguir que la vo seanula, basta con utilizar una tarjeta entre la pri-mera célula fotoeléctrica y la bola. Se realizanlas medidas con facilidad, se tratan los resul-tados con Excel y se obtiene:

Figura 2. Variación de la Ec, Ep y E (en J/kg) respecto al espacio recorrido (en m)por una bola en un plano inclinado

Figura 1. Variación de la Ec, Ep y E (en J/kg) respecto a la altura (en m) en una caída libre


A.33 Analiza los resultados. ¿Se conserva laenergía? ¿A qué puede ser debido esto?

Los estudiantes se sorprenden por los resul-tados. En este caso, en el que no ha habidoningún obstáculo de tipo técnico que puedajustificarlos, como sucedía en la experienciaanterior, los resultados obtenidos ponen demanifiesto que la energía no se conserva.

No encuentran explicación a esto, aunquealguno hace notar que la energía cinética nocrece al mismo ritmo que decrece la potencial.El profesor puede aprovechar esto para seña-lar que si los resultados experimentales soncorrectos, el problema puede estar en el mode-lo teórico utilizado. Esto permite mostraralgunas estrategias usuales de la ciencia. Enprimer lugar, la necesidad de hacer aproxima-ciones para estudiar los sistemas. Esto se ponede manifiesto muy pocas veces en los libros desecundaria. La más importante de ellas es uti-lizar un modelo del sistema, que es una repre-sentación más simple y conocida de un siste-ma complicado o poco conocido. En segundolugar, la necesidad de cambiar de modelo teó-rico cuando éste no es capaz de predecir losresultados experimentales. Esto en la secunda-ria sólo se muestra en teoría (al tratar los

modelos atómicos o de la luz), pero nunca enlos experimentos que aparecen como verifica-ción de leyes. Aunque el sistema estudiado essencillo, quizás las aproximaciones realizadaslo hagan demasiado simple. Efectivamente, losestudiantes han considerado que la energíacinética es Ec=mv2/2, como en el caso anterior.Pero la bola no se desliza sino que rueda y, enconsecuencia, la energía cinética debe incluirademás de la traslación del CM, la rotaciónalrededor del CM, resultando ser finalmente,Ec = 0,7mv2. Esta última expresión no sepuede demostrar sin recurrir a la dinámica delsólido rígido, en cuyo caso es sencilla, ya queI=(2/5)mr2 y ω=v/r, entonces, laEc(rot)=(1/2)Iω2 =(1/5)mv2.

Aunque hemos visto que la ecuación sepuede deducir con facilidad, como los estu-diantes desconocen la dinámica del sólido,también podemos limitamos a dar el resulta-do, mostrando su plausibilidad, haciéndolescomprender que necesitamos un nuevo mode-lo teórico que incluya traslación y rotación y,en consecuencia, la Ec tiene que ser mayor que0,5mv2 para incluir no sólo la Ec de traslaciónsino también la de rotación. Si utilizan lanueva expresión de la energía cinética, con losmismos datos experimentales, obtienen:


El análisis de los resultados pone de mani-fiesto que estos son muy aceptables: la energíapotencial disminuye linealmente con la altura,la energía cinética aumenta linealmente con la

distancia recorrida y la energía total es prácti-camente constante.

Esto pone de manifiesto por qué cuando seutiliza el plano inclinado para estudiar el

Figura 3. Variación de la Ec, Ep y E (en J/kg) respecto al espacio recorrido (en m)por una bola en un plano inclinado considerando la rotación

78 SOLBES

MRUA, si simplemente nos limitamos a repre-sentar la relación entre el espacio e y el tiem-po al cuadrado t2 se obtiene una recta, con loque parece verificarse que e=at2/2. Pero si unono se limita a la proporcionalidad e intentaprofundizar más y determinar la aceleracióncalculando la pendiente de la recta, no obtie-ne a=gsinθ, que correspondería a una bola quese desliza, sino que los valores experimentalesajustan mejor con las aceleraciones teóricas deuna bola que rueda, a=(5/7)gsinθ.

Experiencia 3. La máquina de AtwoodEn este caso la caída libre de las pesas es

decelerada por las pesas del otro lado, con locual aparentemente se podrían obtener bue-nos datos experimentales. Sin embargo, losobstáculos de la realidad intervienen e impi-den que esto sea así. En muchos casos el cro-nómetro no se detenía al pasar las pesas por lasegunda célula fotoeléctrica, posiblementeporque ésta era sensible al propio hilo.

A.34 Explica las transformaciones de ener-gía que tienen lugar en los siguientes proce-sos: a) un coche choca contra un muelleque le hace rebotar; b) una linterna quefunciona con pilas; c) un micrófono; d) Unmolino de viento mueve una noria que subeagua desde una acequia a otra superior; e)Un molino de agua mueve una dínamo conla que se alimenta una estufa eléctrica. A.35 Un cuerpo cae por la acción de la gra-vedad de modo que al pasar por un puntosituado a 8 m de altura, su velocidad es de10 m/s. ¿Qué velocidad llevará cuandopase por un punto situado a 2 m de altura?

La primera de estas actividades permite quelos estudiantes realicen cadenas de transfor-mación de energía. La siguiente actividadmuestra la potencia del nuevo tratamiento.

Por último, es necesario mostrar las apa-rentes limitaciones de la ley de conservaciónde la energía mecánica.

A.36 Considera situaciones en las queparezca no cumplirse el principio de con-servación de la energía.

En la última actividad de esta sección seconsideran situaciones en las que interviene lafricción. Con ellas se introduce una aparentelimitación a la idea de conservación. Se pos-pone la clarificación completa de la cuestión alestudio del apartado siguiente.

5. Concepción actual de la naturaleza delcalor: una transferencia de energía

El estudio fenomenológico del calor es lacalorimetría. Nos limitaremos aquí a unabreve revisión. Uno de los procesos más sim-ples de aquéllos en que interviene el calor es elde los calentamientos y enfriamientos que tie-nen lugar al poner en contacto cuerpos a dis-tintas temperaturas.

A.37 Emite hipótesis acerca de los factoresde que depende la cantidad de calor queabsorbe o emite un cuerpo al variar su tem-peratura. A.38 Diseña un montaje experimental ade-cuado para contrastar las hipótesis, indi-cando la forma de resolver los problemastécnicos (forma de medir la cantidad decalor, etc.)A.39 Realiza los experimentos y analiza losresultados.

