Indagamos sobre el uso del vapor como fuente de energía

Transcripción

1 QUINTO Grado - Unidad 6 - Sesión 11 Indagamos sobre el uso del vapor como fuente de energía Es el vapor una fuente de energía? La máquina a vapor fue un gran invento en el siglo XVII, pues contribuyó al desarrollo de la era industrial. En estas máquinas se utilizó la energía de las partículas de vapor de agua que se mueven a gran velocidad. Y es que la energía del vapor, al ser transferida a otras máquinas, las hace moverse. Dada la importancia de este fenómeno, los estudiantes indagarán cómo fue posible transferir la energía del vapor a otras máquinas y mecanismos, convirtiendo así al vapor en fuente de energía mecánica. Al indagar formularán preguntas e hipótesis, harán experimentos y contrastarán sus resultados con información confiable. Antes de la sesión Revisa previamente información sobre diversas máquinas a vapor empleadas en la antigüedad. Revisa el planeamiento y la secuencia de esta sesión. Provéete de materiales para construir y hacer funcionar un botecito a vapor. Prepara las fichas de trabajo y los esquemas de la sesión. Busca imágenes de máquinas a vapor. Materiales o recursos a utilizar Papelotes, hojas bond, cinta adhesiva. Imágenes de máquinas a vapor. Libro Ciencia y Ambiente 5. Cartulinas, plumones gruesos. Anexos 1 y 3. 99

2 Área curricular de Ciencia y Ambiente Competencia(s), capacidad(es) e indicador(es) a trabajar en la sesión COMPETENCIAS CAPACIDADES INDICADORES Indaga mediante métodos científicos situaciones que pueden ser investigadas por la ciencia. Explica con conocimientos científicos el mundo físico. Problematiza situaciones. Comprende y aplica conocimientos científicos. Argumenta científicamente. Formula preguntas que involucran los factores observables, medibles y específicos seleccionados, que podrían afectar un hecho o fenómeno. Formula una hipótesis, considerando la relación entre la variable que va a modificar (independiente), seleccionada por el docente, y la que va a medir (dependiente). Responde interrogantes planteadas con base en la información consultada en diferentes fuentes. 1. Momentos de la sesión INICIO 10 minutos Saluda a los estudiantes y recuérdales que en la sesión anterior estudiaron las máquinas a vapor del pasado y su impacto en la industria. A continuación, pídeles que observen las imágenes de diversas máquinas a vapor. Proponles responder a las siguientes preguntas: será posible utilizar el vapor para mover cosas, como barcos o trenes, por ejemplo?; qué máquinas a vapor conocen y cuáles son sus aplicaciones? Después de escuchar sus respuestas, comunica el propósito de la sesión: hoy investigarán sobre cómo utilizando el vapor del agua se puede mover objetos; averiguarán sobre el uso del vapor en algunas máquinas o artefactos; formularán preguntas e hipótesis, y analizarán sus datos para extraer conclusiones. Además, indagarán si el uso del vapor es una fuente de energía limpia y sostenible. Finalmente, evaluarán y comunicarán sus conclusiones. Pide a los estudiantes que elijan, de su cartel, una o dos normas de convivencia, para ponerlas en práctica durante la presente sesión. 100

3 2. DESARROLLO 70 minutos Planteamiento del problema En grupo clase Rotula las máquinas a vapor que previamente les presentaste. Luego muestra el modelo de botecito a vapor, cuya construcción se halla en el Anexo 2, y pregunta: qué creen que requiere este botecito para poder moverse?, qué tipo de combustible podríamos usar?, creen que lo podríamos hacer funcionar con vapor? Aclárales esta idea: Un objeto puede moverse cuando se le proporciona la energía necesaria para hacerlo; por ejemplo, cuando empujamos con nuestra fuerza un mueble para moverlo de un lugar a otro, lo que hacemos es transferir nuestra energía al objeto mueble, y, como resultado, el mueble se mueve. En pequeños grupos A continuación, organiza a los estudiantes en grupos de trabajo de cuatro miembros y escribe en la pizarra la siguiente pregunta, que investigarán: Cómo creen que el vapor de agua puede hacer mover los objetos? Planteamiento de hipótesis Muestra el funcionamiento del bote pop-pop a vapor. Brinda a los estudiantes una explicación sencilla de lo ocurrido con la energía y luego escucha atentamente sus apreciaciones y opiniones, pero no absuelvas la pregunta, por el contrario, haz las repreguntas que sean necesarias y registra sus respuestas. Hazles notar que la pregunta que has planteado está relacionada con la transferencia de energía y que será motivo de indagación. Espera respuestas variadas cuando entregues a los grupos imágenes de diversas máquinas. Indica que cada grupo deberá especificar sus preguntas según la máquina que les toque; por ejemplo: cómo creen que la energía del vapor de agua se transfiere al motor a vapor, o al barco a vapor, o a la locomotora a vapor, o al auto a vapor? 101

