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La energía potencial, un concepto básico para la comprensión de distintos
fenómenos naturales: Secuencia didáctica para su enseñanza en la básica
secundaria
Jessy Armenta Castro
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias
Bogotá, Colombia
2016
La energía potencial, un concepto básico para la comprensión de distintos
fenómenos naturales: Secuencia didáctica para su enseñanza en la básica
secundaria
Jessy Armenta Castro
Trabajo final de maestría presentado como requisito parcial para optar al título de:
Magíster en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales
Director: Marco Fidel Suárez Herrera (D. Phil., AMRSC)
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias
Bogotá, Colombia
2016
A Dios todopoderoso por permitirme cumplir el sueño
de estudiar en la Universidad Nacional de Colombia y
por brindarme la sabiduría y la fortaleza necesaria para
culminar este trabajo. A mi hija, a mi esposo y madre
por su comprensión y apoyo en mis largas horas de
estudio.
La mente que se abre a una nueva idea, jamás volverá
a su tamaño original.
Albert Einstein
Agradecimientos
A Freddys Socarras Reales, ex alcalde de Valledupar por su gestión en la
consolidación del convenio para maestrías con la Universidad Nacional de
Colombia.
A la Universidad Nacional de Colombia y a todos los docentes que hicieron parte de
mi formación profesional como estudiante de posgrado.
Al Doctor Marco Fidel Suarez Herrera, profesor Asociado del departamento de
Química de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá, por sus valiosos
aportes académicos que me ayudaron a profundizar en los aspectos disciplinares
de la secuencia didáctica y su apoyo en los procesos de diseño y redacción de este
trabajo.
Resumen
El concepto de energía es fundamental para explicar todos los procesos y
trasformaciones que ocurren en la naturaleza, esto supone que debe trabajarse en
el currículo de ciencias naturales de manera transversal y unificada. Sin embargo,
su enseñanza en la básica secundaria y media vocacional es fragmentada e
inconexa con los procesos físicos, biológicos y químicos, quedando relegada a un
simple formalismo al que el estudiante no le encuentra sentido. Esta secuencia
didáctica basada en la enseñanza por indagación pretende abordar el concepto de
energía potencial a partir del estudio de cinco fenómenos naturales con la finalidad
de propiciar un aprendizaje significativo y transdiciplinar.
Palabras claves: Energía potencial, aprendizaje significativo, enseñanza basada
en la indagación, secuencia didáctica.
Abstract
The concept of energy is very important to explain all natural processes; this means
that this concept has to be introduced in the natural sciences curriculum using an
unified approach. However, in secondary school it is teaching in a way that is
fragmented and disjointed with geological, biological and chemical processes, being
relegated to a mere formality in which the student does not make sense. This
teaching sequence based on teaching by inquiry aims to address the concept of
potential energy from the study of five natural phenomena in order to foster
meaningful learning and transdisciplinarily.
Keywords: potential energy, significant learning, inquiry-based, didactic teaching
sequence.
Contenido Agradecimientos ...................................................................................................... 5
Resumen .............................................................................................................. 6
Abstract ................................................................................................................ 6
Lista de ilustraciones o figuras............................................................................ 10
Lista de Tablas ................................................................................................... 12
1. Introducción ....................................................................................................... 14
2. Objetivos ............................................................................................................ 16
2.1 Objetivo General ........................................................................................... 16
2.2 Objetivos específicos: ................................................................................... 16
3. Marco Referencial .............................................................................................. 17
3.1 Referentes Epistemológicos ......................................................................... 17
3.1.1. Una Breve mirada histórica al concepto de energía ................................. 17
Energía cinética y potencial ................................................................................ 17
Trabajo ............................................................................................................... 18
El concepto de potencial intermolecular ............................................................. 19
3.1.2 Aspectos históricos del principio de conservación de la energía ............... 20
La teoría del Calórico .......................................................................................... 20
La energía electromagnética .............................................................................. 24
Materia y energía oscura .................................................................................... 26
3.2. Referentes Conceptuales ............................................................................ 28
3.2.1 Una aproximación al concepto energía ..................................................... 28
3. 2.2. La energía y su relación con los conceptos de trabajo y calor................. 29
3.2.2.1. Trabajo................................................................................................... 29
3.2.2.2 Calor ....................................................................................................... 31
3.2.3. La conservación y la “degradación” (capacidad para hacer trabajo) de la
energía ............................................................................................................... 33
3.2.4. Formas de energía relacionadas con la mecánica ................................... 33
3.2.4.1 Energía cinética ...................................................................................... 33
3.2.4.2 Energía potencial .................................................................................... 34
3.2.4.2.1 Energía potencial gravitacional ............................................................ 35
3.2.4.2.2. Energía potencial eléctrica .................................................................. 36
3.2.5 Potenciales de interacción entre átomos ................................................... 39
3.2.6 Energía potencial y enlace químico ......................................................... 40
3.2.7. Energía potencial y tensión superficial ..................................................... 41
3.2.8. Energía potencial y potencial de membrana ............................................. 42
3.2.8.1. Modelo RC de la membrana .................................................................. 43
3.2.9. Energía potencial y reacciones químicas ................................................. 43
3.2.9.1. Reacciones químicas y metabolismo ..................................................... 43
3.2.10. Energía potencial y montañas rusas ....................................................... 44
3.3. Referentes Didácticos .................................................................................. 44
3.3.1 Importancia del concepto energía en la enseñanza de las ciencias
Naturales ............................................................................................................ 44
3.3.3. La metodología de enseñanza por indagación en las ciencias Naturales 46
3.3.3.1. Etapas para la implementación de la metodología de enseñanza basada
en la indagación.................................................................................................. 47
3.3.4. Secuencia Didáctica ................................................................................. 48
4. Metodología .................................................................................................... 48
4.1. Descripción general de la metodología ........................................................ 48
4.1.2 Población y muestra .................................................................................. 49
4.1.3 Diseño de la secuencia didáctica ............................................................... 49
4.1.4. Estructura de la secuencia didáctica ........................................................ 51
5. Resultados y Análisis ......................................................................................... 56
5.1. De las concepciones alternativas de los estudiantes ................................... 56
5.2 De las actividades de la secuencia didáctica ................................................ 61
Observaciones generales ................................................................................... 61
Sesión 1: introducción a los conceptos de energía, trabajo, energía potencial,
fuerza y aceleración ............................................................................................ 62
Sesión 2: ¿Cómo funciona una montaña rusa? ................................................ 67
Sesión 3. ¿Por qué se unen los átomos? ........................................................... 70
Sesión 4 ¿Por qué algunas reacciones liberan y otras absorben energía? ........ 73
Sesión 5 ¿Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana?.................... 79
Sesión 6: ¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no? ............... 81
5.3 De los resultados de la prueba final .............................................................. 85
6. Conclusiones ..................................................................................................... 91
7. Recomendaciones ............................................................................................. 93
8. Referencias Bibliográficas.................................................................................. 94
Anexo A: Pre test de exploración ideas previas ..................................................... 98
Anexo B: Guía aprendizaje Sesión 1: ¿Qué es la energía potencial y cómo varía
en función de la distancia?................................................................................... 107
Anexo C: Guía aprendizaje Sesión 2: ¿Cómo funciona una montaña rusa? ....... 116
Anexo D: Guía aprendizaje Sesión 3: ¿Por qué se unen los átomos? ................ 120
Anexo E: Guía aprendizaje Sesión 4: ¿Por qué algunas reacciones liberan energía
y otras adsorben energía? ................................................................................... 122
Anexo F: Guía aprendizaje Sesión 5: ¿Qué pasa cuando se altera el potencial de
membrana? .......................................................................................................... 134
Anexo G: Guía aprendizaje Sesión 6: ¿Por qué unos líquidos mojan unas
superficies y otras no? ......................................................................................... 142
Anexo G: Prueba Final ......................................................................................... 148
Anexo H: Secuencia Didáctica: Una aproximación al concepto de energía potencial
y su aplicabilidad a distintos fenómenos naturales .............................................. 157
Lista de ilustraciones o figuras
Ilustración 1 Experimento de Joule sobre la conversión del trabajo mecánico en
calor. ...................................................................................................................... 23
Ilustración 2. Trabajo realizado por una fuerza constante .................................... 29
Ilustración 3 Fuerza constante realizando trabajo formando un ángulo con el
desplazamiento dl. ................................................................................................. 29
Ilustración 4 Persona halando una un carrito ......................................................... 30
Ilustración 5 Persona empujando una pared. La fuerza no provoca desplazamiento
............................................................................................................................... 30
Ilustración 6. Persona sosteniendo una caja y desplazándose horizontalmente . 30
Ilustración 7 Trabajo de una fuerza variable, movimiento rectilíneo ..................... 31
Ilustración 8 Representación esquemática de los tipos de energías asociadas a la
energía interna de un sistema. ............................................................................... 32
Ilustración 9 El trabajo realizado por una fuerza conservativa que actúa sobre un
cuerpo en las posiciones P y Q a lo largo de las trayectorias C1 y C2 solo depende
de la posición inicial y final ..................................................................................... 35
Ilustración 10. Al caer un objeto hacia el suelo la energía potencial de este se
trasforma en energía cinética. Por otro lado para subir un objeto hasta cierta altura
hay que realizar trabajo. En la imagen se observa la posición de un balón a
intervalos de tiempo. .............................................................................................. 36
Ilustración 11 Variación de la energía potencial eléctrica en un campo eléctrico .. 37
Ilustración 12 Trabajo realizado para mover una carga eléctrica desde un punto a
otro. ........................................................................................................................ 38
Ilustración 13. Representación de la variación de la energía potencial eléctrica
según las cargas. ................................................................................................... 39
Ilustración 14 Representación gráfica de la función potencial de Lennard-Jones. . 40
Ilustración 15 gráfica de barras resultados Pre test ............................................... 60
Ilustración 16 gráfica de barras resultados Pos test .............................................. 89
Ilustración 17Grafica de barra comparación resultados del Pre test y Pos test ..... 90
Ilustración 18. Imagen del cometa Halley en su trayectoria alrededor del sol. ...... 99
Ilustración 19 Imagen de un balón de baloncesto rebotando a iguales intervalos de
tiempo. ................................................................................................................. 101
Ilustración 20 Hombre subiendo un barril por una rampa a una mesa. ........... ¡Error!
Marcador no definido.
Ilustración 21 Imagen de la formación de un enlace químico entre dos átomos de
hidrógeno. ............................................................................................................ 104
Ilustración 22 Imagen del recorrido de una montaña rusa. .................................. 105
Ilustración 23 Imagen del potencial de membrana o potencial de reposo ........... 106
Ilustración 24 Célula neuronal en reposo. ............................................................ 135
Ilustración 25 Potencial de acción de una neurona. ............................................. 135
Ilustración 26 Neurona luego de transmitir el impulso nervioso. .......................... 136
Ilustración 27 Imagen que ilustra a un condensador conectado por cables a una
pila. ...................................................................................................................... 138
Ilustración 28 Circuito RC. ................................................................................... 139
Ilustración 29 Componentes de una pila. ............................................................. 139
Ilustración 30 Imagen del modelo mosaico fluido de la membrana. ..................... 140
Ilustración 31 Canales iónicos de la membrana. ................................................ 140
Ilustración 32 Difrenetes grados de humectación del agua en diferentes
superficies. ........................................................................................................... 143
Ilustración 33 Representación de una interfase y la interfaz. ............................... 144
Ilustración 34 Lanzamiento vertical de una pelota. ............................................. 148
Ilustración 35 Imagen del cometa Halley en su trayectoria alrededor del sol....... 150
Ilustración 36 Imagen de un balón de baloncesto rebotando a iguales intervalos de
tiempo. ................................................................................................................. 151
Ilustración 37 Hombre subiendo un barril por una rampa a una mesa. ................ 151
Ilustración 38 Curva de energía potencial. ........................................................... 152
Ilustración 39 Imagen del recorrido de una montaña rusa. .................................. 153
Ilustración 40 Transformaciones energéticas en una pista en forma de U. ......... 154
Ilustración 41 Imagen del potencial de membrana o potencial de reposo. .......... 155
Ilustración 42 Representación del transcurso de una reacción exotérmica y
endotérmica. ........................................................................................................ 155
Lista de Tablas
Tabla 1. Matriz global de la secuencia didáctica energía potencial y su
aplicabilidad a cinco fenomenos de las ciencias naturales .................................... 52
14
1. Introducción
Los estándares en Ciencias Naturales formulados por el Ministerio de Educación
Nacional (MEN) en el año 2006, plantean el estudio de los procesos y fenómenos
naturales en forma transversal, interdisciplinar y global, tal como se puede
evidenciar en la siguiente cita:
“Teniendo en consideración que los límites entre las disciplinas no son fijos, la
formación en ciencias debe propiciar tanto un conocimiento de algunos conceptos
claves propios de ellas, como el establecimiento de puentes, de relaciones, de
articulaciones entre conjuntos de conceptos de las diversas disciplinas.”
(Estándares Básicos en competencias en Ciencias Naturales, 2006)
Los nexos entre las distintas disciplinas científicas se deben a que todos los entes
que existen están sujetos a leyes universales, por tanto, es importante que el
docente de ciencias presente de forma adecuada las situaciones o contextos donde
se verifique la aplicabilidad de estas “leyes de la naturaleza” y de aquellos conceptos
claves a partir de los cuales se pueden explicar una amplia gama de fenómenos
naturales y encontrar la articulación entre las diferentes disciplinas.
En las ciencias naturales quizá el concepto más importante es el de energía (Hewitt,
2004), por tanto, no existe proceso en la naturaleza que no se relacione con él
(masa, materia, movimiento, electricidad, ondas, sonido, luz, etc.).
Para Sevilla Segura, C. (1986):
“Las características del concepto de energía obligan a abordarlo desde diversas
perspectivas, teniendo en cuenta cuál es el punto de partida conceptual de los
alumnos e incluyendo el máximo número de situaciones en las que se pueda poner
de manifiesto su potencial explicativo. La incorporación de un concepto a la
estructura cognoscitiva está relacionada con su capacidad para explicar
situaciones, tanto nuevas como aquellas que ya preocupan al alumno.” (Sevilla
Segura, 1986, pág. 249)
Sin embargo, a pesar de ser un concepto central en las ciencias naturales, su
abordaje desde la ciencias naturales, la física y la química es parcial, fragmentario
inconexo y muchas veces erróneo. Por ejemplo, en Biología se dicen cosas tales
como que los seres vivos obtienen su energía de los carbohidratos (cuando estas
moléculas solas son incapaces de sostener la vida a menos que sean oxidadas por
agentes oxidantes, y es esta reacción la que permite que haya el flujo de energía
15
indispensable para sostener la vida). En química se dice, por ejemplo, que al
romperse los enlaces se libera energía, cuando en realidad se absorbe energía. En
el caso de la física, la energía potencial se introduce en la básica secundaria casi
exclusivamente en el marco de la energía potencial gravitacional y se restringe al
campo de la mecánica. Este hecho hace muy difícil cualquier intento de
transversalidad y, por consiguiente, queda en la mente del estudiante que lo que
aprende en un área del conocimiento nada tiene que ver con otra. La situación
anteriormente descrita se evidencia en la institución educativa Alfonso López
Pumarejo de Valledupar, en donde los docentes de física, química, y ciencias
naturales abordan el concepto de energía, y particularmente el de energía potencial,
de acuerdo a distintos puntos de vista sin que a través de este concepto se le
muestre a los estudiantes las conexiones entre los procesos biológicos, físicos y
químicos.
El objetivo principal de este trabajo es diseñar una serie de actividades didácticas
tendientes a mostrar cinco situaciones en las que el concepto de energía potencial
es fundamental para explicarlas, propiciando de esta manera un aprendizaje del
mismo de una forma significativa y transversal, con el fin de que el estudiante pueda
establecer una conexión entre la ciencia que aprende en la escuela y el mundo que
los rodea.
Partiendo de lo anterior, surge el siguiente interrogante de investigación: ¿cuál
puede ser una secuencia didáctica dirigida a estudiantes del grado noveno de la
Institución Educativa Alfonso López Pumarejo de Valledupar para la enseñanza del
concepto de energía potencial y su aplicabilidad a diferentes fenómenos de la
naturaleza?
16
2. Objetivos
2.1 Objetivo General
Diseñar una secuencia didáctica dirigida a estudiantes de la básica
secundaria para la enseñanza del concepto de energía potencial y su
aplicabilidad a distintos fenómenos de la naturaleza.
2.2 Objetivos específicos:
Seleccionar los conceptos relacionados con la energía potencial que harán
parte de la secuencia didáctica.
Identificar los saberes previos de los estudiantes acerca de la energía
potencial y los conceptos asociados a ésta.
Seleccionar las situaciones y fenómenos naturales a partir de los cuales se
trabajará la transversalidad del concepto de energía potencial.
Proponer la estructura y el contenido de las actividades de enseñanza
necesarias para la secuencia didáctica.
Validación preliminar de la estrategia.
17
3. Marco Referencial
3.1 Referentes Epistemológicos
El concepto de energía es posiblemente el más importante de las ciencias naturales. Si consideramos el hecho de que el universo está constituido de espacio y energía no podemos analizar ningún objeto o proceso natural sin analizar qué tipo de energía tiene (masa, fotones, energía potencial, energía cinética, materia oscura o energía oscura) y de cómo ocurre el flujo y trasformación de energía durante un proceso.
El concepto de energía es fruto de un largo y complejo proceso de generalización conceptual, análisis de diversos datos experimentales y del debate entre diferentes posiciones filosóficas.
3.1.1. Una Breve mirada histórica al concepto de energía
Energía cinética y potencial
En el libro titulado “Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nove science attenanti alla mecanica de i movimenti locali” escrito por Galileo en 1638, se hace la observación que un cuerpo que cae libremente por un plano inclinado para posteriormente ascender por otro, siempre llega a la misma altura de la que partió inicialmente. Galileo pensaba que el cuerpo tenía una especie de memoria que le hacía recobrar la misma altura. Esta es posiblemente la primera referencia a la ley de conservación de la energía. (Heilbron, J.L, 2010)
Durante el siglo XVII se logró entender muchos aspectos relacionados con los choques entre objetos. Descartes en 1644 en su obra Principia Philosophieae postula que Dios es el origen o la causa del movimiento observado en el universo y que la cantidad total de movimiento permanece constante. De este modo la conservación de la cantidad de movimiento es derivada de la perfección de Dios (Iltis 1971) ya que al ser él inmutable sus efectos sobre el mundo también deben permanecer constantes. Para Descartes la suma del producto de la masa por la velocidad de todos los objetos se conservaba.
La Royal Institution de Londres propuso, en 1668, como tema de discusión el problema del choque de dos cuerpos. C. Huygens junto a Wren y Wallis tomaron parte de la discusión analizando la colisión elástica. Ellos postulan que una propiedad llamada vis viva se conserva antes y después del choque entre objetos (Solbes y Tarín, 2008).
18
En 1686 Leibniz escribió una serie de publicaciones donde argumentaba que cuando colisionaban los objetos la cantidad que se conservaba era la suma de la masa por la velocidad al cuadrado de todos los objetos. De igual modo, a esa cantidad él la llamó vis viva.
Estos primeros intentos para entender la ley de la conservación del momento y de la energía cinética durante la colisión elástica entre cuerpos fallaron debido a que no se identificaba el momento como una propiedad vectorial y la energía cinética como una propiedad escalar y a que existían muchos conceptos poco claros como vis mortua (fuerza muerta), vis viva (fuerza viva), fuerza etc. (Iltis 1971).
Leibniz también postulo una propiedad a la que él llamo “motricis potentiae” que es lo que nosotros conocemos como energía potencial gravitacional. En un lenguaje un poco oscuro Leibniz también postuló lo que ahora nosotros conocemos como la ley de la conservación de la energía mecánica que dice que la suma de la energía potencial y cinética de un cuerpo permanece constante si este se encuentra aislado. A estas concusiones llego analizando la caída de los cuerpos, observando que no existen máquinas de movimiento perpetuo y viendo que había una relación entre el trabajo necesario para levantar los cuerpos y la energía potencial gravitacional ganada por este. Pero siendo realistas los argumentos de Leibniz fueron más metafísicos que producto del análisis de datos experimentales (Iltis 1971).
Durante los siglos XVII y XVIII varios científicos usaron de manera implícita el concepto de energía potencial como Galileo, Huygens, Leibniz y Bernoulli. Euler (1707-1783) introduce lo que ahora conocemos como energía potencial elástica, que es la que adquiere un cuerpo al ser deformado elásticamente (Iltis 1971).
Trabajo
Entender el concepto de trabajo fue fundamental para establecer con bases firmes el principio de conservación de la energía. La introducción del concepto de trabajo en el sentido actual fue realizada por un grupo de ingenieros franceses entre los figuran H. Navier (1785-1836), G. Coriolis (1792-1843) y J. V. Poncelet (1788-1867). El nombre de trabajo fue propuesto por Poncelet en “Introduction à la mécanique industrielle” (1829). En el tratado de Coriolis “Du calcul de l’effet des machines” que data de 1829, aparece por primera vez la formulación del principio de conservación de las fuerzas vivas en términos de trabajo. Coriolis redefine la fuerza viva como ½mv2 para que la energía cinética ganada por un cuerpo al ser acelerado por una fuerza sea igual al trabajo realizado sobre el objeto (Solbes y Tarín, 2008).
19
El concepto de potencial intermolecular
Newton fue el primero que abordó desde una perspectiva de la física moderna el problema de entender cuáles son las fuerzas mediante las cuales interaccionan los objetos. Él extendió la idea de la acción a distancia entre objetos astronómicos a los átomos. La cohesión entre los sólidos, la tensión superficial y la viscosidad llevaron a Newton a concluir que deben existir fuerzas de atracción entre los átomos que componen la materia. El error de Newton fue concebir los átomos como pequeños solidos rígidos. Esto quiere decir que había fuerzas de atracción que hacía que los átomos se unieran hasta quedar pegados (Malescio 2003).
En el libro “Philosophiae naturalis theoria” Roger Boscovich, 1758, plantea por primera vez algo similar a lo que nosotros llamamos potencial de interacción entre átomos, que es una función que nos dice cómo varia la energía potencial entre dos átomos en función de la distancia. Boscovich concibió los átomos más como partículas puntuales que nunca llegaban a tocarse entre sí. Los puntos materiales de Boscovich estaban más relacionados con el concepto de punto en geometría y de este modo se separa del atomismo clásico donde los átomos son imaginados más como esferas duras. En este punto hay que recalcar que en la física moderna, las partículas fundamentales no tienen volumen, tal como lo propuso Boscovich.
