Energía FÍSICA
Cuadernillo de trabajo
Material seleccionado, organizado y procesado por Susana Boudemont
ESTE MATERIAL FUE ELABORADO EN EL MARCO DEL TRABAJO CONJUNTO ENTRE ESPECIALISTAS DE LA DIRECCIÓN DE CURRÍCULA Y ENSEÑANZA Y PROFESORES DE ESCUELAS DE REINGRESO
DIRECCIÓN DE CURRÍCULA Y ENSEÑANZA
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FÍSICA ENERGÍA ; Energía ALGUNAS ACTIVIDADES PROPUESTAS PARA LOS ALUMNOS Actividad 1 1. Escriban por grupos un relato en donde cuenten las actividades más importantes que realizan durante todo un día, desde que se levantan hasta que se acuestan. Elijan todos el mismo día. 2. Confronten el mismo con los relatos de los otros grupos y extraigan aquellas actividades que son comunes a todos. 3. Supongan que ese mismo día la empresa de electricidad corta el servicio por 24 horas. Mencionen cuáles de las actividades diarias enumeradas no podrían realizar y expliquen por qué.
La energía se transforma Utilizamos energía eléctrica en nuestras casas, en las fábricas, en los establecimientos escolares, en los hospitales, en las oficinas, en el alumbrado público etc. El consumo es el punto culminante de un proceso complejo, cuyo punto inicial es la producción de energía eléctrica que se realiza en las centrales generadoras de electricidad. En nuestro país estas pueden ser hidroeléctricas, termoeléctricas, nucleares, entre otras. Desde el punto inicial al final de la producción de energía eléctrica, que va desde la central hasta su distribución a los lugares de consumo ocurren procesos de transformación de energía. ¿En qué consisten estos procesos? Para contestar a esta pregunta analizaremos algunos de los procesos más importantes de transformación de energía que ocurren en una central hidroeléctrica.
Centrales hidroeléctricas
En las centrales hidroeléctricas grandes cantidades de agua se almacenan en un embalse. El agua del mismo es canalizada a través de una cañería hasta las turbinas que se construyen siempre en un nivel más bajo que el del embalse. La diferencia de altura a la que se encuentra la masa de agua hace que esta fluya hacia abajo por la cañería debido a la atracción gravitatoria terrestre, adquiriendo una velocidad que aumenta a medida que va cayendo. La masa de agua del embalse por estar a una altura por encima de la posición de las turbinas, se dice que tiene energía almacenada, denominada energía potencial o de posición.
Energía Potencial
Un elástico comprimido o estirado posee también energía almacenada, denominada energía potencial elástica. La energía que almacenan los combustibles fósiles, las pilas o las baterías de los autos y los alimentos que ingerimos es energía potencial pero de naturaleza química. En el caso de la central hidroeléctrica la masa de agua almacena una forma de energía que se denomina energía potencial gravitatoria. Esta surge de la interacción gravitatoria entre la Tierra y la masa de agua del embalse.
Energía potencial gravitatoria
Se define como Energía potencial gravitatoria (Epg) al producto de la medida de la fuerza peso (P) por la altura (h) con respecto a un plano de referencia arbitrario en dónde se considera la altura igual a cero ( puede ser el piso, el centro de la Tierra o en el caso de la central hidroeléctrica el de la turbina). Epg = P . h En el sistema SIMELA (Sistema Métrico Legal Argentino) la unidad de energía es el Joule (J), que surge del producto de la unidad de la fuerza peso el Newton (N), por la unidad de longitud metro (m), es decir: J = N . m. Cabe aclarar que hemos elegido por razones de simplicidad como unidad de fuerza para el DIRECCIÓN DE CURRÍCULA Y ENSEÑANZA
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peso la del Sistema Métrico Legal Argentino (SIMELA), pero existen otros sistemas de unidades con distintas unidades de fuerza. Por ejemplo una unidad de fuerza muy utilizada es la del sistema Técnico que es el kilogramo fuerza (kgf). Su equivalencia con el Newton, es 1kgf=9,8 N Al peso, a su vez, se lo puede expresar como la masa por la medida de la aceleración de la gravedad P = m . g (Segunda ley de Newton) Reemplazando en la expresión de la energía potencial gravitatoria, esta queda ahora expresada como: Epg = m . g . h En este caso la unidad Joule (J) resulta igual al producto de las unidades de la masa (kg), por la de la aceleración de la gravedad (m/s2), por la de altura (m), es decir: J = kg . m . m/s2 = kg . m2/s2
Actividad 2 Teniendo en cuenta la definición de energía potencial gravitatoria les proponemos que resuelvan los siguientes ítems: 1. ¿A qué altura respecto del nivel del piso (h=0), hay que colocar a un elefante, a un mono y a un gorrión para que los tres posean la misma energía potencial gravitatoria? Averigüen los pesos aproximados de los animales mencionados y resuelvan. 2. Guada, Gabi y Lore, son amigas y viven en el mismo edificio, pero en distintos pisos. Las tres tienen aproximadamente el mismo peso. Guada vive en el primer piso, Lore en el quinto y Gabi en el octavo. Cuando las tres están en sus respectivos departamentos, al mismo tiempo. ¿Cuál posee mayor energía potencial gravitatoria y cuál menor ¿Por qué? ¿Cuál es el nivel de altura de referencia elegido? Siguiendo el análisis energético en la central hidroeléctrica, se puede observar que cuando la masa de agua fluye hacia abajo disminuye su altura, y cómo consecuencia su energía potencial gravitatoria, pero simultáneamente aumenta otro tipo de energía relacionada con el movimiento de caída del agua. A la energía relacionada con la velocidad se la denomina energía cinética. Desde el punto de vista físico el proceso antes descrito se define como un proceso de transformación de energía. La energía potencial gravitatoria se transformó en energía cinética.
