9 ¿Qué es la energía? OBSERVA Y DETERMINA a.
En la posición 3, hay un momento en el que el atleta se encuentra prácticamente parado. ¿En qué se ha transformado la energía cinética del atleta al doblar la pértiga? En la posición 3, el atleta transforma su energía cinética en potencial elástica de la pértiga, que se dobla.
b.
En la posición 4, vuelve a estar prácticamente parado. ¿Qué tipo de energía posee el atleta en ese momento? a)
Cinética
b)
Elástica
c)
Potencial
La opción correcta es la c), ya que la energía potencial elástica de la pértiga le ha hecho subir hasta esa altura.
PIENSA Y REFLEXIONA Una vez ejecutado el salto, no tiene ni energía cinética, ni potencial, ni elástica. ¿Qué ha pasado con la energía? La energía se ha disipado en forma de calor.
ACTIVIDADES 1.
Analiza los cambios de energía que tienen lugar en cada uno de estos casos. a)
b)
c)
a) El calefactor transforma la energía eléctrica en térmica. b) Los alimentos transforman su energía química en energía mecánica del chico (para moverse, etc.) y térmica (para mantener 36 ºC en el interior del cuerpo). c) La grúa transforma la energía eléctrica en mecánica (cinética y potencial) al subir el contenedor.
Laboratorio en el aula: Central eléctrica “de percha”
2.
En una central hidroeléctrica se producen 10 000 kJ y se aprovechan, en energía eléctrica, 7 000 de ellos. a) ¿Cuál es el rendimiento de la central hidroeléctrica? b) ¿Qué ha pasado con la energía restante?
R a)=
7 000 kJ 100 70 % de rendimiento ⋅= 10 000 kJ
b) Los 3 000 kJ restantes se han degradado en forma de energía térmica, no aprovechable.
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Unidad 9| ¿Qué es la energía?
Laboratorio en casa: Energía de un rebote En todos los casos la energía disipada se ha transformado en energía térmica y energía sonora (e. mecánica). Salvo bolas especiales muy elásticas o las pelotas de golf, el resto no suelen llegar ni al 50 %. 3.
Los cochecitos antiguos de juguete no tenían pilas, sino un resorte elástico al que había que dar “cuerda”. Si la velocidad de salida de un coche de “cuerda” de 100 g de masa es de 2 m/s, ¿qué energía cinética tiene? Cuando se para, ¿qué le ha pasado a la energía? Las unidades deben expresarse en el SI:
100 g = 0,1 kg 1 1 2 Ec = mv 2 =⋅ 0,1(kg) ⋅ 22 ( m/s ) = 0,2 J 2 2
La energía cinética, debido al rozamiento, se ha degradado en forma de energía térmica, que ha calentado a las ruedas, el suelo y el aire, aunque de forma imperceptible.
Experimenta La energía potencial de la piedra se transforma en energía cinética. Al chocar con el agua la hace oscilar (energía mecánica) y la energía se propaga en forma de onda. Cuando la perturbación llega al barquito, este sube y baja, pero sin desplazarse horizontalmente. Si dejamos caer una piedra desde una altura mayor, la onda tendrá mayor amplitud y el barquito subirá y bajará más, pero no se acercará a la orilla. 4.
Emprende. Realiza un cartel publicitario en el que se visualicen bien estas tres reglas sencillas de seguridad acústica para los auriculares: -60 decibelios máximo. -60 % del volumen. -60 minutos al día. Respuesta libre.
5.
Busca en internet si ya es rentable instalar paneles fotovoltaicos en una casa y lograr el autoconsumo. ¿Permite el Gobierno vender la energía sobrante que se genera o no? Hoy día ya es rentable instalar paneles fotovoltaicos en los hogares. Actualmente (abril de 2016), el Gobierno no permite vender la energía sobrante que se genera con dichos paneles, lo que no favorece su implantación.
Laboratorio en casa: Cómo se origina el viento Conviene recalcar a los alumnos que la energía del sol prácticamente no calienta el aire, sino que calienta las sustancias sólidas y líquidas del planeta. Y son estas las que hacen ascender al aire.
¿Qué es la energía| Unidad 9
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6.