De este modo estas partículas cuando estaban a grandes distancias tendían a atraerse y cuando estaban muy cerca tendían a repelerse. Si bien la teoría de Boscovich es cualitativa introduce la idea fundamental de que los átomos que conforman la materia tienden a atraerse a distancias largas (él pensaba que debido a interacciones gravitacionales) pero a distancias cortas se repelen (mediante alguna fuerza desconocida). Desde este punto de vista los átomos tenderían a permanecer a aquellas distancias en las cuales las fuerzas de repulsión y de atracción se anulen (Malescio 2003).
Fueron Maxwell, Van der Waals, Reinganum, Debye y London que a finales del siglo XIX y principios del XX dieron las bases del concepto de potencial intermolecular. A principios del siglo XX ya se sabía que los átomos estaban compuestos por partículas cargadas negativamente y otras positivamente. De este modo se comprendió que la fuerza principal responsable de la interacción entre átomos no era la gravitacional sino la eléctrica. Los cálculos mostraron que a grandes distancias priman las fuerzas de atracción eléctrica entre los núcleos atómicos positivos y los electrones negativos de los otros átomos, mientras que a distancias cortas priman las fuerzas de repulsión entre los núcleos atómicos y entre los electrones. Estas ideas permitieron asociar la distancia de enlace entre dos átomos con aquella distancia donde la energía potencial del sistema es mínima, y que corresponde al punto donde la fuerza neta entre los átomos es nula. (Malescio 2003).
20
3.1.2 Aspectos históricos del principio de conservación de la energía
La teoría del Calórico
Para realizar la mayor parte de la revisión epistemológica relacionada con la teoría del calórico se consideró la referencia bibliográfica: Ingo Muller, “A History of Thermodynamics: The Doctrine of Energy and Entropy”, Springer, Berlín, Alemania, (2007).
Antes de que la palabra energía fuese incluida dentro de la naciente termodinámica sólo se hablaba de fuerza o calor, sin que se supiera con certeza que era el calor. Francis Bacon (1561- 1626) menciona el calor en su libro “Novum Organum” y fiel a su convicción de que las leyes de la ciencia deben extraerse de una amplia gama de observaciones específicas, tabuló las fuentes de calor como: la llama, el rayo, el verano, rayos solares, el fuego facto y las hierbas aromáticas que producen la sensación de calor cuando se ingerían. (Muller, 2007)
Un tiempo después un convencido atomista, Pierre Gassendi (1592- 1655), consideró que el calor y el frío eran distintas especies de la materia capaces de difundirse a través de los cuerpos, de lo cual dependía que los cuerpos estuvieran fríos o calientes. Pensó también que los átomos de frío eran tetraédricos y que al penetrar en un líquido lo solidificaban de alguna manera (Muller, 2007).
Un importante avance al conocimiento del calor fue el descrito por Joseph Black (1728-1799) haciendo uso del termómetro. Black derritió hielo calentándolo suavemente y notó que la temperatura no cambió. De este modo él asoció “la cantidad de calor” y su intensidad con el concepto de temperatura. Black llamó al calor absorbido por el hielo durante el proceso de fusión como “calor latente”, un término que ha sobrevivido hasta nuestros días (Muller, 2007).
El siguiente paso, infortunadamente equivocado, en el estudio del calor lo realizó el eminente químico del siglo XVIII, Antoine Laurent Lavoisier (1743- 1794), a veces llamado el padre de la química moderna. Él consideró el calor, junto con la luz y otros elementos, como un fluido al que llamó calórico. Según esta concepción, el calor podía ser almacenado o liberado por una sustancia y de esta manera era que ocurrían los cambios de temperatura. La teoría del calórico fue ampliamente aceptada durante medio siglo (Muller, 2007).
Benjamin Thompson (1753-1814) más conocido como Conde de Rumford, fue el primero en cuestionar la teoría del calórico, a partir de las observaciones hechas al estar a cargo de los cañones en las fundiciones de Baviera. Rumford notó que al tornear cañones los bloques de metal se calentaban mucho y por tanto tenían que ser enfriados asiduamente con agua. La explicación según la teoría del calórico era que el metal desprendía limaduras a medida que era rebajado y que dicha limadura
21
era lo que calentaba el metal. Sin embargo, Rumford también notó que si los instrumentos de tornear no estaban bien afilados y no hacían salir limaduras el metal igual se calentaba muchísimo, llegando así a la conclusión de que el calor no tenía nada que ver con un calórico que se desprendiera del metal sino que, por el contrario, el movimiento se convertía en calor. (Solbes y Tarín, 2008).
Intrigado por comprender la naturaleza del calor y por refutar la teoría del calórico Rumford continúo con sus experimentos sobre el calor. Uno de ellos consistió en estimar la masa del agua antes y después de ser calentada. Él observó que la masa del agua no cambió aunque se le hubiese “suministrado calor” en el proceso, por lo que concluyó que si el calórico existía era inestimable. Rumford inclusive intentó calcular la cantidad de calor producida por una cantidad de energía mecánica, convirtiéndose en el primero en expresar una cifra aproximada de lo que hoy día se conoce como equivalente mecánico del calor. Las ideas de Rumford fueron ignoradas durante los cincuenta años siguientes y la teoría del calórico siguió reinando hasta 1840. Sin embargo, en un lapso de menos de una década, tres hombres de manera independiente Mayer, Joule y Helmholtz se les ocurrió de una forma u otra el principio de la conservación de la energía. Estos hombres reconocieron que la energía potencial gravitacional de una masa a cierta altura o la energía cinética de una masa en movimiento podían ser “convertidas en calor” (Muller, 2007).
Julius Robert Mayer (1814-1878) fue más allá de sus otros contemporáneos en el análisis de la conservación de la energía. Mayer nació y vivió gran parte de su vida en Heilbronn, una ciudad de las varias independientes de la federación alemana y cuyos gobernantes suprimían todo intento de unidad alemana, entre estas las fraternidades que fueron declaradas ilegales (Muller, 2007).
Sin embargo, Mayer en compañía de unos amigos en Tubinga fundaron clandestinamente una fraternidad, motivo por el cual fue relegado de la universidad por un año. Debido a esto Mayer decidió continuar su educación médica en Múnich y París. Después de esto tomó un barco en alquiler y de navegar aprendió dos hechos importantes: el primero fue que durante una tormenta el agua del océano se vuelve más caliente o cálida y en segundo lugar notó que el color de la sangre venosa era similar a la sangre arterial cuando los pacientes sangraban en los trópicos (Muller, 2007).
La interpretación que Mayer dio a la primera observación fue que el océano se calentaba por el movimiento de las olas del agua, de lo que concluyó que el movimiento se convertía en calor, conclusión a la que había llegado Rumford cuarenta años atrás. De la segunda observación concluyó que la desoxidación de la sangre es más lenta cuando se requiere producir menos gasto energético para mantener la temperatura del cuerpo (Muller, 2007).
22
Así mismo Mayer dedujo que el calor que un cuerpo producía debía ser equivalente numéricamente con el trabajo necesario para producirlo, de esta manera Mayer pensó de una u otra forma que la energía se conserva. Las ideas de Mayer no fueron tenidas en cuenta por ser médico y no físico. El problema era que Mayer no sabía mecánica, sin embargo él tomó clases privadas de su amigo Carl Baur, pero a pesar de esto Mayer se graduó sin el conocimiento de que la energía potencial gravitacional mgh de una masa (m) a una altura (h) se convierte en energía cinética
(𝟏
𝟐 mv2) cuando la masa cae y adquiere velocidad (Muller, 2007).
Mayer nunca utilizó la palabra energía en el sentido más estricto, por el contrario se refirió a la energía potencial gravitacional como la caída de la fuerza y a la energía cinética como la fuerza de la vida. Todo lo que Mayer sabía era que el movimiento, o la fuerza vital del movimiento, podrían ser convertidos en calor. Mayer inclusive llegó a un número razonable del equivalente mecánico del calor (Muller, 2007).
Aunque su trabajo no fue apreciado, inclusive sus amigos y familiares lo creían loco, se destacan sus ideas que notablemente superaron a las de Carnot, Clapeyron y abrieron el camino para Clausiuis cuando habla del motor del calor y dice que el calor absorbido por el vapor es siempre más grande que el calor liberado durante la condensación (Muller, 2007).
Las ideas de Rumford acerca de que una cantidad dada de pólvora en un cañón aumenta más la temperatura de este si se quema libremente en comparación al caso cuando se utiliza esta pólvora para lanzar una bala por el cañón, fueron retomadas por Mayer para expresar que la energía química del polvo se convertía en parte en energía cinética de la bala, si existía una bala, o de lo contrario toda se invertía en aumentar la temperatura del cañón. Yendo más allá, él extrapoló estas ideas al metabolismo de los animales y el hombre de la siguiente manera: el calor liberado por el proceso químico de la digestión, o de la combustión de los alimentos, puede convertirse en trabajo, haciendo que el cuerpo se vuelva frío. Sin lugar a dudas puede pensarse que Mayer concebía otras formas de energía a parte de la cinética y la potencial y así mismo fue el primero en aplicar las leyes de la naturaleza a las funciones vitales (Muller, 2007).
Las observaciones hechas por Gay-Lussac sobre la expansión libre del aire en un cilindro con un pistón que se desliza libremente eran explicadas por la teoría del calórico de la siguiente manera: la temperatura de un gas desciende durante su expansión dentro del recipiente debido a que el calórico se distribuye de manera uniforme en un volumen mayor, permaneciendo este invariable. Por el contrario, Mayer presumió que la temperatura del gas disminuye si éste realiza trabajo mecánico, llegando así a la conclusión de que el trabajo y el calor eran semejantes. (Solbes y Tarín, 2008).
Por su parte James Prescott Joule (1818-1889) interesado la mayor parte de su vida por comprender la conversión del trabajo mecánico en calor, realizó un experimento
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muy famoso que consistió en utilizar una rueda de paletas que giran dentro de un recipiente cerrado con agua gracias a la caída de una pesa. De esta manera el trabajo realizado podía calcularse mediante la masa del objeto que cae y la distancia recorrida por este. Por otro lado, la energía trasferida en forma de calor al sistema está relacionada con el incremento de la temperatura del agua ocasionado por el movimiento de las aspas en su interior (figura 1). Según el principio de la conservación de la energía estos dos valores de energía (la trasferida en forma de calor y la trasferida en forma de trabajo) debían ser iguales (Muller, 2007).
Ilustración 1 Experimento de Joule sobre la conversión del trabajo mecánico en calor1.
Con este experimento Joule comprobó que la temperatura del agua se podía elevar al transferir energía mecánica y estableció un valor mecánico del calor que expresa como “la cantidad de calor que es capaz de elevar la temperatura de una libra de agua en 1 grado Fahrenheit es igual a la fuerza mecánica que puede levantar 838 libras a una altura de 1 pie”.2
Joule registró cuidadosamente las observaciones de todos sus experimentos y analizó los posibles errores experimentales para así poder establecer valores estándares en sus medidas del “calor”. De hecho inclusive hoy en día es difícil y laborioso hacer medidas de la energía trasferida en forma de calor exactas. El valor asignado por Joule a una caloría fue de 4,15 J, muy cercano al valor que actualmente se acepta que es de 4,18 J. Hoy en día en honor a Joule, por su gran aporte a la ciencia, la unidad de medida de la energía es el Joule.2
1 Imagen tomada de http://acer.forestales.upm.es.udfisica/asignaturas/fisica/animaciones_files/iconjoule.gif 2 Biografía de James Prescott Joule. (2013). danielfisisca.wordpress.com. Recuperado de
https://danielfisisca.wordpress.com/tercer-corte-2/biografia-de-james-prescott-joule/
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A partir de los trabajos de Joule se abrió paso al establecimiento de que el calor y el trabajo estaban estrechamente relacionados. Sin embargo, la idea de que la energía se conservaba aún era una hipótesis sin comprobar.
Aunque Mayer y Joule realizaron varios experimentos para demostrar que existía una magnitud que se conservaba en cualquier proceso natural, fue Hermann Ludwig Ferdinand (von) Helmholtz (1821-1894), quien realizó la primera redacción clara y profunda acerca de la conservación de la energía. Para Helmholtz, la fricción y las colisiones inelásticas (a nivel macroscópico) producen calor y, por tanto, aniquilan la energía cinética haciendo imposible el movimiento perpetuo. En otras palabras Helmholtz demostró que en sistemas mecánicos cerrados las formas de energía se transforman unas en otras y no se aniquilan. Esta idea fue expuesta por Helmholtz en 1847 en su primer trabajo sobre termodinámica, en donde enuncia que “es imposible crear continuamente a partir de cualquier combinación de fuerzas naturales la fuerza de la vida (energía cinética) desde la nada”. (Solbes y Tarín, 2008).
El aporte fundamental de Helmholtz fue que generalizó la idea de la conservación de la energía a otros fenómenos no mecánicos como por ejemplo: los eléctricos, magnéticos e inclusive a funciones vitales, en donde expresa que la energía consumida por un organismo vivo proviene del calor generado por las reacciones químicas que se llevan a cabo dentro del cuerpo. (Solbes y Tarín, 2008).
La energía electromagnética
Para realizar la mayor parte de la revisión epistemológica relacionada con la energía electromagnética se consideró la referencia bibliográfica: Ingo Muller, “A History of Thermodynamics: The Doctrine of Energy and Entropy”, Springer, Berlín, Alemania, (2007).
Los físicos de mediados del siglo XIX tuvieron que lidiar con la idea de la existencia del éter como medio para la transmisión de la gravitación, el magnetismo, la electricidad y la luz. El éter era una hipotética sustancia que se creía que ocupaba todo el espacio vacío como un fluido. De hecho la teoría de la gravitación universal formulado por Newton tuvo dos fuertes resistencias en la época: i) la idea de que el universo fuera esencialmente vacío y ii) que existieran fuerzas entre los astros que actuarán a distancia (sin contacto) (Muller, 2007).
El pensamiento reinante de la época sobre la existencia del éter parece que no influenció a los trabajos de Michael Faraday (1791- 1867) y James Clerk Maxwell (1831-1879) sobre la electricidad y el magnetismo. Faraday en 1831 pone de manifiesto la relación entre la electricidad y el magnetismo al observar que el movimiento de un imán podía inducir una corriente eléctrica en un cable, sin necesidad de una fuente de energía (pila). Este descubrimiento tuvo poca
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importancia en su época, pero después de menos de un siglo, los trabajos de Faraday sirvieron para generar y utilizar energía eléctrica. (Muller, 2007).
A pesar de que se tenía la idea de que la electricidad y el magnetismo estaban relacionadas, fue Maxwell quien formuló su unificación a través de su teoría electromagnética. Esta teoría propone que la luz, la electricidad y el magnetismo son parte de un mismo fenómeno, llamado electromagnetismo. Maxwell concibe la luz como una onda electromagnética capaz de propagarse en el vacío, poniendo fin a la existencia del éter como medio de transmisión de la luz, el magnetismo y la electricidad (Muller, 2007).Las leyes formuladas por Maxwell sobre el electromagnetismo relacionan cuatro campos vectoriales: Densidad de flujo magnético, campo eléctrico, desplazamiento dieléctrico y campo magnético. En el libro Física: principios y aplicaciones las leyes de maxwell se expresan de manera cualitativa de la siguiente manera:
Una variación del campo eléctrico en el tiempo genera un campo magnético (ley de Ampere)
Una variación de campo magnético en el tiempo genera un campo eléctrico (ley de Faraday)
La carga eléctrica se puede separar y los monopolos magnéticos no se pueden separar, o no existen por sí solos. (Ley de Gauss para campos eléctricos y magnéticos). Cuantitativamente esta ley expresa que la divergencia del flujo de campo eléctrico en una superficie cerrada es proporcional a la carga y que la divergencia del flujo magnético en una superficie cerrada es cero. (Giancoli, 2006.)
En el libro Relatividad para principiantes, de Hacyan, S., se describe que gracias a la teoría electromagnética se sabe que un cuerpo cargado eléctricamente y en movimiento produce sobre otro cuerpo cargado una fuerza electromagnética cuya magnitud y dirección depende de la carga del cuerpo que lo produce y de su velocidad (Hacyan, 2011, pág. 15)
Maxwell introdujo el término campo electromagnético para explicar que una carga eléctrica actúa sobre otra lejana sin tener que recurrir a la acción a distancia. Este concepto permite concebir que en cualquier punto del espacio alrededor de una carga existe una fuerza electromagnética, cuya magnitud y dirección se definen por fórmulas matemáticas. Desde Maxwell hasta nuestros días se ha utilizado esta noción matemática, pero actualmente se le reconoce una realidad física. (Hacyan, 2011, pág. 17)
Un gran paso a la unificación del concepto de energía tuvo lugar cuando se reconoció que el movimiento, la energía potencial (debida a la presencia de campos
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de fuerza que actúan sobre las partículas) y los fotones eran distintas manifestaciones de un mismo ente al que se denominó “energía”. (Solbes y Tarín, 2008).
La teoría de la relatividad de Einstein nos presenta a la masa como otra forma de energía a través de la ecuación E = mc2, donde c es la velocidad de la luz. Las ideas de Einstein más tarde permitieron extender el principio de conservación de la energía a las reacciones nucleares y el fenómeno de la radioactividad. La generalización de la relación E = mc2 para cualquier tipo de energía, denominada “ley de inercia de la energía”, fue realizada por Planck en 1908 y por Minkowski (1864-1909) (Solbes y Tarín, 2008).
El sentido profundo del principio de conservación de la energía se entendió gracias a la matemática E. Noether (1881-1935) con el teorema que lleva su nombre. De forma esquemática el teorema de Noether dice que el hecho que un sistema físico presente una propiedad invariante a las trasformaciones de simetría del espacio esto implica que debe haber una ley de conservación universal. Por ejemplo la invariancia con respecto a la dirección del eje de rotación implica la ley de conservación del momento angular; la invariancia de sistemas físicos con respecto a la traslación implica la ley de conservación del momento lineal; y la invariancia con respecto a la traslación en el tiempo implica la ley de conservación de la energía. Finalmente, la invariancia con respecto a la transformación general de gauge (en el marco de la teoría cuántica de campos) implica la ley de la conservación de la carga eléctrica.3
Materia y energía oscura
En un artículo de la sección de ciencias de la BBC.com titulado “¿Qué es la materia oscura y para qué sirve?” se menciona que las observaciones realizadas por Vera Rubin en asocio con Ford Kent, sobre las velocidades orbitales de las estrellas en las galaxias espirales, dio como resultado algo inesperado: los astrónomos encontraron que las estrellas de las regiones exteriores a la galaxia se movían tan rápido como las cercanas. Este hecho era totalmente contrario a lo esperado; a mayor distancia del centro de gravedad la velocidad se debería hacer más lenta tal como ocurre en nuestro sistema solar, donde los planetas más alejados se muevan más lentamente alrededor del sol. (Peter, 2015). Lo observado por estos astrónomos no podía ser explicado por el efecto de la gravedad que la masa visible de una galaxia podía ejercer sobre las estrellas
3https://es.wikipedia.org/wiki/Emmy_Noether#F.C3.ADsica
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lejanas, ya que ésta no sería suficiente para mantener orbitando tan rápido estrellas tan alejadas.
Masegosa, J. (2015) en su artículo titulado Vera Rubin, la madre de la materia oscura publicado en la revista de divulgación científica Información y Actualidad Astronómica-IAA describe que las observaciones de Vera condujeron a la idea de la existencia de una gran cantidad de materia no visible que proveía más gravedad a las galaxias y a la cual se denominó materia oscura. Los cálculos mostraron que las galaxias deben contener diez veces más materia oscura que materia visible.
Miramontes y Volke en su libro Fronteras de la física en el siglo XXI mencionan que la denominación de materia oscura se debe a que esta materia no emite radiación electromagnética como la materia convencional, sin embargo puede detectase a partir de sus efectos gravitacionales en la materia visible y por los efectos que produce en la luz al desviarla de su camino. (Miramontes, Octavio & Volke, Karen, 2013)
Kirshner, Robert en su libro “El universo extravagante: estrellas explosivas, energía oscura y cosmos acelerado” describe que Hubble demostró que las galaxias más lejanas se separan de nosotros más deprisa que las próximas. La noticia del universo en expansión tomó por sorpresa a Einstein, a pesar de que con su teoría de la relatividad general ya predecía que el universo se encontraba expandiendo o contrayendo. Él se vio obligado a inventar una propiedad expansiva a la que denominó “la constante cosmológica” que finalmente fue rechazada puesto que las observaciones de Hubble apuntaban a un Universo más bien dinámico y no estático como se pensaba hasta entonces. (Kirshner, 2006).
Por su parte, la idea de la existencia de la denominada energía oscura se debe a que contrario a la desaceleración esperada en la expansión del universo desde el Bing Bang, las observaciones y registros de Edwin Hubble de 1929 indicaron que éste se encuentra en una expansión acelerada. (Kirshner, 2006).
En los últimos años se le atribuyó la expansión acelerada del universo a un componente adicional que hoy denominamos “energía oscura”. La energía oscura es una forma de energía que está presente en todo el espacio y que estaría produciendo una fuerza de carácter repulsivo, contraria a la fuerza gravitacional, que tiende a acelerar la expansión del Universo. (Kirshner, 2006).
Hoy día se sabe que la constitución del universo en un 95% corresponde a materia y energía oscura (68% de energía oscura y un 27% de materia oscura). Los restantes 5% lo constituye la materia ordinaria, conformada por partículas elementales como los quarks, neutrinos y leptones. Ese 95% constituye un misterio por develar y nos hace conscientes de lo mucho que nos falta por descubrir en relación al origen, la composición y el destino del Universo. (Miramontes, Octavio & Volke, Karen, 2013).
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3.2. Referentes Conceptuales 3.2.1 Una aproximación al concepto energía
Uno de los conceptos más integradores en la comprensión del universo y los fenómenos de la naturaleza es, sin lugar a dudas, el de energía. El concepto de energía ha sido, y seguramente será, uno de los más dinámicos a lo largo de la historia de las ciencias naturales. Pero ese dinamismo no se refleja en los libros de texto ni en las ideas de los profesores. Por ejemplo la mayoría de textos definen la energía como “la capacidad para realizar un trabajo”, concepto que data de hace más de 150 años. En este punto cabe preguntarse si un sistema aislado en equilibrio tiene energía, ya que este sistema es incapaz de realizar un trabajo. El sistema en equilibrio posiblemente tiene una masa (que es una de las formas de energía), por tanto aun que es incapaz de realiza un trabajo si tiene energía.