Estas actividades permiten la introducciónde la ecuación Q = c.m.∆T, donde la constantede la expresión obtenida es el calor específico yrepresenta el calor absorbido por la unidad demasa de la sustancia para elevar un grado sutemperatura. Si se asigna al calor específico delagua el valor unidad, podemos definir la uni-dad de calor o caloría como la cantidad decalor que absorbe un gramo de agua para ele-var un grado centígrado su temperatura. Susímbolo es cal. El diseño exige determinar deforma relativa la cantidad de calor a partir deltiempo de calentamiento, mediante resistencia,mechero Bunsen, etc. También el control de lasvariables: calentar una cantidad dada de agua ycomprobar como aumenta la temperatura(Q=k∆T), calentar distintas cantidades de aguahasta la misma temperatura y determinar eltiempo necesario (Q=k’m), etc.


Pasemos ahora a estudiar qué ocurrirácuando dos cuerpos a distinta temperatura seponen en contacto. Para estudiar estos inter-cambios situaremos los dos cuerpos en un sis-tema aislado o calorímetro, de modo que nopuedan intercambiar calor con el exterior. Lomás parecido a dicho sistema es un termo delos que usamos en casa.

A.40 ¿Qué puede decirse, acerca de lasvariaciones de temperatura y cantidades decalor implicadas cuando dos cuerposentran en contacto?A.41 A título de hipótesis, formula unaexpresión matemática para la temperaturade equilibrio de los dos cuerpos que entranen contacto.A.42 Diseña un experimento sencillo quepermita contrastar la hipótesis propuesta,realízalo e interpreta los resultados obteni-dos.

Estas actividades permiten revisar el inter-cambio de calor entre dos cuerpos hasta quese igualan sus temperaturas, llegando hasta laintroducción de la ecuación Q1+Q2 = 0, quecombinada con Q = cm∆T, nos da la tempera-tura de equilibrio. Se puede comprobar fácil-mente mezclando agua a distintas temperatu-ras. La relación establecida puede utilizarsepara la determinación experimental de caloresespecíficos, como podemos comprobar en lasiguiente actividad:

A.43 En el interior de un calorímetro tene-mos 200 g de agua a 20ºC. Al introducir uncuerpo de 50 g calentado a 38ºC, la tempe-ratura de la mezcla pasa a ser de 22ºC¿Cuál es el calor especifico de dicho cuer-po?”.

Estas actividades, junto a las anteriores,permiten superar la confusión de calor y tem-peratura (Arnold, 1994).

A.44 ¿Qué ocurre, desde el punto de vistatérmico, cuando los cuerpos se golpean ofrotan entre sí?

Sabemos que el rozamiento o el choque de

los cuerpos produce su calentamiento. En elapartado anterior hemos visto que dichosfenómenos están vinculados a aparentes limi-taciones del principio de conservación de laenergía. La resolución de este complejo pro-blema, a principios del siglo XIX, por Thom-son, Mayer, Joule y otros, permitió integrar elestudio del calor o calorimetría en el dominiode la mecánica.

Thomson escribió: “Estando encargado...del taladro de cañones en la fábrica del arse-nal militar de Munich, quedé sorprendido porel grado considerable de calor que adquiere,en un tiempo muy pequeño, una pieza delatón cuando es perforada”. El calor engen-drado por fricción “parecía no agotarsenunca. Era forzoso concluir que lo que uncuerpo aislado o sistema de cuerpos podíaproporcionar de modo continuo, sin limita-ción, no podía ser una sustancia material, yme parece extremadamente difícil, si no impo-sible, imaginar algo capaz de ser producido ala manera que lo es el calor en estos experi-mentos si no es movimiento” (en Holton yBrush, 1976).

A.45 ¿Qué concepción del calor pone encuestión la experiencia de Thomson? Emiteuna nueva hipótesis acerca de la naturalezadel calor.

El objetivo básico de este apartado es clari-ficar el concepto de calor como trabajo,saliendo al paso de los errores habituales deconsiderarlo como una sustancia (Albert,1978; Erickson 1979, 1980) o una forma deenergía almacenada en los cuerpos (Van Roonet al., 1994). Esta actividad permite criticar laidea de calórico y que aparezca la idea de aso-ciar el calor con la agitación o movimiento detodas las partículas del cuerpo. Thomsonencontró dificultades para conseguir que suidea fuera aceptada, entre otras razones por-que no pudo dar resultados cuantitativos, aligual que Mayer (Holton y Brush, 1976). Estejoven médico, especulando sobre las relacio-nes entre el calor animal y las reacciones quí-micas, establece en su ensayo “Observacionessobre las energías de la naturaleza inorgánica”


(1842) que hay una fuerza (Kraft) inmaterialque puede cambiar de forma y que se conser-va en todos los procesos naturales. Esta fuer-za es lo que hoy denominamos energía y elcalor era, según Mayer, una forma de energía.Este rechazo le provocó desórdenes mentales,de los que se recuperó al final de su vida,pudiendo ser testigo del triunfo de sus ideas.

Las pruebas cuantitativas fueron obtenidaspor Joule, un fabricante cervecero, que entre1843 y 1848 diseñó una serie de montajesexperimentales para tratar de establecer laequivalencia entre calor y trabajo.

A.46 Diseña algún montaje experimentalpara tratar de establecer la equivalenciaentre calor y trabajo. Realiza alguna deellas.

Entre ellas podemos mencionar el estudiodel calor que desprende un conductor recorri-do por una corriente eléctrica (y obtuvo lo quese conoce como ley de Joule), mediante com-presiones y expansiones de gases y, sobretodo, dejando caer pesas desde una alturadada que producen, por fricción (a través deun sistema de palas que hacen girar las pesasal ir bajando) una elevación en la temperaturadel agua agitada. Hasta tal punto llegó suconstancia por determinar dicho valor que ensu viaje de novios a Suiza, se dedicaba a medirmediante un termómetro el incremento detemperatura del agua que al caer por una cas-cada desde una determinada altura. La másfactible es la de la ley de Joule, calentandomediante una resistencia durante un tiempo elagua contenida en un calorímetro y midiendola temperatura inicial y la final. La energíasuministrada por la resistencia se obtiene mul-tiplicando la potencia por el tiempo (E=P t), yel calor (Q= mc∆T). Los resultados obtenidosson bastante aceptables.

A.47 Al caer dos pesas, de 30 kg cada una,desde una altura de 2 m, producen, porfricción (a través de un sistema de palas quehacen girar las pesas al ir bajando) una ele-vación de 0,56 ºC en la temperatura de 500g de agua. Calcula: a) el trabajo realizado aexpensas de la energía potencial de las

pesas; b) el calor producido; c) el equiva-lente mecánico del calor, es decir, a cuántascalorías equivale un julio.

