Energía. 3er año 2017

Transcripción

1 Energía Área de Físico-Química 3er año 2017 Pág. 1 de 20

2 Nos movemos en nuestro ambiente diario sin entender casi nada acerca del mundo. Dedicamos poco tiempo a pensar en el mecanismo que genera la luz solar que hace posible la vida, en la gravedad que nos ata a la Tierra y que de otra forma nos lanzaría al espacio, o en los átomos de los que estamos constituidos y de cuya estabilidad dependemos de manera fundamental. Excepto los niños (que no saben lo suficiente como para no preguntar cuestiones importantes), pocos de nosotros dedicamos tiempo a preguntarnos por qué la naturaleza es de la forma que es, de dónde surgió el cosmos, o si siempre estuvo aquí, si el tiempo correrá en sentido contrario algún día y los efectos precederán a las causas, o si existen límites fundamentales acerca de lo que los humanos pueden saber. Hay incluso niños, y yo he conocido alguno, que quieren saber a qué se parece un agujero negro, o cuál es el trozo más pequeño de la materia, o por qué recordamos el pasado y no el futuro, o cómo es que si hubo caos antes, existe aparentemente orden hoy, y, en definitiva, por qué hay un universo. En nuestra sociedad aún sigue siendo normal para los padres y los maestros responder a estas cuestiones con un encogimiento de hombros, o con una referencia a creencias religiosas vagamente recordadas. Algunos se sienten incómodos con cuestiones de este tipo, porque nos muestran vívidamente las limitaciones del entendimiento humano. Pero gran parte de la filosofía y de la ciencia han estado guiadas por tales preguntas. Un número creciente de adultos desea preguntar este tipo de cuestiones y, ocasionalmente, reciben respuestas asombrosas. Equidistantes de los átomos y de las estrellas, estamos extendiendo nuestros horizontes exploratorios para abarcar tanto lo muy pequeño como lo muy grande... Carl Sagan, Universidad de Cornell, Ithaca, Nueva York Pág. 2 de 20

3 Actividad 1 La importancia de la energía Cuando nos preguntamos que es la energía, podemos encontrarnos con respuestas del estilo: "La energía es una magnitud escalar, fundamental, característica de los sistemas, en virtud de la cual éstos pueden transformarse, modificando su estado o situación, así como actuar sobre otros sistemas originando en ellos procesos de transformación". Pero. qué quiere decir esto? Por lo que ya vimos podemos entender que la energía es una propiedad que puede medirse y que para definirla es necesario utilizar las unidades. Además, esta definición nos dice que la energía es una característica de los sistemas (cuerpos o conjuntos de cuerpos que se aíslan para su estudio) que habilita su cambio, y que además puede actuar sobre otros sistemas originando cambios en estos últimos. Siendo estos cambios, cambios en los valores de sus propiedades, como podrían ser el volumen, la posición, la velocidad, la temperatura y la densidad, entre otros. Pero para poder evaluar este cambio, es necesario comparar dos momentos separados en el tiempo, uno inicial y otro final. Actividad 2 Aplicando la noción de energía (parte1) las propiedades del sistema no cambian (o se conservan) a lo largo del tiempo, podemos decir que el sistema está en equilibrio y, por lo tanto, no cambia de estado. Ejemplo de esto sería una pelota sobre el césped, una botella cerrada con un líquido a temperatura ambiente, un fósforo sin encender o un auto estacionado con el motor apagado. En cambio, cuando un sistema sufre cambios en todas o algunas de sus propiedades, decimos que el sistema experimenta un cambio de estado. Por ejemplo: si alguien patea la pelota, hay un cambio en su velocidad y en su posición; si colocamos la botella en la heladera, disminuye su temperatura; al raspar el fósforo contra la cajita este se enciende; y si ponemos en funcionamiento el auto, comenzará a andar. Pág. 3 de 20