¿Qué fuente de energía es la más usada en España? ¿Por qué? De las energías renovables, ¿cuál es la que más se utiliza? La fuente de energía más utilizada en España es el petróleo (como se observa en el gráfico de la página 192), ya que de él depende la mayor parte del transporte y su uso es muy importante en la industria para elaborar miles de productos. Entre las renovables, la más utilizada es la biomasa, incluyendo en este apartado el biogás y los residuos sólidos urbanos (RSU). También tiene mucha relevancia la eólica. Hay un compromiso con Europa de alcanzar un 20% de uso de renovables en el año 2020.
7.
La combustión de la gasolina de los coches y del carbón en las centrales termoeléctricas generan óxidos de nitrógeno (NO y NO2) que causan problemas respiratorios. Entre 2005 y 2011 la población de esta zona de EE. UU. ha crecido y, sin embargo, la contaminación se ha reducido (fig. 9.1). ¿Qué crees que ha ocurrido? a) La gente se ha concienciado, por lo que ha decidido consumir menos electricidad y usar menos el coche. b) Se han aplicado nuevas leyes y mejoras tecnológicas en medios de transporte y en industrias. La opción correcta es la b).
8.
Contesta a las siguientes preguntas: a) ¿Por qué las gotas frías y los huracanes ocurren tras el verano y no en invierno? b) ¿Qué variables hacen más destructivas a las riadas? c) ¿Qué tipo de energía lleva el agua en esos casos? a) Los huracanes y las gotas frías suelen formarse a finales del verano porque es en esa época cuando el mar ha ido acumulando más energía solar, aumentando así su temperatura. Esto favorece una gran evaporación del agua del mar y la formación de dichos fenómenos catastróficos. b) Las variables que hacen más destructivas las riadas son: Las precipitaciones en cortos períodos de tiempo, La pendiente del terreno La ausencia de vegetación Los cauces estrechos c) El agua lleva energía cinética.
9.
Señala dos afirmaciones correctas: a) Granada tiene riesgo alto de terremotos. b) Bilbao tiene riesgo alto de terremotos. c) Vigo tiene riesgo alto de tsunami. d) Cádiz tiene riesgo alto de tsunami. Las opciones correctas son a) y d)
10. Un terremoto de magnitud 7 provocó en el año 2010 en Haití 316 000 muertos. En Japón, en 2011, un terremoto mucho mayor, de magnitud 9, acompañado además de un tsunami, causó 33 600 defunciones. ¿A qué crees que puede deberse esta gran diferencia en el número de víctimas? La diferencia en el número de víctimas se debe a la gran diferencia en el nivel de desarrollo de los dos países. En Japón, altamente desarrollado, los edificios se construyen con normas antisísmicas. 11. Define con tus palabras qué es la energía y pon cinco ejemplos de los distintos tipos. Explica en cada caso en qué otro tipo de energía se puede transformar. Respuesta libre
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Unidad 9| ¿Qué es la energía?
12. El nuevo transbordador espacial Dream Chaser está diseñado para llevar a 7 astronautas a la Estación Espacial Internacional. Tiene una masa de 11 000 kg y al regresar a la Tierra tiene que pasar de 20 000 km/h a 5000 km/h para no desintegrarse en la atmósfera. a) Calcula la energía cinética inicial y final. b) ¿Cuánta energía se disipa por rozamiento con el aire? a) Lo primero que debemos hacer es pasar las velocidades al SI:
20 = 000 (km/h)
20 000 000 m 5 000 km/h = 5555,6 m/s = 3 600 s
5 000 000 m = 3 600 s
1388,9 m/s
1 1 169 ⋅ 109 J Ec inicial = mv 2 = ⋅ (11 000 kg) ⋅ (5555,62 m/s)2 = 2 2 1 1 Ec final = mv 2 = ⋅ (11 000 kg) ⋅ (1388,9 m/s2 ) = 1 0 ⋅ 109 J 2 2 b)
Eperdida = (169 ⋅ 109 − 10 ⋅ 109 ) J = 159 ⋅109 J
13. John Wilkins, clérigo y naturalista inglés del siglo XVII describió el siguiente móvil “perpetuo” magnético:
La bolita A sube por la rampa R1, atraída por el potente imán B. Al llegar al agujero C, cae por la rampa R2 y llega nuevamente D, por lo que vuelve a subir y caer eternamente. ¿Qué opinas? a) Es totalmente lógico porque la energía se conserva. b) Es imposible porque, al caer por C, el imán frenará la caída de la bola, ya que la sigue atrayendo. La opción correcta es la b). No pueden existir móviles perpetuos.
