Segundo recorrido: La energía solar y los componentes de la materia

Documento de Núcleos de Aprendizaje Prioritarios

Esta segunda parte tiene como propósito plasmar los principales conceptos relacionados con el primer NAP de la Formación General del Ciclo Orientado de la Educación Secundaria.

Ese primer NAP se refiere a los procesos involucrados en la obtención de energía y otros aspectos que permitan una comparación entre diferentes tipos de aprovechamiento.

Presentación

Se abordarán las siguientes temáticas a lo largo de las diversas situaciones y actividades sugeridas:

- Generación de energía en las estrellas

- Reacciones Nucleares

- La reacción de fusión nuclear

- Unidades de energía asociadas con la reacción de fusión

- Conversión de unidades

Situación 1: Comparación de la energía de la reacción de fusión y lo que se necesita en un hogar, en una ciudad.

Contenidos que se abordan en esta situación:

- La energía que llega del sol: Espectro electromagnético

- Tecnologías asociadas a la radiación solar: Celdas solares, transformación a energía térmica. etc.

- Transmisión de la energía radiante desde el Sol

PROCESOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EN EL SOL

Esta propuesta está centrada en el siguiente eje de los NAP del ciclo orientado:

"La comprensión de diversos fenómenos naturales terrestres y celestes"

Capacidades y habilidades

- Reflexionar sobre porqué la investigación en torno a la fusión nuclear es importante para una fuente de energía segura y respetuosa con el medio ambiente.

- Tomar conciencia de que el aprovechamiento de la energía proveniente de la fusión nuclear - fuente de la energía solar - puede suministrar energía de una forma prácticamente inagotable.

- Entender que la energía de fusión al no ser una reacción en cadena es intrínsecamente segura.

Marco teórico

Un poco de historia

El Sol es un emisor continuo de energía, y de una cantidad formidable. El origen de la energía del Sol ha sido y sigue siendo uno de los temas más apasionantes de la física solar. En la antigüedad algunos humanos creyeron que el Sol había sido puesto ahí por una divinidad con el solo propósito de alumbrar y calentar la Tierra, su energía formaba parte de esa creación divina. Pero cuando el hombre fue construyendo la física y descubriendo que todos los procesos en el Universo parecían obedecer a un mismo conjunto de leyes, se empezó a preguntar por la fuente de energía del Sol en términos de esas leyes. ¿Era el Sol una masa incandescente en continua combustión? De lo que se sabía de él a fines del siglo XIX y de lo que se conocía de la combustión química, esto no era posible. Si el Sol estuviera ardiendo se habría consumido en unos cuantos miles de años y, sin embargo, los fósiles terrestres indicaban que la vida en la Tierra se remontaba a millones de años atrás, por lo que se requería un Sol mucho más viejo.

El físico inglés Lord Kelvin y el físico alemán Von Helmholtz propusieron a finales del siglo XIX que el Sol obtenía su energía por contracción gravitacional: se calienta porque se está encogiendo lentamente. Suponiendo este proceso como fuente de la energía solar, se estima que el Sol había estado brillando tal vez por unos 40 millones de años, tiempo suficiente para tranquilizar a los paleontólogos de la época. Pero el alivio procurado por este nuevo proceso duró muy poco. Pronto se descubrieron vestigios de vida que databan de por lo menos varios cientos de millones de años. El Sol debería haber estado brillando entonces durante mucho más tiempo, pero ¿cómo era eso posible?, ¿de dónde provenía esa energía tan enorme capaz de durar tanto tiempo?, ¿qué otro proceso, más potente que la combustión o la contracción gravitacional, había estado haciendo arder a nuestra estrella por cientos o quizás miles de millones de años? La respuesta tuvo que esperar a la física del siglo XX.