4 En todos los casos se produce una transformación del sistema, gracias a la intervención de alguna forma de energía que se transmite y/o se transforma dentro del mismo sistema o en su interacción con el medio que lo rodea. Formas de la energía Por nuestra experiencia diaria sabemos que los cuerpos materiales pueden ser asidos por nuestras manos, transportados de un lugar a otro y guardados en algunos casos, en un bolsillo, en cajas o en armarios. Mientras que con la energía no sucede lo mismo. Si bien podemos medirla, no es posible tocarla, transportarla o guardarla como lo hacemos con los objetos. Nuestras experiencias diarias con la energía son a través de los efectos que ella provoca sobre los cuerpos. Habitualmente llamamos a los cuerpos con distintas palabras según su forma y funciones: mesa, silla, repisa, armario, taburete; algo similar ocurre con la energía. Para poder identificarla se la llama con distintos nombres: solar, eléctrica, atómica, eólica, etc. Estas denominaciones hacen referencia a la fuente de la cual proviene o al proceso que ponen en marcha. Estas formas de llamar a la energía de distintas maneras, son utilizadas en el lenguaje cotidiano y es común a todos con el fin de identificarlas. Podemos clasificar a las energías en dos grandes grupos: las potenciales y las cinéticas. Energías potenciales: son aquellas que están relacionadas con la posibilidad que tienen los cuerpos de modificarse o modificar a otros sistemas, produciendo distintos procesos. Pág. 4 de 20

5 La energía solar es la que La energía eléctrica proviene del sol y se origina es la que permite el en los procesos de fusión pasaje de cargas que en él ocurren. eléctricas a través de un Conductor. La energía química es la energía interna del sistema asociada a procesos químicos. La energía geotérmica es la que está presente en el interior de nuestro planeta y se manifiesta en las erupciones volcánicas, los géiseres y las aguas termales. La energía nuclear es la energía liberada durante los procesos de fusión y fisión de los núcleos de átomos inestables. La energía potencial gravitatoria es la relacionada con la posibilidad que tienen los sistemas de modificarse o modificar a otros debido a la interacción gravitatoria entre cuerpos. Pág. 5 de 20

6 Energía cinética: son aquellas formas de energía que están relacionadas con el movimiento de partículas, cuerpos o sistemas. Son ejemplo de esta: La energía mareomotriz es la asociada al movimiento de grandes masas de agua producido por las mareas. La energía hidráulica es la energía que posee el agua en movimiento o al cambiar de altura. La energía eólica es la asociada al movimiento de las masas de aire. La energía mecánica es la asociada a cambios de posición y/o velocidad del sistema. La energía mecánica puede definirse entonces, como la suma de la energía cinética más la energía potencial gravitatoria. Si alguna de las dos es nula entonces estamos en presencia de la otra, por ejemplo, en la montaña rusa cuando el carrito está en el punto más alto, antes de comenzar la caída, su velocidad es prácticamente cero. En este punto podemos decir que la energía mecánica es prácticamente igual a la energía potencial gravitatoria. Cuando el carrito llega al final de la caída y está muy cerca del suelo la energía mecánica es prácticamente igual a la energía cinética. La energía interna de un sistema está relacionada con el estado de agitación de las moléculas y de sus posiciones relativas dentro del sistema. Pág. 6 de 20

7 Actividad 3 Midiendo la energía A) Utilizando los datos de la actividad anterior y otros más que extraigas de la información nutricional de los envases de los alimentos, confecciona tu dieta diaria indicando la cantidad de alimento en porciones de 100 gramos que ingieres en el desayuno, almuerzo, merienda y cena. Genera una tabla como la que se presenta a continuación para cada uno de esos momentos: Alimento Energía por Cantidad de Total de energía aportada porción (Kcal) porciones por el alimento (Kcal) Total de energía ingerida (Kcal): B) Con los datos que te brindamos confecciona una lista de las actividades diarias que realizas y genera un tabla como la que te presentamos más abajo: Actividad diaria Kcal/ h Actividad diaria Kcal/ h Despierto acostado 77 Sueño 65 Sentado en reposo 100 Nadando 500 Vistiéndose o viceversa Escribiendo en la computadora 118 Ejercicio suave Ejercicio activo 290 Ejercicio muy intenso 600 Ejercicio intenso 450 Caminando despacio 4km/h 200 Subiendo escaleras 1100 Caminando muy rápido 8km/h 650 C) Compara los resultados obtenidos en la dieta diaria con los datos obtenidos en la lista de actividades diarias. Con los datos encontrados y teniendo en cuenta la información que te brindamos a continuación elabora tus propias conclusiones. Pág. 7 de 20