Calculando el trabajo realizado a expensasde la energía potencial de las pesas y el calorproducido se puede determinar el equivalentemecánico del calor, es decir, a cuántos J equi-vale una caloría (encontrando un valor muypróximo a los 4.18 J/cal aceptados hoy).

A.48 Enumera cambios que puede producirel calor en los sistemas físicos.

La actividad permite mostrar la capacidaddel calor para producir transformacionescomo la dilatación de las sustancias, los cam-bios de estado, etc. Conviene detenerse aquí ysiguiendo, por ejemplo, Alonso y Finn (1971)dejar muy claro que no hay que concebir elcalor como una forma de energía (error muyextendido), sino pura y simplemente trabajo.Un trabajo asociado al desplazamiento de laspartículas de un cuerpo y que no puede medir-se, por razones obvias de la forma habitual (loque obligaría a seguir el desplazamiento decada partícula y medir la fuerza que actúa encada instante sobre cada una). La magnitudcalor aparece así como una globalización esta-dística del trabajo realizado sobre cada partí-cula. Un trabajo que se traduce en variacionesde energía cinética de las partículas (agitaciónque se mide, también estadísticamente, con elconcepto de temperatura). Y no puede hablar-se de contenido en energía calorífica (a pesarde que se suela hacer) como no puede hablar-se de contenido en energía “trabajosa” (cosaque, afortunadamente, nadie hace). Es decir, eltrabajo y el calor son formas de transferenciade energía que producen transformaciones enlos cuerpos. La comprensión del calor comoforma de trabajo abrió paso al establecimien-to del principio de conservación de la energíaen una serie de procesos en los que parecía nocumplirse.

Con el establecimiento de la equivalenciacalor/trabajo, el principio de conservación ytransformación de la energía adquiere unavalidez mayor. Mayer y Helmholtz enuncia-ron dicho principio de una forma más general,

80 SOLBES


denominada primer principio de la termodi-námica. Dicho principio nos dice que el con-tenido energético o energía interna de un sis-tema puede variar porque se realiza un traba-jo -por el sistema o sobre él - o porque el sis-tema absorbe o cede calor. De esta forma,podemos escribir:

Q - W = ∆E

donde Q representa el calor absorbido por elsistema, W el trabajo realizado por el mismoy E su energía interna.

Dado que estos trabajos fueron realizadospor Mayer en 1842, por Joule entre 1843 y1848 y por Helmholtz en 1847, hubo disputasde prioridad. En la actualidad se reconoce aMayer sus consideraciones teóricas, a Joule sutrabajo experimental y a Helmholtz el haberenunciado claramente el principio. Además,todos ellos aplicaron el principio de conserva-ción a múltiples fenómenos, no sólo físicos.Mayer a la fisiología y la expansión de losgases. Joule al calentamiento de un líquidopor fricción o por corriente eléctrica. Helm-holtz a la fisiología (la oxidación de los ali-mentos explica el calor corporal y la acciónmuscular), las colisiones inelásticas, los fenó-menos térmicos y eléctricos (corriente, induc-ción electromagnética), etc. Se pretendió,incluso, en constituirlo en un principio detoda la ciencia.

En resumen, hemos visto que si un sistemaestá aislado su energía se conserva, aunquepuede transformarse o convertirse de unasformas a otras. También hemos visto quecuando el sistema no está aislado, transfiere suenergía a otros sistemas o viceversa y se pro-duce una variación de la energía del sistema.Los dos mecanismos o formas de transferenciade energía que hemos visto en este tema son eltrabajo y el calor.

A.49 Enumera situaciones en las que sepropague energía de un lugar a otro, queno estén producidas por un desplazamientoneto de materia ni por una diferencia detemperaturas.

Esta actividad permite mostrar que, ade-más del trabajo y del calor, existen otras for-mas de transferencia de energía, como lasondas. Las acústicas y las radiaciones electro-magnéticas tienen una relevancia especial porsu capacidad de transmitir información. Ade-más, estas últimas constituyen el principalmecanismo de transferencia en el Universo.Las estrellas, como el Sol, irradian así su ener-gía. Algunos autores consideran que la radia-ción ya está incluida en el calor, pero estemecanismo de transferencia de energía esdebido a la diferencia de temperaturas, lo quesólo incluiría a la radiación térmica, excluyen-do otros tipos de radiación como la dipolar,sincrotrón, de frenado, etc.

A.50 ¿Qué importancia tiene para nuestrasociedad la producción de trabajo a partirdel calor?

Es la base del funcionamiento de las máqui-nas térmicas: inicialmente las de vapor, des-pués los motores de combustión interna (deexplosión o diesel) y las centrales eléctricastérmicas (de carbón, fuel o gas).

La primera máquina de vapor que funcionócon éxito a partir de 1712 fue la de Newco-men (1664-1729). El retorno del pistón eradebido a la presión atmosférica. Se utilizabapara extraer agua de las minas.

La realización de una máquina eficaz,accionada completamente por vapor, fue obrade James Watt (1736-1819) que, al repararuna máquina de Newcomen, tuvo en 1765 laidea de introducir separado el condensadorque permanecía frío. Básicamente, la máquinaconstaba de una caldera, cuyo vapor entra enun cilindro metálico y empuja el pistón haciafuera. El pistón está conectado a una ruedapor una biela que transforma el movimientoalternativo del pistón en movimiento circular.Cuando el pistón alcanza la posición más ale-jada, se cierra la válvula de entrada, abriéndo-se la de salida. La inercia de la rueda hace queel pistón se mueva y que el vapor salga por laotra válvula hacia el condensador y la caldera.

Las máquinas de vapor se utilizaron en tre-nes y barcos, en la maquinaria textil, la meta-lurgia, etc. Estas innovaciones técnicas posibi-


82 SOLBES

litaron la primera revolución industrial (1760-1870). Ahora bien, los desarrollos técnicosson una de las causas de la revolución indus-trial pero no son la única o la determinante.Pensar lo contrario, sería incurrir en determi-nismo tecnológico. Los autores, empezandopor Marx en su obra “El capital”, que hanestudiado los orígenes de la revolución indus-trial en Gran Bretaña, mencionan múltiplescambios que la favorecieron. En primer lugar,las innovaciones agrícolas de finales del XVIII:la sustitución del sistema de rotación trienal(trigo, cebada o avena y barbecho) por el cua-trienal (trigo, cebada o avena, nabos y trébol,que al fijar el nitrógeno aumenta la producti-vidad de la tierra), la introducción de nuevosarados y trilladoras, la ampliación de regadí-os, la generalización del uso de abonos, el cer-camiento y la concentración parcelaria, etc. Setransforma así la agricultura tradicional enagricultura de mercado y se produce unaumento de población y una disminución delos trabajadores agrícolas, base de la mano deobra industrial. Otros cambios son la mejoraen el transporte (especialmente el fluvial) y laampliación del comercio exterior y, en parti-cular, la inversión del capital acumulado en laindustria, pasando el empresario a ser el pro-pietario de los medios de producción y orga-nizándolos para obtener el máximo beneficio.Por ello, la aparición del sistema fabril no esuna revolución tecnológica sino un cambio enel control social de la producción; se sustituyeel control del obrero en el trabajo a domiciliopor el control del capitalista en la fábrica,donde la disciplina y la supervisión consiguenla reducción de costes (Solbes, 2002).