¿Qué es la energía| Unidad 9
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14. El piquero de patas azules vive en las Galápagos y se alimenta de peces. En una zambullida, un ejemplar de 1,5 kg alcanza una velocidad de 97 km/h. ¿Qué energía cinética posee en ese instante?
Para amortiguar el choque con el agua, los piqueros tienen alojado en su cabeza una especie de “airbag”. ¿Qué otra adaptación observas en la foto que le ayuda en el impacto? Lo primero que debemos hacer es pasar las velocidades al SI: = 97 km/h
97 000 m = 26,9 m/s 3600 s
1 1 Ec piquero =mv 2 = ⋅ (1,5 kg) ⋅ (26,92 m/s2 ) = 544 J 2 2
Para reducir la presión que soporta en el impacto con el agua, el piquero dispone de un pico afilado y un cuerpo aerodinámico. 15. Levantando un pantano. El embalse de Riaño contiene 664 hm3 de agua (como 664 “piscinas” del tamaño de un campo de fútbol). ¿Te imaginas el trabajo para levantarlas a más de 1000 m de altura?
a) ¿Cuánta energía potencial posee el embalse respecto al nivel del mar? b) ¿Cuánta energía térmica se usó para evaporar y hacer ascender esa barbaridad de litros de agua? c) ¿Quién hizo el inmenso trabajo de subirla? Antes de aplicar la fórmula, debemos expresar los datos en el SI:
1 hm3 = (1000 dm) ⋅ (1000 dm) ⋅ (1000 dm) = 1 000000000 dm3 = 1⋅ 109dm3 Como 1 dm3 equivale a 1 L, y 1 L de agua tiene una masa de 1 kg:
664 hm3 = 664 ⋅ 109 kg 9 2 15 a) Ep =mgh =(664 ⋅ 10 kg) ⋅ (9,8 m/s ) ⋅ (1000 m) =6,5 10 J
b) La energía térmica usada es la misma que ha adquirido el agua en forma de energía potencial: E térmica = 6,5 ⋅ 1015 J
c) El sol es el que ha proporcionado dicha energía. Realmente es mucho mayor, ya que levanta esa masa de agua hasta una altura superior, las nubes, que al llover, llenan el pantano.
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16. (Adaptada de prueba TIMMS). La imagen muestra agua que cae de un tanque y hace dar vueltas a una rueda.
a) ¿Qué tipo de energía tiene el agua cuando está quieta en el depósito? b) ¿Qué tipo de energía tiene el agua justo antes de golpear la rueda? c) Escribe o dibuja un cambio en el sistema para que la rueda gire más rápido: • Subir o bajar el depósito • Aumentar/disminuir el agujero de salida • Tipo de material de la rueda: hierro/plástico • Aspas planas/cazoletas a) Ep b) Ec c) La rueda (turbina) girará más rápido si: • Subimos el depósito • Aumentamos el agujero de salida • Usando un material ligero, como el plástico • Utilizando cazoletas 17. Los quads son unos aparatos muy divertidos y, aunque parecen sólidos y seguros, son peligrosos. La razón estriba en que usan ruedas muy grandes y un chasis muy elevado para no chocar con el suelo, de modo que su centro de gravedad queda muy alto. Por lo que pueden volcar con facilidad.
A
B
Estos dos quads tienen la misma masa, pero ¿cuál tiene más energía potencial, el A o el B? ¿Cuál es más seguro? El quad de la izquierda (A) tiene más energía potencial. Ya que su centro de gravedad está a 1 m del suelo y el de la derecha (B) solo a 0,8 m. Es más seguro el B.
¿Qué es la energía| Unidad 9
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18. smSaviadigital.com PRACTICA. Con este interactivo podrás demoler edificios que están en mal estado y que suponen un peligro para las personas. a) ¿En qué situación tiene más energía la bola de demolición? b) ¿En qué se transforma la energía potencial de la bola al caer? c) Al chocar con el edificio (el sonido es energía mecánica), ¿en qué se emplea la energía? a) La bola tendrá más energía potencial cuanto más alta esté. b) Al caer, la energía potencial se transforma en energía cinética. c) Al chocar, la energía produce el trabajo de rotura de la pared. Una parte se disipa en forma de calor y otra, muy pequeña, en el ruido del impacto (sonido: energía mecánica). 19. La protección de las vacas es uno de los ejes del hinduismo, la religión dominante en la India.