8 Se estima que en promedio un varón de 70 Kg de masa, si descansa todo el día en la cama, utiliza unas 1650 Kcal. El proceso de ingerir y digerir el alimento aumenta la energía utilizada en 200 o más Kcal y, si luego se sienta en una silla, necesitará unas 200 Kcal más. En números redondos podemos considerar que la energía diaria solo para existir (realizar las funciones esenciales) es de unas 2000 Kcal. Un trabajador puede alcanzar un gasto energético de unas 6000 a 7000 Kcal, en otras palabras hasta 3,5 veces el metabolismo basal. Propiedades de la energía El concepto de energía, no es un concepto sencillo de comprender, dado que no se trata de un cuerpo sino de una magnitud asociada a un cuerpo. Por tal motivo es que no la podemos describir como lo haríamos con un cuerpo y por eso recurrimos a sus propiedades. La energía posee la propiedad de: Poder transferirse de un cuerpo a otro. Puede transformarse de un tipo de energía a otro. Siempre se conserva. En la práctica, a pesar de ello, una fracción de la energía que se transfiere o se transforma siempre resulta no útil para los fines que pretendemos de esa transformación o transferencia. PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA En todas las transformaciones energéticas que ocurren en un sistema aislado cambia la forma en la que se presenta la energía pero no cambia la cantidad total de energía, es decir, la cantidad de energía antes de la transformación es la misma que hay después de la transformación. Transformación y transferencia de la energía En la naturaleza la energía sufre diversas transformaciones. Las plantas con clorofila pueden utilizar la energía lumínica para realizar la fotosíntesis, transformándola en energía química que permanecerá almacenada en los frutos, tallos y hojas de estas plantas. Cuando los herbívoros, por ejemplo, se Pág. 8 de 20

9 alimentan de las plantas, de sus frutos o semillas, obtienen parte de esa energía química almacenada en los tejidos vegetales. Luego estos animales servirán de alimento a seres vivos carnívoros, por lo que la energía química original quedará almacenada en sus células, tejidos y órganos. Los seres vivos hacemos uso de alguna forma específica de energía para producir cambios o transformaciones en nuestro ambiente natural. Los seres humanos sin ir más lejos, aprendimos a utilizar la combustión del carbón o de la madera para cocinar alimentos o calefaccionar sus viviendas, y aprovechamos las corrientes de los ríos (producidas por la energía cinética de las masas de agua) y la energía eólica (energía cinética del aire) para navegar o mover molinos. En los procesos que acabamos de nombrar, la energía almacenada en un sistema se transfiere a otro, o bien se transforma en otra forma de energía. Llamamos transformación de la energía al proceso por el cual cambia la forma de energía, utilizándose para esto un elemento al que llamamos convertidor. SOLAR MECÁNICA QUÍMICA ELÉCTRICA ELÉCTRICA QUÍMICA Hoja Dínamo Pila Acumulador Motor eléctrico Motor de combustión QUÍMICA ELÉCTRICA ELÉCTRICA QUÍMICA MECÁNICA MECÁNICA Pág. 9 de 20

10 INTERNA Máquina de vapor MECÁNICA QUÍMICA Quemador INTERNA Resistencia ELÉCTRICA INTERNA En un automóvil (sistema) por ejemplo, gran par de la energía química del combustible se transforma en energía mecánica, gracias a la presencia de un motor de combustión, el cual actúa como convertidor. Y hablamos de transferencia de la energía cuando la misma pasa de un sistema a otro sin cambiar el tipo de energía del que se trata. Este intercambio de energía puede realizarse de tres formas diferentes: calor, trabajo y radiación. CALOR Por ejemplo, al calentar los alimentos en el horno, la energía que se libera en la combustión del gas, se transfiere a los alimentos provocando un aumento de su temperatura, y al apoyar la plancha caliente sobre la ropa, esta se calienta por la transferencia de energía. En ambos ejemplos el sistema que está a mayor temperatura, le transfiere energía al que está a menor Al soldar se transfiere energía en forma de calor temperatura. A esta forma de transferencia de la energía la denominamos calor. TRABAJO El trabajo es la otra forma de transferencia de energía, y se manifiesta cuando se aplica una fuerza sobre un sistema produciendo un desplazamiento del mismo. Por ejemplo, si una persona desea levantar un paquete del piso y apoyarlo sobre la mesa, la fuerza aplicada para elevarlo realiza El nene hace fuerza para mover el triciclo. Hay transferencia de energía en forma de trabajo un trabajo; un albañil para desplazar una carretilla llena de Pág. 10 de 20

