Segundo módulo

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

REACCIONES NUCLEARES

Una reacción química es un fenómeno natural en el que se combinan átomos de ciertas sustancias para formar otras. Generalmente se la representa de manera simbólica y en ellas reconocemos a los reactivos y a los productos.

Existen diferentes tipos de reacciones químicas que se clasifican de distinto modo según la forma en la que ocurren. A modo de sintetizar y con el objeto de facilitar la comprensión, podemos decir que existen reacciones "comunes" o "normales" donde los reactivos se transforman en los productos a través de intercambio de electrones, reorganización de las moléculas o desplazamiento de elementos, entre otras. En estas reacciones no se forman nuevos elementos químicos, es decir no aparecen otros átomos de distintos elementos de los que ya están disponibles en la reacción y se verifica el "principio de conservación de la masa."

A este tipo de reacciones comunes de índole cotidiana pertenece por ejemplo la fotosíntesis en la que la energía radiante del Sol es transformada en energía química de los enlaces de los compuestos que se forman.

Existen también otras reacciones no tan comunes ya que no se perciben como del entorno cotidiano. En este otro tipo encontramos a las reacciones nucleares, donde, a diferencia de las anteriores, se produce la transmutación de los elementos, es decir a partir de un elemento dado se forman otros distintos por un reordenamiento de los nucleones, partículas componentes del núcleo atómico, que tiene como resultado la captura o la pérdida de algunos protones y neutrones.

En estas otras reacciones se altera el núcleo atómico cambiando la cantidad de protones y neutrones y en ellas ocurre el fenomeno de "defecto de masa" es decir, una fracción de la masa de reactivos "desaparece" en los productos transformándose en energía a partir de la ecuación E = mc².

En el núcleo de los átomos, la fuerza eléctrica de repulsión entre las cargas positivas de los protones es compensada por la llamada fuerza nuclear fuerte que es de corto alcance. Si dos núcleos se mueven a baja velocidad, la fuerza de repulsión predomina y estos se repelen. Sin embargo cuando dos núcleos chocan a alta velocidad (por ejemplo a un 10 % de la velocidad de la luz, los núcleos se rompen o "quiebran" y entonces la fuerza nuclear fuerte de uno de los núcleos puede alcanzar al otro y así formar nuevos átomos por fusión).

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)

TOMADO ENTERAMENTE DE: http://www.sapiensman.com/tematica/tematica3.htm

Según los cálculos actuales, en el centro del Sol existen una presión de cien millones de atmósferas y una temperatura de veinte millones de grados. La alta presión supone una alta concentración de la materia, hasta el punto de que las sustancias sólidas quedan reducidas a la décima parte de su volumen. por otra parte una temperatura tan elevada da lugar a una enorme movilidad de todos sus átomos. En tales condiciones, los choques entre átomos son tan frecuentes y violentos, que la producción de helio a partir del hidrógeno se produce inmediatamente a través del llamado proceso de decaimiento de los protones en neutrones. Como se sabe, el protón es una partícula elemental que constituye el núcleo de hidrógeno y está dotada de carga positiva. El proceso en cuestión se desarrolla según las siguientes fases:

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

En la primera fase, los núcleos de dos átomos de hidrógeno, es decir, dos protones, chocan entre sí, con lo cual uno de los protones pierde su carga eléctrica, que emite bajo la forma de positrones; a consecuencia de la pérdida de la carga eléctrica, el protón se transforma en neutrón. Se crea así un núcleo de deuterio, es decir, de hidrógeno pesado, cuyo núcleo consiste en un protón y un neutrón.

La segunda fase consiste en la fusión de un nuevo protón con el núcleo de deuterio. Ahora hay dos protones y un neutrón, es decir, un núcleo de helio ligero, dado que un núcleo con dos protones corresponde siempre al helio.

En la tercera fase se produce la unión de dos de los núcleos de helio ligero, con cesión de dos protones y formación de un núcleo constituido por dos protones y dos neutrones. Esto es el helio común.

Pero el aspecto decisivo lo constituye el hecho de que en este proceso entre los núcleos atómicos se libera energía. Si se considera unitaria la masa de un protón o de un neutrón no cabe duda de que el núcleo de helio debería tener una masa de "cuatro", dado que consiste en dos protones y dos neutrones. Sin embargo, tiene una masa de 3,97 solo, lo cual significa que en el proceso de creación del helio a partir del hidrógeno, un fragmento de la materia que interviene desaparece, para transformarse en energía.

En el curso de transformaciones de este género, una pequeña pérdida de masa supone la aparición de un enorme cantidad de energía. Si se transforma un gramo de hidrógeno (es decir once litros de gas) en helio, desaparecen 0,0068 gramos de materia, que se transforman en 170.000 kWh.

Ésta es, pues, la fuente de energía del Sol, donde cada segundo se transforman en helio 632 miles de millones de toneladas de hidrógeno. La materia que desaparece y que pierde el Sol alcanza los 4,3 millones de toneladas por segundo, mientras que la producción de energía supone 370.000 trillones de kWh.

Son cifras que dan vértigo, desde luego; pero, por enormes que puedan parecer, la reserva de hidrógeno del Sol basta para asegurar todavía durante miles de millones de años una producción de energía de tal magnitud.

Fuente:

ttp://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

Materiales

Célula fotovoltaica

Amperímetro

Cable de conexión

(Esta experiencia se tiene que hacer un día soleado)

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

Primer tipo de actividad sugerido

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 pueden ser: - 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).

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: En el conjunto de toda la clase ejemplificar procesos que puedan analizarse en términos de transformaciones de una energía a otra.

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

Actividad: 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.

4.Recorrer el enlace: Destilador solar

Actividad: analicen el proceso de destilación en términos de las transformaciones de la energía.

Segundo tipo de actividad sugerido

5. 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, limpia e inagotable.

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)

Actividad: encontrar información en la web acerca de:

- 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.

6.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.

Actividad:

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

7. 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)

8.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

Actividad: indaga cuánta energía se puede almacenar en una batería

Acumuladores y baterias tecnicamentesabio (Licencia de YouTube estándar)

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