La enseñanza sobre la energía se basa en 8 conceptos clave:

1.1 La energía es una cantidad que se transfiere de un sistema a otro. La energía es la habilidad de un sistema para realizar un trabajo. Un sistema ha realizado un trabajo si ha ejercido una fuerza sobre otro sistema a cierta distancia. Cuando esto sucede, la energía se transfiere de un sistema a otro. Al menos parte de la energía también se transforma de un tipo a otro durante este proceso. Se puede determinar la cantidad de energía que se transfiere dentro o fuera de un sistema.

Energía es una palabra que cuenta con muchos significados, pero no tiene una definición universal.

En nuestra vida diaria, interactuamos constantemente con diferentes formas de energía. La energía está contenida en la gasolina, la comida para gatos y las estrellas y la energía se mueve de una forma a otra a través del viento, el movimiento y el calor. Entonces, ¿cómo comenzamos a enseñar algo que es intuitivamente obvio, pero a la vez abstracto y complejo?

Este principio ayuda a los/las estudiantes a familiarizarse con algunos de los fundamentos de la energía, muchos de los cuales se basan en la física. Queremos que los/las estudiantes se sientan cómodos con el concepto de que la energía se presenta de muchas formas, se puede transferir de un sistema a otro y se puede medir.

Si bien es difícil definir el término energía, no es difícil identificar, describir y medir los tipos específicos de energía.

La energía mecánica es la energía de los sistemas mecánicos, como una bola rodando en una rampa o una canica disparada desde una catapulta. La energía mecánica puede estar en tres formas:

  • La energía potencial gravitacional es la energía de un objeto o sistema debido a la atracción gravitacional. Por ejemplo, podemos calcular la energía mecánica de una bola que se cae desde una ventana alta o la energía potencial gravitacional del agua en una presa utilizada para generar energía hidroeléctrica.
  • La energía cinética es energía debido al movimiento de un objeto. Un carro a toda velocidad, una pelota de béisbol en el aire y un esquiador que se desliza cuesta abajo son algunos ejemplos de objetos con energía cinética. Los volantes de inercia son un método para almacenar energía cinética.
  • La energía potencial elástica es la energía almacenada en un resorte estirado, una banda elástica u otro material elástico.

La energía térmica es la energía que resulta de la energía cinética de las moléculas de una sustancia. Una tetera con té caliente tiene más energía térmica que una fría. Los objetos que están calientes emiten energía térmica y la transferencia de energía térmica provoca cambios en la temperatura.

La energía radiante es la energía de la radiación electromagnética, como la luz visible, los microondas o los rayos X.

La energía química es energía almacenada en enlaces químicos. La gasolina y los alimentos son ejemplos de compuestos con energía química potencial.

La energía nuclear es un nombre que se le da a la energía que resulta de la conversión de masa a energía durante las reacciones nucleares. Esta es una fuente de energía potente y abundante porque una pequeña cantidad de masa se puede convertir en una gran cantidad de energía como lo describe la famosa ecuación de Einstein E = mc2 .

Independientemente de la forma que toma la energía, la energía tiene un valor numérico que podemos medir y asignar a objetos o sistemas. Cuando el sistema experimenta algún cambio, la energía puede transformarse de un tipo de energía a otro.


Los/las estudiantes pueden experimentar y reconocer diferentes formas de energía.

Vídeo complementario del Departamento de Energía

Ver una versión de este vídeo fuera de la plataforma Youtube

Comprender cómo se definen y miden los diferentes tipos de energía ofrece una base desde la cual se pueden enseñar otros aspectos de la energía. Los conceptos de pérdida de energía, transferencia de energía de un sistema a otro y formas de medir la energía son conceptos esenciales a la hora de enseñar sobre la energía. Si bien puede ser tentador saltarse estos fundamentos y comenzar a enseñar directamente contenido relativo a turbinas eólicas y paneles solares, es importante establecer un marco de referencia para comprender qué es la energía antes de hablar sobre diferentes combustibles, fuentes de energía y usos de la energía.

Lo fascinante de la energía es cómo una forma de energía puede transformarse en formas de energía no relacionadas. James Prescott Joule realizó experimentos pioneros que demostraron que una cantidad de energía mecánica se puede transformar en la misma cantidad de energía térmica. Por ejemplo, una explosión convierte energía potencial química en energía cinética, energía radiante y energía térmica. La energía radiante puede transformarse en energía eléctrica por la célula fotovoltaica. La energía térmica puede transformarse en energía eléctrica por un generador termoeléctrico.

En todos los casos de transformación energética, parte de la energía se transforma en energía térmica. Debido a que esta energía a menudo no se puede recuperar de una manera útil, esta energía térmica a menudo se considera desperdiciada o pérdida.

Ayudar a los/las estudiantes a comprender estas ideas

Cuando se intentan comprender las formas de energía es frecuente que se den malentendidos. Por un lado, todos tenemos un sentido intuitivo de lo que es la energía. Pero la ciencia de la energía puede ser compleja. Los/las docentes deben encontrar el punto medio entre ofrecer explicaciones precisas, sin llegar a simplificar demasiado o crear más ideas erróneas.