Durante el primer cuarto del siglo XX la fuente de energía del Sol permaneció siendo un misterio, pero la nueva física que se inició con el descubrimiento de la radiactividad comenzó a dar sus frutos. El concepto de átomos constituidos por pequeñísimas partículas fue abriendo paso al estudio de reacciones nucleares, y el establecimiento de Einstein de que la materia puede convertirse en tremendas cantidades de energía sugirió una nueva y tentadora posibilidad. Alrededor de 1926 el físico inglés Sir Arthur Eddington propuso que algún tipo de reacción en el denso y caliente núcleo del Sol debería estar transformando materia en energía y que este mismo proceso era el que hacía brillar las estrellas. Aunque su idea era en esencia correcta, los detalles de las reacciones que ocurren en el núcleo del Sol tuvieron que esperar hasta los años cuarenta, cuando el físico alemán Hans Bethe determinó dos tipos de reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol y que transforman el hidrógeno en helio con una cierta pérdida de materia que se transforma en energía.

Generación de energía en el Sol (fusión nuclear)

Hoy creemos que el Sol se formó a partir de una gran cantidad de gas que se fue contrayendo por su propia atracción gravitatoria. Es decir, en una enorme masa de gas en el espacio, cada átomo se ve atraído por el resto de los átomos y partículas de la nube. De este modo, si la nube no tuviera mucha actividad, si sus partes no se estuvieran dispersando a altas velocidades, la acción de la atracción gravitatoria haría que la nube se fuera contrayendo cada vez más, hasta que comenzara a contraerse a grandes velocidades que culminarían con choques de sus propios átomos a altas velocidades. Una vez que estos choques ocurren a muy altas velocidades podrían producirse reacciones nucleares de fusión entre núcleos de átomos livianos. Por ejemplo, los choques de núcleos atómicos de hidrógeno pueden dar lugar a la formación de núcleos de helio. Ese proceso libera energía de modo que el núcleo de helio resultante requiere menos energía que la que existía al chocar los núcleos de hidrógeno que le dieron lugar en ese tipo de reacciones nucleares. Según la descripción actual, en el centro del Sol existe una presión muy alta lo cual indica una enorme cantidad de choques entre partículas que viajan a altas velocidades, movimiento que es indicativo de una temperatura del orden de los millones de grados. Esta cantidad de choques a alta velocidad constituye la configuración por la que se producen las reacciones nucleares que liberan energía. Esta energía liberada, interactúa con el resto de las partículas que se dirigen hacia el centro del Sol, y así la estrella mantiene cierto equilibrio de tamaño: la atracción gravitatoria actúa comprimiendo a la estrella y la emisión de radiación del centro hacia afuera impide que las capas más altas colapsen totalmente hacia el centro.

Los choques entre átomos son tan frecuentes y violentos, que la producción de helio a partir del hidrógeno se produce contínuamente.

Se sugiere que los alumnos realicen una búsqueda en internet para conocer las fases de la formación de núcleos de helio a partir de núcleos de hidrógeno pasando por el proceso de decaimiento de los protones en neutrones.

empotrar la imagen: hidrogeno%20a%20helio.jpg de la página: http://wikinap.educ.ar/tiki-index.php?page=7.2+Propuesta+2&structure=Entrama&page_ref_id=301

El punto de interés de este proceso es el que mencionamos al señalar que el núcleo de helio es portador de menor energía que la suma de los núcleos de hidrógeno que tomaron parte en su constitución a lo largo de las distintas fases. Se trata del proceso por el cual los protones y neutrones que constituyen un núcleo atómico no suman la cantidad de masa (masa es equivalente a la energía según la conocida relación: E = m c²). Es decir, hay un "defecto de masa" ya que su masa es menor que la suma de los nucleones individuales.

Por lo tanto, al formarse incesantemente núcleos cuya masa es menor que la de sus constituyentes, esto provee una fuente de energía que durará todo el tiempo que dure el proceso de nucleosíntesis señalado.

De este proceso proviene la energía del Sol, en donde cada segundo se transforman en helio 632 miles de millones de toneladas de hidrógeno. La materia que desaparece al transformarse en energía radiante supera los 4 millones de toneladas por segundo, dando como resultado una energía de cientos de trillones de MWh.

Los órdenes de magnitud son enormes de modo que para comprender estos procesos es recomendable buscar equivalentes con los consumos de las ciudades a lo largo de años, siglos, etcétera.