11 ladrillos, debe aplicar una fuerza sobre la carretilla, y en caso que el albañil no pueda desplazar la carretilla, no se realiza un trabajo porque no hay transferencia de energía cinética, a pesar de realizar un esfuerzo físico. RADIACIÓN La radiación es otra forma de transferencia de energía que se realiza mediante ondas electromagnéticas. Los sistemas que poseen luz propia como el sol, lámparas eléctricas, faroles de kerosén o velas, transfieren su energía al medio que los rodea a través de la luz, que es un tipo de radiación que resulta visible al ojo humano. Los radares captan la energía transferida en forma de radiación. Pero también existen otras radiaciones no visibles que transportan energía como los rayos X con los que nos sacamos las radiografías, las microondas de los hornos, las ondas de radio, los rayos ultravioleta de los que nos protegemos con filtros solares. Actividad 4 Características de la energía 1. En los siguientes procesos de transformación: a) Discrimina los momentos en los que se producen transferencias o transformaciones de la energía. b) En el caso de las transformaciones, indica cuál es el convertidor correspondiente. Pág. 11 de 20

12 Central Hidroeléctrica POTENCIAL GRAVITATORIA DEL AGUA CINÉTICA DEL AGUA CINÉTICA DE LA TURBINA ELÉCTRICA Central eólica MECÁNICA DEL VIENTO MECÁNICA DE LAS ASPAS DEL MOLINO ELÉCTRICA QUÍMICA ELÉCTRICA Ventilador ELÉCTRICA MECÁNICA EN LAS ASPAS DEL VENTILADOR MECÁNICA DEL VIENTO Pág. 12 de 20

13 2. a) Teniendo en cuanta los convertidores indicados, completa el cuadro con las formas de energía que pueden considerarse en cada proceso. MOTOR ELÉCTRICO PILA MÁQUINA DE VAPOR QUEMADOR DÍNAMO b) Relaciona cada proceso con el funcionamiento de un dispositivo que conozcas. Conservación y degradación de la energía Los resultados de la observación y la experiencia científica, nos muestran que en todas las transformaciones, la cantidad total de energía se conserva. Conocemos a esta propiedad como el principio de la conservación de la energía: En todas las transformaciones energéticas que ocurren en un sistema aislado, cambia la forma en la que se presenta la energía pero no cambia la cantidad total de energía. Es decir, la cantidad de energía antes de la transformación es la misma que hay después de la transformación. Este principio se cumple si los sistemas que cambian se encuentran aislados de otros sistemas, es decir, que si el sistema no cede ni recibe energía del exterior su energía se mantiene constante, aunque dentro del mismo puedan ocurrir procesos de transformación, dado que en estos casos la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra del mismo sistema. Pág. 13 de 20

14 Actividad 5 Podría existir una máquina que funcione continuamente? 1) Podría existir una máquina que funcione continuamente, sin necesidad de entregarle energía, tal como te mostramos en el siguiente esquema? a) Propone una explicación del funcionamiento del sistema. b) Necesitará este sistema una fuente de energía exterior para su funcionamiento o puede comenzar a funcionar por si misma? Por qué? c) Señala las imitaciones de funcionamiento del sistema. d) Como conclusión responde a la pregunta inicial. 2) Busquen en internet un video que muestre una máquina de movimiento perpetuo. Luego subanla al campus. Desde tiempos remotos el hombre intentó inventar una máquina de funcionamiento continuo, es decir, una máquina capaz de trabajar sin gasto energético, creando ella misma la energía necesaria para trabajar, pero todos estos intentos fueron frustrados. Sin embargo, en todos los casos no podemos crear energía de la nada. Por ejemplo, un molino de viento puede sacar agua de un pozo a costa de la energía cinética del viento, que a su vez no sale de la nada, sino que es producida por la energía solar que al calentar algunos lugares de la Tierra más que otros, provoca corrientes de aire, y esta energía solar es generada por la energía nuclear liberada en los procesos de fusión nuclear que se llevan a cabo en el Sol. Pág. 14 de 20