¿Por qué no se las comen si hay graves problemas de desnutrición? Marvin Harris se preguntó el porqué y elaboró una hipótesis: En una economía agraria con baja industrialización, las vacas son más útiles vivas que muertas: proporcionan leche y bueyes, los cuales aportan fuerza motriz y estiércol (principal abono de la India e importante fuente de energía). ¿Y tú qué opinas? Busca información y debate con tus compañeros de la clase. Respuesta libre. 20. La energía eólica es una fuente de energía muy importante. Explica de dónde procede y en qué se transforma en los molinos eólicos.
El origen de la energía eólica está en el sol, que genera indirectamente el viento. En los aerogeneradores, la energía cinética del viento se transforma en energía cinética de las palas, que a su vez hacen girar los engranajes, aumentando mucho su velocidad. Esa energía cinética se transforma en eléctrica en el generador que está conectado a ellos.
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Unidad 9| ¿Qué es la energía?
21. La gráfica relaciona el IDH (Índice de Desarrollo Humano, calidad de vida) con el consumo energético por habitante y año. Señala qué afirmaciones son correctas:
a) Para tener un alto desarrollo humano hace falta consumir más de 5000 kWh por persona y año. b) Un español consume aproximadamente lo mismo que 6 cubanos. c) Un habitante de EE. UU. tiene un IDH mucho mayor que España. d) En los países más pobres, un pequeño incremento del gasto energético influye mucho en el IDH. a) No es correcta, ya que hay países como Cuba, Costa Rica o Uruguay que lo logran sin tener que consumir tanta energía. b) Correcta. c) No es cierto. A pesar de consumir mucha más energía, un estadounidense tiene un IDH similar al de España. d) Correcta. Un pequeño aumento en el gasto energético de los países más pobres incrementa notablemente su IDH. 22. Una casa española media consume al año 10 000 kW h, que equivalen a unos 935 litros de petróleo. a) ¿Cuántos litros de petróleo se “bebe” cada hogar en un día?
b) Las viviendas individuales duplican el gasto de energía (unos 15 500 kWh) de los pisos en bloques de viviendas (unos 7 500 kWh). ¿Por qué crees que hay tanta diferencia? a) 935 L/365 días = 2,56 L/día. Esta cantidad de petróleo es la que se “beberían” cada día, metafóricamente hablando, en un hogar. b) Las viviendas individuales duplican el gasto energético respecto a los pisos en bloques porque, al no estar unidas a otras viviendas, tienen más superficie de contacto con el exterior, por lo que intercambian más calor con el entorno. También influyen otros factores como la superficie de la vivienda (la media es mayor en las viviendas individuales) y el nivel económico (mayor gasto en general). Se recomienda visitar la web de la OCU: www.e-sm.net/svf2esoso09_01
¿Qué es la energía| Unidad 9
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PONTE A PRUEBA El salto de la mantarraya 1.
¿Qué energía adquiere la mantarraya al alcanzar los 6 m?
2.
Calcula la energía que ha necesitado para realizar ese salto. ¿De dónde la obtiene?
3.
¿En qué se transforma esa energía al caer sobre el agua?
4.
¿Por qué crees que hace ese increíble salto? Escribe tu hipótesis y después busca en internet, a ver si has acertado (existen varias hipótesis).
5.
¿Tiene algo que ver la energía solar con el salto de la mantarraya? Arguméntalo rellenando los recuadros con los siguientes términos: e. química (biomasa), e. cinética, e. solar, e. potencial. Explica los procesos que han ocurrido en cada paso.
1.
Al alcanzar los 6 metros de altura, la mantarraya adquiere energía potencial.
2.
La energía para dar ese salto será igual a la energía potencial que ha adquirido (en realidad algo más, porque cuando se impulsa dentro del agua, pierde energía por rozamiento):
(
)
Ep = mgh = 82 320 J (1400 kg) ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ ( 6 m ) = La energía para el salto la obtiene de los alimentos que haya ingerido, que le permiten mover sus poderosas aletas. 3.
Al caer sobre el agua, la energía potencial se transforma en energía cinética.
4.
Existen varias hipótesis: para librarse de los parásitos, ahuyentar a los depredadores, para comunicarse, como cortejo nupcial, etc.
5.
La energía necesaria para el salto procede en última instancia de la energía solar: E. solar (mediante fotosíntesis) en el aire) E. potencial.