Enlaces externos de apoyo para el docente:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/38/html/sec_11.html

[Energía fotovoltaica]

¿Cuánta energía nos llega del Sol?

La energía que nos llega del sol se está convirtiendo, cada día más, en la solución del consumo energético de nuestra sociedad. Pero para poderla utilizar y saber hasta qué punto puede sustituir al resto de las energías, hay que conocerla bien.

Unos de los datos más importantes es saber cuÁnta energía nos llega del Sol. Este dato nos permitirá encontrar qué lugares son los mejores para utilizar el Sol y los grandes que han de ser los aparatos encargados de capturar las radiaciones.

Para poder evaluar la energía que nos llega del Sol, tenemos diferentes métodos. Pero todos se basan en un principio fundamental: medir los efectos que produce la radiación solar sobre los objetos, por ejemplo, la electricidad que genera una célula solar, el calor en un pequeño recipiente, etcétera.

Para poder realizar experiencias que permitan medir cuánta energía nos llega desde el Sol, es conveniente conocer detalles sobre precisamente la radiación solar.

Radiación Solar

La energía que emite el Sol o radiación solar, recibida en la superficie terrestre, es la fuente de casi todos los fenómenos meteorológicos y de sus variaciones en el curso del día y del año.

Se trata de un proceso físico, por medio del cual se transmite energía en formas de ondas electromagnéticas, en línea recta, sin intervención de una materia intermedia, a 300.000 km/s.

Cuando esta radiación alcanza el límite superior de la atmósfera está formada por rayos de distinta longitud de onda:

Los rayos ultravioletas: no son visibles y tienen muy pequeña longitud de onda. Los rayos luminosos: son los únicos visibles; su longitud de onda corresponde al violeta y al rojo, respectivamente, ya que varía entre 0.36 y 0.76 micrones. Los rayos térmicos o caloríferos: tampoco son visibles y su longitud de onda es mayor de 0.76 micrones. Son los rayos infrarrojos.

La intensidad calorífica de la radiación solar, medida en el límite superior de la atmósfera, es por lo general constante en el tiempo.

El valor de la radiación solar para 1 cm², expuesto perpendicularmente a los rayos solares en el límite superior de la atmósfera, es de 2 calorías por minuto aproximadamente. este valor se llama constante solar.

Variaciones: no toda la radiación solar incidente en el límite de la atmósfera llega a la superficie terrestre; esto se debe a que la capa gaseosa actúa sobre ella produciendo distintos fenómenos:

ABSORCIÓN: El flujo de radiación penetra en la atmósfera y transformada en energía térmica, aumenta su temperatura y la hace irradiar calor hacia la tierra y el espacio iterplanetario. Las radiaciones térmicas de la atmósfera que alcanzan la superficie terrestre atenúan el enfriamiento de la misma, especialmente durante la noche; este fenómeno se conoce como amparo térmico de la atmósfera.

REFLEXIÓN: Se produce cuando parte de la radiación solar al incidir sobre un cuerpo es desviada o devuelta sin modificar su caracteres: la atmósfera refleja la radiación que incide sobre gases y partículas sólidas en suspensión; la que llega a la superficie de la Tierra en parte se absorbe y en parte se refleja.

DISPERSIÓN: Fenómeno similar a la reflexión, pero la radiación modifica sus características al ser devuelta o desviada. En la alta atmósfera la radiación solar es dispersada por las moléculas de los gases del aire: los rayos luminosos de onda más corta (violeta y azul) son más fácilmente dispersados, dando el color azulado al cielo. Los demás, (rojo, anaranjado, amarillo), llegan casi directamente al suelo, sin dispersarse; se dispersan cuando atraviesan capas atmosféricas de espesor considerable, como ocurre en los crepúsculos: en estos casos el cielo presenta un color que va del amarillo al rojo intenso.

Reflexión y dispersión de los rayos solares dan como resultado la radiación solar difusa: a ella corresponden las primeras luces antes de la salida del Sol y gracias a su existencia el pasaje del día a la noche y viceversa se hace en forma gradual.