A.51 ¿Hasta qué punto ha influido la cien-cia en estos desarrollos? O, en otras pala-bras, ¿qué desarrollos se producen en pri-mer lugar; los científicos o los tecnológicos?¿Ha cambiado esa situación en la actuali-dad?

Como podemos ver en Solbes (2002), losinventos técnicos no fueron obra de científi-cos, sino de artesanos que estaban al corrien-te de los procedimientos técnicos en uso y queconocían por la práctica el problema que

había de resolverse. Así, Newcomen era herre-ro y James Watt era constructor de instrumen-tos de precisión. En resumen, la construccióny utilización de máquinas térmicas es previa aldesarrollo de la termodinámica. De la mismaforma, las técnicas siderúrgicas, de blanqueo ytinte de tejidos, etc., son anteriores a la quími-ca. Pero, a su vez, plantean problemas cuyasolución contribuyó al desarrollo de esas cien-cias. Hasta mediados del siglo XIX, en plenodesarrollo de la primera revolución industrial,los desarrollos técnicos siguen precediendo alos científicos.

Una buena prueba de las escasas relacionesentre ciencia y técnica durante este período esel hecho de que no exista una correspondenciaestrecha entre liderazgo científico e industrial.La ciencia inglesa llegó a un estado de decliveen el siglo XVIII postnewtoniano, cuandoempezaba su decisivo liderazgo en la energíade vapor y en la industria textil, metalúrgica yminera. El florecimiento de la ciencia francesaen el siglo XVIII y principios del XIX, cuandoParís era el centro científico del mundo, noestuvo acompañado de un desarrollo compa-rable al avance industrial. Rusia produjonumerosos científicos e inventores durante elsiglo XIX, que ejercieron un impacto insignifi-cante en el desarrollo económico del país. Elascenso de Estados Unidos a una posición deflorecimiento de crecimiento económico yliderazgo tecnológico ocurrió durante el sigloXIX, período en el que los logros norteameri-canos en la ciencia básica fueron mínimos.

En la actualidad, esto no es así, producién-dose una relación más dialéctica entre cienciay tecnología. Hay avances científicos que ori-ginan nuevas tecnologías y desarrollos tecno-lógicos que plantean nuevos problemas a laciencia o permiten construir nuevos instru-mentos de observación y experimentación quepermiten a u vez nuevos avances científicos.

6. La degradación de la energía

El primer principio proporciona informa-ción sobre las propiedades de transformación,conservación y transferencia de la energía(Duit, 1981 y 1984). Pero con ellas no está


completa nuestra descripción de la energía,como podemos ver en la siguiente actividad.

A.52 En la naturaleza, un objeto que sedesliza sobre una superficie acaba parándo-se, una pelota que cae rebota a una alturamenor, etc., pero no se observa que unobjeto pesado empiece a moverse o que unapelota rebote cada vez más alta. ¿Algunode estos procesos incumple la ley de con-servación de la energía?

Estos procesos no incumplen la conserva-ción de la energía y sin embargo no sucedenen la naturaleza. Esto nos dice que el primerprincipio es incompleto, puesto que no sumi-nistra información alguna sobre la posibilidadde que el proceso tenga lugar, es decir, sobrelas causas de evolución de un sistema en undeterminado sentido y no en otro.

A.53 Enumera algunos ejemplos sencillosde procesos que tengan lugar espontánea-mente en un sentido, pero no en otros, esdecir, de procesos irreversibles. Trata deestablecer las causas de su evolución.

Algunos a los que ya nos hemos referidoson la caída de una piedra, un objeto que sedesliza sobre una superficie acaba parándose,una pelota que cae rebota a una altura menoro a la transferencia de calor de los cuerposcalientes a los fríos. Otros pueden ser laexpansión de un gas cuando se conecta surecipiente con otro vacío, la difusión del solu-to o la difusión de gases inicialmente separa-dos y gran número de procesos químicoscomo combustiones, ataques de metales porácidos, etc. Como se puede ver, hay procesosirreversibles en la mayoría de los dominios:mecánica, difusión, termodinámica, química,electricidad, etc.

Así, cuando un cuerpo que se mueve por unasuperficie acaba parándose, observamos que setransforma una energía útil, capaz de realizartrabajo (la cinética) en otra no utilizable (lainterna, que sólo se puede utilizar mientras sutemperatura es superior a la de su entorno). Enéste, como en la mayoría de los procesos antesmencionados, se observa que la energía tiende

a degradarse (enunciado cualitativo del 2º prin-cipio). El concepto de degradación se une a losde transformación, conservación y transferen-cia para caracterizar la energía.

Observamos una asimetría en los procesosirreversibles: suceden de modo espontáneo enun sentido, pero el sentido inverso es provo-cado, exige un gasto de energía. Esta mismaasimetría fue detectada por W. Thomson(Lord Kelvin) y R. Clausius en su estudio delas máquinas térmicas. Aunque se observa quela conversión de trabajo W en Q es total, Kel-vin enuncia en 1849 que no es posible queexista una máquina térmica que transformeíntegramente en trabajo una cantidad de calordada, denominada móvil de 2ª especie, lo queconstituye otra manera de expresar el 2º prin-cipio de la termodinámica.

En 1850 Clausius en el artículo “Sobre lafuerza motriz del calor” enuncia los 2 princi-pios fundamentales de la termodinámica. Res-pecto al segundo escribió Clausius: “es bas-tante posible que en la producción de W sepueda consumir una cierta parte de Q, y queuna parte adicional sea transmitida de uncuerpo caliente a uno frío: y ambas partespueden guardar una cierta relación definidacon la cantidad de W producida”. Es decir,que una máquina térmica extrae calor Q1 deun foco caliente (o caldera), produce un W ycede calor Q2 al foco frío, cumpliéndose queQ1 = W + Q2.

A.54 Determinar el rendimiento de unamáquina térmica.