A lo largo de la historia el concepto de energía fue abordado primero por la mecánica, seguido por la termodinámica, la teoría de la relatividad, la mecánica cuántica, la cromodinamica cuántica, la astronomía y la cosmología. El concepto que abordemos de energía debe ser transversal a todas estas áreas de conocimiento.
Aunque el concepto de energía es bastante usado en nuestra cotidianidad, resulta difícil de definir para la mayoría de científicos, profesores y autores de libros a pesar de ser es uno de los conceptos más intuitivos y al que tenemos que recurrir permanentemente para interaccionar de manera adecuada con la naturaleza. Aunque en sí el término energía no tenga una definición precisa podemos referirnos a ella como uno de los constituyentes fundamentales del universo (junto con el espacio). Esto quiere decir que todo ente en la naturaleza está compuesto por energía y que por tanto todos los fenómenos naturales son debidos al flujo y transformación de la energía.
Se puede establecer que las formas más generales de energía son: la radiación electromagnética, la masa, la energía cinética, la energía potencial, la materia oscura y la energía oscura. Cada una de estas formas de energía se puede transformar en otra, pero la cantidad de energía total no cambia.
Un problema común, que tienen tanto los maestros como los estudiantes, para entender el concepto de energía es que las formas fundamentales de energía se confunden con las “fuentes” de energía utilizadas por el hombre, como cuando se habla de energía solar, eólica, geotérmica, eléctrica, termoeléctrica etc. (Carr y Kirkwood, 1988. Citado por Solbes, J. y Tarín, F. 1998).
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3. 2.2. La energía y su relación con los conceptos de trabajo y calor
Sin lugar a dudas el significado físico de trabajo y calor dista mucho de la idea intuitiva que tenemos en nuestra vida cotidiana de estos conceptos, de tal manera que el grado de comprensión que tengamos de éstos permitirá o no un tratamiento significativo del concepto de energía.
3.2.2.1. Trabajo
El trabajo total realizado por todas las fuerzas que actúan sobre una partícula se va a ver reflejado en los cambios de energía potencial y cinética que sufra la partícula. Esta relación se cumple tanto para fuerzas constantes como para fuerzas variables. (Young, H. D., Freedman, R. A., & Lewis Ford, A., 2009).
El trabajo W realizado por una fuerza F constante se define como el producto de la magnitud de la fuerza y la magnitud del desplazamiento (s) : W =Fs .El trabajo (W) realizado por la fuerza (F) constante que se ilustra a continuación se expresa a través de la siguiente ecuación: W= F. h (Figura 2).
Ilustración 2. Trabajo realizado por una fuerza constante 4
De forma más general, una definición de trabajo como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento y la magnitud del desplazamiento estaría dada por la ecuación: W= (F Cos θ) dl. (Figura 3).
Ilustración 3 Fuerza constante realizando trabajo formando un ángulo con el desplazamiento dl.
4 Imagen tomada de http://www.educa.madrid.org/web/ies.alonsoquijano.alcala/carpeta5/carpetas/quienes/departamentos/ccnn/CCNN-1-2-ESO/2eso/2ESO-12-13/Bloque-III/T-3-Trabajo-Energia-Calor/T-3-Trabajo-Energia-Calor.html
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Para que se realice trabajo la componente de la fuerza total en la dirección del
desplazamiento debe ser diferente de cero. (Figura 4)
Ilustración 4 Persona halando un carrito.5
De esta manera se tienen que no se realiza trabajo cuando la fuerza que actúa
sobre el objeto no produce un desplazamiento sobre él (figura 5).
Ilustración 5 Persona empujando una pared. La fuerza no provoca desplazamiento6
Tampoco se realiza trabajo cuando la fuerza aplicada es perpendicular al
desplazamiento de su punto de aplicación, formando de esta manera un ángulo de
90°, ya que el coseno de 90° es igual a cero (figura 6).
Ilustración 6. Persona sosteniendo una caja y desplazándose horizontalmente7
5 Imagen tomada de http://voer.edu.vn/c/work-the-scientific-definition/0e60bfc6/4c0fb5bb 6 Imagen tomada de http://lacandidainocencia.blogspot.com.co/ 7 Imagen tomada de http://cnx.org/contents/[email protected]:xLIkOaET@4/Work-The-Scientific-Definition
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Si la fuerza varía durante un desplazamiento rectilíneo, el trabajo que realiza está
dado por una integral de 𝐹𝑥 de 𝑥1 a 𝑥2 .
W= ∫ 𝐹𝑥𝑥2
𝑥1 dx
En una gráfica de la fuerza en función de posición, el trabajo total realizado por la fuerza está representado por el área bajo la curva entre las posiciones inicial y final. Otra interpretación de esta ecuación sería que el trabajo W es igual a la fuerza media que actúa en todo el desplazamiento, multiplicada por el desplazamiento. (Young, H. D., Freedman, R. A., & Lewis Ford, A., 2009)
Ilustración 7 Trabajo de una fuerza variable, movimiento rectilíneo 8
Como la energía está asociada a la modificación de la configuración de un sistema se tiene que:
Un trabajo, es decir, “un acto de transformación mediante fuerzas", queda vinculado a variaciones de energía o a intercambios de energía entre diferentes sistemas o entre las partes de un mismo sistema. Ello nos permite concebir el trabajo como una forma de intercambio de energía (Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 298).
3.2.2.2 Calor
El calor, al igual que el trabajo, es un mecanismo de transferencia de energía, por lo que no deben ser considerados como formas de energía a pesar de que se expresan en las mismas unidades, es decir en julios (J).
Aunque actualmente se sabe que el calor no es una forma de energía, usualmente en algunos textos y particularmente en el lenguaje común se suelen confundir “calor” y “energía interna” (Sevilla citado por Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 298).
8 Imagen tomada de http://images.slideplayer.es/22/6975667/slides/slide_6.jpg
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La energía interna U puede definirse como la suma de todas energías de las partículas que conforman un sistema. La energías asociadas a estas partículas corresponden a la energía cinética interna derivada del movimiento de las partículas (vibracional, traslacional y rotacional) y la energía potencial interna derivada de las fuerzas de tipo gravitacional, electromagnética y nuclear entre las partículas que conforman el sistema (figura 7).
Ilustración 8 Representación esquemática de los tipos de energías asociadas a la energía interna de un sistema.
La ecuación general que describe la conservación de la energía del sistema está dada por ∆U= Q + W, donde ∆U es la variación de la energía interna del sistema, Q la transferencia de energía en forma de calor y W la transferencia de energía en forma de trabajo. De esta manera se tiene que cuando el sistema transfiere energía en forma de calor al medio el valor de Q es negativo, pero si por el contrario el sistema recibe energía en forma de calor del medio Q es positivo. Así mismo cuando el sistema realiza trabajo sobre el medio W es negativo y cuando el medio realiza trabajo sobre el sistema W es positivo. Debe aclararse que los signos positivo y negativo se utilizan para designar el aporte de estas magnitudes al aumento o disminución de la energía interna. De este modo, un Q y W positivos corresponden a un incremento de la energía interna. (Serway & Jewett, 2008)
Debe tenerse en cuenta que no solamente el trabajo y el calor pueden variar la energía interna de un sistema, sino que esta puede también variar por intercambio de radiación y/o materia. ( Doménech, J. J. L. et al. , 2003 )
La transferencia de energía en forma de calor es posible cuando se ponen en contacto sistemas a diferentes temperaturas, por tanto resulta inapropiado hablar de calor absorbido, calor cedido, calor suministrado y calor sustraído, debido a que el calor no está contenido en los cuerpos.
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3.2.3. La conservación y la “degradación” (capacidad para hacer trabajo) de la energía
Las transformaciones y transferencias de energía son inherentes a los procesos naturales, sin embargo la energía total de los sistemas aislados y de paredes rígidas permanece constante. El establecimiento de esta ley de conservación de la energía pone de manifiesto que las transformaciones de una forma de energía en otra durante un proceso dado se compensan, por lo que la magnitud total permanece constante. (Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 300).
La idea de conservación de la energía en la mecánica hace referencia a las leyes del movimiento, en donde se expresa que la energía potencial más la cinética es constante (cuando actúa una fuerza conservativa). De esta expresión se puede deducir que un aumento en la energía potencial (Ep) conlleva a una disminución de la energía cinética (Ec) y viceversa. En el campo de la termodinámica el principio de conservación de la energía incluye además las trasferencias de energía en forma de calor y trabajo, lográndose de esta manera una generalización de este principio más allá de la mecánica. (Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 300).
La generalización de este principio establece que en todo proceso natural ocurre una transferencia de energía, pero que la cantidad de energía implicada en todo el universo se conserva. (Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 300).
La idea de que a medida que ocurren los procesos naturales disminuye la energía disponible para realizar trabajo se deriva de la segunda ley de la termodinámica. La idea fundamental es que la energía va perdiendo su capacidad para producir posteriores transformaciones. En otras palabras, “no hay transformaciones sin crecimiento de entropía y este crecimiento disminuye la probabilidad de subsiguientes transformaciones” (Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 302).
3.2.4. Formas de energía relacionadas con la mecánica
Convencionalmente se suele agrupar las distintas manifestaciones de la energía en dos formas básicas: la energía potencial y la energía cinética.
3.2.4.1 Energía cinética
La energía cinética expresa “la capacidad de un objeto para interactuar con otros a causa, precisamente, de que se desplaza a una velocidad determinada frente a ellos” (Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 296).
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Esta energía asociada al movimiento de la partícula se expresa matemáticamente como:
K= ½mv2
Esta ecuación describe la energía cinética como el producto de un medio de la masa y el cuadrado de la rapidez.
“Cuando se consume trabajo en un sistema, y el único cambio en el sistema es en su rapidez, el trabajo neto consumido en el sistema es igual al cambio en energía cinética del sistema” (Serway & Jewett 2008, p.175). Aunque es importante su aplicación no es general, pues los cambios que experimenta un sistema no se deben únicamente al trabajo y además de la rapidez pueden presentarse otros cambios (como el de temperatura, por ejemplo).
3.2.4.2 Energía potencial
Esta forma de energía existe cuando hay una fuerza de interacción conservativa entre dos objetos. De este modo hay energía potencial gravitacional (entre dos objetos que tienen masa), energía potencial eléctrica (entre dos objetos que tienen carga), energía potencial elástica (entre un cuerpo y un material elástico) y energía potencial magnética (entre dos objetos que tienen un momento magnético). El momento magnético es una propiedad vectorial relacionada con el momento angular de una partícula y que puede tener varios orígenes: una carga eléctrica sometida a un cambio de la dirección de su movimiento o a un momento angular intrínseco que tienen totas las partículas, que es llamado spin. 9
Mallinckrodt y Leff (citados por Doménech, J.L.L., et al, 2003, p 296) afirman “la energía potencial surge siempre en el contexto de un par (o conjunto) de objetos que interaccionan y, por tanto, no tiene ningún fundamento asignarla completamente, o únicamente a cualquiera de estos objetos”.
Solo puede hablarse de energía potencial cuando las fuerzas que actúan sobre los cuerpos son conservativas. Una fuerza conservativa existe si el trabajo realizado para llevar un cuerpo desde una posición inicial a otra final es independiente de la trayectoria seguida por el cuerpo. La fuerza que ejerce un muelle (elástica), la fuerza gravitacional y la fuerza electromagnética son ejemplos de fuerzas conservativas.
9 Obtenido de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/magmom.html#c1
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Ilustración 9 El trabajo realizado por una fuerza conservativa que actúa sobre un cuerpo en las posiciones P y Q a lo largo
de las trayectorias C1 y C2 solo depende de la posición inicial y final10
A partir de lo anterior, también se deduce que una fuerza conservativa no realiza trabajo cuando el cuerpo describe una trayectoria cerrada, es decir que la posición final es la misma posición inicial (Figura 8).
La diferencia entre una fuerza conservativa y una no conservativa es que el trabajo realizado por las fuerzas no conservativas depende de la trayectoria seguida por el cuerpo entre una posición inicial y una posición final y, además, de que el trabajo realizado en una trayectoria cerrada no es igual a cero. La fuerza de rozamiento es un ejemplo bien conocido de fuerza no conservativa, ya que disipa la energía mecánica de un sistema en forma de calor.
Serway & Jewett (2008) expresa que “la cantidad de energía potencial en el sistema se determina mediante la configuración del mismo. Mover los integrantes del sistema a diferentes posiciones o girarlos cambia su configuración y por ende su energía potencial”. Así la variación de energía potencial entre dos cuerpos que están interaccionando mediante una fuerza natural es igual al trabajo necesario para llevar los cuerpos desde una distancia de separación dada (distancia inicial) hasta otra distancia (distancia final).
3.2.4.2.1 Energía potencial gravitacional
Existe energía potencial gravitacional cuando los cuerpos interaccionan mediante la fuerza gravitacional. Matemáticamente la energía potencial de un cuerpo referente a la tierra se expresa aproximadamente como: Ep = mgh, donde m es la masa del cuerpo, g es la gravedad y h es la altura a la que se encuentra el cuerpo de la superficie de la tierra. De esta ecuación se puede concluir que la energía potencial gravitacional guarda una relación directa con la altura. (Serway & Jewett. 2008).
10 Imagen tomada de http://es.slideshare.net/fpinela/trabajo-y-energia-nivel-cero-b
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Ilustración 10. Al caer un objeto hacia el suelo la energía potencial de este se trasforma en energía cinética. Por otro lado
para subir un objeto hasta cierta altura hay que realizar trabajo. En la imagen se observa la posición de un balón a
intervalos de tiempo.11
El trabajo necesario para subir un objeto a cierta altura de la superficie de la tierra es igual a la energía potencial ganada por el objeto: W= Ep= m.g.∆h. Si el trabajo es realizado por la fuerza gravitacional, este es igual al cambio negativo de la energía potencial del cuerpo: W= - m.g.∆h = - Ep. De donde se deduce que la energía potencial gravitacional del sistema puede ser positiva o negativa, dependiendo de la acción de la fuerza de gravitacional o de la acción de una fuerza externa. En realidad la energía potencial entre dos objetos es igual a:
Ep= -G 𝒎𝟏.𝒎𝟐
𝒓
Donde G es la constante de gravitación universal; m1 y m2 son las masas de los objetos y r la distancia entre ellos.
La energía potencial gravitacional solo depende de la altura vertical del objeto sobre la superficie de la Tierra. La misma cantidad de trabajo se debe invertir sobre un sistema objeto–Tierra ya sea que el objeto se levante verticalmente desde la Tierra o se empuje desde el mismo punto hacia arriba sobre un plano inclinado, sin fricción, para terminar en la misma altura (Serway & Jewett 2003. p. 178).
3.2.4.2.2. Energía potencial eléctrica
Hablamos de energía potencial eléctrica cuando un cuerpo con carga sufre la acción de una fuerza eléctrica. Para hablar de la acción de una fuerza Michael Faraday introdujo el concepto de campo de fuerzas. El campo de fuerza generado por una carga eléctrica se denomina campo eléctrico. Un campo eléctrico es la perturbación
11 Imagen tomada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Falling_ball_original_plus_text.jpg
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que genera una carga eléctrica en el espacio que la rodea y que ejercerá una fuerza eléctrica sobre otra carga unitaria situada en el espacio de influencia de ésta.12
La energía potencial eléctrica existente entre dos cargas puntuales depende de la magnitud de las cargas eléctricas y de la distancia de separación entre ellas, lo cual está dado por la ecuación:
Ep= K 𝒒𝟏.𝒒𝟐
𝒓
Donde Ep es la energía potencial eléctrica, K es la constante de la ley de Coulomb, (la cual depende del medio en el que se encuentren las cargas, su valor en el vacío es aproximadamente 9.109 N.m2/C2) y q1 y q2 representan las cargas puntuales y r corresponde a la distancia de separación entre dichas cargas.
La energía potencial eléctrica asociada a dos cargas con distinto signo aumenta al incrementarse la distancia, mientras que entre cargas del mismo signo aumenta al disminuirse la distancia de separación entre ellas.
La siguiente imagen representa la variación de energía potencial de un sistema bajo la acción de un campo de fuerzas (figura 10).
Ilustración 11 Variación de la energía potencial eléctrica en un campo eléctrico13
Si una fuerza eléctrica realiza trabajo para desplazar una carga desde un punto A hasta otro B, el trabajo se expresa como:
We (A B) = - ∆Ep = ∫ ��𝑒 .𝐵
𝐴𝑑 𝑟
Donde
12 Obtenido de https://www.fisicalab.com/apartado/energia-potencial-electrica el 20 de mayo de 2016 13 Imagen tomada de http://www.esi2.us.es/DFA/FFII/Apuntes/Curso%200708/tema4.pdf
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We= trabajo eléctrico Ep= Variación energía potencial Fe= Fuerza eléctrica r= es el valor de la distancia que los separa En el libro Física y Química 1° Bachillerato de Cabrizo, D.M.A, Bozal, J.L.A & Pérez, J.B. (2008) se describe que el trabajo de una fuerza eléctrica puede ser positivo (We
0) si el desplazamiento de la carga es en el mismo sentido de la fuerza eléctrica y
negativo (We 0) si el desplazamiento es en el sentido contrario a la fuerza eléctrica. Es decir, el trabajo para acercar cargas de diferentes signos y alejar cargas del mismo signo es positivo. De igual manera, para acercar dos cargas del mismo signo o para separar cargas de distinto signo una fuerza externa debe realizar un trabajo que aumentará la energía potencial del sistema.
El siguiente esquema ilustra la variación de la energía potencial eléctrica en función de la distancia, la carga eléctrica y el trabajo realizado para moverla desde una posición A hacia una B (figura 11).
Ilustración 12 Trabajo realizado para mover una carga eléctrica desde un punto a otro.14
La energía potencial eléctrica puede ser positiva para cargas del mismo signo o
negativa para cargas de signo contrario (figura 12).
14 Imagen tomada de https://www.fisicalab.com/apartado/intro-energia-potencial-electrica#contenidos
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Ilustración 13. Representación de la variación de la energía potencial eléctrica según las cargas.15
3.2.5 Potenciales de interacción entre átomos
La fuerza de interacción entre átomos puede expresarse en términos de una función de energía potencial debido a que la fuerza eléctrica que actúa entre ellos es función solamente de su posición relativa. Esta función se expresa mediante la ecuación:
F(r) = - 𝒅𝑼
𝒅𝒓
Donde F es la fuerza de interacción, U la energía potencial y r la distancia de separación.
La función potencial empírica de Lennard Jones sobre potenciales de interacción entre átomos resulta ser muy adecuada a la hora de reproducir potenciales de interacción medidos experimentalmente16 en el cual el potencial interatómico está dado por:
ULJ = 4ε ((σ/ r) 12 – (σ/ r) 6)
El potencial de Lennard Jones es considerado un potencial de “pares”, ya que representa la interacción entre dos partículas presentes en un sistema. La medida de ε está asociada a la intensidad de la interacción (que es la profundidad del potencial), la magnitud 1.12σ es la distancia entre las partículas a la cual la energía potencial es mínima (que corresponde a la distancia de enlace entre las partículas)
15 Imagen tomada de http://www.esi2.us.es/DFA/FFII/Apuntes/Curso%200708/tema4.pdf 16 Obtenido de Aliaga & Figueroa , «Potencial de Lennard-Jones. Ecuación Virial. Licenciatura en tecnología.,» s.f s.f 2012. [En línea]. Available: http://www.geociencias.unam.mx/~angfsoto/fisicoquimica/Practica_9.pdf.
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y r es la distancia entre partículas. El término (σ /r) 12 describe la repulsión y el (σ /r)6 describe la atracción.17
La imagen que se muestra a continuación representa la función de potenciales de interacción entre átomos de Lennard-Jones. Esta imagen muestra que a distancias muy grandes el potencial de interacción es nulo, a distancias pequeñas el potencial es repulsivo, debido al solapamiento de las nubes electrónicas, y a distancias grandes el potencial es atractivo, debido a que priman las fuerzas de atracción entre un núcleo dado un átomo y la carga negativa de otro átomo. De igual modo existe en el potencial una distancia de separación (que podría considerarse intermedia) donde la energía potencial del sistema es mínima y a la cual quedan ligados los átomos en un pozo de energía potencial (figura 13).
Ilustración 14 Representación gráfica de la función potencial de Lennard-Jones.18
3.2.6 Energía potencial y enlace químico
Desde el punto de vista energético cuando dos átomos interactúan puede ocurrir que la energía potencial del sistema sea mayor que la energía total de los átomos separados, por lo que no se formará un enlace químico. Por otro lado, si al aproximarse los átomos la energía potencial del sistema es menor que la energía potencial total de los átomos por separados, se dice que se forma un enlace químico. Cuando la distancia interatómica es aquella en la que las fuerzas netas sobre cada átomo es cero la energía potencial del sistema es mínima. A la diferencia entre la energía potencial del sistema formado por los átomos separados y la
17 Obtenido de Alvizú Fiedler, I. (s.f). Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física. Estudio de un fluido Lennard-Jones. Obtenido de http://neel2.fis.puc.cl/cncm/FisCompu/Sitio_web/Notas_files/Proyecto2.pdf 18 Imagen tomada de http://atomsinmotion.com/book/chapter5/m
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energía potencial formada por los dos átomos a la distancia de mínima energía potencial se le denomina energía de enlace19.
El equilibrio estable puede verse siempre en una gráfica de energía potencial versus posición, la fuerza que actúa sobre un objeto tiende a llevarlo hacia posiciones de menor energía potencial. Las energías potenciales entre átomos son debidas a fuerzas eléctricas entre ellos que causan atracción cuando están bastante separados y a distancias más pequeñas se resisten a ser comprimidos (repulsión). El resultado es una posición estable en la que la repulsión y la atracción están en perfecto equilibrio, en esa posición ellos están unidos formando una entramado de materia.20
3.2.7. Energía potencial y tensión superficial
Cuando se aumenta el área de la interfaz entre una fase condensada (líquida o sólida) en contacto con otra fase (gaseosa, líquida o sólida) siempre hay que realizar un trabajo sobre el sistema. Si el proceso es reversible, y teniendo en cuanta la ley de conservación de la energía, la energía invertida para producir la nueva área debe quedar almacena en el sistema en forma de energía potencial. A esta energía potencial por unidad de superficie se le denomina tensión superficial. 21
También se puede definir la tensión superficial como la mitad de la energía de cohesión (la energía necesaria para separar los átomos de un plano imaginario de área unitaria que atraviesa una fase condensada). Debido a que la energía potencial relacionada con la interacción entre átomos es eléctrica, la energía superficial es una forma de energía potencial eléctrica.
