Energía mecánica, calor y energías renovables en 2.º de secundaria

Para el docente: cómo explicarlo

Energía cinética y energía potencial

La energía es la capacidad de producir cambios, y en el SI se mide en joules (J). Un cuerpo en movimiento tiene energía cinética, que crece con su masa y, sobre todo, con su velocidad: Ec = m × v² / 2. Una bicicleta con su ciclista, 80 kg en total, a 5 m/s tiene 80 × 25 / 2 = 1000 J; al doble de velocidad tendría cuatro veces más.

Un cuerpo elevado tiene energía potencial gravitatoria, que depende de su masa y de su altura: Ep = m × g × h. Una pelota de 0.5 kg a 2 m del suelo tiene 0.5 × 9.8 × 2 = 9.8 J. También hay energía potencial en una liga estirada o en un resorte comprimido.

La energía mecánica se conserva… casi

La suma de la energía cinética y la potencial es la energía mecánica. Si no hay fricción ni resistencia del aire, se conserva: lo que pierde una forma lo gana la otra. Al soltar la pelota de 0.5 kg desde 2 m, justo antes de tocar el suelo su energía potencial es casi cero y su energía cinética, casi 9.8 J. En un columpio, la energía es potencial en los extremos y cinética en el punto más bajo.

En la realidad, una parte se convierte en calor por la fricción: por eso el columpio se detiene si nadie lo empuja y la pelota rebota cada vez más bajo. La energía no desaparece; se dispersa en formas que ya no se pueden aprovechar con facilidad. Esa es la idea central de la conservación de la energía.

El calor también es energía

A mediados del siglo XIX, James Prescott Joule mostró con experimentos que el trabajo mecánico puede calentar el agua siempre en la misma proporción: el calor es energía que pasa de un cuerpo a otro, y por eso se mide en las mismas unidades. Frotarse las manos en una mañana fría lo comprueba: el movimiento se convierte en calor.

Un motor térmico hace lo contrario: usa el calor que se obtiene al quemar un combustible para producir movimiento. La máquina de vapor, que James Watt mejoró en el siglo XVIII, impulsó la Revolución Industrial; el motor de combustión interna mueve autos, motos y camiones, y las centrales termoeléctricas queman combustibles para hervir agua y mover turbinas.

Ningún motor térmico convierte todo el calor en movimiento: en un auto, menos de la mitad de la energía del combustible llega a las ruedas; el resto se disipa como calor por el escape y el radiador. Además, la combustión expulsa gases: dióxido de carbono, que aumenta el efecto invernadero; monóxido de carbono, muy tóxico; óxidos de nitrógeno y partículas, que contaminan el aire de las ciudades. Por eso existen los programas de verificación vehicular.

Fuentes de energía en México

Las fuentes renovables se reponen de forma natural en poco tiempo; las no renovables se agotan porque tardaron millones de años en formarse o porque el mineral es limitado. En México hay ejemplos de casi todas: parques eólicos en el Istmo de Tehuantepec, en Oaxaca; presas hidroeléctricas en el río Grijalva, en Chiapas; centrales geotérmicas como la de Cerro Prieto, en Baja California, que aprovecha el calor del interior de la Tierra; grandes parques solares en el norte; y la única central nuclear del país, Laguna Verde, en Veracruz.

La mareomotriz, que aprovecha las mareas, apenas se ha explorado en México, aunque el norte del Golfo de California tiene mareas muy grandes. El petróleo, el gas natural y el carbón siguen siendo las fuentes principales, y la nuclear, aunque casi no emite dióxido de carbono, no es renovable: usa uranio y deja residuos radiactivos que hay que guardar durante mucho tiempo.

Ninguna fuente está libre de efectos: una presa inunda tierras y cambia los ríos; un parque eólico ocupa terrenos que son de alguien. Por eso conviene que el grupo valore beneficios y costos y que conozca que las comunidades tienen derecho a ser consultadas sobre los proyectos en sus territorios.

Experimentos con la energía del Sol

El cuarto PDA propone dos caminos. Por las propiedades de la luz: los materiales oscuros absorben más luz que los claros y los brillantes la reflejan; con eso se construyen hornos y calentadores solares. Por la convección: el aire o el agua calentados por el Sol se vuelven menos densos y suben, mientras el fluido frío baja; así funcionan los calentadores solares de azotea, que no necesitan bomba.

Reglas de seguridad para todos los experimentos: nunca mirar el Sol directamente ni a través de lupas, binoculares o lentes; no concentrar la luz con lupas sobre la piel ni sobre materiales que puedan quemarse, y tocar con cuidado lo que estuvo mucho tiempo al sol.

Cómo llevarlo al salón

Empieza con una pelota que rebota o un péndulo y pide que expliquen en qué se transforma la energía en cada momento. Para el segundo PDA, analiza con el grupo un motor de verdad (el de una motoneta o un video) y lo que sale por el escape. Cierra con el horno solar y un mapa de las fuentes de energía que usa la comunidad.