Se trata del cociente entre el trabajo produ-cido y el calor suministrado. Es decir,

Por ello, todas las máquinas y motores tie-nen rendimientos inferiores al 100 %. Así, elrendimiento de un tren a vapor es del 10 %, elde un motor de gasolina del 25 % (como el delcuerpo humano), el de un motor diesel del35%, el de una turbina de agua de una centralhidroeléctrica de 85 % y el de un motor eléc-


η = = = 1 -WQ1

Q2Q1

Q1 - Q2

Q1

84 SOLBES

trico o el de una bicicleta del 95 %. Esto nosofrece una nueva buena ocasión para reflexio-nar sobre el ahorro energético y, por tanto,sobre la disminución de gases de efecto inver-nadero, que conlleva el uso de la bicicleta odel transporte público y de lo que se podríaconseguir si los estados apoyasen decidida-mente (vía reducción de impuestos) el uso decoches híbridos (con motores térmicos y eléc-tricos) (AAVV, 2006).

A.55 En algunos procesos irreversibles nose aprecia claramente la degradación de laenergía, por ejemplo, en la difusión degases inicialmente separados o la expansiónde un gas en un recipiente vacío. ¿Quésucede con el orden en los mismos?

Lo que tienen en común es que los procesosnaturales tienden a evolucionar a un estado demayor desorden, lo que constituye un enun-ciado cualitativo del 2º principio. Así, una dis-tribución desordenada, como la mezcla devarios gases es más probable que la constitui-da por los gases separados.

Luego es evidente que necesitamos unanueva magnitud cuyo valor indique el sentidode la evolución de un proceso, es decir, unamagnitud que crezca (o disminuya) en el senti-do de evolución. Opcionalmente, según el inte-rés de los alumnos, se puede mencionar queClausius en 1860 introdujo una nueva magni-tud llamada entropía, que definió como∆S=Q/T, donde Q es el calor transferido en elproceso reversible a temperatura T. Como setrata de una función de estado, lo importanteson sus variaciones (como en la energía inter-na). Así, la entropía en un sistema aislado siem-pre aumenta, es decir, ∆S≥0. Esto es un enun-ciado cuantitativo del 2º principio. Con mayorprecisión, en los procesos irreversibles ∆S>0 yen las transformaciones reversibles ∆S= 0.

La tendencia al crecimiento de la S sólo seaplica a la evolución espontánea o irreversi-ble, de todo el sistema aislado y no a una partedel sistema. Por eso, si el sistema no fuese ais-lado, la variación de entropía del sistema Sspuede ser negativa, pero si se le suma la varia-ción de entropía del entorno Se, la variaciónde la entropía total deberá ser mayor o igual

que 0, es decir, S = ∆Ss + ∆Se ≥ 0.

A.56 Los seres vivos son organismos muyordenados. El proceso de evolución que vadesde los primeros seres vivos hasta elHomo sapiens es un proceso de orden. Tam-bién lo es el desarrollo de un óvulo hastauna persona crecida. ¿Violan estos procesosel 2º principio de la termodinámica?

Así, en el desarrollo de un óvulo hasta unapersona crecida o en el desarrollo de unaempresa disminuye la entropía, pero esto sehace a expensas de aumentar en mayor medi-da la entropía del entorno o ambiente. Estopermitió al economista Georgescu- Roegen(1996) escribir el libro La ley de la entropía yel proceso económico, en el que considera quesi la producción económica no es más que unatremenda transformación de materia y ener-gía, tendrá que estar sometida a las leyes quesobre estas transformaciones ha establecido lafísica, en particular, el 2º principio de la ter-modinámica, lo que ha dado origen a lamoderna economía ecológica.

Clausius, considerando que el universo esun sistema aislado (no intercambia ni materiani energía con el exterior) estableció las dosleyes de la Termodinámica como sigue:

Primera Ley: la energía del Universo es constante;Segunda Ley: la entropía del Universo aumenta.

Esto hizo que se desarrollase a fines del XIXla idea de “muerte térmica” del Universo, queejercía una gran atracción en los escritores dedivulgación popular y encajaba con el pesimis-mo de fin de siglo. Por último, aunque la entro-pía sea considerada por algunos autores comoun concepto muy abstracto, señalaremos quenos permite medir cuantitativamente la degra-dación de la energía o la pérdida de orden queacompaña a los procesos naturales que hemosmencionado anteriormente.

7. Problemas asociados al uso de la energía yposibles soluciones

Una vez estudiada la energía podemos


abordar los principales problemas ligados alcrecimiento de su consumo, que han dadolugar a la llamada crisis energética.

A.57 Explica cuáles son los principales pro-blemas asociados a la obtención y consumode energía.

Esta actividad permite reflexionar sobre elhecho de que en el mundo desarrollado se des-pilfarra energía de un modo difícilmente tole-rable y sus principales consecuencias: elimpacto ambiental, el agotamiento de com-bustibles (y, en general, de recursos, dado quela utilización de la madera está produciendodeforestación en muchos países) y el manteni-miento de la desigualdad (ya que el consumode energía es diferente en los distintos países,como vimos en el apartado 1) (Solbes, 2002;Vilches y Gil, 2003).

En cuanto al impacto ambiental podemosmencionar (Furió y Solbes, 2006): las mareasnegras y el efecto invernadero, producido porel CO2 y otras sustancias generadas mayorita-riamente en la combustión de combustiblesfósiles, que contribuyen al aumento global dela temperatura del planeta y al cambio climá-tico. También la lluvia ácida debida a los óxi-dos de azufre y nitrógeno que se producen enla combustión y que pueden desplazarse gran-des distancias antes de combinarse con el aguay precipitarse en forma de ácidos sulfúrico,nítrico, etc., haciendo que el problema creadoen las zonas industriales de unos países (porejemplo, en la cuenca del Ruhr alemana) seasufrido en los vecinos (en Suecia, Noruega,etc.), donde se acidifican lagos y ríos, se des-truyen bosques o se deterioran monumentosfamosos. Por ejemplo, la Unión Europea emitea la atmósfera 2,8.109 toneladas de CO2, el 13% de la producción mundial, un 80 % de lascuales proviene de la producción, transforma-ción y consumo de energía, que son a su vezresponsables de 67 % de las emisiones de SO2y del 27 % de NOx.

A continuación pasaremos a profundizarbrevemente en dichos problemas.

A.58 Se estima que el consumo anual depetróleo es 2,9.109 TEP, el de carbón2,4.109 TEP y el de gas natural de 1,6.109

TEP y que las reservas de petróleo son de122.109 TEP, las de carbón de 535.109 TEPy las de gas 97.109 TEP. Calcula en cuántosaños se producirá el agotamiento de loscombustibles fósiles suponiendo que el con-sumo se mantenga constante. ¿Qué validezpiensas que debe tener esta suposición?

