LA ENERGÍA: UNA MAGNITUD PARA CUANTIFICAR LOS CAMBIOS EN LA MATERIA

Transcripción

1 LA ENERGÍA: UNA MAGNITUD PARA CUANTIFICAR LOS CAMBIOS EN LA MATERIA 1. Indica cuáles de las siguientes transformaciones son más intensas, y trata de justificar tu respuesta: a) la explosión de un petardo o la de un cartucho de dinamita; b) cuando calentamos una olla de agua hasta que hierve o cuando lo hacemos con un cacito de agua; c) cuando un coche choca contra una pared a 80 km/h o cuando lo hace a 50 km/h; d) cuando se rompe un enorme cristal al caer desde un primer piso o cuando lo hace al caer desde un quinto piso. 2. De las cuatro transformaciones elegidas en la actividad anterior indica justificadamente cuál de ellas será la más intensa. Qué es la energía? Todos los sistemas materiales experimentan cambios continuamente. Para cuantificar cómo de grande es un cambio los científicos han identificado una propiedad de la materia muy apropiada para ello y la han denominado energía. Así pues, la energía es una propiedad que tienen los cuerpos en virtud de la cual pueden producir transformaciones en sí mismos o en otros cuerpos. 3. Ordena de mayor a menor la cantidad de energía que contendrá cada uno de los siguientes sistemas materiales (ten en cuenta si serán capaces de producir transformaciones grandes o pequeñas): a) una bombona de butano, b) una flecha preparada para ser disparada con un arco bien tenso, c) un macetón al caer desde lo alto de un rascacielos, d) un camión de sandías moviéndose a 100 km/h, e) una barra de hierro incandescente a 1200 ºC. Justifica por qué los has ordenado de esa manera. Tipos de energía Como un cuerpo puede producir transformaciones por causas muy diversas, se identifican diferentes tipos de energía: energía cinética (asociada a la velocidad), energía potencial gravitatoria (asociada a la altura a la que se encuentran), energía térmica (asociada a su temperatura), energía química (asociada a su composición química), energía elástica (asociada a la deformación de los cuerpos elásticos), etc. 1

2 4. Indica qué tipo de energía contiene cada uno de los sistemas materiales del ejercicio anterior en virtud de la cual son capaces de producir transformaciones. Existen otros tipos de energía: La energía eléctrica (asociada a la corriente eléctrica que circula por cables), energía nuclear (asociada a la composición de los núcleos de los átomos que constituyen la materia), energía solar (asociada a la radiación que nos llega del Sol), energía eólica (asociada a la velocidad del viento). Si los cuerpos cambian, la energía cambia Cualquier cambio que ocurra en un sistema material siempre lleva asociada una transformación de energía. Si se transforma mucha cantidad de energía el cambio habrá sido muy intenso, pero si se transforma poca cantidad de energía el cambio habrá sido débil. 5. Indica qué transformaciones de energía ocurren en las siguientes situaciones: a) Calentamos una olla de agua desde 20 ºC hasta 100 ºC con una cocina de butano; b) Un barco de vela pequeño alcanza una velocidad de 10 nudos partiendo del reposo; c) Una pelota que cae desde lo alto de un edificio llega al suelo con una velocidad de 40 km/h; d) Cuando un arco está tenso y se suelta la flecha sale con una velocidad de unos 200 km/h; e) Un ascensor eléctrico sube a una persona desde el portal hasta el quinto piso; f) Una persona sube por la escalera desde el portal hasta el quinto piso; g) Cuando el Sol entra por una ventana de una habitación durante un buen rato aumenta la temperatura de la habitación. Las máquinas Las máquinas son aparatos que hemos construido para facilitar nuestro trabajo, ya que facilitan ciertas transformaciones de energía. Así, por ejemplo, podemos decir que un coche es una máquina cuya finalidad es transformar energía química de la gasolina en energía cinética del coche. 2

3 Atiende a la presentación de diapositivas sobre las máquinas y realiza las siguientes actividades. 6. En nuestras viviendas tenemos un montón de máquinas que producen transformaciones continuamente. Indica qué transformaciones de energía facilitan las siguientes máquinas. Hazlo como en el ejemplo: Una batidora transforma energía eléctrica en energía cinética Realiza en casa la ficha 1 sobre las transformaciones de energía y las máquinas. Tanta transformación energética en vuestras viviendas tiene un elevado coste medioambiental. Así pues, uno de los objetivos de este proyecto será buscar posibles soluciones que podáis poner en práctica cada uno de vosotros Unidades de energía Las unidades que se utilizan para cuantificar la energía son el julio (J) y la caloría (cal), aunque para valores grandes también se utilizan el kilojulio (kj) y la kilocaloría (kcal). 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J 1 kj = 1000 J 1 kcal = 1000 cal 7. Cuando subimos por las escaleras 10 pisos ganamos aproximadamente 22,5 kj de energía potencial gravitatoria. Calcula en calorías qué cantidad de energía química perdemos en nuestro cuerpo al realizar ese ejercicio. Cómo podemos reponer toda esa cantidad de energía química que hemos perdido? 3

