Construcción de un horno solar para utilizar energía renovable Guía para el Profesor

Transcripción

1 Construcción de un horno solar para utilizar energía renovable Guía para el Profesor INTRODUCCIÓN Desde comer y escuchar música, a consultar el correo electrónico y mantener la casa templada en invierno: casi todo lo que hacemos requiere energía. De dónde obtenemos nuestra energía se ha convertido en un gran problema ambiental. Durante cientos de años, hemos dependido de los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural para producir la energía que necesitamos; la cual, tarde o temprano, se agotará. En las últimas décadas, hemos empezado a darnos cuenta que al quemar los combustibles fósiles, estos liberan gases que contribuyen al efecto invernadero natural, produciendo calentamiento global. Una de las mejores maneras de reducir el calentamiento global es utilizando energía renovable en lugar de combustibles fósiles. Las fuentes de energía renovables como el viento, el agua y el sol nunca se acaban, son gratis y, mejor aún, no dañan el medio ambiente. Hay muchos tipos de energía renovable que se están utilizando. La energía solar proviene de la luz del sol, la energía eólica proviene de viento y la energía hidroeléctrica proviene del agua. Estas fuentes alternativas de energía se pueden utilizar, por ejemplo, para producir electricidad y así disminuir el uso de combustibles fósiles. EXPLICACIÓN DEL EXPERIMENTO El propósito de este experimento es enseñar a los alumnos cómo se puede utilizar la energía renovable del sol para cocinar o fundir un alimento. Para ello se construirán cuatro hornos solares. El curso se deberá dividir en 4 grupos iguales. Cada grupo estará a cargo de un horno solar en el cual cocinarán o fundirán un alimento distinto durante una hora bajo la luz directa del sol en un lugar afuera de la sala de clase: GRUPO 1: fundirá un chocolate GRUPO 2: cocinará un huevo GRUPO 3: fundirá queso sobre un pan GRUPO 4: fundirá mantequilla sobre un pan Los alumnos deberán registrar la temperatura dentro y afuera del horno solar y anotar sus observaciones cada 10 minutos durante 1 hora. Se espera que la cocción o fundición de los alimentos ocurra en el siguiente orden: primero el pan con mantequilla, chocolate, pan con queso y finalmente el huevo. Es importante tener claro que las observaciones durante la hora que dura el experimento y los resultados pueden variar bastante, dependiendo de la temperatura y luz solar existentes en el día del experimento. Qué es la energía renovable del sol? El sol produce constantemente energía a través de un proceso llamado fusión. A diferencia de la fisión, que es el proceso que las centrales nucleares utilizan para dividir átomos y producir energía, la fusión es una reacción nuclear en el que dos o más núcleos atómicos chocan a una velocidad muy alta y se unen para formar un