Energía Cinética
Cuando un cuerpo está en movimiento respecto de un sistema de referencia, posee cierta velocidad y como consecuencia tiene energía cinética. Esta es directamente proporcional a la masa del cuerpo (m) y al cuadrado de la medida de su velocidad (v2). Se calcula haciendo el siguiente producto: Ec = ½ . m . v2 La unidad de energía (J) en este caso es igual a la unidad de masa, el kilogramo (kg) por la unidad de velocidad elevada al cuadrado, el metro por segundo al cuadrado (m/s)2, o sea: J = kg . m2/s2. Como las unidades de masa y velocidad dependen de los cuerpos u objetos que se mueven se pueden utilizar otras unidades de masa y velocidad. Por ejemplo si lo que se mueve es un elefante la masa conviene expresarla en toneladas (T) o kilogramos (kg) y si es una hormiguita en gramos (g). Si es un auto el que está en movimiento la velocidad se expresará en kilómetros por hora (km/h), si son ondas electromagnéticas en kilómetros por segundo (km/s) y si es una tortuga en centímetros por minuto (cm/min). En cada caso para que la energía quede expresada en Joule habrá que trabajar las unidades de tal manera de que la de masa quede expresada en kg y la velocidad en m/s
Actividad 3 Teniendo en cuenta la definición de energía cinética les proponemos que resuelvan los siguientes ítems: 1. Un auto parte del reposo (v=0), al cabo de un tiempo su velocidad es de 100 km/h, la que disminuye a 50 km/h al pasar por un puesto de control policial, manteniendo luego una velocidad constante de 70 km/h, hasta detenerse. Averigüen la masa aproximada de cualquier automóvil y calculen la DIRECCIÓN DE CURRÍCULA Y ENSEÑANZA
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energía cinética del mismo para distintas posiciones o instantes. ¿En algún tramo esta se mantuvo constante? ¿En cuál y por qué? 2. Una valija de 14 kg viaja al lado de un pasajero en un ómnibus que va a una velocidad de 100 km/h. ¿Cuál es el valor de la energía cinética de la valija para: a) el pasajero que viaja en el ómnibus; b) un niño parado al lado de la ruta y que ve pasar el ómnibus? Comparen ambas respuestas. 3. Un automóvil de 500 kg, se desplaza a una velocidad de 60 km/h, en determinado tramo de su recorrido duplica su velocidad ¿Cómo varía su energía cinética? ¿y si disminuyera su velocidad a la mitad, en que proporción cambiaría su energía cinética? ¿por qué?
Energía Mecánica
Se analizó un proceso de transformación de energía potencial gravitatoria en energía cinética para la central hidroeléctrica. A la suma de la energía potencial gravitatoria más la energía cinética se la denomina energía mecánica, es decir : Em= Epg+Ec. Se propone analizar qué pasa con la energía mecánica en el caso de una montaña rusa. Este ejemplo fue propuesto por A. Einstein en su libro “Física, la Aventura del pensamiento”. Se trata de una montaña rusa ideal ya que se esta suponiendo que no hay fricción entre el trencito y los rieles de la montaña rusa y entre este y el aire.