El hecho que exista una energía superficial explica muchos fenómenos naturales como el hecho que las burbujas de jabón sean metaestables (estables por un corto periodo de tiempo), que los insectos puedan caminar sobre el agua, los fenómenos de capilaridad, la acción de los detergentes, el fenómeno de mojado etc.
El proceso de humectación se produce cuando al entrar en contacto un líquido con un sólido éste se esparce o se contrae hasta conseguir la configuración de mínima energía potencial, que corresponde a la que tenga menor energía superficial.
19 Obtenido de https://sites.google.com/site/apuntesfisicayquimica/2o-bachillerato-1 20 Serie de videos “El universo mecánico”, Instituto de tecnología de California e Intelcom, 1985. 21 Suárez MF, “Líquidos y disoluciones”, guía de estudio.
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3.2.8. Energía potencial y potencial de membrana
Se suele confundir el concepto de potencial con el de fuerza electromotriz, dado a que ambas magnitudes físicas se expresan en voltios. El potencial (φ) en cada punto de un campo conservativo es la energía potencial de la magnitud considerada, mientras que la fuerza electromotriz (ε) es el trabajo que se realiza sobre una carga eléctrica “q” en una trayectoria cerrada.( Wangsness RK 1992, citado por Pastor, J.,2000).
El denominado potencial de reposo (Er) corresponde al potencial que presenta una neurona cuando no está generando ningún potencial de acción, aunque esto no sea del todo cierto desde el punto de vista fisiológico, ya que existen variaciones aleatorias de su valor, pero desde el punto de vista matemático se le considera como una constante. El potencial denominado como potencial de membrana [Em (t)], es la diferencia de potencial entre los espacios intra y extracelular en todo momento, dado que es una variable que evoluciona con el tiempo, se puede prescindir del uso del paréntesis. (Pastor, 2000).
Los iones Na+ y K+ se distribuyen asimétricamente a ambos lados de la membrana, generando un gradiente electroquímico que origina una diferencia de potencial electroquímico a través de la membrana celular. Estos gradientes, son la fuerza motriz para cada ion, que al moverse hacia su potencial de equilibrio genera flujos iónicos o corrientes. Sin embargo, existen en la membrana celular mecanismos que crean los estados asimétricos de éstos iones. (Pastor, 2000). Estos mecanismos corresponden al funcionamiento de los canales iónicos, las bombas iónicas, que se ven influenciados por la velocidad de difusión de cada ion y la permeabilidad selectiva de la membrana (iones no difusibles).
En el potencial de reposo, el medio intracelular es eléctricamente negativo (cuyo valor, hallado por mediciones para una célula es entre -60 y -70mV) y el medio extracelular es eléctricamente positivo (el cual por convención se toma como un valor de cero). El interior celular cargado negativamente se debe a que el citoplasma contiene proteínas, polifosfatos orgánicos, ácidos nucleicos y aniones que no son permeantes. La bomba de Na+ y K+ es responsable de la elevada concentración de K+ y la baja concentración de Na+ dentro de la célula, debido que ésta saca tres iones Na+ por cada dos iones K+ que ingresan, manteniendo la célula polarizada.
(Matthew N. Levy, Bruce M. Koeppen, Bruce A. Stanton., 2006).
El potencial de acción es la alteración del potencial eléctrico a través de la membrana celular, causado por la apertura y cierre secuenciales de los canales de sodio (Na+) y de los canales de potasio (K+) regulados por voltaje, lo cual provoca una súbita despolarización de la membrana seguida de una repolarización rápida. (Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., & Amon, A, 2005)
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3.2.8.1. Modelo RC de la membrana
Una membrana celular en reposo puede asemejarse a un circuito simple que consta de una batería, una resistencia y un capacitor. La diferencia de concentraciones, y por tanto de cargas, de cada especie iónica a ambos lados de la membrana (diferencia de potencial) constituye el gradiente electroquímico con la que cada ion empieza a moverse al compartimento opuesto. El voltaje es lo que crea esta diferencia de potencial eléctrico y se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre cada partícula para que esta se mueva de un lugar a otro. El gradiente electroquímico desde el punto de vista eléctrico es equivalente con una batería. La membrana presenta permeabilidad selectiva al flujo de iones lo que es comparable en términos eléctricos con la resistencia, esta resistencia de la membrana procede de su estructura lipídica, que es hidrofóbica. Así mismo, desde el punto de vista eléctrico la interfaz entre la bicapa lipídica y las soluciones intra y extracelulares puede ser comparada con un capacitor, puesto que el capacitor está formado por un material no conductor (como al bicapa lipídica) que separa a dos elementos conductores como la solución de electrolitos a ambos lados de la membrana. (Fanjul, M. L., & Hiriart, M., 1998).
3.2.9. Energía potencial y reacciones químicas
Burns en su libro Fundamentos de química describe que en términos de energía potencial, los reactivos de una reacción son en cierto sentido como un automóvil en una colina. Cuando el auto baja por la pendiente, la energía potencial se libera y se transforma en energía mecánica, pero se necesitará energía para que el auto suba por la pendiente. (Burns, 2004). Esto quiere decir que, existen reacciones que liberan energía y otras que absorben energía. Esta energía absorbida o cedida se denomina entalpía y resulta del balance energético entre los enlaces químicos que se rompen y los que se forman durante una reacción, y del trabajo realizado por el sistema. En este sentido, si la energía absorbida para romper los enlaces es menor que la liberada al formarse los enlaces la reacción es exotérmica y si la energía liberada es menor que la requerida para romper los enlaces la reacción es endotérmica.22
3.2.9.1. Reacciones químicas y metabolismo
La energía potencial almacenada en el azúcar y otros alimentos y en el oxígeno se libera cuando las células vivas utilizan el alimento mediante un proceso conocido como metabolismo. El metabolismo es un proceso complejo, que se basa en un
22 Serie de videos Bozeman Science. Chemistry Essentials 0-59 Using Gibbs Free Energy.
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conjunto de múltiples reacciones anabólicas y catabólicas. Entre estas reacciones se tienen las de óxido- reducción que consisten en una transferencia de electrones entre las sustancias participes (una gana electrones y la otra pierde electrones), tal como ocurre con la glucosa, principal alimento energético de los seres vivos, la cual al reaccionar con el oxígeno que respiramos para producir dióxido de carbono y agua. De esta manera se libera energía cuando las moléculas de glucosa y oxígeno (moléculas de alta energía) se transforman en moléculas de menor energía como (dióxido de carbono y agua). (Burns, 2004).
3.2.10. Energía potencial y montañas rusas
Las montañas rusas funcionan basándose en el principio de conservación de la energía y en las interconversiones de energía potencial en cinética que se alternan durante todo el recorrido. Cuando un carrito de montaña rusa asciende con ayuda de un motor hasta cierta altura, el sistema carro- tierra posee energía potencial gravitacional, cuando desciende, ésta se transforma en energía cinética, la cual le permite volver a ascender para luego descender, formándose un ciclo de transformaciones energéticas entre potencial y cinética, en la que parte de esa energía se pierde en forma de calor por la fricción del aire y de las ruedas del carro con los rieles.23
3.3. Referentes Didácticos 3.3.1 Importancia del concepto energía en la enseñanza de las ciencias Naturales
La energía constituye uno de los conceptos más básicos no solo de la Física, sino de otras ciencias (Solbes & Tarín, 2008). Su importancia reside en su carácter unificador de las diferentes disciplinas científicas y en su poder explicativo para la comprensión de una gran variedad de fenómenos naturales.
Es tan creciente la importancia del término energía en nuestra sociedad que hoy nos preocupamos por la denominada “crisis energética” a tal punto que los gobiernos piden el uso sustentable de los recursos energéticos (Doménech, J. J. L. et al. 2003).
El concepto energía no solamente es valioso en los currículos de ciencias naturales sino en el común de la gente. Su gran impacto en la sociedad se debe a que es unos de los mayores pilares en el desarrollo tecnológico de la humanidad: la energía está asociada al funcionamiento de las máquinas, la creación de armas nucleares,
23 Obtenido de ¿Cómo funcionan las montañas rusas? (2010).Física diaria.
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a los combustibles, a la biotecnología, en la generación de otras fuentes de energía más amigables con el ambiente, etc.
La presencia de la energía en campos tan diversos como la mecánica, la termodinámica, la electricidad, las reacciones químicas, los procesos bilógicos y geológicos, etc., hacen de esta un concepto básico para la educación científica (Doménech, J. J. L. et al, 2003).
Doménech, J. J. L. et al. (2003) indican que el estudio de la energía es imprescindible para la comprensión de los fenómenos naturales desde la unificación, lo cual es un verdadero hito en el conocimiento científico.
3.3.2 Dificultades en el aprendizaje del concepto energía
La relación del concepto energía con el sentido común o el lenguaje natural hace que se maneje una idea de ésta muy diferente al significado que tiene en el ámbito de las ciencias naturales. Por ejemplo, cuando se habla de bebidas energizantes se refuerza en el lenguaje común que la energía es una especie de “ingrediente”, expresiones como “no tengo energía para hacer esto” o “come para que tengas energía” hacen pensar que la energía es una especie de “depósito” que se acaba y que debemos recargar. Así mismo, es muy frecuente en el lenguaje cotidiano asociar el concepto de energía con los estados de ánimo o con el concepto de fuerza. (Velásquez López, 2012)
Sin lugar a dudas las ideas alternativas de los estudiantes se convierten en un serio obstáculo para su enseñanza, pero a su vez pueden servir como punto de partida para el diseño de propuestas didácticas tendientes a lograr el cambio conceptual.
Watts (citado por Sevilla Segura, C 1986) propone siete categorías de errores conceptuales respecto al término energía: i) la energía asociada a capacidades humanas; II) la energía como “depósito” para realizar actividades; III) la energía como “ingrediente” algo que no está almacenado en el sistema sino que aparece al interactuar con él; IV) La energía como actividad, por ejemplo, los cuerpos que se mueven tienen energía; V) la energía como producto de la actividad; VI) la energía como algo funcional y VII) la energía como “fluido” que se transfiere de un sistema a otro.
El hecho de que los estudiantes asocien la energía al movimiento de los cuerpos, se puede deducir lo lejos que está para ellos intuir la existencia de la denominada energía potencial, que es un tipo de energía almacenada por un sistema a la espera de ser transformada en otro tipo de energía (Velásquez López S.M, 2012).
Según Gallástegui Otero, J. R., & Lorenzo Barral, F. M.
Las dificultades de los estudiantes a la hora de reconocer la energía dependen también, en gran medida, de la forma de energía de que se trate. Las energías de
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tipo mecánico, como la cinética o la potencial gravitatoria, son reconocidas con mayor facilidad (...)
En cambio, la energía que suele llamarse de tipo químico, es decir, aquella asociada a la estructura química de las sustancias, no es entendida ni intuida con la misma facilidad.”
Gallástegui Otero, J. R., & Lorenzo Barral, F. M. (1993):
Estos mismos autores mencionan que a pesar de que la energía química está presente en todo el currículo a través de temas como la fotosíntesis, la combustión, la alimentación y nutrición o la disponibilidad de recursos, resulta difícil para los estudiantes entender por qué algunas sustancias “por ser ellas quienes son” pueden contener energía potencial. Esta denominada energía química no es otra cosa que energía potencial eléctrica, y está asociada a la configuración de los sistemas atómicos.
Otras dificultades estarían ancladas al uso indiscriminado del término energía tanto para referirse a las formas en que esta se presenta como a las fuentes de donde proviene, así por ejemplo decimos energía cinética y energía eólica (siendo la energía eólica la energía cinética del viento), creando confusión entre formas y fuentes de energía para realizar trabajo. (Arias, 2006.)
3.3.3. La metodología de enseñanza por indagación en las ciencias Naturales
La enseñanza de las ciencias, basada en la indagación se inscribe dentro de la línea del aprendizaje activo. El aprendizaje activo es aquel que involucra al estudiante en los procesos de adquisición del conocimiento a través de actividades que propicien la discusión, la experimentación, la manipulación, el trabajo en equipo, el interés, es decir, se basa en el aprender haciendo.
La metodología de enseñanza por indagación no es algo reciente puesto que se ha venido desarrollado desde 1910. Esta idea de enseñar ciencias haciendo uso de la indagación se le ocurrió a John Dewey. Para él los docentes podían hacer uso de los seis pasos del método científico para enseñar ciencias, involucrando activamente al estudiante en este proceso. (Uzcátegui, Y., & Díaz, C. B, 2013).
Joseph Schwab en 1966 sugirió el laboratorio como herramienta primordial en el proceso de indagación, y que éste debía emplearse no como complemento de la parte teórica sino como una forma de llegar a los conceptos y al conocimiento científico, en ese mismo año se redactan en los estados Unidos los Estándares Nacionales para la Educación en Ciencias, en este documento se define la indagación científica como una actividad polifacética que implica formular preguntas, plantear hipótesis, analizar diferentes fuentes de información,
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seleccionar métodos e instrumentos, proponer respuestas, explicaciones y comunicar resultados. (Garritz, 2010)
En Colombia el programa de pequeños científicos busca la transformación de los procesos de enseñanza-aprendizaje de las ciencias naturales en instituciones educativas de Colombia. La estrategia de enseñanza es la indagación guiada, en la cual se lleva a los niños a observar fenómenos de la vida cotidiana, formularse preguntas, plantear hipótesis, manipular objetos e instrumentos, analizar resultados y sacar conclusiones bajo la orientación del docente. (Rivas Marín, 2013).
El eje central de la metodología de enseñanza por indagación es propiciar ambientes de aprendizajes en que el estudiante interactué con la realidad que lo rodea formulándose preguntas que promuevan la búsqueda de información y la experimentación, actividades en las cuales el estudiante participa de manera activa en la construcción de su aprendizaje. La aplicación de esta metodología requiere una serie de etapas específicas (Uzcátegui, Y., & Díaz, C. B. 2013).
3.3.3.1. Etapas para la implementación de la metodología de enseñanza basada en la indagación
A nivel general son cinco las etapas que se requieren para desarrollar la metodología indagatoria: focalización, exploración, reflexión, aplicación y evaluación.
La etapa de Focalización: es la etapa en donde se debe propiciar el interés y la curiosidad del estudiante por saber más acerca del objeto de estudio. Se basa en la contextualización de una situación, que bien puede hacerse a través de una observación, una pregunta bien diseñada que motive resolverla, una situación problema o el relato de un suceso. Esta etapa permite extraer las ideas alternativas de los estudiantes y los conocimientos previos sobre el tema.
La etapa de la exploración: es la etapa en la que se va a fomentar el aprendizaje, es en ella donde los estudiantes hacen uso de su capacidad para desarrollar experiencias, analizar información, consultar diferentes fuentes, donde se confrontan puntos de vista y se argumentan ideas.
La etapa de la reflexión: es la etapa en la que el estudiante confronta sus puntos de vista con los resultados obtenidos de la experimentación y sus observaciones con la finalidad de sacar sus propias conclusiones. En esta etapa el docente introduce conceptos o términos que considere pertinentes para llevar al alumno a reflexionar y cuestionar su conocimiento frente al nuevo conocimiento científico que adquirió producto de su proceso de indagación.
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La etapa de aplicación: también llamada de extrapolación, en ella el estudiante
debe ser capaz de aplicar los aprendizajes logrados a situaciones de su vida cotidiana o asociarlo con avances de la ciencia y la tecnología. La evaluación se
realiza de forma permanente durante todo el proceso. (Devés, R., & Reyes, P, 2007).
3.3.4. Secuencia Didáctica
Antoni Zabala en su libro “La práctica educativa ¿Cómo enseñar?” define una secuencia didáctica como un “conjunto de actividades ordenadas, estructuradas y articuladas para la consecución de unos objetivos, que tienen un principio y un final conocidos tanto por el estudiante como por el alumnado” (p. 16). En otras palabras, una secuencia didáctica es una sucesión de actividades que tienen un propósito definido y que permiten alcanzar un aprendizaje significativo de conceptos o procedimientos.
Una secuencia didáctica debe contener actividades que permitan:
Identificar los conocimientos previos del que disponen los estudiantes
Establecer la relación entre lo que aprenden y el mundo en el que viven
Cuestionar los propios planteamientos
Promover la actividad mental y la participación activa del alumno
Proponer retos cognitivos con el fin de mantener una actitud favorable al
aprendizaje (Zabala, 2000)
Para el aprendizaje de conceptos y principios como el de energía, que son lejanos a la intuición o al lenguaje natural, en primer lugar es necesario que el estudiante observe y analice distintos fenómenos en los cuales se aplica el mismo concepto pero relacionado con distintas áreas de conocimiento o en distintos contextos. La idea central es que ningún concepto se puede asimilar individualmente, sino por el contrario distintos conceptos deben ser analizados simultáneamente para realmente hacer un aprendizaje significativo de ellos. De este modo el aprendizaje, y más específicamente de las ciencias, es más significativo en la medida que se haga de manera interdisciplinar.24
4. Metodología 4.1. Descripción general de la metodología
4.1.1 Tipo de Investigación
24 MF Suárez, “Ciencia y sociedad”, guía de estudio, UN, Bogotá, Colombia.
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El presente trabajo se describe dentro de la investigación de tipo cuasi experimental, pues con ésta se intenta estimar a través de una intervención didáctica basada en la indagación dirigida el grado de comprensión del concepto de energía potencial y su aplicabilidad a procesos físicos, químicos y biológicos en los estudiantes participes, sin necesidad de hacer comparaciones con grupo control.
4.1.2 Población y muestra
La población y muestra está conformada por los estudiantes de grado 9-01 de la Institución Educativa Alfonso López Pumarejo, jornada de la mañana, que consta de 43 estudiantes de ambos sexos con edades entre los 14 y 16 años y un nivel socioeconómico medio-bajo.
4.1.3 Diseño de la secuencia didáctica
La secuencia didáctica pretende que el aprendizaje de los conceptos científicos de energía, y particularmente de energía potencial, estén ligados con el desarrollo de habilidades científicas tales como: la capacidad para hacer preguntas, formular hipótesis, verificar hechos, observar, discutir, reflexionar sobres sus puntos de vistas, buscar información relevante y el análisis de datos a partir de un conjunto amplio de situaciones donde se utilice el concepto de energía potencial.
La secuencia está estructurada bajo los siguientes parámetros:
Tiempo Pregunta guía Desempeños esperados Actividades de aprendizaje
Dentro de las actividades que hacen parte de la secuencia didáctica están:
La identificación de los saberes previos de los estudiantes en relación con el concepto de energía potencial y los conceptos asociados a este tipo de energía (fuerza, aceleración y trabajo) se realizará mediante una prueba diagnóstico de 27 preguntas relacionadas con fenómenos naturales referentes a la física, la química y la biología y se complementará con una encuesta grupal.
La Planificación de las actividades por sesiones que se articulan a la pregunta central ¿Qué efecto tiene la variación de energía potencial entre dos cuerpos que están interaccionando? De la cual se desprenden las siguientes:
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Sesión 1: ¿Qué es la energía potencial? ¿Cómo puede variar la energía potencial de un sistema? Sesión 2: ¿Cómo funcionan las montañas rusas? Sesión 3: ¿Por qué se unen los átomos? Sesión 4: ¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras absorben energía? Sesión 5: ¿Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana? Sesión 6: ¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no?
Las actividades de aprendizaje sobre las cuales se orientará la aplicación del concepto de energía potencial, serán las siguientes:
Introducción a los conceptos de trabajo, fuerza y aceleración, así como una aproximación conceptual a lo que es energía y particularmente energía potencial.
Explicación de la variación de energía potencial en sistemas físicos simples como una montaña rusa o un patinador en una rampa en forma de u, e introducción a los conceptos de pozo y barrera de energía potencial.
Enlace químico explicado a partir de la variación de la energía potencial en función de la distancia interatómica, utilizando los conceptos de pozo de energía potencial y punto de mínima energía potencial.
Reacciones endotérmicas y exotérmicas, explicadas a partir la variación de energía potencial interna de los átomos y moléculas cuando ocurre la trasformación de reactivos a productos y ejemplificando a través de reacciones que ocurren en la naturaleza y en los seres vivos (metabolismo).
Analizar el potencial eléctrico de la membrana y sus efectos en el funcionamiento de un ser vivo y compararlo con un circuito básico RC.
Explicar el por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no a partir de la energía potencial de la superficie (tensión superficial).
Las actividades a desarrollar en la secuencia serán del tipo experimental, uso de herramientas tecnológicas (simulaciones, videos), de actividad mental y de análisis de situaciones que favorezcan el desarrollo de contenidos como: energía potencial, pozo de energía potencial, barrera de energía potencial, punto de mínima energía potencial y de los conceptos asociados a esta como trabajo, fuerza y aceleración.
Para la estimación de la intervención didáctica se hará una comparación del pre-test y el del pos-test aplicado a los estudiantes partícipes y el grado de conceptualización logrado por éstos en cada una de las actividades propuestas.
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4.1.4. Estructura de la secuencia didáctica
Para estructurar las actividades de la secuencia didáctica se tuvo en cuenta plantear situaciones o preguntas que permitieran identificar los conceptos previos de los que dispone el estudiante no solo a través del pre test sino también en cada una de las sesiones a trabajar, cumpliéndose de esta manera la primera etapa de la metodología de enseñanza basada en indagación, la focalización.
Para la etapa de exploración donde se requiere que el estudiante realice actividades discursivas, argumente sobre textos o pruebas, haga observaciones, experimente, indague, maneje información, formule hipótesis, haga predicciones, y teniendo presente que no siempre es posible hacer experiencias de laboratorio de manera directa, ya sea porque no se cuentan con los equipos y/o materiales necesarios, se hace uso de videos y de simuladores que sin lugar a dudas aparte de ser material introductorio a un tema pueden utilizarse para generar actividades de aprendizaje significativas que promuevan la actividad mental y la participación del alumno. En esta secuencia se hace uso de videos, material de aprendizaje y de simuladores disponibles en línea, donde sus autores y fuentes son debidamente referenciadas, y de libre uso para fines académicos.
Para la etapa de reflexión donde el estudiante debe confrontar sus puntos de vista con los resultados obtenidos se realiza a través de la puesta en común, la formalización de los conceptos, la identificación de aciertos y desaciertos, a fin de que el estudiante se persuada frente al nuevo conocimiento científico que adquirió producto de su proceso de indagación. Para la etapa de aplicación se plantean situaciones para que el estudiante observe la funcionabilidad de los conocimientos trabajado en las sesiones y para lo cual se hace uso de las conexiones entre ciencia, tecnología y sociedad. Además como actividades de aprendizaje de profundización se plantean tareas que permiten la transversalidad entre los procesos físicos, químicos y biológicos, como lo son la actividad de comparación de una membrana celular con un circuito RC y la actividad de reacciones químicas y metabolismo, o actividades que permiten ampliar los conocimientos frente a un tema como la guía de entropía y entalpia en las reacciones químicas.