2 nuevo tipo de núcleo atómico. En el Sol y otras estrellas, los átomos de hidrógeno se combinan entre sí, creando enormes cantidades de energía nuclear. Esta energía se transfiere a energía radiante o lumínica. El Sol es la fuente principal de energía de la Tierra. Hoy se recoge la energía solar en células solares especiales y se utiliza esa energía para generar energía eléctrica que sirve para alimentar numerosos aparatos eléctricos. La energía solar también se convierte en energía térmica que sirve para calefaccionar casas, calentar agua e incluso cocinar. Cómo se puede convertir la energía lumínica del Sol en energía térmica? Cuando la luz solar incide sobre un objeto, parte de esta energía es absorbida por el objeto. Luego, el objeto emite la energía absorbida en forma de energía calórica o térmica. Los objetos de colores oscuros absorben la luz y la convierten en energía térmica mejor que los objetos de colores claros. Es más, objetos con superficies muy claras y muy brillantes reflejan la luz y no la absorben. Cómo funciona un horno solar? Generalmente, un horno solar está hecho de materiales que puedan concentrar la energía lumínica (material con superficie reflectante), absorber la energía lumínica y convertirla en energía térmica (material con superficie oscura), y almacenar la energía térmica (material con capacidad aislante). Una tapa transparente o lámina de plástico permite que la energía lumínica ingrese al interior del horno, al mismo tiempo ayuda a atrapar la energía térmica dentro de este. Los hornos solares alcanzan temperaturas más altas cuando la ganancia de energía térmica dentro de la caja es mayor que la pérdida de energía térmica. NOTA: Esto es similar en principio al efecto invernadero. En esta actividad se utilizarán dos cajas de distintos tamaño para hacer un horno solar. La caja grande será la parte externa del horno y tendrá una puerta para meter los alimentos. La puerta del horno tendrá un panel reflectante y una ventana. El panel reflectante estará cubierto de papel aluminio (material reflectante) que dirigirá los rayos solares hacia la ventana del horno. La ventana estará hecha con dos láminas de plástico que ayudarán a mantener la energía térmica y permitirán el paso de los rayos solares al interior del horno. La caja chica será la parte interna del horno. Se cubrirán las paredes internas de la caja chica en papel aluminio para reflejar y concentrar la energía lumínica del Sol dentro del horno. Se pintará el fondo de esta caja de color negro (material con superficie oscura) para convertir la energía lumínica en energía térmica. Se colocarán a la caja chica dentro de la caja grande y se rellenará el espacio entre las dos cajas con papel de diario (material con capacidad aislante). Esto servirá para aislar el horno y evitar que se pierda la energía térmica pudiendo así almacenarla dentro de este. Los alimentos se colocarán sobre un plato o contenedor de color negro. Por qué se debe colocar un termómetro que mida la temperatura afuera del horno solar y otro dentro del horno solar? Podríamos sacar conclusiones sobre la conversión de energía lumínica en energía calórica observando el aumento en la temperatura dentro del horno solar? Explicar a los alumnos la importancia de tener un punto de referencia, comparación o control. En este caso, el control estará dado por las lecturas en el termómetro que está afuera del horno solar.

3 PREPARACIÓN PREVIA AL DÍA DEL EXPERIMENTO IMPORTANTE: Esta actividad se debe realizar en los meses de primavera/verano durante un día de sol y no nublado. Es ideal que el horno se utilice entre las 11 am y las 3 pm, cuando el sol está más alto. La actividad tiene una duración de tres bloques de clase. Un bloque de clases se utilizará para la introducción y explicación del profesor y para armar el horno solar. Otro bloque de clases se usará para el desarrollo del experimento. Y el último bloque se utilizará para que los alumnos analicen en grupo sus resultados, desarrollen conclusiones de sus observaciones y luego hagan una pequeña presentación a todo el curso de sus resultados, comenten sus conclusiones y generen discusión. Los cuatro grupos deben presentar el mismo día para que todos los alumnos sepan qué ocurrió con los alimentos cocinados en los cuatro hornos solares y puedan contestar las PREGUNTAS de la Guía Experimental para el Alumno. 1. Materiales para el profesor: - Plumón - Cuchillo cartonero o cortacartón - Papel blanco para rotular - 1 termómetro de laboratorio - Témpera negra - 1 pincel - Papel aluminio - Láminas transparentes de plástico o alusaplast - Cartulina negra - 1 regla - Tijeras - Pegamento - Cinta adhesiva - 4 barritas de plasticina 2. Reunir los materiales necesarios por grupo (4 alumnos). - 1 caja grande de cartón - 1 caja chica de cartón - 1 termómetro de laboratorio - 1 contenedor o plato negros (o que se puedan pintar de negro) - 2 panes - 1 huevo - 1 barra de chocolate - Mantequilla trozos de queso - Papel de diario - Guantes de cocina - 1 palo de maqueta - Lápices y plumones de colores - Reloj o cronómetro para medir el tiempo (puede ser un celular)