4 Analiza con los estudiantes la pregunta y pídeles que planteen sus posibles respuestas sin ayuda de ninguna información adicional, solo sobre la base de su observación de la máquina y de sus saberes previos. Anota sus respuestas en la pizarra y trata de consolidarlas. Elaboración del plan de indagación Propón a los estudiantes que, para dar respuesta a la pregunta planteada, recuerden información sobre lo siguiente: qué es una máquina a vapor?, cuáles son sus principales componentes?, qué aplicaciones tienen?, cómo se aprovecha el vapor para su funcionamiento? Si tienes los medios, pídeles que revisen el video La máquina de vapor 1. De ser posible, distribuye a cada grupo una XO u otras fuentes bibliográficas que se refieran a las máquinas a vapor y su funcionamiento. Pídeles que piensen y propongan su plan de indagación. Los estudiantes realizarán su esquema en un papelote. Acompáñalos en la elaboración de ese plan. Solicítales que al final de su indagación elaboren una síntesis de la información, que les permita sustentar su respuesta. Luego, pídeles que, con toda la información obtenida de las diversas fuentes utilizadas (incluida internet), respondan a la pregunta de indagación. En este punto, indícales que pueden plantear su propio esquema de registro de información o, si consideras conveniente, facilítales el Anexo 3. Finalmente deberán preparar su exposición oral sobre lo siguiente: cómo el vapor de agua se convierte en energía mecánica, según la máquina a vapor que le tocó a cada grupo? Análisis de resultados y comparación de las hipótesis Examina con los estudiantes lo que van presentando como resultado y dales sugerencias para que puedan analizar sus resultados y constatar de manera adecuada sus hipótesis. En la sistematización, pídeles que lean las respuestas que plantearon a la pregunta de investigación y que indiquen si sus predicciones fueron correctas o no. 1 Recuperado de Anónimo (s/f). La máquina de vapor. s/l. Consulta: 4 de julio de < 102

5 Indícales que, si fueron correctas, han validando sus hipótesis; en caso contrario, sus hipótesis deben ser rechazadas y replanteadas. Indícales que tomen en cuenta que para determinar la validez de sus hipótesis deberán organizar los datos obtenidos en sus indagaciones y comparar resultados. A continuación, reflexiona con los estudiantes acerca de las similitudes en sus conclusiones sobre el aprovechamiento del vapor para el funcionamiento de diversas máquinas. Estructuración del saber construido como respuesta al problema Pide a los estudiantes que expliquen sucintamente qué tipo de energía se genera en la máquina sobre la que han indagado, y que argumenten sobre su importancia para el desarrollo del hombre. Evaluación y Comunicación En grupo clase Indica a los estudiantes que, empleando la técnica de museo, expongan brevemente lo indagado en los grupos, argumentando sus respuestas. Consolida las respuestas de los grupos. Muestra la infografía y concluye hablando sobre la importancia que han tenido las máquinas a vapor en la Revolución Industrial. Finalmente, cierra el tema retroalimentando el proceso con estas ideas y las que se ilustran en la figura siguiente: En las máquinas a vapor, el combustible que alimenta las calderas, al quemarse, transfiere su energía al agua. Las partículas de agua reciben la energía en forma de calor y aumentan su movimiento (energía cinética). Esta energía es transferida después al pistón y, de este, a la rueda. Al girar la rueda de la máquina a vapor, esta puede transmitir su energía a otras ruedas mediante poleas, y poner así en marcha otras máquinas o mecanismos complejos. De este modo, estas máquinas pueden cortar, imprimir, moverse a lo largo de un camino, etc. 103

6 Caldera Vapor Caldera Vapor Agua Pistón Agua Pistón Calor Giro Condensador Calor Giro Condensador El agua de la caldera se calienta por acción del calor, transformándose en vapor. Éste ingresa en la cámara del pistón al abrirse la válvula. El vapor empuja el pistón hacia abajo y hace girar la rueda. El pistón desciende empujado por el vapor haciendo que la rueda continúe su giro, al mismo tiempo, la válvula de acceso del vapor empieza a cerrarse. La rueda lleva ahora al pistón hacia arriba. Caldera Vapor Agua Pistón Calor Giro Condensador La válvula de ingreso del vapor está cerrada, así el vapor puede salir de la cámara del pistón al abrirse la válvula de salida. El vapor ingresa al condensador donde se enfriará y volverá a la caldera. El pistón sin la presión del vapor sube llevando a la rueda a la posición inicial. El ciclo se reinicia cuando se abre la válvula de ingreso del vapor y éste entra en la cámara. Comenta a los estudiantes que el combustible empleado para alimentar las calderas de las máquinas a vapor fue el carbón mineral, fundamentalmente. Por este motivo, uno de los grandes inconvenientes de estas máquinas fue el alto grado de contaminación ambiental generado con los residuos de la combustión del carbón: el dióxido de carbono (además de otros gases provenientes de las impurezas del carbón utilizado). Así se elevaron los niveles de este gas en la atmósfera, abonando de este modo al calentamiento global. Por otra parte, al agotarse o no existir suficiente carbón mineral, se empleó la leña o el carbón vegetal en las máquinas a vapor; esto llevó también a la depredación de la flora. 104