La actividad muestra que las reservas depetróleo pueden durar unos 40 años; las degas, 60 y las de carbón, unos 220 años. Hayprevisiones que alargan el plazo del petróleounos 10 o 20 años más porque consideran queexisten más reservas, pero dichas previsionessuponen que el consumo de energía se man-tendrá constante, lo cual es poco probable sise tiene en cuenta el mayor desarrollo de paí-ses como China, India o algunos de Latinoa-mérica.

A.59 ¿Cuáles son las posibles soluciones alos problemas vistos en las actividadesanteriores producidos por la obtención yconsumo mundial de energía?

A la vista de estos problemas cualquiermedida cuyo objetivo sea disminuir el excesodebería ser bienvenida. Pero también es ciertoque, aún cuando el consumo de energía seredujera considerablemente en los paísesricos, el problema principal de la mayoría dela población sobre el planeta es la escasez y nola sobreabundancia, de energía crucial para lasatisfacción de necesidades vitales. Se entien-de, en este contexto, la preocupación por lasuperpoblación que aflige principalmente a lospaíses más pobres. El exceso de población seconvierte en una presión permanente sobre losrecursos naturales, contribuyendo a su agota-miento, al tiempo que propicia la miseria y laescasez.

Así, resulta difícilmente concebible una dis-minución en el consumo global de energía,aun cuando sea imperioso un cambio en sudistribución. Lo cual implica que es precisoconsiderar las distintas fuentes de energía dis-ponibles hoy y en el futuro, sus posibilidades


86 SOLBES

y su impacto ecológico, a fin de alcanzar unequilibrio entre el bienestar material de lospueblos y el daño medioambiental que lamanipulación energética lleva consigo necesa-riamente.

No es razonable confiar en milagros o ensoluciones simplistas (las fuentes de energíamaravillosas, como la fusión fría) y aúnmenos la ilimitada confianza en los mecanis-mos del mercado normalmente insensibles alos problemas del deterioro medioambiental alargo plazo o de falta de equidad en el disfru-te de los recursos naturales.

Resulta urgente avanzar más en el conoci-miento científico del problema energético,fomentando la investigación en todas las dis-ciplinas relacionadas con él. Sólo una combi-nación de medidas políticas y sociales -ten-dentes a evitar los excesos y a acabar con lasdesigualdades- y de medidas científicas y tec-nológicas -tendentes a poner a punto nuevasfuentes de energía más limpias y seguras y tec-nologías con mayor rendimiento energético-servirá para progresar válidamente.

Entre esas medidas hay que insistir en lareducción de la contaminación cuando se usaenergía (mediante la eliminación de impurezasen el carbón utilizado en las centrales térmi-cas, el uso de catalizadores en los coches, eco-petroleros de doble casco, etc.), en la utiliza-ción de energías renovables y no contaminan-tes (solar, eólica, geotérmica, etc.) y en elaumento de eficiencia en el uso de la energía(bombillas de bajo consumo, transporte públi-co, bicicletas en lugar de coches, etc.). Hayque insistir en la importancia de las “peque-ñas” acciones individuales (en casa, en el Ins-tituto) que responden al planteamiento depensar globalmente y actuar en un nivel local.A este respecto es muy instructivo el libro 50cosas sencillas que tú puedes hacer para salvarla Tierra (The Earth Works Group, 1992).

A.60 Enumera las fuentes renovables deenergía que conozcas, señalando cuálespueden ser sus ventajas e inconvenientes,frente a las no renovables.

Como podemos ver en Solbes (2002), sonenergías que no agotan recursos y que tienen

un bajo impacto ambiental. Las más utilizadasen la actualidad son la biomasa y la hidroeléc-trica. La hidroeléctrica utiliza la energía poten-cial de los saltos de agua y, mediante turbinasy generadores, la transforma en energía eléctri-ca. La biomasa es la materia orgánica, quedirectamente o sometida a un proceso de trans-formación, puede ser utilizada como fuente deenergía. Muchos autores incluyen en este con-cepto la leña utilizada como combustible. Perono hay que olvidar que los árboles tienen unciclo de renovación largo y que algunas técni-cas de explotación forestal (como las cortas ahecho) impiden dicha renovación. Otros inclu-yen sólo la biomasa destinada directamente aaplicaciones energéticas (plantaciones de cañade azúcar, sorgo, etc.) y la biomasa residualque incluye residuos forestales y agrícolas,ganaderos (estiércol), residuos sólidos urbanosorgánicos, aguas residuales, etc. Se utilizandirectamente como combustible y abono. Porfermentación anaeróbica se puede obtener apartir de ellos biogás (60 % de metano y 40 %de dióxido de carbono) o bioalcohol, a partirde la caña de azúcar. Brasil ha desarrollado unplan de bioalcohol como combustible sustituti-vo de la gasolina. China e India son los mayo-res productores de biogás.

Menos utilizadas son la energía geotérmica,eólica o solar. La geotérmica se basa en elcalor procedente de la tierra, especialmente dezonas volcánicas. Se están realizando notablesprogresos en Islandia e investigaciones en lasIslas Canarias. La eólica utiliza la energíacinética del viento que mediante molinos, tur-binas y generadores se transforma en energíaeléctrica. Se están utilizando para suministrarelectricidad directamente a granjas o aldeasretiradas y, cuando la potencia aumenta, parasuministrar energía a la red eléctrica. Españaes uno de los grandes productores mundialesde esta energía, tras Alemania y Dinamarca,con parques eólicos en todo el país, destacan-do por su magnitud los de la Muela (Zarago-za), Manzanares, As Pontes (Galicia). Inclusohay comunidades autónomas como Navarraque están a punto de conseguir que toda suenergía eléctrica sea de origen eólico.

La energía solar es un término confuso por-que incluye gran cantidad de dispositivos que


sólo tienen en común la utilización directa dela luz del Sol. Podemos mencionar los panelessolares (que suministran agua caliente parauso doméstico), la arquitectura solar (que per-mite reducir sensiblemente el consumo deenergía en calefacción, refrigeración e ilumi-nación de las casas simplemente mediante eldiseño y la construcción adecuada de las mis-mas), los hornos solares (que concentran losrayos solares con espejos para producir eleva-das temperaturas), las centrales electrosolares(grandes hornos solares, que calientan un flui-do que acciona turbinas y generadores), lascélulas solares fotovoltaicas, construidas apartir de semiconductores, como el silicio, quepermite transformar directamente la luz delSol en electricidad. Se utiliza en satélites espa-ciales, viviendas, faros, antenas y otros dispo-sitivos distantes de la red eléctrica. Pero lascélulas fotovoltaicas tienen un gran futurosituadas en los tejados infrautilizados de casasy fincas conectadas a la red eléctrica (lo queabarataría costes), a lo que se han opuesto lasempresas eléctricas españolas hasta querecientemente ha obligado a ello una ley de laUE. Aún así siguen planteando dificultades.