4 3. Cortar todas las solapas superiores de la caja chica. Si es una caja de zapatos, deseche la tapa de la caja. 4. Pintar el fondo de la caja chica de color negro o pegar cartulina negra en el fondo. 5. Una vez que la pintura esté seca, cubrir las paredes internas de la caja chica con papel aluminio utilizando cinta adhesiva o pegamento. Para obtener un mayor efecto reflectante se debe exponer el lado brillante del papel de aluminio suavizando las arrugas lo más posible para que funcione como un espejo. 6. Si no tiene un contenedor o plato negro, pintar su contenedor o plato con témpera de color negro. 7. Sellar con cinta adhesiva las solapas abiertas de la caja grande. 8. Construir la puerta del horno por donde entrarán los alimentos. Para ello, cortar con el cuchillo cortacartón a lo largo de tres de las aristas de uno de los costados de la caja grande, dejando una arista unida a la caja formando una solapa que se puede abrir y cerrar. Este procedimiento se puede observar en las fotos que aparecen en la Guía Resumen con fotos para el Profesor, Preparación de la actividad ANTES de la clase, HOJA 1 9. Construir la ventana en la puerta del horno por donde ingresarán los rayos solares (energía lumínica) y el panel reflectante para dirigir los rayos solares hacia la ventana del horno solar. Para ello, poner la caja chica sobre la puerta del horno y trazar su contorno sobre la puerta. También dibujar un pequeño triángulo, dentro del rectángulo en la esquina de la derecha abajo, midiendo 3 cms desde el ángulo recto del rectángulo (este triángulo servirá para instalar el termómetro). [Todo este procedimiento se puede observar en las fotos que aparecen en la Guía Resumen con fotos para el Profesor, Preparación de la actividad ANTES de la clase, HOJA 1.] a. Usar el cuchillo cortacartón para cortar una solapa. Para ello se debe cortar a lo largo de tres lados del rectángulo, y la hipotenusa del triángulo dejando un borde del rectángulo unido a la puerta del horno. Cuidadosamente hacer palanca para abrir la solapa y doblarla hacia arriba a lo largo de la línea sin cortar hasta que quede perpendicular a la puerta del horno. b. Construir la ventana: pegar dos laminas de plástico sobre el agujero en la puerta del horno lo más herméticamente posible. Para ello, pegar con cinta adhesiva una lámina de plástico en el lado superior y otra en el lado inferior de la puerta del horno. c. Construir un panel reflectante: formar un panel reflectante con la solapa para dirigir los rayos solares hacia la ventana del horno solar. Para ello, se debe cubrir la parte interior de esta con papel de aluminio exponiendo el lado brillante y suavizando las arrugas lo más posible para que funcione como un espejo.

5 10. Para instalar el termómetro hacer un orificio del tamaño del diámetro del termómetro sobre el pequeño triángulo de la ventana. **NOTA: el termómetro será instalado por el profesor una vez que los alumnos hayan armado el horno. 11. **Recomendación: poner el chocolate dentro de un molde para que cuando este se saque del horno esté fundido en este molde. Dejar enfriar y retirar del molde. Los alumnos podrán ver que el chocolate tiene una forma distinta a la que tenía cuando ingresó en el horno solar. 1. Discusión antes de comenzar el Experimento Preguntar a los alumnos qué es la energía? [La energía es la capacidad de realizar un trabajo o lograr la transformación de algo. La energía es necesaria para todo lo que hacemos en la vida y para que exista vida en el planeta. Por ejemplo, el sol nos da la energía en forma de luz solar y calor. Cuando nos alimentamos, damos a nuestros cuerpos la energía para que podamos correr y jugar. Los automóviles, trenes y aviones requieren energía para moverse.] Preguntar a los alumnos, qué tipos de energía conocen? [La energía se encuentra en todas partes y viene en muchas formas: energía mecánica, energía lumínica, energía eléctrica, energía química, energía nuclear, energía calórica, etc.]. Explicar a los alumnos que en la naturaleza existen tipos de energía que los seres humanos pueden utilizar para realizar un trabajo. Estos recursos energéticos se clasifican según la fuente de la cual provienen. Se llama energía no renovable a aquella que proviene de fuentes agotables, como la procedente del petróleo, el carbón, el gas natural y los minerales radiactivos. En cambio, la energía renovable es virtualmente infinita, como la energía eólica (generada por el viento), la energía solar (generada por el sol), la energía hidroeléctrica (generada por el agua), la energía geotérmica (generada por el calor del interior de la Tierra), y la biomasa (cantidad de biocombustible potencial presente en una planta o un alga). Explicar a los alumnos que los combustibles fósiles no renovables generan problemas de contaminación causando calentamiento global y por ello muchos investigadores y organizaciones están buscando soluciones energéticas en las energías renovables. Una de ellas es la energía solar. El sol es una fuente de energía limpia y renovable que impulsa a los ecosistemas y los ciclos en la Tierra. Una aplicación de la energía solar es el uso de hornos solares. A diferencia de las células fotovoltaicas que convierten la energía solar en energía eléctrica, un horno solar es una caja que atrapa parte de la energía solar para hacer que el aire dentro del horno sea más caliente que el aire fuera de este. En otras palabras, el horno solar es como un super invernadero que utiliza el calor del sol para cocinar alimentos directamente y hasta se pueden utilizar para purificar agua. Estos hornos son benignos para el medio ambiente, rentables, fáciles de construir y altamente portátiles. Es más, en muchos de los países menos desarrollados del mundo, donde no se dispone de energía eléctrica o esta no es no accesible, un horno solar es a menudo la única alternativa a la cocción a fuego de leña. Explicar a los alumnos que en este experimento construirán cuatro hornos solares en los que cocinarán o fundirán cuatro alimentos diferentes y compartirán sus resultados con el resto de la clase en una presentación, con sus diseños y capacidades de calefacción.