El uso de la bitácora o cuaderno de ciencias constituye una herramienta que facilita el registro de todos los procesos que se llevan a cabo durante la indagación y que promueve el desarrollo del pensamiento científico, facilitando la comunicación de los conocimientos adquiridos y la verificación de las actitudes asociadas a la investigación.
A continuación se presenta la secuencia global de actividades de enseñanza aprendizaje que constituyen la secuencia didáctica propuesta para introducir el concepto de energía potencial a partir del análisis de algunos fenómenos naturales:
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Tabla 1. Matriz global de la secuencia didáctica energía potencial y su aplicabilidad a
cinco fenomenos de las ciencias naturales
Secuencia global de enseñanza
Pregunta dinamizadora
Actividades de aprendizaje Recursos de aprendizaje
Sesión 1
¿Qué es la energía potencial y como varía en función de la distancia
El docente realiza una exploración de las ideas previas de los estudiantes acerca de los conceptos de energía, energía potencial, trabajo, fuerza, y aceleración y realiza una puesta en común.
Luego los estudiantes indagarán acerca de estos conceptos con el fin de que los confronten con sus ideas.
Los estudiantes a través de experiencias y demostraciones podrán visualizar los conceptos indagados sobre fuerza, trabajo y aceleración.
Para la comprensión de las interconversiones de una forma de energía en otra se trabajará con el applet energy-forms-and-changes (PhET colorado) y se propone una actividad escrita sobre los aprendizajes desarrollados.
Finalmente para abordar el desarrollo histórico del concepto energía el docente propone una lectura grupal y la construcción cooperativa de una línea de tiempo de la evolución de éste concepto.
Proyección videos
Simulador cambios y formas de energía (PhET University of Colorado at Boulder, 2011).25
Bitácora del Estudiante
Materiales para las
demostraciones y
experimentos:
Un péndulo
Generador de energía eléctrica a partir de un dinamo
Batería de limones, un masmelo y una jeringa, una pelota, un aro.
Lectura “Breve evolución histórica del concepto energía”
25 PhET ofrece simulaciones divertidas, gratuitas e interactivas de ciencias y matemáticas que se basan en la investigación para garantizar un aprendizaje exitoso.
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Sesión 2
¿Cómo funcionan las montañas rusas?
El docente realiza una recordación de los aprendizajes de la sesión anterior y una exploración de ideas previas acerca del funcionamiento de la montaña rusa y de las sensaciones que ellos han experimentado en ella a través de una puesta en común
Luego los estudiantes a través del simulador Energy and Motion (Discovery! Simulations) conocerán los fundamentos físicos del funcionamiento de las montañas rusas e identificarán las barreras de energía potencial.
Para complementar las actividades se trabajará como extra clase el simulador energy-skate-park (PhET colorado) y se propone una actividad escrita sobre los aprendizajes desarrollados.
Guía de trabajo
Simulador Pista de patinar energía (PhET University of Colorado at Boulder, 2011).24
Simulador Energy and Motion (Discovery! Simulations)26
Bitácora del Estudiante
Sesión 3
¿Por qué se unen los átomos?
El docente realiza una exploración de ideas previas acerca de la unión de los átomos y realiza una puesta en común.
Se les pedirá a los estudiantes que escriban sus predicciones sobre la fuerza de interacción, la energía y la distancia de enlace de algunas parejas de átomos propuestas, primero de manera individual y luego grupal.
Los estudiantes en grupos de dos trabajarán con el simulador Interacciones Atómicas (PhET
Simulador interacciones atómicas (PhET University of Colorado at Boulder, 2011). 24
Bitácora del Estudiante
26 Este simulador hace parte de las páginas abiertas para visitantes o usuarios sin requisitos de contraseña de la plataforma https://www.eduplace.com/kids/hmsc/ que pueden ser usada para fines académicos, tal como se especifica en la página de condiciones y uso http://www.hmhco.com/common/k-12-learning-platforms-terms-of-use
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Colorado) y realizarán la guía propuesta con el fin de que puedan constatar sus ideas acerca del enlace químico con lo observado en el simulador.
Los estudiantes elaborarán un mapa conceptual acerca de lo aprendido sobre enlace químico.
Guía de trabajo
Sesión 4
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras la adsorben?
El docente realiza una exploración de ideas previas acerca de las reacciones químicas pidiéndoles que analicen una ecuación química que describe la reacción entre dos átomos de cloro y dos de hidrógeno, y a través de la pregunta ¿cómo funciona un fósforo?
Después de que los estudiantes expresen cómo creen ellos que funciona un fósforo, se proyecta un video que explica su funcionamiento, propiciando de esta manera que los estudiantes replanteen sus ideas previas. Se introduce de esta manera la idea de reacciones exotérmicas.
Seguidamente para hablar de una reacción endotérmica se muestra un video de la reacción del cloruro de amonio y el hidróxido de bario y se hacen preguntas al respecto.
Luego se les pedirá a los estudiantes que con los materiales asignados describirán el procedimiento que deben seguir para comprobar los intercambios de energía que ocurren en las reacciones químicas.
Finalmente los estudiantes resolverán una guía de trabajo.
Proyección de videos
Bitácora del Estudiante
Materiales y reactivos para experimentos:
Un vaso de icopor Termómetro Granalla de zinc Ácido clorhídrico
Nitrato de amonio, agua, espátula, vidrio de reloj
Guía de trabajo sobre espontaneidad de las reacciones o procesos
Lectura complementaria: Energía y metabolismo.
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Sesión 5
Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana
El docente realiza una retroalimentación de la lectura de la sesión anterior acerca de las principales formas de energía presente en los seres vivos, las transformaciones energéticas que ocurren en las células y el trabajo biológico realizado por las células.
Luego los estudiantes realizarán la guía de trabajo propuesta para el análisis del potencial de membrana en reposo y acción.
Finalmente los estudiantes realizarán una lectura sobre un circuito básico RC y los componentes de la membrana celular con el fin de encontrar la equivalencia entre las membranas biológicas y un circuito básico RC.
Los estudiantes representarán el potencial de membrana a través en una maqueta móvil.
Proyección de videos sobre
¿Qué es voltaje?
Potencial de reposo y acción.
Electricidad animal
Bitácora del estudiante
Guía de trabajo
Sesión 6
¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no?
El docente realiza una exploración de ideas previas acerca del proceso de humectación.
A través de demostraciones se les explicará a qué hace referencia el mojado parcial, total y nulo.
Los estudiantes harán una lectura sobre el proceso de humectación y el docente despejará las dudas que surjan de la misma.
Finalmente, los estudiantes realizarán dos actividades experimentales sobre el proceso de humectación, haciendo predicciones y constatándolas con los resultados obtenidos.
Proyección de videos
Bitácora del Estudiante
Guía de trabajo
Materiales para los experimentos: Agua, alcohol, aceite de cocina, glicerina, mantequilla, poliestireno, madera, grafito, vidrio, cerámica, jabón.
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. Resultados y Análisis
El test de ideas previas se encuentra en el anexo A: Test de exploración de ideas previas. Los resultados más importantes de este ejercicio se explican a continuación.
5.1. De las concepciones alternativas de los estudiantes A continuación se describen los resultados del pres test (Anexo A)
En la pregunta relacionada con las fuentes y formas de energía (ítem 1) se obtuvo que el 100% de los estudiantes (43, n=43) no distinguen entre las formas y las fuentes de energía, además se encontró que la forma de energía menos conocida es la masa, un 90% (39, n=43) de los estudiantes no la seleccionó como respuesta, seguida de la materia y energía oscura con un 81,39% (35, n=43) y la radiación electromagnética con un 74,41 %(32, n=43). Por otra parte un 53% de los estudiantes (23, n=43) consideró la “energía positiva” como una forma de energía, lo que permite detectar que los estudiantes asocian el concepto de energía con los estados de ánimo. Es importante anotar que ningún estudiante escogió la opción de respuesta correcta que correspondía a señalar la energía cinética, energía potencial, energía electromagnética, materia, materia oscura y energía oscura.
De manera general la energía potencial es aquella que posee un cuerpo debido a su posición respecto a otro con el que interacciona mediante una fuerza natural, las respuestas de los estudiantes acerca de este concepto (ítem 2) se tiene que el 100% (43, n=43) de los estudiantes asocian este tipo de energía con el movimiento de los cuerpos, lo cual pone manifiesto la idea alternativa de los estudiantes de que todo lo que tiene movimiento tienen energía y los cuerpos estáticos no la tienen.
Respecto a la selección de las situaciones en donde existe energía potencial (ítem 3), se tiene que todas las opciones de respuesta fueron seleccionadas por los estudiantes, sin distinguir que entre las opciones había dos situaciones en las que no se podía hablar de energía potencial (en un automóvil en movimiento que fue seleccionada por el 58,13% (25 n =43) y en la radiación electromagnética que fue escogida por el 32,55% (14, n=43)). Es decir, solo el 9,32% (4, n=43) no escoge estas opciones. Aunque los estudiantes también escogen las situaciones donde se puede hablar de la energía potencial, la explicación que estos dan al hecho de que esta exista está ligada al movimiento. Así, por ejemplo, para el 39,53%(17, n=43) de los estudiantes entre dos átomos separados a una distancia existe energía potencial porque “hay una fuerza que los hace mover”. Para el 46,51%( 20, n=43), en el resorte existe energía potencial porque “cuando se estira y se suelta el resorte se mueve”. Para el 55.81% (24, n=43), en un clavadista ubicado a 2 m de la tierra existe energía potencial porque “cuando se lanza se mueve”. Con respecto a la radiación electromagnética el 32,55% (14, n=43) dice que existe energía potencial
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porque “la luz se mueve y llega a la tierra”. En el caso de la batería cargada, esta fue escogida por el 32,55% (14, n=43) y la tensión superficial por el 11,62% (5, n=43). Las respuestas son variadas, así hay los que afirman que si existe energía potencial y la sustentan en el movimiento de las cargas eléctrica dentro de la batería y en el movimiento de las moléculas del agua. Otros que afirman que no hay tales movimientos. Estas respuestas reflejan que los estudiantes en su mayoría asocian el concepto de energía con el de movimiento; es decir, no reconocen la existencia de un tipo de energía asociada a la posición y configuración de los sistemas.
Para la pregunta relacionada con la variación de la energía potencial gravitacional del sistema cometa- sol en función de su distancia (ítem 4), cuya respuesta correcta era que la energía potencial gravitacional del sistema aumenta cuando el cometa se aleja del sol, se observó que el 34,88% (15, n=43) de los estudiantes considera que la energía potencial gravitacional aumenta cuando el cometa está más cerca del sol y lo sustentan diciendo que “el cometa tiene que moverse más rápido cuando está cerca del sol para no estrellarse con él, por eso hay mayor energía potencial en ese momento”. Para el 18,60% (8, n=43) la energía potencial gravitacional disminuye cuando el cometa se aleja del sol porque, por ejemplo, “el cometa ya no está tan atraído por el sol y puede moverse más rápidamente”. En ambos casos se observa lo persistente de la idea de asociar la energía con movimiento. El 46,51 % restante (20, n=43) considera que no existe variación de la energía potencial gravitacional en función de la distancia entre el cometa y el sol debido a que la energía se conserva. Cuando se les preguntó acerca de la conservación de la energía expresaban ideas como que la energía se conserva “porque no se gasta” o porque “se recupera, es decir, queda igual”. Parece ser que los estudiantes asumen que la energía se conserva cuando permanece inalterable durante un proceso o que se recupera cuando se gasta, lo que pone de manifiesto que los estudiantes no comprenden la conservación de la energía asociada a la idea de transformación, degradación y transferencia, y que la consideran como un depósito que hay que volver a llenar o recargar.
Esta misma idea de conservación se ve reflejada en el ítem 5 donde el 79% de los estudiantes (34, n =43) asume que cuando una fuerza conservativa realiza trabajo sobre un sistema la energía potencial del sistema se conserva y para el 21% restante (9, n=43) la energía potencial del sistema no varía, de lo cual se deduce que no reconocen el trabajo como una forma de transferencia de energía y mucho menos que el trabajo realizado por una fuerza conservativa conlleva a una variación de la energía potencial. Teniéndose que ningún estudiante escoge la respuesta correcta que es la energía potencial pasa de un valor inicial a un valor final.
Con respecto al concepto de fuerza (ítem 6) el 37,20%(16, n=43) de los estudiantes asocian la fuerza con levantar cosas pesadas, un 30,23%(13, n=43) la asocian con energía, un 18,60%(8, n=43) con halar, el 6,97%(3, n=43) con esfuerzo y el 6,97% restante (3, n=43) con realizar actividades que agotan, es decir, no tienen idea que el concepto físico de fuerza es que ésta somete un cuerpo a una aceleración.
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Cuando se les pidió asociar a cada imagen las fuerzas que se presentaban entre los cuerpos que interactúan (ítem 7), se obtuvo que para la imagen de un niño deslizándose en un resbaladero un 11,62% (5, n=43) de los estudiantes no respondió, el 60,46% (26, n=43) reconoce que actúa la fuerza de rozamiento, el 27,90% (12, n=43) menciona a la fuerza de gravedad. En la imagen de la manzana cayendo del árbol al suelo el 93% (40, n=43) menciona la fuerza gravitacional y el 7% restante (3, n=43) no respondió. En la imagen del imán atrayendo a unos clavos, el 93% (40, n=43) menciona la fuerza magnética y el 7% restante (3, n=43) no respondió. Para la imagen de una niña frotando un globo en su ropa y luego acercándolo a su cabello se tienen que el 67,44% (29, n=43) menciona la fuerza eléctrica, el 4.65% (2, n=43) menciona la fuerza magnética, el 4.65% (2, n=43) la fuerza gravitacional, el 16.27% (7, n=43) reconoce la fuerza de rozamiento y el 6,97% (3, n=43) no respondió. Para la imagen de los protones y neutrones de un núcleo atómico se tiene que el 53,48% (23, n=43) menciona la fuerza eléctrica, el 37,20% (16, n=43) identifica a la fuerza nuclear fuerte, el 4,65% (2, n=43) menciona a la fuerza gravitacional, y el 4,65% restante (2, n=43) no respondió.
Con respecto a las fuerzas conservativas (ítem 8) se observó que el 100% de los estudiantes no las distinguen claramente puesto que señalan tanto fuerzas conservativas como no conservativas. Acerca del concepto de aceleración (ítem 9) el 100% de los estudiantes asocian la aceleración con un aumento de velocidad, o con mayor rapidez.
De las preguntas asociadas a la imagen de un balón de baloncesto rebotando a iguales intervalos de tiempo sin fricción del aire (ítems 10, 11,12 y 13) se pudo constatar que el 30,23% (13, n=43) considera que la aceleración es mayor cuando el balón está cerca del piso, para el 51.16% (22, n=43) es mayor al inicio del rebote, el 11,62% (5, n=43) piensan que la aceleración será cero en la máxima altura y el 6,97% (3, n=43) escoge la opción correcta, que la aceleración será la misma en todo momento. Con respecto a la fuerza que actúa sobre el balón el 48,83% (21, n=43) piensa que es mayor al inicio del rebote, el 27,90% (12, n=43) que la fuerza es mayor cuando está cerca del piso, el 13,95% (6. n=43) que la fuerza es cero cuando está a la máxima altura y solo el 9,30% (4, n=43) escoge la opción correcta de que la fuerza es la misma en todo momento. Con respecto a la energía cinética solo el 23,25% (10, n=43) responde correctamente que la energía cinética es mayor en la medida que el balón esté más cerca del piso, en cuanto a la energía potencial tan solo el 27,90% (12, n=43) responde correctamente que la energía potencial es mayor cuando está en la máxima altura, es decir la mayoría de estudiantes no distingue claramente durante el rebote donde el sistema posee mayor energía potencial y cinética. Un 30,23% (13, n=43) no identifican las transformaciones de energía que se verifican en un evento, en este caso el rebote de un balón.
Con respecto al concepto de trabajo (ítem 14 y 15) el 100% de los estudiantes no reconoce su significado en física, que es el producto de la magnitud de la fuerza y la magnitud del desplazamiento. Es decir, asocian el concepto de trabajo con
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esfuerzo físico, por tanto, para ellos se realiza más trabajo cuando se sube un barril directamente del suelo a una mesa, que cuando se sube el mismo barril a la mesa pero usando una rampa.
De igual forma, cuando se les pidió señalar las imágenes donde se verificara una transferencia de energía (ítem 16) el 100% de los estudiantes señala la respuesta correcta, es decir, todas las imágenes, pero al preguntársele el por qué, solo explicaban correctamente las imágenes asociadas al calor. Aquellas asociadas al trabajo decían que había transferencia de energía por que se hacía una fuerza y que para hacer una fuerza se necesitaba de energía. Con lo que se constata que los estudiantes no reconoce el trabajo como una forma de transferencia de energía.
Las ideas de los estudiantes con respecto al enlace químico (ítems 17, 18, 19 y 20) arrojan que el 90,69% (39, n=43) de los estudiantes piensa que la energía potencial del sistema aumenta al unirse los átomos, cuando realmente disminuye. En general los estudiantes piensan que al tener más átomos el sistema tendrá más energía. Es decir, los estudiantes desconocen la tendencia de los cuerpos a minimizar la energía potencial. El 48,83% (21, n=43) considera que los átomos se unen cuando las fuerzas de atracción entre ellos son mayores que las de repulsión, es decir, piensan que las fuerzas de atracción son las únicas responsables de agrupar los átomos., cuando las fuerzas que actúan sobre ellos son de repulsión y atracción.
El 27,90% (12, n=43) piensa que cuando la distancia entre los átomos es nula las fuerzas se equilibran. Para este grupo de estudiantes los átomos se fusionan para formar un enlace, desconociendo por completo que al acercarse demasiado predominan las fuerzas repulsivas (protón-protón y electrón-electrón), y solo el 23,25% (10, n=43) responde correctamente que cuando la distancia entre ellos sea aquella en la que las fuerzas netas sobre cada átomo sean cero se forma el enlace químico.
Con respecto a la energía de enlace el 37,20% (16, n=43) piensa que la ruptura de un enlace conlleva a liberar energía, el 34,88 (15, n=43) considera que conlleva a disminuir la energía, el 6,97% (3, n=43) considera que se emite calor y solo el 20,93% (9, n=43) responde correctamente que para romper un enlace se debe absorber energía.
Con respecto a las ideas de los estudiantes sobre reacciones químicas y la espontaneidad con que estas ocurren en la naturaleza (ítems 21, 22 y 23), se obtuvo que el 72% de los estudiantes (31, n= 43) piensa que durante una reacción química exotérmica que ocurre de manera natural la energía potencial aumenta al formarse los productos, cuando ésta disminuye al formarse los productos. La explicación que estos dan es, por ejemplo, “porque al romperse los enlaces para formar unos nuevos se libera energía”, cuando realmente se absorbe, y el 27,90% (12, n=43) que la energía potencial no cambia durante la reacción y en palabras de los estudiantes “porque se conserva, es decir, no cambia”. Por otra parte, el 100% (43, n=43)
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responde correctamente que la reacción de combustión es un proceso espontaneo y liberador de energía porque produce gran cantidad de calor y luz. (Ítem 23).
Con respecto al funcionamiento de una montaña rusa (ítems 24 y 25) el 100% de los estudiantes reconoce que la altura inicial donde se ubica el carrito para iniciar la travesía es fundamental para que este puede remontar sin ninguna dificultad cada tramo del recorrido, sin embargo, llama la atención que durante la explicación hablen de impulso o fuerza y no de energía potencial tal como lo indican en las respuestas, queriendo decir esto que los estudiantes no reconocen que una montaña rusa funciona aplicándose el principio de conservación de la energía y que asocian el concepto de energía con fuerza.
Con relación al potencial de membrana (ítems 26 y 27) se tiene que el 86% (37, n=43) considera que el potencial de membrana hace referencia a la distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana, el 4,7% (2, n=43) que hace referencia a la permeabilidad de la membrana y el 9,30% restante (4, n=43) a la transferencia de cargas eléctricas a través de la membrana. Con respecto al voltaje presente en las membranas celulares solo el 7% de los estudiantes (3, n=43) responde correctamente que este voltaje es utilizado por la célula para realizar trabajo mecánico y químico, ya que las células se mueven y dejan pasar sustancias través de su membrana, y el 93% restante (40, n=43) que lo utiliza para mantener el potencial de membrana. Es decir, estos estudiantes no asumen un cambio en el potencial cuando las células reciben algún tipo de estímulo.
A continuación se muestran los resultados de esta actividad, teniendo en cuenta el porcentaje de estudiantes que contestaron acertadamente cada pregunta:
Ilustración 15 gráfica de barras resultados Pre test
De manera general, se evidencia las debilidades que presentan los estudiantes en
torno a los conceptos de trabajo, aceleración, energía potencial y cinética, y que no
tienen claro la explicación científica de algunos fenómenos naturales. Estos
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resultados permitieron plantear las seis sesiones de la secuencia didáctica, cuyo
principal objetivo era fortalecer estos conceptos de forma cualitativa, y constatar la
pertinencia de realizar esta intervención didáctica.
5.2 De las actividades de la secuencia didáctica
Observaciones generales
Durante el desarrollo de las actividades los estudiantes se mostraron bastantes interesados por aprender y por hacer preguntas relacionadas con otros fenómenos. Algunas de las inquietudes formuladas por los estudiantes fueron: ¿Por qué los aviones no se caen? ¿Por qué al caminar en el agua sumergido hasta el cuello se es menos veloz que al caminar en la superficie? ¿Qué mantiene a un carrito de montaña rusa sobre la vía? ¿En el aire hay enlaces químicos? ¿Después de que dos átomos se repelen, pueden volverse a unirse? ¿Qué pasaría si no existiera la fuerza de fricción? ¿Por qué no pueden pasar los electrones directamente de un complejo a otro en la mitocondria sin ayuda de la ubiquinona y el citocromo c? ¿Por qué el corazón sigue latiendo aunque uno no se respire por cierto tiempo?
Como la metodología utilizada se basaba en la indagación, no se procedió a contestar las preguntas inmediatamente sino que se le pidió a los estudiantes que investigarán y elaborarán las respuestas. Luego de hacer una puesta en común, se dio respuesta a las inquietudes con la participación de los estudiantes, formalizándose de ésta manera los conceptos que dan respuesta a estas inquietudes. De esta manera se evidenció una de las ventajas de la metodología basada en la indagación, que corresponde a que los estudiantes se hacen preguntas del contexto que los rodea.