A.61 Los partidarios de las energías con-vencionales sostienen que las alternativasson incapaces de solucionar nuestras nece-sidades y que su rendimiento es muy bajo.Valora críticamente esta afirmación.

Estas afirmaciones sobre las fuentes deenergías alternativas, sobre que son incapacesde solucionar nuestras necesidades, que surendimiento es muy bajo o que son más caraspueden responder a intereses particulares, queno tienen en cuenta los costes derivados delalmacenamiento de sus residuos o del trata-miento de los problemas ambientales que pro-vocan, es decir, ocultan o “externalizan” cos-tes que paga el Estado y, en último extremo,todos los contribuyentes. Si dichos costes seincluyesen, se equipararían e incluso algunasformas de energía convencionales podríanresultar más caras. Lo cierto es que las energí-as renovables (eólica, solar, etc.) no podríanresponder a los picos de demanda, por sucarácter variable, pero evidentemente no es

éste el problema, puesto que no se trata deproducir toda la energía eléctrica con célulassolares, molinos, etc. sino de diversificar unaoferta muy concentrada en el petróleo, que seagota e incrementa el efecto invernadero,como hemos dicho anteriormente. Por otraparte, algunos autores sostienen que la electri-cidad así obtenida debería incrementarse paraproducir hidrógeno, que podría utilizarsecomo combustible de las pilas de hidrógeno demuy diversos vehículos (Sapiña, 2005).

Las empresas eléctricas muy recientementese han inclinado por la energía eólica y no semuestran muy partidarias de la fotovoltaicautilizando las alegaciones anteriores y añadien-do que los acumuladores son contaminantes.Pero lo cierto es que se consiguen rendimientossuperiores al 15 % (las centrales térmicas estánen torno del 30 %), que los costes se abaratansi aumenta la producción y que las células sepueden conectar a la red eléctrica, conexión ala que, como hemos dicho, se han opuesto lascompañías eléctricas y que ahora está permiti-da por la legislación europea. Y éste es el pro-blema real, las empresas prefieren las grandesunidades centralizadas y consumidores pasi-vos, a pequeñas unidades descentralizadas conusuarios que producen y consumen a la vez.Este rechazo de la energía solar es muy preo-cupante y más en países como España, congran insolación, de la que padecemos sus efec-tos (elevadas temperaturas, sequía), sin disfru-tar sus ventajas energéticas.

A.62 ¿Qué importancia tiene la energía quenos llega del Sol?

La casi totalidad de la energía de nuestroplaneta procede del Sol. Esta energía se deter-mina a partir de la constante solar, definidacomo la potencia por unidad de superficie dela luz del Sol que llega a la atmósfera terrestre.Su valor es de unos 1,395 kW/m2. Por tanto,el valor de la energía solar interceptada por lasuperficie iluminada de la Tierra durante unsegundo es de 173.1012 kJ. Representa el 99,9% de la energía en la superficie terrestre. Lapequeña parte del total que no es de origensolar procede de la energía del calor interno dela Tierra (volcanes, manantiales calientes,


88 SOLBES

etc.), de la energía de las mareas (debida a lainteracción gravitatoria de la Luna, la Tierra yel Sol) y de la energía nuclear (causada por ladesintegración de sustancias radiactivas).

Aproximadamente un 30 % de la potenciasolar incidente es reflejada directamente alespacio, mientras que el 2 % es absorbido enla capa de ozono. Un 45 % es absorbido porla atmósfera, la superficie terrestre y los océa-nos y convertido en calor, que es radiado denuevo (en especial, por la noche) como infra-rrojo. El 23 % es consumido en el ciclo hidro-lógico (evaporación, precipitación y circula-ción superficial del agua). Un 0,2 % producevientos, olas y corrientes oceánicas. Por últi-mo, el 0,02 % es utilizado en la fotosíntesis.Para hacernos una idea de lo que esto supone,señalemos que la energía eléctrica consumidaen España en 1994 fue 12.490 kTEP (es decir,unos 52.208,2.1013 J)

A.63 Teniendo en cuenta las horas de inso-lación, la nubosidad, etc., podemos consi-derar una potencia por unidad de superficiede 220 W/m2 (al nivel del mar). Si ésta serecoge en unas células fotovoltaicas con un10 % de rendimiento, ¿qué superficie seríanecesaria para producir la energía eléctricaconsumida en nuestro país? ¿Qué porcen-taje de la superficie española representa?(Superficie de España = 504.750 km2)

Estimaciones realizadas en 1995 indicabanque se podría producir toda la energía eléctri-ca consumida en el estado español con 750km2 de células fotovoltaicas con un rendi-miento del 10 %, cuando la superficie españo-la es de 504.750 km2, es decir, las superficiesno son tan grandes y hay muchos km2 de teja-dos en este país. Por eso resulta paradójicoque se propongan complejas centrales fotovol-taicas a gran escala basadas en grandes satéli-tes de células solares en órbita, que transmiti-rían la energía eléctrica producida mediantemicroondas recogidas por antenas terrestres.Resulta más práctico situarlas en la Tierra,pero se dice que son necesarias grandes exten-siones de terreno, lo cual, como hemos vistono es cierto.

A.64 Haz propuestas para resolver lasnecesidades humanas que permitan undesarrollo sostenible.

El concepto de desarrollo sostenible, que seaborda en esta actividad, fue introducido en elinforme Brundtland Nuestro futuro común(1987), que intenta hacer compatibles desa-rrollo y ecología. Este informe se basa espe-cialmente en una ecología de la pobreza, esdecir, en una serie de medidas internacionalespara favorecer el desarrollo sostenible del ter-cer mundo. Entre dichas medidas se puedenindicar el aumento de la ayuda económica delos países avanzados (el 0,7 % de su PIB), latransferencia de tecnologías modernas y efi-cientes energéticamente (en lugar de las tecno-logías contaminantes y obsoletas que se trans-fieren en la actualidad), el cambio de la deudaexterior del tercer mundo (que absorbe buenaparte de sus recursos) por medidas ecológicas;sustitución de los monocultivos controladospor las multinacionales, por cultivos propios,etc. Estas medidas se deben complementar conotras para los países avanzados: reforma delos sistemas de contabilidad para que incluyanla merma de capital natural, transferencia alas empresas del coste de restauración del aire,agua y suelo que deterioran, por medio de unimpuesto o tasa ecológica; elaboración deleyes que incentiven a las empresas y a los ciu-dadanos en el uso de energías renovables, enla utilización más eficientemente de la energíay los recursos propios, en la reducción de lacontaminación, en el reciclado de residuos, enla protección de los espacios naturales y larecuperación de los degradados, etc. No bastasólo con medidas proteccionistas o conserva-cionistas. Se necesitan también cambios en elmodelo económico del primer mundo. Esnecesario reducir la producción y el transpor-te (reducir, reciclar, reutilizar), consumirmenos, etc. También es necesario que todoesto no se haga a expensas de los más débiles(por ejemplo, reduciendo los puestos de traba-jo) sino distribuyendo más equitativamente eltrabajo y los beneficios.