6 2. Explicación de los Materiales y Procedimiento de la Guía Experimental para el Alumno Materiales: - 1 caja grande de cartón con un panel reflectante, una ventana y una puerta. - 1 caja chica de cartón que por dentro tiene las paredes cubiertas con papel aluminio y un fondo negro. Explicar a los alumnos que el horno solar se construirá utilizando estas dos cajas. La caja grande será la parte externa del horno, el panel reflectante dirigirá los rayos solares (energía lumínica) hacia la ventana del horno, la ventana permitirá el paso de los rayos solares al interior del horno y por la puerta se agregaran los alimentos que serán cocinados o fundidos. La caja chica será la parte interna del horno. Las paredes cubiertas con papel de aluminio (material reflectante) permitirá reflejar y concentrar la energía lumínica del Sol dentro del horno y el fondo negro (material con superficie oscura) convertirá la energía lumínica en energía térmica. Se colocarán a la caja chica dentro de la caja grande y se rellenará el espacio entre las dos cajas con papel de diario. - 1 contenedor o plato negro. Explicar a los alumnos que los alimentos se colocarán sobre un contenedor o plato de color negro para que se puedan cocinar o fundir con la energía lumínica que este absorba. - Papel de diario. Explicar a los alumnos que el papel de diario es un material con capacidad aislante que cumple la función de almacenar la energía térmica dentro del horno solar. - Guantes de cocina. Explicar a los alumnos que al final del experimento los alimentos dentro del horno solar estarán calientes. Por lo tanto, deberán utilizar guantes de cocina para sacarlos del horno como precaución para no quemarse las manos. - 1 palo de maqueta. Explique a los alumnos que el palo de maqueta servirá para mantener en un ángulo correcto el panel reflectante. - Lápices y plumones de colores. Serán necesarios para que los alumnos dibujen sus observaciones. - Alimento que se va a cocinar o fundir - Reloj o cronómetro para medir el tiempo (puede ser un celular) Procedimiento: 1. Formar 4 grupos. A cada grupo se le asignará un alimento para cocinar o fundir: GRUPO 1: fundirá un chocolate (deben retirar el papel que cubre el chocolate y colocar el chocolate sobre el plato) GRUPO 2: cocinará un huevo (deben romper el huevo y se ponerlo directamente sobre el plato) GRUPO 3: fundirá queso sobre un pan (deben abrir el pan y colocar el queso en UNA cara del pan, no lo cierren como sandwich) GRUPO 4: fundirá mantequilla sobre un pan (deben abrir el pan y colocar la mantequilla en UNA cara del pan, no lo cierren como sandwich) 2. El profesor entregará los materiales por grupo para armar un horno solar. Pon mucha atención a las explicaciones que él dará sobre la importancia de cada material. 3. Rellena la siguiente Tabla. Anota las mediciones de temperatura que harás, en el termómetro dentro del horno solar y el termómetro afuera del horno, durante el