Durante las sesiones de clases la participación de los estudiantes fue activa y se observó un progreso en la mayoría de ellos al utilizar un lenguaje cada vez más elaborado para expresar sus ideas previas y para escribir los resultados obtenidos durante las actividades. Por ejemplo, al explicar el funcionamiento de un fosforo desde su razonamiento espontáneo un estudiante dijo que “un fósforo enciende ya que al haber fricción entre el fosforo y la banda lateral de la caja, se origina el calor necesario para que los componentes de los que está hecho el fósforo reaccionen y este se prenda emitiendo llama”.
Al momento de realizar los experimentos y proponer los procedimientos que se debían llevar a cabo para comprobar sus hipótesis los estudiantes se mostraron bastante proactivos e indicaron correctamente el procedimiento para determinar la variación de energía de reactivos a productos durante una reacción química.
El trabajo con applets y simuladores les llamó poderosamente la atención y fue muy divertido para ellos, a su vez les permitió analizar datos y variables como en
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cualquier práctica de laboratorio. Los experimentos desarrollados fueron una herramienta eficaz para el aprendizaje de los conceptos, por el hecho de manipular materiales, reactivos, medir, observar cambios, medir, pesar, etc.
La metodología por indagación en la que se inscriben las actividades de la secuencia logró despertar en los estudiantes una actitud positiva hacia la ciencia, esto se vio reflejado no solo en aquellos estudiantes a los que le gusta la ciencia si no en aquellos que normalmente se muestran poco interesados por ésta y que durante las actividades se percibieron más motivados e involucrados.
Los estudiantes reconocen que han aprendido conceptos que les permiten entender desde la ciencia las cosas que observan a su alrededor. De igual manera reconocen que lo que han aprendido les va a servir para llevar cierta idea de alguno de los conceptos que van a trabajar en las asignaturas de física y química en la media vocacional, las cuales generan bastante expectativa y curiosidad en ellos.
A continuación describo las observaciones más generales realizadas durante el desarrollo de cada una de las sesiones de la secuencia didáctica:
Sesión 1: introducción a los conceptos de energía, trabajo, energía potencial, fuerza y aceleración
Los estudiantes inician esta sesión pensando que la fuerza tiene que ver con la condición física de una persona, idea proveniente quizás de lo aprendido en la asignatura de deporte, también relacionan este concepto con la acción de halar, empujar, sostener o levantar algo pesado, pensamiento proveniente de su experiencia cotidiana.
Ejemplo de las ideas previas de algunos estudiantes sobre los conceptos a trabajar durante las sesiones de introducción al significado de energía potencial son los siguientes:
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Para introducir el concepto de fuerza el docente pidió a los estudiantes que
realizarán algunas actividades como: soltar una pelota o lanzarla verticalmente
hacia arriba, detener una pelota en movimiento o patearla para desviarla de su
trayectoria, correr atendiendo diferentes coordenadas, y a través de un diálogo
socrático los condujo a comprender que el concepto de aceleración se refiere al
cambo de velocidad de un cuerpo respecto al tiempo, y que la fuerza es “toda acción
capaz de someter un cuerpo a una aceleración”.
Estudiantes observando que la aceleración
que experimentan los objetos de diferente
masa es la misma.
Estudiantes observando el cambio de
velocidad de la alumna que
realiza la actividad de correr según las
coordenadas
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Estudiante observando el cambio de
velocidad de una pelota lanzada
verticalmente hacia arriba.
Estudiantes observando que la
aceleración que experimentan los
objetos de diferente masa es la misma
.
Los conceptos de fuerza y aceleración fueron fácilmente aprendidos por los estudiantes, ya que éstos daban ejemplos y parafraseaban su significado. También durante el desarrollo de esta sesión se logró que los estudiantes ampliaran su conocimiento acerca de cuáles son las fuerzas de la naturaleza, ya que únicamente reconocían la fuerza eléctrica, magnética y la gravitacional, y ahora conocen que existen otras fuerzas fundamentales como la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y otros tipos de fuerza como: la fuerza normal, la fuerza de fricción, la fuerza centrípeta.
Cuando se les habló del concepto de trabajo se observó que los estudiantes lo entendían como el acto de realizar una actividad física o mental, en su razonamiento sobre eventos cotidianos asumen que “entre mayor sea la fuerza más trabajo se realiza” en su idea de trabajo los estudiantes no tienen en cuenta el cambio que experimenta la materia producto de esa fuerza.
Para lograr una aproximación al concepto de trabajo, se les pidió a los estudiantes realizaron las siguientes actividades: estirar una bomba, empujar una pared, sostener un maletín por 5 minutos, subir la escalera sosteniendo un maletín en la espalda y comprimir un masmelo dentro de una jeringa. A partir de estas actividades se realizaron preguntas acerca de los cambios observados en el cuerpo u objeto sobre el cual aplicaban fuerza y finalmente se llevó a los estudiantes a concluir que trabajo se refiera a “la capacidad de producir transformaciones de energía potencial o cinética en la materia aplicando fuerzas”.
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Los estudiantes se mostraron bastante sorprendidos cuando se les explicó por qué al empujar una pared y al sostener un maletín por 5 minutos, o al caminar con una caja al hombro no se realiza trabajo, a partir de esta situación los estudiantes comprendieron que se realiza trabajo cuando la fuerza aplicada tienen una componente en el mismo sentido del desplazamiento y que no se ha realizado trabajo si no ha ocurrido un cambio en la energía potencial del objeto o en su velocidad.
Ejemplo de las respuestas dadas por un estudiante acerca de si se realiza o no trabajo.
Para introducir el concepto de energía y de energía potencial los estudiantes observaron videos y trabajaron con los applets las actividades propuestas, a partir de estas actividades para los estudiantes queda claro que la energía se transforma y se transfiere, no siendo tan entendido por ellos que la energía se conserve y se degrade. Preguntas formuladas al respecto de esta dificultad fueron por ejemplo, ¿por qué si la energía se conserva, tenemos que comer todos los días? En el applet se veía que se debía darle comida al ciclista para que siguiera pedaleando, porque la energía disponible para hacer trabajo del ciclista se había acabado.
Era evidente que los estudiantes no tenían claro el principio de conservación de la energía, para explicarles les dije que era necesario comer o alimentar al ciclista porque la energía potencial química de los alimentos en el cuerpo de los seres vivos se transformaba en otras y en el caso del ciclista se transformó en energía cinética al pedalear, y que en esas transformaciones energéticas parte de esa energía se transfiere en forma de calor hacia los alrededores. En el caso del ciclista además del calor, otra parte de la energía cinética se transformó en energía eléctrica que encendió el bombillo a través de un dinamo.
Se hizo énfasis en que debido a estas transformaciones y trasferencias de energía, la energía potencial química de los alimentos no se acababa sino que simplemente se transformaba, y que en esas transformaciones se “degradaba perdiendo calidad” para ser utilizada en subsiguientes transformaciones, pero se conservaba porque la suma de todas las transformaciones energéticas y el calor transferido a los
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alrededores era la misma cantidad. Esto demuestra que a pesar de la instrucción los estudiantes siguen pensando que “la energía se gasta o se acaba”.
Aunque los estudiantes entienden que una forma de energía se trasforma en otra y citan algunos ejemplos de esas trasformaciones, al igual que recitan de memoria la célebre frase que describe el principio de conservación de la energía “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”, éstos no logran vincular el hecho de la degradación de la energía inherente a estas transformaciones. Esto se debe en gran medida a que por fuera de la escuela los estudiantes están rodeados de una gran cantidad información audiovisual que refuerza esta idea errónea.
Por ejemplo, un estudiante refirió que su mamá le dice que no se acueste tarde porque debe recobrar la energía que perdió en el día, frases como esta influyen en el aprendizaje del concepto energía haciendo que persistan las dificultades para contextualizarlo.
Estudiantes trabajando el applet de Estudiantes estirando una bomba elástica
transformaciones energéticas
Estudiantes comprimiendo un masmelo en una Estudiantes en la socialización de las
jeringa actividades
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Sesión 2: ¿Cómo funciona una montaña rusa?
Inicialmente la mayoría de los estudiantes pensó que el funcionamiento de una montaña rusa se basaba en la utilización de un motor que le daba potencia a los vagones y los impulsaba durante todo el recorrido. Es evidente que los estudiantes no distinguen el significado físico del concepto potencia y asumen que ésta se refiere al poder o fuerza necesaria para realizar algo y no a la rapidez con la que se realiza un trabajo.
Después de trabajar con el simulador y realizar el laboratorio virtual propuesto, se observó que el los estudiantes pudieron reconocer que el funcionamiento de una montaña rusa se basa en la ley de la conservación de la energía, identificando también que durante todo el recorrido se dan sucesivas transformaciones de energía potencial y cinética.
Imagen del laboratorio virtual del simulador Energy and Motion, en él los estudiantes pudieron identificar las barreras de energía potencial, tal como se ilustra en la siguiente imagen.
Para los estudiantes fue fácil entender que un cuerpo ubicado a cierta altura respecto a la tierra almacena energía potencial gravitacional, debido a la posición que éste tiene en el campo gravitatorio de la tierra.
Los estudiantes entendieron que las sensaciones que se manifiestan en las personas que suben a una montaña rusa se deben a los cambios de velocidad que se experimentan durante el recorrido, identificando también los tramos del recorrido en los que la velocidad aumenta, disminuye o es constante.
A través del laboratorio virtual que ofrece el simulador Energy and Motion que permitía cambiar los bucles e inclinaciones del recorrido de la montaña rusa, los estudiantes también lograron comprender que los bucles o inclinaciones de una montaña rusa deben ser de menor altura que la colina donde se inicia el recorrido,
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de tal manera que el carrito tenga la suficiente energía potencial para remontar sin dificultad las subsiguientes subidas.
Con respecto a las fuerzas que actúan en una montaña rusa, los estudiantes reconocen que éstas son: la fuerza gravitacional, la fuerza normal y la fuerza centrípeta.
Estudiantes trabajando las actividades en grupo Estudiante trabajando con el simulador Energy
and Motion
En esta sesión se volvió a trabajar el principio de la conservación de la energía, en este caso el de la energía mecánica, para que los estudiantes hicieran una comparación entre la conservación de la energía con y sin fricción, se les pidió que observarán detenidamente las gráficas que mostraba el applet pista de patinar de PhET Colorado en dos situaciones:
1. Cuando el patinador patinaba en una pista con fricción 2. Cuando el patinador patinaba en una pista sin fricción. A continuación se presentan imágenes del simulador Pista de patinar con el cual los estudiantes trabajaron la guía de extraclase.
Imagen del patinador en una pista sin fricción, en donde los estudiantes reconocen las interconversiones de energía potencial a cinética y viceversa y lo observan a través de diagramas de barras.
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Imagen del patinador en una pista con fricción, en donde además de ver los las
interconversiones de energía potencial a cinética y viceversa, observan el efecto de
la fricción sobre estas interconversiones de energía, la disipación de energía en
forma de calor.
Al pedirles que hicieran esta comparación los estudiantes notaron que en la pista
de patinar sin fricción no aparecía la barra de energía térmica y en la que había
fricción sí, también se dieron cuenta de que en ambos casos la energía total del
sistema se mantenía constante, pudiendo de esta manera establecer el efecto de la
fricción sobre la conservación de la energía mecánica.
A continuación un ejemplo de la bitácora de una estudiante con algunas respuestas
después de utilizar el simulador Energy and Motion:
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Sesión 3. ¿Por qué se unen los átomos?
Los estudiantes inician esta sesión pensando que los átomos se unen hasta fusionarse en una masa de mayor tamaño, y que al romperse un enlace químico se libera energía. Cuando se les preguntó por la variación de la energía potencial en función de la distancia dijeron que cuando se unen la energía potencial aumenta porque “al haber más átomos hay más energía”.
Al preguntárseles ¿qué pasa cuando dos átomos están muy próximos entres sí? todos los estudiantes, a excepción de tres, pensaron que se formaba un enlace. Es decir, los estudiantes solo conciben la fuerza de atracción entre dos átomos como la fuerza responsable de la unión de los mismos y no tienen en cuenta a la fuerza de repulsión electrónica y nuclear que se presenta en éstos.
Cuando se les representó en el tablero dos cargas eléctricas de igual signo y dos cargas eléctricas de distinto signo y se les preguntó ¿qué pasaría si se acercan? Inmediatamente la respuesta fue que las cargas de signos iguales se atraen y la de signos contrarios se repele. Luego se les dibujo dos cargas positivas, cada una contenida dentro de una carga negativa y se les preguntó nuevamente ¿qué sucederá al acercar estas cargas? Los estudiantes estuvieron en silencio un rato, luego un estudiante refirió que las carga negativa sería atraída por la positiva del otro pero que cuando estuvieran muy cerca, ya no sería así, estarían muy juntas las cargas iguales, es decir, negativa-negativa y positiva-positiva. Luego de esta respuesta el docente explicó que lo que quiso representar fue dos átomos, los cuales en su interior (núcleo atómico) tienen carga positiva y en su exterior (nube electrónica) carga negativa.
El trabajo con el simulador interacciones atómicas de PhET Colorado fue bastante productivo y permitió que los estudiantes pudieran observar como disminuía la energía potencial al acercase los átomos pero también como aumentaba al estar muy próximos entre sí. Encontrar la distancia a la cual las fuerzas atractivas y repulsivas entre los átomos se equilibran y la energía potencial del sistema es mínima fue muy divertido para los estudiantes, se percataron también de que la distancia de enlace variaba dependiendo de qué átomos se unen.
Los estudiantes establecieron correctamente que para romperse un enlace se requiere energía y que cuando se forma un enlace se libera energía, y que a esta energía se le denomina energía de enlace. También establecieron que a distancias largas predominan las fuerzas atractivas y que a distancias cortas predominan las fuerzas repulsivas.
Finalmente el simulador les ayudo a comprender que los átomos cuando se unen no lo hacen hasta fusionarse si no que ellos se unen a una distancia que es llamada
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distancia de enlace. En esta semana se logró que los estudiantes describieran qué pasa en términos energéticos cuando se forma o se rompe un enlace.
A continuación Imágenes del simulador de Interacciones atómicas:
Como parte del cierre de la sesión se les pidió a los estudiantes elaborar un mapa
conceptual de lo aprendido. Cabe destacar que a pesar de tener claridad sobre la
unión de los átomos, se observó que la mayoría de los mapas carecen de una
organización lógica y secuencial, las ideas aparecen sueltas y sin conexión.
A continuación algunos ejemplos de los mapas conceptuales elaborados por los
estudiantes
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Sesión 4 ¿Por qué algunas reacciones liberan y otras absorben energía?
Esta semana inicia con mucha expectativa para los estudiantes, el hecho de hablar de reacciones supone ir al laboratorio a experimentar con sustancias y sobre todo ver reaccionar sustancias de manera violenta o con abundante liberación de energía como las explosiones o combustiones.
Para iniciar a hablar de reacciones, se hizo la siguiente pregunta ¿Cómo funciona un fósforo? Casi que de inmediato los estudiantes empezaron a dar sus respuestas, hubo mucho dinamismo y motivación por responder. Todos los estudiantes coinciden en pensar que un fósforo funciona por qué tiene pólvora y que al rozarla en la caja se prende.
Esta pregunta resultó ser efectiva para involucrar emocionalmente a los estudiantes en el tema a trabajar. Seguido a esto se proyectó un video explicativo sobre el funcionamiento de un fósforo y luego se les pidió que contestarán unas preguntas y redactaran un párrafo explicando cómo funciona un fósforo.
Ejemplo del párrafo construido por un estudiante explicando con sus palabras el funcionamiento de un fósforo:
Luego se les proyectó el siguiente esquema grafico de una reacción química
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Y se les pidió que explicarán lo que sucede en la reacción química descrita con respecto a los enlaces químicos, la respuesta de los estudiantes fue que los enlaces cloro-cloro e hidrógeno-hidrógeno se rompen para formarse un enlace nuevo el de cloro- hidrógeno.
En la siguiente sesión se les preguntó a los estudiantes ¿por qué algunas reacciones liberan y otras absorben energía? ¿Cómo puede constatarse que hubo intercambio de energía en una reacción química? A la primera pregunta los estudiantes no respondieron y a la segunda dijeron que un cambio de temperatura indicaría si la reacción libera o no energía. Para ayudarles en la explicación de la liberación o absorción de energía en una reacción química se les recordó que ésta consiste en la reorganización de los átomos debido a la ruptura de enlaces y la formación de unos nuevos, luego se les pidió que establecieran cómo debería ser la energía para romper los enlaces en comparación con la liberada al formarse un enlace para que el balance total de esas energía determinara si se libera o no energía y se les pidió que lo escribieran.
Ejemplo de la respuesta de algunos estudiantes a esta pregunta
Se puede apreciar que dentro del grupo todavía hay estudiantes que no
comprenden la absorción y liberación de energía al romperse o formarse los enlaces
químicos.
Posteriormente se realizó una experiencia de laboratorio con la finalidad de que los
estudiantes pudieran constatar de manera cualitativa el cambio de entalpía en una
reacción dada, para esto se les pidió que establecieran el procedimiento que debían
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hacer para constatar el cambio de entalpía en la reacción del ácido clorhídrico y las
granallas de zinc, para lo cual se les entregó los siguientes materiales: Un vaso de
icopor con 10 ml de ácido clorhídrico 1 M, un vidrio de reloj con una pequeña
cantidad de granalla de zinc, una espátula, y un termómetro.
Ejemplos del procedimiento establecido por una estudiante:
Con la actividad desarrollada en el laboratorio se facilitó que los estudiantes
comprendieran que durante una reacción química la energía potencial varía de
reactivos a productos a la vez que se pudo fomentar habilidades científicas como la
observación el trabajo en equipo y la comunicación de resultados.
Para afianzar los conceptos de entropía, energía interna, entalpía y energía libre de
Gibbs los estudiantes desarrollaron una guía de trabajo, durante el desarrollo de la
actividad se notó como los estudiantes por grupos razonaban sus respuestas. De
esta actividad se puede decir que la pregunta que más dificultad representó para
los estudiantes fue la de explicar si en una mezcla de dos gases no reaccionantes
que inicialmente estaban separados por un llave de paso la entropía aumentaba o
disminuía, la mayoría de los grupos pensó que la entropía disminuía porque ahora
tenían menos espacio y por tanto se ordenaban.
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Estudiantes realizando la práctica de laboratorio sobre variación de entalpía en las reacciones
químicas.
A partir de este razonamiento de los estudiantes acerca de la variación de entropía del sistema formado por los dos gases, se puede decir que los estudiantes tienen algunos vacíos de información sobre la teoría cinético-molecular de la materia, como el hecho de que la materia está formada por partículas en constante movimiento y que, por tanto, este movimiento es una propiedad de la materia. Además los estudiantes no saben que en el caso de los gases a menor espacio aumentan los choques de cada átomo sobre el recipiente que lo contiene, de lo cual se deduce que si hay más moléculas de gas en un mismo espacio habrá mayor presión del gas.
En su mayoría los estudiantes reconocen el efecto de la temperatura sobre la entropía, es decir, reconocen que un aumento de la temperatura conlleva a un aumento del grado de desorden o aleatoriedad de un sistema, pero ningún grupo determinó que ese aumento de entropía se debía al aumento de la energía cinética de las moléculas, átomos o iones.
Ejemplos de guías de trabajo resueltas por un grupo de estudiantes:
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La determinación del aumento o disminución de entropía por la variación de fases
no representó dificultad, todos los grupos realizaron esta parte de la guía sin errores.
Ejemplo de las respuestas de un grupo de estudiante a este apartado de la guía:
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La parte de la guía donde los estudiantes deben explicitar un procedimiento para
comprobar el efecto de la temperatura en la entropía, la mayoría propone calentar
agua hasta evaporación y enfriar agua hasta congelación, otro grupo propuso la
disolución de gelatina en agua y su posterior refrigeración,
En la sección de la guía en donde deben determinar la variación de energía interna
a en un proceso y a su vez el cambio de entalpía que experimenta, se observó que
la mayoría de estudiantes la desarrolló sin dificultad, solo dos grupos se equivocaron
en determinar el cambio de energía y entalpía en la compresión y expansión de un
gas.
Ejemplo de respuestas de un grupo a esta sección de la guía.
Finalmente después de observar las dificultades encontrada en el desarrollo de esta guía se realizó la respectiva retroalimentación. Esta retroalimentación se hizo a través de la socialización de las respuestas, atendiendo las inquietudes de los estudiantes al respecto y explicando la respuesta de las mismas. Es claro que el concepto de entropía no es fácil de asimilar ya que se deben tener claros conceptos relacionados con la probabilidad y funciones de distribución (de partículas en niveles energéticos), pero es bueno que los estudiantes tengan contacto con estos
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conceptos en muchos cursos para que se vaya desarrollando poco a poco y en el marco de contextos muy distintos.
Como parte del trabajo de la sesión dedicada a las reacciones químicas se hizo una lectura acerca del metabolismo celular con el fin de que los estudiantes reconocieran la importancia de las reacciones que se dan en los seres vivos y que son esas reacciones las que proveen la energía necesaria para que éstos puedan realizar sus funciones vitales, es decir, realizar trabajo eléctrico como al conducción del impulso nervioso, trabajo mecánico como la contracción muscular o trabajo químico como la síntesis de ATP.
Sesión 5 ¿Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana?
Los estudiantes inician esta sesión pensando que el voltaje es una forma de medir energía eléctrica. Cuando se les preguntó de dónde provenía la energía eléctrica de algunas animales como la raya o anguila, mencionaron que ésta provenía de los alimentos o de sus músculos. De estas respuestas se deduce que los estudiantes no reconocen que la separación de cargas positivas y negativas a ambos lados de la membrana genera una diferencia de potencial eléctrico y químico del que resulta la energía potencial eléctrica disponible para realizar trabajo eléctrico, mecánico y químico.
El estudio de este fenómeno se inició con el desarrollo de actividades que le permitieran a los estudiantes distinguir entre potencial de reposo y potencial de acción. Una vez desarrollada la actividad los estudiantes lograron identificar que los iones no se distribuyen equitativamente a ambos lados de la membrana y que en el exterior predominan los iones sodio y cloruros, y que en el interior celular predominan los iones potasio y los aniones orgánicos (proteínas y ácidos) y que esta diferencia de potencial le da al interior de la membrana un voltaje negativo respecto al exterior.