Si se levanta un trencito hasta el punto más alto de una montaña rusa, punto A del dibujo; al dejarlo libre empieza a caer por la atracción gravitatoria terrestre, pasa por el punto B y luego vuelve a subir alcanzando el C de la misma altura que A y así sucesivamente. Realicemos ahora un balance de energía mecánica en algunos puntos de su recorrido. En el punto A el trencito está a una cierta altura con respecto al piso. Al dejarlo en libertad comienza a caer desde una velocidad inicial igual a cero. Toda la energía mecánica en ese punto es igual a la energía potencial gravitatoria ya que su energía cinética es nula: EmA=EpgA Si consideramos cualquier punto intermedio de altura, por ejemplo el punto B, la energía mecánica será igual a la suma de ambas energías ya que el trencito posee velocidad no nula y se encuentra a una altura distinta de cero es decir: EmB=EpgB+EcB Al nivel del piso, en el punto E, tomado como nivel de referencia de h=0, toda la energía mecánica es energía cinética ya que al ser la altura igual a cero, la energía potencial gravitatoria es nula, es decir: EmE=EcE DIRECCIÓN DE CURRÍCULA Y ENSEÑANZA
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En el proceso de transformación de energía potencial gravitatoria en energía cinética analizado para tres puntos distintos de la montaña rusa, cómo partimos del supuesto de que el rozamiento era despreciable la energía mecánica se mantiene constante. En este caso particular lo podemos expresar de la siguiente manera:
EmA (EmA=EpgA)
=
EmB (EmB=EpgB+EcB)
= EmE (EmE=EcE)
Esto significa que la energía mecánica se transforma de una forma en otra pero ella en cualquier instante al hacer el balance energético total tiene el mismo valor. Así en cualquier interacción si una cantidad de energía desaparece, otra forma de energía surge en cantidades equivalentes a la energía desaparecida, de manera que la cantidad total se mantiene constante. Este es un principio de conservación muy importante y se lo puede enunciar de la siguiente manera: “Si despreciamos el rozamiento, las deformaciones o explosiones de los cuerpos la energía mecánica permanece constante o se conserva”. El principio de conservación de la energía que se enunció anteriormente es en realidad una versión restringida de uno más amplio que abarca a todos los tipos de energía, no sólo a la energía mecánica. Si bien en la mayoría de los procesos reales hay pérdida de energía debido, entre otras cosas, al rozamiento, simplificar la realidad mediante un modelo ha permitido a los científicos analizar, comprender y predecir importantes procesos que ocurren en la naturaleza.
Actividad 4 Aplicando el principio de conservación de la energía mecánica y los conceptos de Epg y Ec resuelvan los siguientes items: 1. Leo sostiene una pelota cuyo peso es 0,30 N en su mano a 50 cm del piso. Retira su mano y la pelota comienza a caer partiendo del reposo. Calculen la Em, la Epg y la Ec en el instante en que empieza a caer, en el punto medio de su recorrido y cuando llega al piso justo antes de tocar el mismo. 2. Averigüen como es una montaña rusa real de un parque de diversiones. Realicen un esquema de la misma y efectúen un balance energético para distintos puntos de ella, de manera similar al que hicimos en el ejemplo anterior. 3. Suponiendo que el agua de una central hidroeléctrica se encuentra a 130 m de altura cuando comienza a caer por las cañerías ¿En qué puntos de su recorrido la energía cinética y la energía potencial gravitatoria tendrán su valor máximo y en cuáles su valor mínimo? Consideren despreciable todo tipo de rozamiento del agua al caer (fricción con el aire y con la cañería). Justifiquen su respuesta.
La turbina en rotación de la central hidroeléctrica esta acoplada a un conjunto de artefactos que son el producto del desarrollo tecnológico, entre ellos se encuentra uno o varios generadores cuya función es transformar energía mecánica en energía eléctrica.
Actividad 5 Averigüen los distintos tipos de transformaciones de energías que se producen en las centrales termoeléctricas y nucleares ¿Cómo se hace en estas últimas para poner en movimiento las hélices de la turbina y para generar luego energía eléctrica? Busquen más información si lo consideran necesario.