7 experimento. Tu tabla debe tener: un título, el tiempo (en minutos) en que se tomará cada medición de temperatura, espacio para las mediciones de temperatura (en grados Celsius). Título de la Tabla: Tiempo (minutos) Temperatura dentro del horno solar (⁰C) Temperatura afuera del horno solar (⁰C) 4. En grupo deben armar el horno solar. Es importante que los alumnos entiendan que cada uno es parte de un gran experimento y que deben trabajar en grupo. 5. Tomen el papel de diario y arruguenlo, pero sin apretarlo. Explique que no deben prensar o aplastar demasiado el papel (no deben hacer pelotas con el papel de diario) porque la idea es dejar espacios de aire que ayudarán a aislar. Este procedimiento se puede observar en las fotos que aparecen en la Guía Resumen con fotos para el Profesor, Desarrollo de la Actividad, HOJA Pongan una cama de papel arrugado dentro de la caja grande. 7. Metan la caja chica y verifiquen que el borde de la caja chica este a la misma altura que el borde de la caja grande. Si la caja chica queda sumergida en la caja grande, deben agregar mas papel de diario arrugado hasta lograr que las dos cajas estén al mismo nivel. 8. Una vez que la caja chica esté al mismo nivel, rellenen el espacio vacío que hay entre las paredes de la caja grande y la caja chica con mas papel de diario arrugado. 9. EL HORNO ESTÁ LISTO PARA SER UTILIZADO! 10. Pongan el alimento que le toco a tu grupo dentro del contenedor o plato negro. 11. Saquen el horno y el plato con el alimento afuera de la sala a un lugar determinado por el profesor. Asegurarse de elegir un lugar soleado. 12. Abran la puerta del horno y metan el plato con el alimento. 13. El profesor debe instalar el termómetro a través del agujero que se encuentra al lado derecho de la ventana. Para instalar el termómetro en la puerta del horno, este se debe introducir por el agujero que se encuentra al lado derecho de la ventana. La lectura del termómetro se debe hacer por fuera del horno, para lograr esto, se debe introducir el termómetro hasta la marca de los 10 C en el termómetro y no más. Fijar el termómetro con cinta adhesiva, una vez que el termómetro esté fijo, rellenar por completo el espacio entre el termómetro y el cartón con plasticina por fuera de la puerta del horno. Este procedimiento se puede observar en las fotos que aparecen en la Guía Resumen con fotos para el Profesor, Desarrollo de la Actividad, HOJA Cierren la puerta del horno con mucho cuidado sin alterar el termómetro y sellen la puerta del horno con cinta adhesiva. Explicar a los alumnos que no deben abrir la puerta

8 del horno por ningún motivo hasta que finalice el experimento porque se estropearía el experimento al perderse la energía calorica acumulada dentro del horno. 15. Ajusten el panel reflectante de manera que el papel aluminio pueda reflejar la mayor cantidad de luz solar hacia la ventana del horno. Utilicen el palo de maqueta para fijar el panel reflectante en el ángulo deseado. Explique a los alumnos que este es un proceso delicado y que una vez que logren ajustar el panel, que traten de no mover el horno para que no se salga el palo de maqueta. 16. Un compañero debe comenzar el cronómetro. Al mismo tiempo, otros compañeros deben mirar el termómetro que mide la temperatura dentro del horno y el termómetro que está afuera del horno y anotar las temperaturas en la Tabla. Esta será la primera medición. Explique a los alumnos que esta será la medición del tiempo cero (t=0 minutos). Es importante destacar que el experimento se debe hacer en equipo y que cada alumno tiene un rol clave para que el experimento funcione. 17. Miren los termómetros cada 10 minutos y anoten la temperatura en la Tabla. Deben hacer esto durante 60 minutos. 18. Anota cualquier cambio que observes en el horno solar durante el experimento (también debes incluir si es que no ves cambios). Ejemplos: Deben mencionar condensación y formación de gotas de agua en la ventana de la puerta del horno, quizás puedan observar lo que ocurre dentro del horno y ver como los alimentos se cocinan o funden: cocción del huevo, derretimiento del queso, chocolate y mantequilla. 19. Una vez transcurridos los 60 minutos, un compañero se tiene que poner los guantes de cocina, tiene que abrir la puerta del horno y tiene que sacar el plato con el alimento. Anota lo que observas. Explique a los alumnos que deben tener muchos cuidado al sacar el plato con el alimento del horno porque estará caliente. Resultados: 1. Dibuja el horno solar y lo que viste al principio y al final del experimento. Es importante que los alumnos dibujen cada detalle de lo observado al principio y al final del experimento. 2. Construye un gráfico de Tiempo versus Temperatura con los datos de la Tabla. Tu gráfico debe tener un título y nombres para el eje X o abscisa (tiempo, en minutos) y para el eje Y u ordenadas (temperatura, en grados Celsius). Para graficar, haz un punto para cada dato de temperatura que anotaste de temperatura dentro del horno solar con un lápiz azul. Luego, con el mismo lápiz, une los puntos dibujando una línea o curva suave. Haz lo mismo para los datos de temperatura de temperatura afuera del horno solar pero con un lápiz rojo. Explicar a los alumnos, mediante una demostración en el pizarrón, cómo deben graficar. 3. Discusión final una vez realizado el Experimento Los combustibles fósiles liberan energía y gases cuando se queman. Estos gases se acumulan en la atmósfera y aumentan su efecto invernadero natural, generando calentamiento global y cambio climático. Desafortunadamente, el calentamiento global no es el único problema relacionado a la utilización de estos combustibles. Se requieren miles de años para producir combustibles fósiles y, algún día, estos se agotarán. Por lo tanto, tenemos que encontrar nuevas fuentes de energía y reducir la cantidad de energía que usamos en general.