7 3. CIERRE (valoración del aprendizaje) 10 minutos Recuerda junto con los estudiantes la secuencia del proceso seguido: planteamiento del problema, planteamiento de hipótesis, elaboración del plan de indagación, análisis de resultados y comparación de las hipótesis, estructuración del saber construido como respuesta al problema, evaluación y comunicación. Todos estos procesos se han implementado con la observación de su entorno, la reflexión, la formulación de respuestas a preguntas, la experimentación, la elaboración de gráficos, etc. Destaca la importancia de organizar la información con el uso de esquemas, ya que son una forma de garantizar los conocimientos adquiridos. Pregúntales: cuántas de las máquinas mostradas continúan usándose?; se hicieron preguntas mientras leían información sobre algunas máquinas a vapor?; compararon el contenido del texto con información proveniente de otras fuentes?; el organizador les permitió comprender mejor el contenido?; qué sabían antes de su investigación?, qué saben ahora?; para qué les servirá lo aprendido en esta sesión? Tarea a trabajar en casa Pide a los estudiantes que busquen información de máquinas a vapor que se continúen empleando en su región, y que indiquen en qué actividades productivas se continúan usando. 105

8 Anexo 1 Locomotora a vapor y auto a vapor [Imagen de una locomotora a vapor]. Recuperado de [Imagen de un auto a vapor]. Recuperado de Barco a vapor y submarino a vapor [Imagen de un barco a vapor]. Recuperado de [Imagen de un submarino a vapor]. Recuperado de

9 Anexo 2 Como hacer el bote pop-pop a vapor 2 Materiales: Una lata de gaseosa de aluminio. Dos pajillas, sorbetes o cañitas de las que pueden doblarse. Una vela pequeña. Pegamento de dos componentes o UHU. Pistola para pegar con silicona. Tijeras. Cúter o trincheta (Instrumento para cortar papel, cartón, etc.). Plumón marcador. Cinta adhesiva. Dos envases de cartón de jugo o de leche de 1 litro o más. Procedimiento: 1. Desarma los envases de cartón y luego extiéndelos. Recorta uno de los envases de cartón según la siguiente plantilla, para construir el casco del bote pop-pop. 3 cm 21 cm 14 cm 3 cm 2. Corta del segundo envase de cartón dos rectángulos de 7 8 cm para los detalles del acabado. 3. Arma el casco del botecito como indica la figura. 2Recuperado de Gisbert, Enrique, Vicente Manzana y Carlos Colás (s/f). Barquito pop-pop tornillo de Arquímedes. Consulta: 04 de julio de < 107

10 4. La caldera se construye con la lata de gaseosa de aluminio, siguiendo estas indicaciones: a. De la lata de gaseosa debes obtener un rectángulo de unos 5 o 6 cm de ancho y lo que dé de largo. Para ello, cortarás con un cúter la parte superior y la inferior de la lata.de este modo obtendrás un cilindro hueco, el cual deberás cortar con unas tijeras y extender (fig. a). b. Dobla el rectángulo por la mitad (fig. b). c. A continuación, ayudándote con una regla, dobla los bordes (fig. c). d. Por último, introduce las dos pajillas y sella todos los bordes con pegamento de dos componentes o UHU (fig. d). (a) (b) (c) (d) 5. Une la caldera al casco con la silicona. Las pajillas deben atravesar el fondo del botecito y luego ser curvadas en forma de L. Sella el fondo del bote alrededor de los bordes de la pajilla. 6. Termina de ensamblar y de decorar. 7. Procede a probar el bote pop-pop. Funcionamiento: Llena el caldero con agua. Luego, cuando enciendas la vela, se iniciará el calentamiento del agua del caldero. Luego de un momento la temperatura de la misma será suficiente para transformar el agua líquida en vapor. El vapor de agua ocupa mayor volumen que el agua en su estado líquido, por lo que el vapor expulsará el agua del circuito. Eso es lo que hace que el bote avance. Cuando el vapor entra en contacto con el agua fría del exterior, se transforma en líquido rápidamente (se condensa). El espacio que antes ocupaba el vapor ahora está vacío. Esto genera una disminución en la presión y permite que el agua en estado líquido entre al caldero nuevamente para ocuparlo. Por ello, el ciclo vuelve a comenzar, y así se repite hasta que se agota la fuente de calor (la vela). En este experimento se observa cómo la energía de las partículas de agua aumentó al haberles transferido calor de la vela, y ahora se mueven a gran velocidad. Esta energía luego es transferida al botecito, lo que le permite desplazarse a lo largo de un espacio sobre el agua. 108

11 Anexo 3 Modelo de esquema para recopilar información relevante para la indagación por los grupos Cuáles son sus partes o componentes? Motor a vapor Qué es? Cuáles son sus aplicaciones? Cómo aprovechaba el vapor para su funcionamiento? 109

12 Anexo 4 Infografía [Imágenes relacionadas con la Revolución Industrial]. Recuperado de 110