4 Valor energético de los alimentos Los alimentos, como la leche, la carne, el pescado, la fruta, etc., también tienen, debido a su constitución, una cierta cantidad de energía química que se pone de manifiesto al quemarlos en nuestras células Atiende a la presentación de diapositivas sobre el valor energético de los alimentos y realiza en tu casa la ficha 2. La energía se conserva Pero lo que hace de la energía una herramienta verdaderamente útil para los científicos no es su significado, sino uno de sus atributos más importantes: su principio de conservación. En cualquier transformación la cantidad de energía total que hay antes y después de la transformación es siempre la misma. Eso significa que todo los que disminuye la energía por un lado coincide exactamente con todo lo que aumenta por otro. 8. Un calentador de agua eléctrico conectado durante media hora eleva la temperatura del agua que contiene desde 20 ºC hasta 45 ºC, de modo que su energía térmica aumenta en 750 kcal. Cuántos kj de energía eléctrica se han transformado? 9. Cuando calentamos un cazo con agua en una cocina de butano disminuye la energía química de la bombona, aumenta la energía térmica del agua y también aumenta la energía térmica del aire. Si la bombona pierde 2 kj de energía química y el agua gana 750 julios de energía térmica, cuántos J de energía térmica habrá ganado el aire? 10. De cada 100 J de energía eléctrica que se transforman cuando tenemos encendida una bombilla de bajo consumo, 35 J lo hacen en energía luminosa. Cuántos se transforman en energía térmica de la bombilla y del aire? 11. Un tejado fotovoltáico es capaz de generar al día kj de energía eléctrica. Cuántos julios de energía solar se habrán transformado en energía eléctrica? 12. Cuando la radiación solar entra directamente por la ventana de una habitación durante cuatro horas se eleva la temperatura de la habitación. Si han entrado 800 kj de energía solar y la energía térmica de la habitación se ha elevado sólo en 150 kj, dónde habrá ido a parar la diferencia? 4

5 La energía se degrada Existen unos tipos de energía, como es la energía eléctrica o la energía química de los combustibles, que son más útiles para el ser humano ya que a partir de ellos podemos producir muchas transformaciones diferentes en nuestro beneficio. Otros tipos de energía, por el contrario, son menos útiles, ya que no somos capaces de aprovecharlos para producir transformaciones en nuestro beneficio. Cuando se producen transformaciones de energías más útiles en menos útiles decimos que la energía se degrada. 13. Indica en cuáles de las siguientes situaciones hay degradación de la energía: a) Un aerogenerador produce corriente eléctrica a partir del viento b) Un radiador eléctrico conectado a la corriente calienta una habitación c) Una estufa de butano encendida también calienta una habitación d) Una bombilla encendida ilumina cuando se hace de noche e) En una central nuclear se produce electricidad a partir del uranio f) Un calentador solar calienta el agua que contiene cuando recibe luz solar g) Una habitación caliente se enfría cuando llega la noche h) Un panel fotovoltáico produce electricidad cuando recibe luz solar i) Cuando trabajamos con el ordenador j) Nos hacemos de comer en una cocina de butano EL CALOR Y LA TEMPERATURA Qué es la temperatura de un cuerpo? El curso pasado estudiaste la Teoría cinético molecular de la materia con el fin de explicar el diferente comportamiento que tenían los gases, los líquidos y los sólidos. Según esta teoría, toda la materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas moléculas, que son tan pequeñas que en un granito de arena de playa podemos encontrar trillones de ellas. Las moléculas se organizan de manera diferente según se trate de un sólido, de un líquido o de un gas: 5