15 Ya sabemos que la energía se conserva, entonces podríamos preguntarnos si toda la energía que se le entrega a un sistema se transforma en energía útil. Para responder a esta pregunta analizaremos un ejemplo: En una central hidroeléctrica, la energía potencial del agua contenida en un dique se transforma en energía cinética al caer. La energía cinética del agua hace mover las turbinas de una usina; estas turbinas mueven a su vez una dínamo, que es un aparato que transforma la energía cinética en energía eléctrica. La energía eléctrica viaja a través de cables hasta un motor eléctrico, que es un aparato que funciona al revés de la dínamo y transforma la energía eléctrica en energía cinética pues pone en movimiento una rueda. El movimiento de esta rueda se transmite a una bomba de agua y esta bomba envía el agua hasta un tanque, convirtiendo la energía cinética en energía potencial gravitatoria. Si no hubiese pérdidas en el camino la cantidad de energía almacenada al final, en el tanque, sería igual a la que primitivamente se tenía en el dique, pero esto no es así de la energía inicial entregada al sistema, no toda se transforma en energía útil, sino que parte de ella se va perdiendo en las distintas etapas del proceso de transferencia y/o transformación. La pérdida de energía se debe a que se transforma en energía interna de las distintas partes del sistema (convertidores, cables) y del medio ambiente, lo cual se manifiesta mediante un aumento de la temperatura. A esta característica de la energía por la cual parte de ella se transforma en energía no aprovechable, la denominamos degradación. Para comprender las ideas de conservación y degradación te proponemos la siguiente analogía: Supongamos que tenemos depositados en el Banco Galicia $100 y queremos transferir esa plata al Banco Francés. Para poder realizar esta operación los bancos nos van a descontar su comisión. Una vez que depositamos el dinero en el Banco Francés decidimos convertir nuestro dinero en dólares, entonces nuevamente nos van a cobrar un porcentaje por la comisión de venta. Esto podríamos diagramarlo de la siguiente manera: Pág. 15 de 20

16 Comisión de transferencia $100 Comisión de venta TRANSFERENCI A CAMBIO DE MONEDA Para realizar un diagrama de acuerdo a la analogía anterior, debes tener en cuenta que el área del rectángulo inicial, debe ser igual a la suma de las áreas de los rectángulos posteriores. De la misma manera que acabamos de representar nuestra historia bancaria podemos representar una transferencia o una transformación de la energía. Rendimiento Debemos tener en cuenta que en todo proceso de transformación de la energía, al producirse una degradación, solo una parte de ella se transforma en energía útil. Una forma de expresar la relación entre la cantidad de energía suministrada y la cantidad de energía utilizada es el rendimiento el cual puede ser calculado mediante la siguiente ecuación: RENDIMIENT Rendimiento = O= Energia Utilizada UTILIZADA 100 xxx x100% 100% % 100% Energia Suministrada SUMINISTRADA La relación entre la energía utilizada y la suministrada da un valor entre 0 y 1, por eso para evitar tratar con números pequeños es que se la multiplica por 100, refiriéndonos de ese modo a un valor porcentual. Pág. 16 de 20