9 El alto costo de la energía: si supieras la cantidad de energía que se requiere para confeccionar las cosas que usamos a diario, intentarías usar menos cosas? Es posible que te sorprendas al saber el alto costo en energía que tienen las cosas que usas cada día, por ejemplo: 1. Un inodoro normal utiliza alrededor de 10 litros de agua cada vez que tiras la cadena. 2. Cada año se botan más de 20 millones de toneladas de productos electrónicos, como los computadores viejos, radios y reproductores de CD. 3. Para reciclar una lata de aluminio se requiere sólo el 5% de la energía que se necesita para extraer de una mina y refinar la misma cantidad de aluminio nuevo. Es importante tomar conciencia de que debemos disminuir el uso de energía y el utilizar cosas que requieren mucha energía para ser desarrolladas. Cómo puedes ahorrar energía en tu vida? Discute los pequeños cambios que cada uno puede hacer para reducir la energía utilizada en su casa y en el colegio, tales como apagar las luces cuando no estás en tu habitación, conseguir ampolletas eficientes, reciclar, utilizar menos aparatos electrónicos, etc. PREGUNTAS Y RESPUESTAS DE LA GUÍA EXPERIMENTAL PARA EL ALUMNO 1. Calcula el cambio de temperatura dentro y fuera del horno solar restando el valor de la TEMPERATURA MÍNIMA al valor de la TEMPERATURA MÁXIMA. Los alumnos deben calcular el cambio de temperatura para cada caso. Donde aumentó más la temperatura, adentro o afuera del horno solar? Hay un mayor cambio de temperatura dentro del horno solar en comparación con el cambio de temperatura afuera de este. A qué se debe esta diferencia? Esto se debe a que la energía lumínica del sol se convirtio en energía calórica dentro del horno y esta no pudo escapar debido a que el horno tiene un aislante que evita la pérdida del calor. 2. Haz un resumen de como funciona el horno solar. El papel de aluminio del panel reflectante dirige los rayos solares (energía lumínica) hacia la ventana del horno solar, la ventana permite el paso de los rayos solares al interior del horno. Las paredes cubiertas con papel de aluminio (material reflectante) permite reflejar y concentrar la energía lumínica del Sol dentro del horno y el fondo negro (material con superficie oscura) convierte la energía lumínica en energía térmica. El papel de diario aísla el horno solar, evitando el escape del calor. 3. Porqué algunos alimentos se demoran más en cocinar o fundir? Algunos alimentos requieren mayor calor que otros para cocinarse o fundirse. En una hora, el horno solar no se logró calentar lo suficiente como para cocinar aquellos alimentos que requieren mayor calor para su cocción o fundición. 4. Qué recomendaciones tienes o que cambios harías para mejorar o hacer más eficiente el horno solar? Las respuestas pueden variar. Los alumnos pueden recomendar cocinar los alimentos durante un período de tiempo más largo, que se recaliente el horno antes de meter los alimentos dentro de este, mejor aislamiento y sellado, que se construyan más paneles reflectantes para captar más energía lumínica. También pueden mencionar cambiar la puerta del horno por una puerta de vidrio, que la puerta del horno este en un

10 ángulo dirigido hacia el sol y no perpendicular al horizonte, mejor aislamiento y sellado, que se utilicen espejos como paneles reflectantes, etc, etc, etc.