Los estudiantes pudieron reconocer que en las membranas celulares existe energía potencial de tipo eléctrica porque a ambos lados de la membrana se ubican partículas con carga eléctrica que interaccionan mediante la fuerza eléctrica, que es una fuerza conservativa. Sin embargo, los estudiantes no lograron comprender que al modificarse el potencial de membrana se genera un flujo de corriente ocasionado por el movimiento de los iones (principalmente iones sodio y potasio) que se mueven a través de canales iónicos, que actúan como resistencias eléctricas capaces de disipar energía en forma de calor.
Para introducir a los estudiantes en la actividad de comparar un circuito básico RC con una membrana celular se realizó una puesta en común acerca de las baterías eléctricas y los componentes de un circuito, primero se escucharon sus ideas al
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respecto y luego se hizo una exploración de estos temas en la biblioteca con los computadores y libros disponibles, al finalizar se aclaró las preguntas de los estudiantes.
Luego en grupo de cuatro estudiantes realizaron la lectura “membranas con canales iónicos y circuito RC”, cuyo objetivo era que los estudiantes determinaran el equivalente entre una membrana celular y un circuito eléctrico resistencia-capacitor.
De los 11 grupos formados, 8 establecieron la analogía entre los componentes de la membrana y los del circuito, explicando de manera satisfactoria dicha comparación. Aunque los 3 grupos restantes no lograron realizar bien la actividad cabe destacar que los estudiantes de estos grupos consiguieron establecer por lo menos una equivalencia de manera correcta como fueron: resistencia-canal iónico y capacitor-membrana celular.
Finalmente la actividad fue socializada para que los mismos estudiantes detectaran sus aciertos y desaciertos, logrando de esta manera una autoevaluación y heteroevluación del aprendizaje.
Algunos ejemplos de la actividad resuelta por un grupo de estudiantes:
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Sesión 6: ¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no?
Aunque los estudiantes saben que el agua moja al momento de enfrentarse a las preguntas sobre el proceso de mojado se evidencia que un grupo de estudiantes considera que no todos los líquidos mojan y que solamente el agua moja. Sin embargo, otros piensan que todos los líquidos por ser líquidos mojan, es decir, asumen que el proceso de humectación solo depende de la naturaleza del líquido.
A partir de la exploración de ideas previas también se pudo constar que los estudiantes piensan que cuando se observan gotas de un líquido sobre una superficie o cuando el líquido se extiende sobre esta es porque el líquido moja, es decir, lo estudiantes realmente no discriminan entre el proceso de mojado y no mojado. Asimismo se pudo evidenciar que los estudiantes no saben por qué los líquidos forman gotas en contacto con el aire y de igual forma, ignoran la existencia de la tensión superficial en los líquidos y que el proceso de humectación pueda darse además entre dos líquidos.
Explicarle a los estudiantes por qué los líquidos tienen energía potencial eléctrica debido a las interacciones eléctricas que se presentan entre las moléculas fue sencillo, pues durante la secuencia han aprendido que la energía potencial existe cuando los cuerpos interaccionan mediante una fuerza natural de tipo conservativa.
La explicación de por qué los líquidos forman gotas se hizo desde el punto de vista energético a través de dibujos con los cuales se quiso representar que en la superficie de los líquidos existe un exceso de energía potencial eléctrica llamada “energía superficial” y que ese exceso de energía potencial eléctrica en la superficie del líquido es producto de que cada molécula en la superficie tiene menos moléculas vecinas o cercanas a ella que las moléculas que están al interior del líquido, y que por tanto, la tensión superficial ocasiona una tendencia en líquido a disminuir su energía superficial y por ende su área.
Al preguntarles ¿cómo reconocen si algo está mojado?, se obtuvo las siguientes respuestas:
Porque la superficie se ponía suave o se inflaba por la absorción de agua.
Porque el agua resbala.
Porque el líquido penetraba el sólido y se esparcía.
Al introducir el tema a partir de preguntas y la presentación de videos acerca de las superficies superhidrofóbicas y de insectos o lagartos que caminan sobre el agua se logró motivar a los estudiantes en la exploración de un proceso tan cotidiano como lo es la humectación desde los conceptos de la ciencia.
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De la puesta en común acerca de los videos se pudo apreciar su asombro de los avances tecnológicos en el campo de la nanotecnología al crear superficies que parecían según sus palabras “irreales” por repeler de tal manera a los líquidos en contacto. Durante la primera actividad se le pidió a los estudiantes leer el referente conceptual titulado “Moja o no Moja” antes de realizar la práctica de laboratorio propuesta.
Una vez que los estudiantes en grupo de cuatro estudiantes leyeran la información pertinente al proceso de mojado, seguidamente se realizó una demostración de la tensión superficial del agua a través de una experiencia bastante sencilla y que consistió en colocar un clip sobre el agua y luego agregarle jabón líquido para que éste penetrará el líquido y se fuese al fondo. Luego con ayuda de un gotero se les explicó a los estudiantes la formación de gotas de los líquidos cuando están en contacto con la atmosfera o con una superficie que no mojan.
Seguidamente los estudiantes iniciaron la actividad experimental redactando las predicciones acerca de si el líquido (agua, aceite, glicerina y agua con jabón) mojaba o no mojaba las superficies (vidrio, madera, cerámica, grafito y vidrio engrasado). Durante la actividad los estudiantes se mostraron muy centrados e interesados por comprobar sus predicciones.
Es verdaderamente gratificante observar como los estudiantes disfrutaron la sesión de laboratorio, ver su asombró al encontrar por ejemplo que el alcohol mojó más superficies que el agua, es decir, en este aspecto los que pensaban que solamente el agua mojaba se estaban enfrentando a una situación que suponía un cambio de sus ideas previas.
Por otro lado, a los estudiantes les quedó claro que los líquidos mojan cuando se extienden sobre la superficie, que el mojado es perfecto cuando se forma una película delgada del líquido sobre la superficie y que no mojan cuando la gota del líquido queda intacta o no se deforma al entrar en contacto con una superficie.
Cuando se les preguntó que pasaba con la energía potencial del sistema cuando la gota se extiende o no se extiende sobre el líquido inmediatamente dijeron que la energía potencial en ambos casos será mínima. La profesora complementó diciendo que las moléculas de líquido se sitúan a una distancia que minimiza su energía potencial. Esta energía superficial en exceso se minimiza gracias al proceso de mojado. Si un líquido moja un sólido es porque el sólido tiene una tensión superficial muy alta. Si el líquido no moja es porque la tensión superficial del líquido es muy alta.
Ejemplo de las predicciones y de los resultados de un grupo de estudiantes después
de realizar el laboratorio:
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Después de realizado el laboratorio a los estudiantes les queda claro que el proceso
de mojado depende tanto del sólido como del líquido que entren en contacto.
Ejemplo de la explicación de la acción de mojar por parte de un grupo de
estudiantes:
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Algunas fotos de los estudiantes durante la actividad experimental:
Estudiantes observando la extensión Estudiante sorprendido de los resultados
de los colorantes sobre la leche al echarle obtenidos
jabón líquido.
Estudiantes comprobando que el agua no moja al poliestireno
La explicación del efecto del jabón y del uso de estos en el lavado de la ropa no fue
tan entendido por ellos ya que en su explicaciones no hablaron de que está
sustancia lo que hace es disminuir la tensión superficial del agua para que esta moje
mejor la grasa de la ropa sucia. Este punto tuvo que ser explicada de manera
magistral.
La segunda actividad de la sesión también se realizó a través de una práctica de
laboratorio que consistían en mirar y comparar el efecto de mojado entre algunos
líquidos y sólidos, esta vez los estudiantes estaban más llenos de curiosidad al
punto que después de realizar los respectivos procedimientos de las experiencias
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propuestas empezaron a probar otras opciones de superficie de contacto entre los
diferentes materiales del laboratorio.
Ejemplo de las respuestas de un grupo de estudiantes a las experiencias de la
sesión de laboratorio propuesta:
5.3 De los resultados de la prueba final
En la prueba final se realizaron preguntas similares al test de ideas previas pero que apuntaban hacia los mismos conceptos con el fin de analizar los progresos de los estudiantes en las temáticas trabajadas y se incluyeron 7 preguntas de profundización y se obviaron 2 del pre test, por considerarse que ya estaban lo suficientemente comprendidas por los estudiantes y no era de vital importancia volver hacérselas. Estas preguntas fueron la relacionada con las formas de manifestación de la energía y la variación de la energía potencial de valor inicial a un valor final debido a la acción de una fuerza conservativa. (Ver anexo C).
A continuación se describen los resultados obtenidos y al final se hace una comparación entre el pre test y el pos test teniendo en cuenta las preguntas equivalentes:
Las preguntas relacionadas con el lanzamiento vertical de una pelota (ítems 1, 2, y, 4) fueron respondidos correctamente por el 100% de los estudiantes (43, n=43).
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Con respecto al ítem 3 el 46.51% (20, n=43) reconocen que cuando al pelota alcanza la máxima altura la velocidad de ésta es igual cero y el 53,48% restante (23, n=43) responden incorrectamente, esto se debe a que no tienen claro las transformaciones energéticas que ocurren en este tipo de movimiento, es decir, no asocian que la velocidad adquirida por la pelota al ser lanzada está relacionada con la energía cinética y que está energía se va transformando en energía potencial a medida que sube alcanzando una posición determinada respecto al suelo en un instante de tiempo en la cual el sistema posee energía potencial.
Acerca de la identificación de las fuerzas que actúan en un sistema (ítem 5) se obtuvo que el 100 % de los estudiantes logró asociar a cada imagen las fuerzas que mediante al cual interaccionaban los cuerpos. Se observó mejoría respecto al pre test en cuanto al reconocimiento de la fuerza de fricción, la fuerza normal y la fuerza nuclear fuerte que en ese momento eran menos conocidas por ellos.
Con respecto al concepto de energía potencial (ítem 6) se tiene que el 93 % (40, n=43) de los estudiantes reconocen que está magnitud física está asociada a la posición y configuración del sistema. Se observa en este aspecto un cambio conceptual significativo en los estudiantes ya que inicialmente en el pre test de ideas previas asociaban este concepto con el movimiento de los cuerpos.
El 90,7 % (39, n=43) de los estudiantes reconocen cuales son las fuerzas de tipo conservativa (ítem 7), el 9,3% restante (4, n=43) no discrimina entre una fuerza conservativa y no conservativa, ya que las seleccionan indistintamente. Se alcanzó un avance significativo puesto que el número de estudiantes que identifican las fuerzas conservativas pasó de un 0% en el pre test a un 90,7% en el post test.
Respecto a la selección de las situaciones en donde existe energía potencial (ítem 8), se observó que en esta ocasión el 90,7 % (39, n=43) escoge correctamente las opciones en las que se existe energía potencial, y el 9,3% restante (4, n=43) seleccionó todas las opciones sin distinguir que un automóvil en movimiento está asociado a la energía cinética y que en la radiación electromagnética está asociada a la energía electromagnética.
Aunque fue fácil para los estudiantes entender que a mayor altura existe mayor energía potencial entre el sistema objeto-tierra, al enfrentarse a identificar la variación de la energía potencial gravitacional entre un cometa y el sol (ítem 9) , resultó que el 65,11% de los estudiantes (28, n=43) no estableció que la energía potencial aumenta cuando el cometa está más alejado del sol, deduciéndose que los estudiantes solo relacionan la fuerza de gravedad con la caída de los objetos y no con la fuerza atractiva entre dos objetos que tienen masa. A pesar de que solo un 34,88% de los estudiantes (15, n=43) responde acertadamente, se observó un progreso respecto al pre test puesto que en ese momento un 46,51% de los estudiantes consideraba que la energía potencial gravitacional entre el cometa y el sol no variaba, ya que la energía se conservaba, y en el pos test se observó que
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ningún estudiante escogió está opción de respuesta, reconociendo que la energía potencial varía en función de la distancia y que la conservación de la energía no se refiere a que una forma específica de energía permanezca invariable.
En cuanto al concepto de fuerza se tiene que un 74,41% (32, n=43) de los estudiantes identifican la fuera como toda acción capaz de someter un cuerpo a una aceleración, y el 25,58% restante (11, n=43) escogió las opciones relacionada con el que la fuerza mantenga un objeto en movimiento o que la fuerza mantenga el estado de reposo de un cuerpo, detectándose que los estudiantes no asumen que el estado de reposo o movimiento de un cuerpo se deba a una propiedad de los cuerpos llamada inercia.
En las preguntas relacionadas con los choques elásticos de un balón de baloncesto rebotando a iguales intervalos de tiempo sin fricción del aire (ítems 11 12, 13,14) se obtuvo un avance significativo en las preguntas relacionadas con las transformaciones energéticas, ya que el 90,7 % de los estudiantes (39, n=43) en comparación con un 27,90% (12, n=43) en el pre test distinguen claramente en qué momento el sistema balón-suelo posee mayor energía potencial y cinética. Así mismo, el 69,76% de los estudiantes (30, n=43) reconocen que la fuerza es la misma en todo momento. Sin embargo, en la pregunta relacionada con la aceleración que experimenta el balón el avance obtenido fue bajo ya que en el pos test el 58,13% de los estudiantes (25, n=43) sigue pensando al igual que en el pre test 51,16% (22, n=43) que la aceleración es mayor al inicio del rebote. El 41,86% de los estudiantes (18, n=43) contestaron acertadamente esta pregunta.
De las preguntas relacionadas con el concepto de trabajo (ítems 15 y 16) se aprecia un avance significativo ya que el 90,7 % (39, n=43) de los estudiantes después de la instrucción reconoce que se realiza el mismo trabajo independientemente de la fuerza aplicada cuando el objeto se desplaza desde una misma posición inicial para llegar a una misma posición final. Solo el 9,3% de los estudiantes (4, n=43) sigue pensando que se realizaba más trabajo cuando se hace más fuerza.
Con respecto a las preguntas relacionadas con el enlace químico (ítems 17, 18, 19, 20, 21, y 22) se obtuvo que el 65,11% (28, n=43) de los estudiantes reconocen que al unirse los átomos estos disminuyen su energía potencial. El 83,72 % (36, n =43) identifican que al formarse un enlace químico se libera energía y que al romperse se absorbe energía, así como también que éstos se unen a una distancia en la que las fuerzas atractivas y repulsivas se equilibran.
Con respecto al reconocimiento de las fuerzas que predominan a largas y a cortas distancias entre los átomos, se tiene que el 60,46 % (26, n=43) de los estudiantes identifican en qué momento actúan las fuerzas repulsivas y atractivas en función de la distancia que separa a los átomos.
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Con relación a las preguntas acerca de las transformaciones energéticas y conservación de la energía en los sistemas simples en forma de U o en las montañas rusas (ítems 23, 24) se obtuvo que el 100% de los estudiantes (43, n=43) reconoce que la colina en la que se inicia el recorrido debe ser mayor en altura que el resto de colinas para que el carrito tenga la suficiente energía potencial respecto al suelo desde el inicio y pueda completar sin dificultad su trayectoria. De igual forma saben que cuando las colinas subsiguientes son más altas que la inicial el carrito no tendrá la suficiente energía potencial gravitacional para remontar estas barreras de energía potencial.
Con respecto a la conservación de la energía en una montaña rusa sin fricción (ítem 25) el 100% de los estudiantes reconoce que no hay transferencia de energía en forma de calor y que por tanto, toda la energía potencial se transforma en energía cinética. Con respecto a identificar el principio de conservación de la energía en una montaña rusa cuando existe fricción (ítem 26) se tiene que el 74,41% saben que la energía se conserva ya que la suma de todas las energías del sistema es constante.
En la pregunta relacionada con una imagen de las transformaciones energéticas que se verifican en un patinador en una pista de patinar en forma de U (ítem 27) se observó que el 72,09% de los estudiantes (31, n=43) reconoce a través de un gráfico de barras si las transformaciones energéticas que se dan con o sin transferencia de calor, es decir, reconocen el efecto de la fricción sobre la conservación de la energía.
Con respecto al gradiente de concentración electroquímico de las membranas celulares (ítem 28) se logró establecer que el 74,41% (32, n=43) de los estudiantes reconoce que este gradiente es una forma de energía potencial almacenada en la membrana por la separación de cargas eléctricas a ambos lados de ésta. Sin embargo, en el ítem 29 relacionado con la utilización que la célula hace de la energía proveniente del movimiento de cargas a través de la membrana, se observó que el 58,13% de los estudiantes (25, n=43) no considera que el voltaje generado en las membranas pueda ser utilizado por la célula para hacer trabajo mecánico, químico y eléctrico.
En la pregunta concerniente a las reacciones químicas exotérmicas, se tiene que el 100% de los estudiantes reconocen que las reacciones exotérmicas liberan energía logrando explicar en términos de balance energético la ruptura de enlaces originales y la formación de nuevos enlaces al originarse los productos y la consecuente variación de energía potencial de reactivos a productos.
En la pregunta relativa a los procesos o reacciones espontáneas en la naturaleza (ítem 31) se tiene que un 81,39% de los estudiantes (35, n=43) reconoce que los procesos que se dan de manera viable en la naturaleza ocasionan un aumento de entropía del universo. En el ítem 32 se tiene que 76,74% (33, n=43) de los estudiantes indica correctamente la variación de energía interna y el cambio de
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entalpia en los procesos de congelar agua, dejar una taza de leche caliente en la mesa y la fotosíntesis de las plantas, pero no en la disolución del cloruro de amonio.
En conclusión se observa que todos los estudiantes mejoraron en mayor o menor medida su comprensión de los conceptos de energía potencial, trabajo, fuerza, aceleración, fuerzas conservativas, la ley de conservación de la energía y la segunda ley de la termodinámica. Por otro lado, se observó que las actividades propuestas eran pertinentes y los estudiantes las realizaron con mucha motivación e interés. Pero los aspectos que en definitiva hay que reforzar son:
1. Que las fuerzas pueden generar cambios de dirección de movimiento de un
cuerpo aunque la magnitud de la velocidad permanezca constante.
2. Que la energía potencial se relaciona con la distancia relativa a la que se
encuentran dos cuerpos que están interaccionando mediante una fuerza
conservativa y no solamente al hecho de estar a una altura alta o baja o al
hecho de caer.
3. Que cuando dos átomos interaccionan siempre hay fuerzas tanto repulsivas
como atractivas, ya que en los dos átomos siempre hay cargas de distintos
signos. Por otro lado la fuerza neta resultante es la suma de todas las fuerzas
presentes, que a largas distancias producen una fuerza neta atractiva y a cortas
distancias una fuerza neta repulsiva.
Ilustración 16 gráfica de barras resultados Pos test
Estos resultados muestran un desempeño bastante parejo en el grupo y que la mayoría de los estudiantes respondió de manera acertada las preguntas de la
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prueba final. Se evidencia que los estudiantes se apropiaron de los conceptos trabajados en las sesiones de la secuencia didáctica. Las preguntas de profundización corresponden a los números 1, 2, 3, 25,26, 27 y 32, en éstas se observa un desempeño satisfactorio, lográndose evidenciar el avance significativo de los estudiantes en lo concerniente a reacciones químicas, sistemas físicos simples en forma de U e interconversiones de energía, fuerza, velocidad y aceleración. A continuación se muestra un diagrama de barras entre las 25 preguntas equivalentes entre el pre test y el pos test. Este gráfico muestra un comparativo entre el porcentaje de estudiantes que responden acertadamente la prueba diagnóstica y los que responden acertadamente la prueba final. Este diagrama permite ver un avance conceptual de los estudiantes.
Ilustración 17 Gráfica de barra comparación resultados del Pre test y Pos test
Este diagrama permite confirmar un avance conceptual significativo en los estudiantes que respondieron correctamente en el pos-test en comparación con el pre test, demostrando que lograron los aprendizajes esperados, lo cual permite resaltar la efectividad de las guías de aprendizaje diseñadas, de los videos y los simuladores empleados en las mismas para la aproximación al concepto energía potencial y su aplicabilidad a distintos fenómenos naturales.
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6. Conclusiones
Los resultados cuantitativos del test final permiten ubicar a los estudiantes en
tres niveles de desempeño: el 9.3% de los estudiantes (4, n=43) obtuvieron un
desempeño bajo ente 40 y 50 puntos con un total de 14 preguntas respondidas
acertadamente. El 67,44% de los estudiantes (29, n=43) respondieron
acertadamente entre 18 y 23 preguntas con un promedio entre 60 a 75 puntos y
el 23,25% de los estudiantes (10, n=43) logro un desempeño alto con 85 puntos
al contestar acertadamente un total de 27 preguntas de las 32 planteadas para
el pos test.
Aunque ningún estudiante se ubicó entre el rango de 90 a 100 puntos, es decir,
en un desempeño superior, se tiene que en relación con el número mínimo y
máximo de preguntas contestadas acertadamente por la muestra de estudiantes
tanto en el pre test como en el pos test, se obtuvo un incremento promedio del
70%.
En cuanto a las 7 preguntas de profundización se observó que el 82% de los
estudiantes respondieron acertadamente, lo cual revela un avance en el grado
de comprensión de los conceptos abordados en la secuencia.
Plantearles preguntas y situaciones en la que los estudiantes expresen su
razonamiento espontáneo, para luego constatar el error de sus respuestas con
base a los argumentos del razonamiento físico, permitió que éstos se
involucraran intelectual y emocionalmente en cada una de las actividades de la
secuencia y que a través de esta participación activa ellos pudieran lograr una
reorganización conceptual de sus ideas previas.
Las ideas previas que tienen los estudiantes relacionados con los conceptos de
energía potencial, trabajo, fuerza, etc., son muy resistentes a la reorganización
conceptual aún después de la instrucción escolarizada. Por tanto, es lógico
pensar que la asimilación correcta de estos conceptos no se puede lograr en un
periodo corto de tiempo, sino que por lo contrario para facilitar este cambio se
debe enfrentar al estudiante al mayor número de situaciones y experiencias
durante varios periodos que favorezcan la comprensión y utilización de ellos.
La estrategia metodológica por indagación en la que se basa la secuencia resultó
ser eficaz para desarrollar en los estudiantes actitudes positivas hacia la ciencia
como el agrado, interés, curiosidad, disposición para el trabajo, motivación y
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darle importancia a lo que aprenden. De igual forma, ayudó a fomentar el trabajo
en equipo, la formulación de hipótesis, la comunicación de resultados y la
constatación de hipótesis.
El hecho de que las actividades planteadas en la secuencia permitieran
frecuentemente un intercambio de ideas entre alumno-alumno y profesor-
alumno, y que la evaluación se centrará más en lo que les faltaba por aprender
así como en el progreso que cada uno estaba alcanzando, logró fomentar la
autoestima e involucrarlos emocionalmente lográndose un avance conceptual
moderado pero muy significativo.