6 Pero además, las moléculas no están quietas, sino que se mueven continuamente vibrando y desplazándose unas con respecto a otras. Cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo mayor será la velocidad con la que se mueven sus moléculas. Así pues, la temperatura de un cuerpo es una medida macroscópica de lo rápido que se mueven sus moléculas. Además, desde el punto de vista energético, cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo mayor será su contenido en energía térmica. Por tanto, la temperatura de un cuerpo, su energía térmica y la velocidad de sus moléculas están relacionadas. Podemos verlo en el apartado estados del siguiente enlace: iva_materia/materiales/indice.htm Cómo podemos conocer la temperatura de un cuerpo? La temperatura se mide con los termómetros. Existen muchos tipos de termómetros: de mercurio (que ya no se fabrican porque contaminan mucho), de alcohol, digitales, etc. La unidad que utilizamos para expresar la temperatura es el grado centígrado, ºC. Para definir esta unidad se define como 0ºC la temperatura a la que solidifica el agua pura, y como 100ºC la temperatura a la que hierve el agua pura. Luego se divide en cien partes iguales ese intervalo y cada centésima parte es un grado centígrado. La temperatura de un cuerpo puede estar comprendida entre 273 ºC (moléculas quietas) y + infinito. 6

7 14. Vais a calentar un poco un vaso de agua en el microondas y vais a registrar su Tª. También vais a medir la Tª de un poco de aceite. A continuación vais a mezclar el agua y el aceite y vais a registrar cada minuto la Tª del agua y la Tª del aceite durante 5 minutos. Al principio Minuto 1 Minuto 2 Minuto 3 Minuto 4 Minuto 5 Tª (agua) Tª (aceite) a) Explica lo que está pasando con la Tª del agua y con la Tª del aceite. b) Hasta cuándo crees que va a ocurrir esto? Qué ocurre cuando dos cuerpos que están a diferente temperatura se ponen en contacto? La experiencia nos dice que cuando ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, la temperatura final que se alcanza está comprendida entre la del cuerpo frío y la del cuerpo caliente. Así pues, cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto térmico, el cuerpo caliente cede energía térmica al cuerpo frío hasta que se igualan las temperaturas. En ese momento decimos que se alcanza el equilibrio térmico. Los científicos llaman calor a la energía térmica transferida desde un cuerpo caliente a otro frío con el que se encuentra en contacto térmico. Como es una energía transferida, el calor se mide también en julios o en calorías. 15. Trata de explicar en términos de energía qué ha ocurrido entre el agua y el aceite en la experiencia de la actividad anterior. 16. Indica en cuáles de los siguientes procesos se transfiere energía mediante calor y en cuáles no: a) Una habitación caliente se enfría durante la noche b) Un hielo en un vaso con agua se acaba fundiendo c) Un ascensor se eleva desde el portal hasta el quinto piso d) Un cazo de agua puesto al fuego se calienta e) Una pelota cae desde un tercer piso hasta la calle 7

8 Qué efectos produce el calor sobre los cuerpos? Cuando un cuerpo recibe calor aumenta su energía térmica y, como consecuencia, pueden ocurrirle dos cosas: a) Puede aumentar su temperatura a la vez que aumenta su tamaño, y a este efecto se le llama dilatación. El proceso contrario se denomina contracción, de modo que cuando un cuerpo cede calor, pierde energía térmica y disminuye su temperatura a la vez que lo hace su tamaño. b) Puede cambiar de estado sólido a estado líquido, o de estado líquido a estado gaseoso, sin cambiar su temperatura. 17. Escribe debajo de cada imagen el efecto producido por el calor. 8

9 18. Justifica la existencia de las juntas de dilatación en cada una de las siguientes imágenes: 19. Explica cómo podría haberse evitado la catástrofe que se muestra en cada una de las siguientes imágenes: De qué formas puede propagarse el calor? El calor puede propagarse de zonas calientes a zonas frías de tres maneras posibles: c) Por conducción, a través de los sólidos. Los materiales sólidos que transmiten bien el calor se llaman conductores, como los metales. Por el contrario, los que transmiten mal el calor se llaman aislantes, como la madera, el corcho o el plástico. d) Por convección, a través de líquidos y gases. En este caso el calor se transmite siempre en sentido ascendente, pues los líquidos o gases calientes son menos densos que los fríos, y por eso tienden a flotar los calientes. e) Por radiación, a través del aire o del espacio vacío. En este caso el calor se transmite en todas las direcciones y recibe el nombre de radiación térmica. Muchas veces el calor se propaga por convección y por radiación a la vez, como cuando encendemos una llama o un calefactor. En estos casos, sin embargo, por convección se transmite mayor cantidad de calor 9

10 20. Indica junto a cada ilustración la forma en que se está propagando el calor y explica brevemente por qué has hecho esa elección: 21. Trata de explicar las siguientes situaciones con lo que has aprendido. En caso de no saber hacerlo busca la información necesaria en internet. Plástico Metal Las sartenes suelen tener el mango de madera y la base de metal En los países cálidos las casas se encalan o se pintan de blanco Los radiadores de una casa deben colocarse siempre bajo las ventanas 10