Una dificultad común es el concepto de potencia y las unidades para describir la energía y la potencia. En el sistema métrico, las unidades que se usan para medir la energía son julios. Un julio es la cantidad de energía requerida para acelerar un objeto quieto de 1 kg a una velocidad de 1 m/s en un segundo, o para levantar un objeto de 1 kg aproximadamente 10 cm verticalmente. Las calorías, BTU y kilovatios/hora son otras unidades que se pueden usar para medir la energía.

La potencia, que es la tasa de transferencia de energía, se mide en julios por segundo, también llamados vatios. A diferencia de otras unidades que describen tasas (por ejemplo, millas por hora para la velocidad, dólares por hora para los salarios), la unidad "vatios" tiene el "por segundo" ya incorporado a la unidad. Sin el "por segundo" en las unidades, los/las estudiantes a menudo piensan que un vatio es una cantidad de energía, en lugar de una velocidad a la que se transfiere la energía. Por ejemplo, una bombilla de 100 vatios utiliza 100 julios de energía eléctrica por segundo, transformándola principalmente en energía térmica.

Contribuyendo a esta confusión tenemos la unidad de kilovatios por hora. Un kilovatio por hora es 1.000 vatios por 3.600 segundos, o 3.6 millones de julios. Esta es una unidad muy común de energía a la hora de facturar el uso de los servicios eléctricos.

Trayendo estas ideas a su clase

¿Cómo funciona el trabajo? Este video TED-ed ilustra los conceptos de trabajo y potencia, los cuales nos ayudan a entender muchas de las leyes físicas que gobiernan nuestro universo. En esta lección, Peter Bohacek explora la relación entre cada concepto al aplicarlos a dos objetos comunes: una bombilla y un reloj de pared.

Como se ilustra en el vídeo TED-ed, los conceptos matemáticos básicos se pueden usar para comprender cómo se cuantifica la energía, cómo medir la energía de distintas formas y luego convertir esas cantidades en unidades comunes. Los términos como potencia (energía a lo largo del tiempo) y trabajo (fuerza a lo largo de la distancia) se pueden medir y calcular fácilmente. Todos estos términos tienen significados alternativos, pero relacionados, en la vida diaria, por lo que para que los/as estudiantes se familiaricen con las definiciones matemáticas será necesario que comprendan unos nuevos significados ligeramente diferentes, para las mismas palabras.

Muchas formas de transformación de energía se pueden observar en el aula, por lo que las demostraciones son un medio eficaz para ilustrar las transformaciones entre diferentes formas de energía.

Material educativo de la colección CLEAN

Por el momento, materiales sólo disponibles en inglés, pero le invitamos a usar el traductor de Googlepara aprovechar los recursos.

Escuela intermedia

Escuela secundaria

  • Se pueden usar herramientas como la Calculadora de conversión de unidades de energía para ayudar a los/las estudiantes a comparar cantidades de energía en diferentes formas. Cuando los/las estudiantes entienden el significado subyacente a las diferentes unidades de energía, pueden considerar efectivamente la escala de uso de la energía, lo que es parte del Principio de Energía 6.
  • Una guía de la energía de la Tierra es un vídeo de TED-Ed que ilustra cómo se realiza un ciclo de la energía a través de los sistemas de la Tierra: atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera.

Universidad

  • El proyecto del calentador de agua solar permite a los equipos de estudiantes diseñar y construir dispositivos de calentamiento de agua solares y obtener una mejor comprensión de los tres tipos diferentes de transferencia de calor, cada uno de los cuales desempeña un papel en el diseño del calentador de agua solar. Tenga en cuenta que esta actividad está diseñada para estudiantes de secundaria, pero puede ser un excelente laboratorio para estudiantes universitarios de introducción.
  • Los flujos de energía global permite a los/las estudiantes analizar datos sobre fuentes y sumideros (usos) de energía globales y construir un diagrama para mostrar la escala relativa y las conexiones entre ellos. Se incluyen debates sobre escala, variaciones históricas, socio ambientales y geográficas en estos datos, así como implicaciones para el uso futuro de la energía.


Encuentra actividades y recursos visuales para la enseñanza de este tema.

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Referencias

¿Qué es la energía? de EIA Energy Kids, esta unidad cubre conceptos básicos sobre la energía, tipos de energía, unidades de energía y calculadoras de energía.

Simulaciones de PhET para la enseñanza de Energía, Trabajo y Potencia. Simulaciones interactivas que permiten a los/las estudiantes "experimentar" con variables cambiantes en diferentes sistemas de energía.

El aula de Física es un sitio web de física gratuito y en línea, desarrollado principalmente para estudiantes y docentes de la escuela superior. Por ejemplo, la animación de Transformaciones de energía para el esquí alpino ilustra la relación entre el trabajo y la energía.