17 Por ejemplo, una batidora eléctrica transforma el 62 % de la energía eléctrica que se le entrega en energía cinética y el 38 % restante se disipa en forma de energía interna de sus partes, del aire que la rodea y en sonido. Energía interna y sonido: 38% Energía eléctrica: 100% MOTOR ELÉCTRICO Energía cinética: 62% Actividad 6 Transformaciones y transferencias energéticas En el laboratorio pasa por diferentes estaciones. Delimita los siguientes sistemas y analiza las transformaciones y/o transferencias energéticas que se producen en ellos realizando el diagrama correspondiente. Elabora un informe de laboratorio. a) Reproducción de sonido en un parlante Conecta dos cables a las terminales de un parlante. Con los extremos libres de los mismos, raspa los polos (+ y -) de una pila de 1,5 V, cuidando de no dejar el circuito conectado demasiado tiempo, para evitar daños en el parlante. b) Termocupla Conecta un alambre de hierro con un alambre de cobre, enrollando fuertemente las puntas de una pinza. Conecta un multímetro a los extremos libres de los alambres y calienta los extremos unidos con una llama. c) Una pila casera Introduce chapas de metales diferentes (cobre y zinc, cobre y magnesio) en un limón cortado. Comprueba su funcionamiento mediante un tester como el que utilizaste en la estación de la pila. Pág. 17 de 20

18 d) Válvula de seguridad para quemadores de gas Estando frío el dispositivo, comprueba que la válvula se encuentra cerrada Presiona el botón de llama piloto y calienta el sensor con una llama, hasta comprobar que la válvula queda abierta. Deja enfriar el sensor y verifica que la válvula se cierra. Desarma el dispositivo y analiza el principio de funcionamiento. e) Máquina vapor Introduce agua hasta la primer marca de la calderita, luego colocale fuego por debajo de la misma y espera unos minutos hasta que el sistema comience a funcionar. f) Generador de Hidrógeno Mediante este dispositivo podrás ver la descomposición del agua en oxigeno e hidrógeno y su posterior recombinación, liberando como consecuencia energía eléctrica que se manifiesta por el movimiento del motor eléctrico conectado en maqueta. g) Turbina Sopla mediante el tubito y veras girar el eje de la turbina. Actividad 7 Problemas 1) 2) En las siguientes cadenas de transformaciones indica las formas de energía que corresponden y da ejemplos de sistemas en los que se produzcan estos procesos. Indica cuándo hay una transferencia y cuándo hay una transformación. Pág. 18 de 20

19 3) Un horno a gas necesita para funcionar 8000 Kcal. Si su rendimiento es del 85 %. a. Qué cantidad de energía se aporta a los alimentos durante este tiempo? b. Realiza el diagrama energético correspondiente 4) A una bomba de agua que eleva agua hasta un tanque situado en el techo de una casa, se le suministran 0,5 Kw-h. Su rendimiento es del 60% a) qué cantidad de energía tiene el agua del tanque? b) Realiza el diagrama energético correspondiente Potencia La potencia es una magnitud escalar que permite conocer la rapidez con que se producen los intercambios de energía. Por ejemplo, si una plancha transforma J de energía eléctrica en energía interna en 10 segundos y otro modelo de plancha tarda 20 segundos en realizar la misma transformación, entonces el primero será el de mayor potencia porque permite transformaciones de energía más rápidos. La potencia de un sistema la simbolizamos con la letra P y se calcula mediante la siguiente fórmula: P= Donde Es es la variación de energía suministrada en un intervalo de tiempo y t es dicho intercambio de tiempo. Entonces en el ejemplo de las planchas, sus potencias serán: Pág. 19 de 20

20 P1 = = 1000 j/s P2 = = 500 j/s La unidad j/s recibe el nombre de Watt (W), por lo tanto 1000j/s = 1000W y 500j/s = 500w. Actividad 8 Potencia y energía 1. Una estufa eléctrica tiene una potencia de 400 W. El rendimiento de la misma es del 90 %. Suponiendo que estuvo encendida durante 1 hora, calcular la cantidad de energía transferida al aire y la energía degradada. Expresar el resultado en calorías. Realizar el diagrama energético 2. Un calefón eléctrico de 1000 W funciona durante 25 minutos para calentar agua. Sabiendo que el rendimiento del sistema es del 60 %. a) Calcular la cantidad de energía transferida al agua. Qué cantidad de energía se degrada? b) Realiza el diagrama energético correspondiente 3. Una bomba de agua funciona durante 4 horas diarias y consume 2 Kwh. Su rendimiento es del 70%. a) Qué cantidad de energía se aporta al agua? b) Realiza el diagrama energético correspondiente Pág. 20 de 20 Powered by TCPDF (