La energía se transfiere: Trabajo
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El agua de la central hidroeléctrica que movió la turbina sigue su curso río abajo desembocando en otro río o en el mar, en un nivel de altura siempre menor que la del embalse. La central es abastecida de agua por las lluvias que se producen en la parte superior de la cuenca. Pero ¿cómo logra la masa de agua del embalse desde el nivel del mar alcanzar la altura del mismo? Por ejemplo, si queremos elevar una piedra desde el suelo hasta una cierta altura debemos realizar lo que en física se denomina un trabajo. Analicemos de qué se trata este concepto. Actividad 6 Discutan entre todos sobre lo que lo que entienden por trabajo en la vida cotidiana. Busquen luego sus distintos significados en un diccionario y comparen. ¿Pueden vincular alguno de los significados con la física? ¿Cuál? Se puede definir al trabajo de una fuerza constante como el producto de la medida de la fuerza por la medida del desplazamiento, si ambos tienen la misma dirección, es decir: T= F . Δx En el sistema SIMELA la unidad de trabajo es el Joule (J) y surge del producto de la unidad de fuerza Newton (N) por la del desplazamiento metro (m). Como se observa, el trabajo posee las mismas unidades que la energía. Esto se debe a que el trabajo realizado, implica un cambio de energía. Al realizar trabajo ocurre un proceso de transferencia de energía, de un cuerpo a otro o de un sistema a otro. Por ejemplo: un señor ejerce una fuerza sobre su auto detenido, logrando que este se desplace. Tanto la fuerza sobre el auto como el desplazamiento de éste tienen la misma dirección, horizontal, y el mismo sentido, por lo tanto se realiza un trabajo, llamado motor. En este caso hay una fuerza neta no compensada, distinta de cero que aumenta la velocidad. Antes Ec=0 (v=0)
Trabajo Transferencia de energía
Después Ec>0 (v≠0)
El trabajo provoca una variación de energía cinética ΔEc, debida a la variación de la velocidad, es decir se produce una transferencia de energía. En una central hidroeléctrica, el desnivel que resulta entre la cantidad de agua del embalse y el nivel de la turbina, significa una variación en la energía potencial gravitatoria. Esta variación de energía (ΔEpg) se podría explicar haciendo una analogía con el trabajo de una fuerza, el trabajo que se empleó en elevar esa cantidad de agua desde el nivel del mar hasta el embalse. En el ejemplo de la central podríamos decir que el “agente físico” que realiza el trabajo de llevar el agua al embalse es la naturaleza, a través de los ciclos del agua y del aire, debidos a la radiación solar (evaporación, transporte, condensación, etc.), entre otros.
Actividad 7 Un señor lleva una pesada valija en sus manos mientras se desplaza horizontalmente en el aeropuerto. En determinado momento le dice a su hijo, un estudiante de física, que camina a su lado -¡Qué trabajo me da llevar esta valija!- Su hijo lo mira sorprendido y le responde –Temo decirte que desde el punto de vista físico no estás realizando ningún trabajo. ¿Cuál de los dos tiene razón? ¿Por qué? Discútanlo entre todos.
Potencia
Un mismo trabajo puede realizarse en mayor o menor tiempo. Para representar la rapidez con la que se realiza un trabajo se define el concepto de potencia como el cociente entre el trabajo realizado sobre el intervalo de tiempo empleado en realizarlo, es decir: P= T/Δt
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La unidad de potencia en el sistema SIMELA es el Watt (W), igual a: 1W = 1J/1s; una potencia es de un Watt, si en cada segundo se hace un trabajo de un joule. Las lámparitas eléctricas por ejemplo, traen indicada su potencia en W. Para potencias mayores que el de una lamparita se utilizan múltiplos como el kilowatt: 1kW = 1000 W, el megawatt : 1MW = 106 W o gigawatt: 1GW= 109 W, entre otros.
Actividad 8 Las facturas de las empresas que nos proveen de energía eléctrica incluyen un costo en pesos por cada kWh consumidos. ¿Qué magnitud física representa la unidad kWh? Discutan entre todos.
Recursos energéticos renovables
Actividad 9 Por grupos, realicen una investigación para averiguar con qué fuentes de energía renovables cuenta nuestro país y dentro de éstas cuáles se aprovechan para la generación de energía eléctrica. 1) Elijan o sorteen una fuente de energía renovable distinta por cada grupo. 2) Describan los distintos procesos de transformación, transferencia, conservación y/o degradación de energía involucrados en el proceso para la obtención de energía eléctrica. 3) Averigüen: a) si se utilizan combustibles fósiles en alguna de las etapas del proceso y de dónde se extraen; b) en qué regiones de nuestro país se encuentran esos recursos energéticos renovables y qué características geográficas tienen las mismas. c) si en alguna etapa de la generación de energía eléctrica se contaminan de alguna manera el medio ambiente, si se podría evitar y cómo. 4) Escriban sus conclusiones
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