Trabajo experimental

Objetivo

Medir la energía que recibe nuestro pueblo, ciudad, barrio, etc. y evaluar el potencial de uso de la energía solar.

Capacidades y habilidades

El trabajo experimental pone en primer plano un tipo de capacidades y habilidades relativas al saber hacer en total articulación con el saber por qué hacerlo de ése modo. Es decir, los conocimientos comprendidos, en parte se comprenden mediante su uso en la acción. Por lo tanto, ofrecer a los estudiantes oportunidades para montar una tarea experimental, obtener mediciones, apreciar el problema de cómo se registra una magnitud, enfrentar la situación del arreglo experimental con otros con los que tiene que entablar comunicación, son todas instancias muy valiosas para el desarrollo cognitivo integrado entre el saber y el saber hacer.

Materiales

Célula fotovoltaica

Amperímetro

Cable de conexión

(Esta experiencia puede tener que realizarse en días soleados o puede también realizarse en días nublados, dependiendo del tipo de celda de que se disponga. De cualquier modo realizar la tarea experimental en ambos tipos de condiciones puede ser una de las variables de las que los estudiantes podrán sacar provecho.)

Desarrollo

1- Monta el medidor de radiación, utilizando la célula fotovoltaica y el amperímetro.

2- Coloca el aparato que acabas de construir al Sol, y toma medidas dándole diversas orientaciones. ¿marca igual según hacia dónde lo orientas? ¿por qué?

3- Calcula la radiación solar incidente, a partir de las medidas tomadas con el amperímetro en el ejercicio anterior. Para hacerlo, ten presente la intensidad de corriente nominal que la célula proporciona cuando está iluminada por 1.000 W/m² de radiación solar.

4- Calcula la radiación solar incidente, y haz un esquema donde aparezcan los rayos solares que llegan al aparato de medición en los siguientes casos:

a) con la célula horizontal en el suelo.

b) con la célula perpendicular a los rayos solares.

c) con la célula perpendicular al suelo.

d) con la célula horizontal y haciendo llegar más luz del Sol utilizando un espejo

empotrar la imagen: comprobaciones.jpg de la página: http://wikinap.educ.ar/tiki-index.php?page=7.2+Propuesta+2&structure=Entrama&page_ref_id=301

Fuente:

http://www.fenercom.com/pdf/aula/recorrido-de-la-energía-experiencia-05.pdf

Cuestionario

1. Se sugiere plantear las siguientes preguntas movilizadoras que permitirán conocer la información previa que los estudiantes tienen:

- ¿Qué clase de energías utilizamos en la vida cotidiana? ¿Cuál es su origen?

- ¿La consumimos directamente como se obtienen o sufren transformaciones para su utilización?

Algunas respuestas que brinden los estudiantes pueden referirse a los puntos siguientes:

- energía mecánica, cinética, potencial, eléctrica, térmica, nuclear, solar, hidráulica.

- Algunas energías sufren transformaciones como la hidráulica, la química de los combustibles y la solar en eléctrica.

- Las fuentes de energía pueden ser renovables o no renovables.

- Las fuentes de energía pueden ser contaminantes o no contaminantes (aunque habrá grados).

Comprensión, identificación y comunicación

2. Teniendo en cuenta las respuestas de los alumnos se sugiere trabajar con las siguientes actividades:

a) Proyección del video Energía I (Licencia de YouTube estándar)

Actividad de ejemplificación: Se pide a los estudiantes que den ejemplos de procesos que puedan analizarse en términos de transformaciones de una energía en otra.

b) Proyección del video Transformación de la energía (Licencia de YouTube estándar)

Actividad de identificación: Consultando las fuentes de información que necesiten y en pequeños grupos identifiquen los tipos de energía que intervienen y describan sus transformaciones en algunas de las situaciones vistas en el video.

c) Busca enlaces en los que pueda comprenderse de qué modo se transforma la energía en un auto en marcha. Elabora un esquema indicando en etapas y tipos de energía que están involucrados.