Referencias

AAVV (2006). Energía, presente y futuro. Nº monográfico de Investigacion y Ciencia. Noviembre 2006. Albert, E. (1978). Development of the concept of heat in children, Science Education, 62 (3), pp. 389-399. Alonso, M. y Finn, E.J. (1971). Física. Vol 1. Mecánica. México: Fondo Educativo Interamericano. Arnold, M. (1994). Children’s and lay adults’ views about thermal equilibrium, International Journal of

Science Education, 16 (4), pp. 405-419.Calatayud, M. L.; Carbonell, F., Carrascosa, J.; Furió, C.; Gil, D.; Grima, J.; Hernández, J.; Martínez, J.;

Payá, J.; Ribó, J.; Solbes, J. y Vilches, A. (1988). La construcción de las ciencias físico-químicas. Pro-gramas guía de trabajo y comentarios para el profesor, Valencia: NAU Llibres.

Comisión Mundial Para el Medio Ambiente y el Desarrollo de la ONU (1987), Nuestro Futuro Común(conocido como Informe de Brundtland), Madrid: Alianza.

Carr, M. y Kirkwood, V. (1988). Teaching and learning about energy in New Zealand secondary schooljunior science classrooms, Physics Education, 23, pp. 87-91.

Driver, R. y Warrington, L. (1985). Students’ use of the principle of energy conservation in problem situa-tions, Physics Education, 20, pp. 171-176.

Duit, R. (1981). Understanding Energy as a Conserved Quantity-Remarks on the Article by R. U. Sexl,European Journal of Science Education, 3 (3), pp. 291-301.

Duit, R. (1984). Learning the energy concept in school-empirical results from The Philippines and WestGermany, Physics Education, 19, pp. 59-66.

Echevarría, J. (2002). Ciencia y Valores, Barcelona: Destino.Erickson, G. (1979). Children’s conceptions of heat and temperature, Science Education, 63 (2), pp. 221-

230.Erickson, G. (1980). Children’s viewpoints of heat: A second look, Science Education, 64 (3), pp. 323-336.Furió, C. y Solbes, J. (2006). La sostenibilidad en el currículo de Química. IV Congreso Internacional

sobre Didáctica de las Ciencias. La Habana.Georgescu-Roegen, N. (1996). La Ley de la Entropía y el proceso económico, Madrid: Fundación Argen-

taria.González, E. (1992). ¿Qué hay que renovar en los trabajos prácticos? Enseñanza de las Ciencias, 10 (2),

pp. 206-211.Holton, G. y Brush, S. (1976). Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas.

Barcelona:Reverté.Lèvy-Leblond, J.M. (2002). Conceptos contrarios o el oficio de científico. Barcelona: Tusquets.López, J.; Gil, D.; Vilches, A. y González, E. (2005). Papel de la energía en nuestras vidas. Una ocasión

privilegiada para el estudio de la situación del mundo. Revista de Enseñanza de la Física, 18 (2), pp.53-91.

Martín, J. y Solbes, J. (2001). Diseño y evaluación de una propuesta para la enseñanza del concepto decampo en Física, Enseñanza de las ciencias, 19 (3), pp. 393-404.

Mason S.F. (1986). Historia de las ciencias, vol. 4, Madrid: Alianza.Nacional Research Council (2000). Inquiry and the Nacional Science Educations Standards. A Guide for

Teaching and Learning. Washington D.C.: Nacional Academia Press.Powell K. (2003) Spare me the lecture, Nature, 425, pp 234-237.Sexl, R. U. (1981). Some Observations Concerning the Teaching of the Energy Concept. European Jour-

nal of Science Education, 3 (3), pp. 285-289.Sapiña, F. (2005). El repte energétic. Bromera: Alzira.Segura, A.; Lloret, J. L.; Solbes, J.; Pomer, F.; Valdés, J. L. y Chevy, A. (1981). Células solares In2O3-n

/InSep: Caracterización y rendimiento, Revista de la Real Academia de Ciencia Físicas, Exactas y Natu-rales, LXXV, pp. 10071022.

Solbes, J. (2002). Les empremtes de la Ciència. Ciència, Tecnologia, Societat: Unes relacions controverti-des. Alzira: Germania.

Solbes, J. y Tarín, F. (1998). Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía, Enseñanza delas Ciencias, 16 (3), pp. 387-397.

Solbes, J. y Tarín, F. (2004). La enseñanza del principio de conservación de la energía: una propuesta yunos resultados, Enseñanza de las Ciencias, 22 (2), pp. 185-194.

Solbes, J. y Traver, M. (1996). La utilización de la historia de las ciencias en la enseñanza de la física y la


90

química, Enseñanza de las ciencias, 14 (1), pp. 103-112.Solbes, J. y Traver, M. (2003). Against negative image of science: history of science in the physics & che-

mistry Education, Science & Education, 12, pp. 703-717. Solbes, J. y Vilches, A. (1997). STS interactions and the teaching of physics and chemistry. Science Educa-

tion, 81 (4), pp. 377-386.Solomon, J. (1983). Learning about energy: how pupils think in two domains, European Journal of Scien-

ce Education, 5 (1), pp. 49-59.Solomon, J. (1985). Teaching the conservation of energy, Physics Education, 20, pp. 165-176. Tarín, F. (2000). El principio de conservación de la energía y sus implicaciones didácticas, Tesis doctoral,

Departament de les Ciències Experimentals. Universitat de Valencia.The Earth Works Group (1992). 50 cosas sencillas que tú puedes hacer para salvar la Tierra, Barcelona:

La Caixa.Van Roon, P. H.; Van Sprang, H. F. y Verdonk, A. H. (1994). ‘Work’ and ‘Heat’: on a road towards ther-

modynamics, International Journal of Science Education, 16 (2), pp.131-144.Vilches, A. y Gil, D. (2003). Construyamos un futuro sostenible. Diálogos de supervivencia. Madrid: Cam-

bridge University Press.

una propuesta para la enseñanza aprendizaje de la energía ... · departamento de didactica de las...

Documents