E. biomasa (al mover las aletas dentro del agua)
E cinética (al saltar
Después, al caer, se vuelve a convertir en cinética, y esta en sonora y térmica (debido al impacto)
Máquinas para transformar energía 1.
Rellena en tu cuaderno los huecos sobre las flechas con las siguientes máquinas e inventos:
2.
La lavadora también liberó de la “esclavitud” a millones de mujeres. ¿Qué transformación energética aprovecha? Busca otros inventos y elabora un cuadro sobre sus transformaciones energéticas.
1. 2.
La lavadora transforma la energía eléctrica en cinética de rotación al hacer girar al tambor, y en térmica para calentar el agua.
De la uva al coche ecológico 1.
¿Qué máquina se utiliza en la fotografía para estrujar los racimos?
2.
¿Cómo se logra el etanol? • Por prensado de las uvas • Por fermentación • Por oxidación
16
3.
El etanol se puede mezclar con la gasolina (gasohol) y en Brasil se utiliza ya en todos los coches. ¿De qué planta obtienen en Brasil el bioetanol? ¿Por qué se le llama bioetanol? ¿Por qué es más “ecológico” que la gasolina?
4.
Realiza el esquema de conversiones de energía para la obtención de vino y bioetanol a partir del la energía solar.
Unidad 9| ¿Qué es la energía?
1.
La máquina utilizada es el tornillo de Arquímedes.
2.
El etanol se obtiene por fermentación.
3.
En Brasil, el etanol se obtiene a partir de la caña de azúcar. Se le llama bioetanol porque procede de la fermentación de un ser vivo. Es más ecológico que la gasolina porque la caña de azúcar de donde se obtiene, al hacer la fotosíntesis, absorbe CO2 y, además, es un recurso renovable.
4.
AUTOEVALUACIÓN 1.
¿Cuál de las siguientes conversiones de energía se produce en una linterna a pilas?
5.
a) Eléctrica – mecánica – luminosa b) Química – mecánica – luminosa
a) Antes de soltarlas, las bolas no tenían energía porque estaban paradas.
c) Química – eléctrica – luminosa
b) La bola de metal tenía más energía potencial que la de madera.
d) Mecánica – eléctrica – luminosa Opción correcta: c) 2.
Galileo Galilei dejó caer dos bolas de igual tamaño, una de madera y la otra de metal, desde la torre de Pisa. Señala qué afirmación es correcta.
c) Al llegar abajo con la misma velocidad, las dos tenían la misma energía cinética.
¿Durante qué proceso químico se absorbe energía? a) Cuando los clavos de hierro se oxidan.
d) La de metal llegaba antes porque tenía más masa y, por tanto, más energía.
b) Cuando las velas se queman.
Opción correcta: b)
c) Cuando las verduras se pudren. d) Cuando las plantas hacen la fotosíntesis.
6.
¿Qué afirmación es la correcta?
Opción correcta: d) 3.
Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) La central produce 100 J de energía.
a) Una bola superelástica que cae desde 1 m puede rebotar hasta 1 m.
b) Los 100 J de energía potencial se transforman en 100 J de energía eléctrica.
b) Una escopeta transforma 1000 J de energía química en 1200 J de energía cinética de la bala.
c) Si la central utiliza 20 millones de julios, se pierden 6 000 000 J.
c) La energía cinética puede convertirse en energía potencial.
d) Si la central utiliza 20 millones de julios, se consiguen 1 400 000 J de energía eléctrica.
d) En el espacio, al no haber rozamiento, un cuerpo que se mueve puede conservar la energía cinética. Solución: a) F
b) F
c) V
Opción correcta: c)
d) V 7.
4.
Un meteorito cae en la Tierra. Señala qué afirmaciones son verdaderas y cuáles son falsas. a) Va ganando energía potencial. b) Va ganando energía cinética. c) Al rozar con el aire de la atmosfera, gana energía térmica. d) Al chocar con el suelo pierde toda su energía. Solución: a) F
b) V
c) V
d) V
Señala qué afirmación relativa a estas cuatro fuentes de energía es la correcta: a) La energía eólica es cinética y renovable. b) La energía del petróleo es química y renovable. c) La energía nuclear es renovable y no contaminante. d) La energía solar es solo térmica y renovable. Opción correcta: a)
¿Qué es la energía| Unidad 9
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