3. Recorrer el enlace: Destilador solar

Actividad de comprensión y comunicación: Se propone a los estudiantes que analicen el proceso de destilación en términos de las transformaciones de la energía y confeccionen un esquema en el que se indiquen esos procesos de transformación y los tipos de energía involucrada en cada etapa.

Situación 2: La energía solar

A lo largo de esta situación, las actividades que se proponen apuntan a que los estudiantes puedan realizar búsquedas significativas en internet, ya sea de aspectos generales o globales como el funcionamiento de un dispositivo electrónico, un panel solar, etc., como de aspectos locales como las horas de sol que recibe el terreno en su localidad. Otra característica de interés para distinguir entre tipos de búsqueda es si se promueve la búsqueda abierta en internet o si se les sugiere la búsqueda de información y conceptos relevantes al interior de un número determinado de sitios sugeridos. De este modo se promueve que los estudiantes desarrollen capacidades tanto para la reacción adecuada de los parámetros de búsqueda en los casos globales, como la capacidad de buscar información relevante al interior de cierto sitio recomendado.

4. Siguiendo con la transformación de la energía, veamos cómo aprovechar la energía del Sol.

Nuestro planeta recibe del sol una cantidad de energía anual de aproximadamente 1,6 millones de kWh, de los cuales sólo un 40% es aprovechable, una cifra que representa varios cientos de veces la energía que se consume actualmente en forma mundial. Es una fuente de energía descentralizada y limpia. En términos de corta y mediana escala es inagotable, es decir, dispondremos de esa fuente por un lapso de miles de millones de años. Además, el hecho de que el Sol finalmente cesará de brindar energía no depende de que la hayamos utilizado, por lo cual, para los fines del consumo, cuenta como inagotable. Es decir, no es nuestro consumo el que acabará con la energía proveniente del Sol.

Actualmente se aprovecha la energía solar a través de colectores, concentradores solares y/o celdas fotovoltaicas. Aprovechamiento de la energía solar (Licencia de YouTube estándar)

Búsqueda digital global y abierta

Se propone a los estudiantes encontrar información en la web acerca de los siguientes temas:

- la cantidad de paneles solares necesarios para uso domiciliario /

- uso de paneles en gran escala (rutas, techos, granjas solares) y orden de magnitud de la energía que brindan

- tipo de materiales necesarios para la construcción de paneles solares y el modo de obtención de esos materiales.

La información que hayan podido recabar podrá ser expuesta de modo más o menos informal, como avance de la actividad general en la que están inmersos y que continúa con los siguientes puntos.

5. El aprovechamiento energético está condicionado por la intensidad de radiación solar recibida por la tierra, los ciclos diarios y anuales a los que está sometida y las condiciones climatológicas del lugar.

Para el aprovechamiento de la energía del sol se necesita información sobre la irradiación solar recibida la la superficie colectora.

Búsqueda digital local y acotada

Recorre los siguientes enlaces y otros que encuentres para averiguar la irradiación solar global diaria recibida sobre una superficie horizontal en los meses de julio y de enero en tu localidad.

Grupo de Estudios de la Radiación Solar

Energía solar

Búsqueda digital global y acotada

6. Para transformar la energía del sol en energía eléctrica se usan las fotocélulas. Recorre estos link para conocer qué son los semiconductores n y p y como funciona una celda fotovoltaica.

Introducción a los Semiconductores (Licencia de YouTube estándar)

Cómo funcionan las celdas fotovoltaicas (Licencia de YouTube estándar)

7.La disponibilidad de la energía solar está limitada a unas horas del día y su intensidad es variable.

Si se desea que en una instalación no haya interrupción de energía eléctrica es necesario contar con capacidad de almacenamiento. En instalaciones fotovoltaicas se emplean baterías del tipo estacionario.

Los tipos más comunes de baterías eléctricas se clasifican por el electrolito:

- baterías ácidas de plomo, - con electrolito de ácido sulfúrico - baterías alcalinas de níquel-cadmio o hierro-níquel con electrolito hidróxido de potasio