El uso de simuladores fue un acierto en la secuencia de actividades, puesto que
éstos se basan en un aprendizaje de tipo experimental que recrean situaciones
o contextos llamativos y entretenidos que permiten al estudiante alcanzar los
conocimientos de manera autónoma y de acuerdo a su ritmo de aprendizaje,
puesto que permite ser utilizado las veces que el estudiante considere necesario.
La secuencia didáctica apuntó a una enseñanza de las ciencias basada en la
interdisciplinariedad, lo cual permitió a los estudiantes la comprensión de
algunos fenómenos naturales de manera holística, reconociendo los vínculos
entre los procesos físicos, químicos y biológicos.
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7. Recomendaciones
Para lograr una comprensión más global de los fenómenos naturales y mejores
resultados en ciencias, se hace necesario elaborar propuestas de enseñanza y
aprendizaje destinadas a integrar el conocimiento y no a segmentar y disociar
las disciplinas, propuestas que partan de los saberes cotidianos de los
estudiantes y que permitan la constatación de esas ideas, la exploración y
observación de fenómenos; a fin de que la ciencia que aprenden en la escuela
adquiera significado para ellos.
La implementación de la secuencia didáctica deja ver que se hace necesario
considerar una flexibilidad alta en el tiempo de trabajo de cada sesión, no solo
por la complejidad de algunos conceptos que pueden variar de un grupo a otro
en su comprensión, sino también por las preguntas que surgen de los
estudiantes con otros temas relacionados a los que se están trabajando en la
sesión.
Si un docente desea trabajar la secuencia en la media vocacional debe tener en
cuenta que a este nivel ya es posible profundizar el concepto de entropía desde
los conceptos relacionados con la probabilidad y funciones de distribución (de
partículas en niveles energéticos).
Se hace necesario incluir la construcción de un circuito básico RC o la utilización
de un simulador del potencial de acción de la membrana para que los
estudiantes estén más motivados y se les facilite el aprendizaje de los
contenidos a trabajar.
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8. Referencias Bibliográficas
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debate para un replanteamiento global. . Caderno Brasileiro de Ensino de
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tecnología avanzada :
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Anexo A: Pre test de exploración ideas previas
INSTITUCIÓN EDUCATIVA ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
ÁREA DE CIENCIAS NAURALES
DOCENTE: JESSY ARMENTA CASTRO
Este cuestionario contiene enunciados y situaciones relacionadas con algunos fenómenos de la naturaleza. Es importante, para mí, conocer lo que piensas en cada uno de los casos planteados. Lee atentamente cada enunciado y marca tu respuesta. 1. La energía es una sola, sin embargo, existen diferentes formas en que está energía se manifiesta en el universo. Señala con una X las formas fundamentales en la que se manifiesta la energía:
a. Energía potencial ___
b. Energía eólica ___
c. Radiación electromagnética
___
d. Materia oscura y energía
oscura ___
e. Energía nuclear ___
f. Energía positiva ___
g. Energía cinética ___
h. La masa ___
i. Energía hidráulica ___
j. Energía fósil ____
2. En general, la energía potencial es aquella energía que: a. posee un cuerpo debido a su posición respecto a otro con el que interacciona
mediante una fuerza natural b. posee un cuerpo en virtud de su movimiento respecto a otro c. posee un cuerpo debido a su altura respecto a la tierra d. posee un cuerpo en virtud de su masa.
3. Señala con una X las situaciones en las que existe energía potencial:
a. Entre dos átomos separados a una distancia dada___ b. En un resorte que se encuentra estirado ___
c. Un automóvil en movimiento__
d. Un clavadista ubicado en un trampolín a dos metros de la tierra___
e. En una batería eléctrica cargada ___
f. En la radiación electromagnética__
g. En un juguete mecánico al cual se le ha dado cuerda para hacerlo
funcionar___
h. La tensión superficial de los líquidos
99
Considere un cometa en una órbita elíptica alrededor del sol. Como se muestra en la gráfica.
Ilustración 18. Imagen del cometa Halley en su trayectoria alrededor del sol.
Imagen tomada de http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?id=139368 4. La energía potencial gravitacional del sistema:
a. Disminuye cuando el cometa se aleja del sol b. Aumenta cuando el cometa se acerca al sol c. Aumenta cuando el cometa se aleja del sol d. En cualquier punto es la misma, ya que la energía se conserva
5. Cuando una fuerza conservativa realiza trabajo en un sistema, la energía
potencial : a. pasa de un valor inicial a un valor final b. no varía c. es igual a cero d. se conserva
6. Señala con una X la opción que más se relacionen con el concepto que tu tienes
de fuerza : a. Cuando un objeto está
sometido a una aceleración
___
b. Con realizar actividades que
agotan___
c. Halar ___
d. Esfuerzo ___
e. con levantar cosas pesadas
___
f. Vigor ___
g. Energía ___
100
7. Observa las siguiente imágenes y determina que tipo fuerzas se presentan entre los cuerpos que conforman el sistema:
IMAGEN SISTEMA TIPO DE FUERZA
Niña y resbaladero
Manzana y la tierra
Imán y clavos
Globo sometido previamente a fricción y una niña
Neutrones y protones
7. Señala con una X las fuerzas conservativas:
a. Fuerza gravitacional __ b. Fuerza elástica__ c. Fuerza de rozamiento__ d. Fuerza eléctrica__ e. Fuerza magnética__ f. Fuerza ejercida por una maquina (una prensa por ejemplo) g. Fuerza nuclear fuerte ___
101
8. Cuando viajas habrás notado que el vehículo se desplaza por la carretera con cambios repentinos de velocidad, esto se debe a que durante la trayectoria pueden ocurrir situaciones que le impidan al conductor mantener constante la velocidad, por ejemplo, tendrá que frenar y disminuir la velocidad ante un peaje, o por el contrario aumentar su velocidad para adelantar a otro carro, o simplemente cambia de dirección al realizar una curva. En estas situaciones lo que se observa es que el vehículo:
a. Acelera solo cuando aumenta su velocidad.
b. Acelera solo cuando frena
c. Acelera al aumentar o al disminuir su velocidad
d. Cuando se mueve a velocidad constante tiene que acelerar permanentemente
Observe la siguiente imagen y responda las preguntas que se hacen a continuación. Suponga que no hay fricción con el aire (o que el balón está rebotando en el vacío)
Ilustración 19 Imagen de un balón de baloncesto rebotando a iguales intervalos de tiempo.
Imagen tomada de https://en.wikipedia.org/wiki/File:Bouncing_ball_strobe_edit.jpg
9. . La aceleración del balón es …
a. La misma en todo momento
b. Mayor cuando está cerca al piso
c. Cero cuando está en la máxima altura
d. Mayor al inicio del rebote
10. La energía cinética es …
a. La misma en todo momento
b. Mayor en la medida que esté más cerca al piso
c. Máxima cuando está en la máxima altura
d. Mayor al inicio del rebote
11. La energía potencial es …
a. La misma en todo momento
b. Mayor en la medida que esté más cerca al piso
c. Máxima cuando está en la máxima altura
d. Mayor al inicio del rebote
102
12. La fuerza que actúa sobre el balón es …
a. La misma en todo momento
b. Mayor cuando está cerca al piso
c. Cero cuando está en la máxima altura
d. Mayor al inicio del rebote
La siguiente imagen muestra a un hombre empujando un barril por una rampa a una mesa.
Ilustración 20 Hombre subiendo un barril por una rampa a una mesa.
Imagen tomada de https://www.youtube.com/watch?v=NJr1BPWSF3Q
Utilizando la Figura 3 responda las siguientes preguntas
13. Si un hombre sube un barril por una rampa a una mesa y sube otro barril idéntico a la mesa levantándolo directamente del piso podemos concluir que.
a. En ambos casos hizo el mismo trabajo
b. Hizo más trabajo cuando lo levanto directamente el barril del piso y lo puso sobre la mesa.
c. Hizo más trabajo cuando subió el barril a la mesa usando la rampa
d. En ambos casos hizo la misma fuerza para levantar el barril
14. Si cambia la inclinación de la rampa el hombre …
a. hará más trabajo en la medida que la rampa sea más inclinada.
b. hará menos trabajo en la medida que la rampa sea más inclinada.
c. Hará el mismo trabajo independientemente de la inclinación de la rampa
d. Gastará más energía en la medida que la rampa se más inclinada
16. Observe las siguientes imágenes y señale con una X aquellas en las que se
verifique una transferencia de energía
103
17. Cuando los átomos están muy alejados la fuerza de interacción electrostática es muy baja pero a medida que se aproximan la fuerza de atracción se hace más intensa, ya que priman las fuerzas de atracción eléctrica entre las cargas opuestas (núcleos y electrones). Cuando los átomos están muy próximos priman las fuerzas de repulsión eléctrica entre los núcleos positivos y entre los electrones. Ante esta situación de atracción y repulsión, solo es posible que se forme un enlace químico estable entre dos o más átomos cuando:
a. Las fuerzas de atracción sean mayores que las de repulsión
b. La distancia intermolecular entre ellos sea aquella en la que las fuerzas netas sobre cada átomo sean cero
c. La distancia intermolecular sea nula y las fuerzas se equilibren
d. La fuerza de repulsión entre ellos sea nula
18. Existe energía potencial eléctrica entre átomos que interaccionan para formar
enlaces químicos debido a que existe entre ellos fuerzas de tipo electrostática. Cuando los átomos se “unen” mediante un enlace químico, es de esperarse que:
a. La energía potencial del sistema aumente
b. La energía potencial del sistema sea mínima
c. La energía potencial del sistema sea la misma que la de los átomos separados.
d. La energía potencial sea cero.
Al unirse los átomos quedan confinados a un estado llamado pozo de potencial. Tal como se ilustra a continuación
104
Ilustración 21 Imagen de la formación de un enlace químico entre dos átomos de hidrógeno.
Tomada y modificada de http://elfisicoloco.blogspot.com.co/2012/11/enlace-quimico-y-estabilidad-energetica.html
19. Es de esperarse que en el pozo de energía potencial el sistema molecular posea:
a. La menor energía potencial.
b. Mayor energía cinética que energía potencial
c. Igual energía potencial que cinética
d. Solo energía cinética y no potencial.
20. Para romper un enlace químico es necesario:
a. Adsorber energía
b. Liberar energía por parte del sistema
c. Emitir calor
d. Disminuir la energía
21. En la naturaleza ocurren reacciones y procesos de manera natural (como la reacción entre oxigeno e hidrogeno para formar agua) mientras que hay otros procesos no viables de manera natural (como la formación de oxígeno y hierro puros a partir de óxido de hierro).
Indique cuales de los siguientes procesos son viables de manera natural, sin la intervención de algún proceso hecho por el hombre.
a. La síntesis de carbohidratos en las plantas a partir de CO2 y H2O en la noche
b. El funcionamiento de un motor de automóvil no refrigerado
c. Que se separe la tierra del sol año tras año
d. La descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno moleculares
e. La reacción de combustión entre el oxígeno y el etanol a 200 C.
f. Las descargas eléctricas de las nubes durante una tormenta eléctrica.
22. En el transcurso de un reacción química viable naturalmente, la energía potencial del sistema en general (la suma de todos los átomos que conforman el sistema)
a. Aumenta al formarse los productos de reacción
105
b. No cambia durante la reacción química
c. Disminuye al formarse los productos de reacción
d. La energía potencial se transforma en energía cinética
Al conjunto de transformaciones químicas que ocurren en una célula o en un organismo se le llama metabolismo. El metabolismo puede seguir dos rutas: la de degradación de nutrientes (catabolismo) y la biosíntesis de moléculas (anabolismo).
23. La obtención de CO2 y H2O a partir de la combustión de carbohidratos es un
proceso
a. Espontáneo y consumidor de energía
b. No espontáneo y consumidor de energía
c. Espontáneo y liberador de energía
d. No espontáneo y liberador de energía
Observe las siguientes imágenes y responda las preguntas que se hacen a continuación. Suponga que no hay fricción entre el las ruedas del carro y el riel.
Momento 1 Momento 2
Ilustración 22 Imagen del recorrido de una montaña rusa.
Imagen tomada y modificada de https://www.eduplace.com/kids/hmsc/activities/simulations/gr4/unitf.html
24. Al observar el momento 1 se puede decir que
a. El carrito completará su recorrido sin dificultad, pues tiene la suficiente energía potencial desde el inicio.
b. El carrito presentará dificultad para pasar el tramo marcado como D
c. El carrito no tienen la suficiente energía cinética desde el inicio para remontar la barrera de energía potencial de la subida en el tramo C
d. El carrito se detendrá a media subida por no tener la suficiente energía potencial y después se regresará hacia abajo.
25. Al observar el momento 2 se puede decir que
a. El carrito completará su recorrido sin dificultad pues tiene la suficiente energía potencial desde el inicio.
b. El carrito presentará dificultad para pasar el tramo marcado como D
c. El carrito no tienen la suficiente energía potencial desde el inicio para remontar la barrera de energía potencial de la subida en el tramo C
106
d. El carrito se detendrá a media subida del punto D por no tener la suficiente energía potencial y después se regresará hacia abajo.
La siguiente imagen representa el estado de una membrana celular en reposo.
Ilustración 23 Imagen del potencial de membrana o potencial de reposo
Tomada de http://cureserpc.blogspot.com.co/2010/09/polarizacion-celular.html
26. El potencial de membrana hace referencia a
a. La energía potencial eléctrica almacenada por las cargas eléctricas a lado y lado de la membrana
b. la distribución equitativa de las cargas eléctricas a ambos lados de la membrana
c. a la permeabilidad de la membrana
d. a la transferencia de cargas eléctricas a través de la membrana
27. El voltaje o diferencia de potencial eléctrico que se genera en la membrana
plasmática es utilizado por la célula para
a. realizar trabajo mecánico y químico
b. mantener el potencial de membrana
c. mantener la concentración de iones equilibrada
d. impedir el movimiento de cargas eléctricas a través de la membrana
107
Anexo B: Guía aprendizaje Sesión 1: ¿Qué es la energía potencial y cómo varía en función de la distancia?
INSTITUCIÓN EDUCATIV A ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
Asignatura: Ciencias Naturales Grado: Noveno Tema: Energía potencial
¿Qué es la energía potencial y como varía en función de la distancia?
Sesión: 1 Actividad: 1
En qué consiste:
Conocer los conceptos de trabajo, fuerza y aceleración y su relación con la energía.
Reconocer las fuentes de energía y las manifestaciones de energía en la naturaleza.
Concepto de Fuerza
Qué piensas acerca de Situación 1: Cuándo un libro está sobre una mesa ¿qué fuerzas actúan sobre él? Situación 2: Para qué un cuerpo esté en reposo ¿deben existir o no fuerzas actuando sobre él? Situación 3: Cuándo se deja caer una pelota ¿qué fuerzas actúan sobre ella?
Exploremos: Lanza una pelota hacia arriba, luego sostenla a una altura y suéltela.
¿Al lanzar la pelota hacia arriba aplicaste una fuerza? ¿Al sostener la pelota actúa alguna fuerza sobre ella? ¿Hubo cambio de velocidad en la pelota en ambos casos? Estira un resorte y suéltalo súbitamente. En este caso ¿aplicaste una fuerza? ¿Qué sucede cuando lo sueltas? Ahora sostén un libro en tu mano ¿Por qué no hay cambio de velocidad (aceleración) en el libro por acción de la fuerza que le aplicas? ¿Por qué si lo sueltas si acelera? ¿Qué lo hace acelerar?
¿Qué puedes concluir respecto a?
1. ¿Una fuerza neta siempre produce una aceleración?
2. ¿Sobre un cuerpo actúan varias fuerzas que pueden o no contrarrestarse?
108
Comprobando y ampliando los conocimientos aprendidos
Consulta que es inercia y contesta: ¿El estado de reposo o movimiento de un cuerpo depende de las fuerzas que actúan sobre él? ¿Qué relación existe entre inercia y fuerza? Extractase: Actividad sobre las fuerzas fundamentales de la naturaleza Observa el video “el universo mecánico: las fuerzas fundamentales” Dirección: https://www.youtube.com/watch?v=qm6uqTK6uY4&index=13&list=PLu7yMlFyIGtAq0Ety2f_6p3ZN7a6XxrKg ¿Qué fuerza fundamental es responsable de la atracción de la Luna hacia la Tierra? ¿Qué atributo está relacionado con esta fuerza?
¿Qué fuerza fundamental atrae los electrones de un átomo hacia su núcleo? ¿Qué atributo se asocia a esta fuerza?
¿Qué fuerza fundamental mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo del átomo?
¿Qué fuerza fundamental es responsable de la desintegración de partículas y núcleos atómicos?
109
Concepto de Aceleración
Qué piensas acerca de Situación 1: Observa la siguiente tabla:
¿Qué auto es el más veloz de todos y por qué?
Situación 2: ¿Qué caerá primero al suelo al soltar desde la misma altura dos pelotas de diferente masa? ¿Cómo es la aceleración de las pelotas al caer?
Exploremos
Con ayuda de un compañero lance una pelota tenis y un balón de futbol desde la misma altura ¿Cuál llegó primero al suelo? ¿A qué se debe esto? Ahora lanza a la misma altura un papel arrugado y un papel sin arrugar. ¿Qué sucede ahora? ¿A qué se debe esto? Amarra una pelota al extremo de una cuerda y hazla girar sobre tu
cabeza ¿Cómo es la aceleración que experimenta la pelota? Cómo relacionas esto con el movimiento de la Tierra alrededor del Sol? ¿Cómo es la aceleración de la Tierra? ¿Qué puedo concluir respecto a? 1. Aceleración y fuerza 2. Aceleración y velocidad Comprobando y ampliando los conocimientos aprendidos El Docente numera a 10 estudiantes y los distribuye aleatoriamente, luego pide a un estudiante voluntario que se ubique en el centro y que vaya hacia los números que usted le indique.
Después de ver la actividad responde las siguientes preguntas:
1. ¿Durante la actividad el estudiante se mantuvo acelerado?
2. ¿Qué velocidad tenía el estudiante en reposo?
3. ¿En qué momentos durante la actividad el estudiante varió la velocidad?
110
Concepto Trabajo
Qué piensas acerca de Situación 1: ¿En cuál de las siguientes circunstancias se realiza trabajo y por qué? Al estirar un bomba Al empujar una pared Al comprimir un masmelo en una jeringa Al sostener un maletín en la mano sin moverse
Exploremos Con ayuda de un compañero realiza las siguientes actividades: Suba de la base de las escaleras hacia el segundo piso con maletín y otro compañero que haga lo mismo pero con dos maletines. ¿Quién hizo más trabajo? ¿Por qué?
Introduzca un masmelo en una jeringa y comprima el aire dentro de ella tirando del embolo ¿Cómo se evidencia si hubo o no trabajo?
Sostenga un maletín alrededor de 5 minutos. Ahora lleve el maletín en su mano y de la vuelta una vuelta por el colegio ¿En cuál de los dos casos
realizó algún trabajo?
Qué puedo concluir con respecto a: 1. Cuál es la relación entre fuerza, desplazamiento y trabajo
Comprobando y ampliando los conocimientos aprendidos
¿Qué relación existe entre trabajo y energía?
Concepto Energía
Qué piensas acerca de Situación 1: ¿En cuál de las siguientes circunstancias existe
energía y por qué? Un clavadista ubicada en un trampolín a dos metros de la tierra Un carro en movimiento En un carro estacionado
En una persona que realiza un trabajo En los electrodomésticos
111
Exploremos: Observe los siguientes videos y realiza las actividades propuestas: Introducción al concepto de energía
Dirección: https://www.youtube.com/watch?v=txU9g-nZrgs&index=3&list=PLu7yMlFyIGtAq0Ety2f_6p3ZN7a6XxrKg
El universo mecánico: la energía potencial
Dirección: https://www.youtube.com/watch?v=8QDHqrE9V8E
1. Juegue con el siguiente applet: Cambios y Formas de Energía (PhET Colorado)
Dirección: https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-forms-and-changes
2. Mencione las formas en que la energía se manifiesta en la naturaleza
3. Observe las demostraciones que hace el docente y explica las transformaciones energéticas que se dan en cada proceso:
Hacer oscilar un péndulo
Dejar caer un objeto desde cierta altura
Prender un bombillo led a partir del movimiento de un dinamo
Prender un bombillo led a partir de una batería de limones
4. Observe el siguiente diagrama que representa la idea de Boscovich acerca de la variación de la fuerza entre dos átomos respecto a la distancia.1
112
a. Señale a qué distancia las fuerzas atractivas y repulsivas son igual a cero. b. En qué posición (señale en la gráfica) los átomos están en equilibrio estable. c. A qué se refiere la posición de equilibrio estable propuesta por Boscovich. d. ¿Con qué está relacionada la energía potencial? ¿Con qué está relacionada la energía cinética?
¿Qué puedo concluir con respecto a la relación entre? 1. Energía y trabajo 2. Energía y calor 3. Energía potencial y energía cinética Comprobando y ampliando los conocimientos aprendidos
Explica por qué: La energía se conserva La energía se degrada La energía es una propiedad de los cuerpos
¿Qué es la energía potencial y como varía en función de la distancia?
Sesión: 1 Actividad: 2 En qué consiste:
Conocer la evolución histórica del concepto energía.
Elaborar una línea de tiempo con los aspectos históricos más relevantes en el desarrollo del concepto de energía.
Qué piensas acerca de
Situación 1: ¿Cómo se lleva a cabo en las ciencias la introducción de un nuevo concepto o idea científica? Exploremos: En grupos de 5 estudiantes deben leer el momento histórico asignado por el docente y luego socializarlo al resto del salón. Seguidamente y de manera colaborativa construirán entre toda una línea de tiempo con los aspectos más relevantes de la
evolución del concepto energía.
113
Breve resumen histórico del concepto energía El calor como sustancia material
Desde el pensamiento Aristotélico la explicación de los fenómenos del universo se basaban en el movimiento de los cuerpos y la naturaleza del calor. Para los griegos atomistas el calor era como una especie de sustancia material capaz de difundirse a través de los cuerpos, y que de esto dependía que los cuerpos estuvieran fríos o calientes.
Nadie sabía con certeza qué era el calor, sin embargo Francis Bacon en 1620 en su libro “Novum Organum” tabuló las fuentes de calor, tales como la llama, el rayo, el verano, rayos solares, el fuego y las hierbas aromáticas que producen la sensación de calor cuando se ingerían.
Hacia 1761 Joseph Black notó que en los cambios de estado, se absorbía o se cedía una cantidad de “calor”, más exactamente de energía, sin que la temperatura cambie, de esta manera, a la energía involucrada en estos fenómenos la denominó calor latente e ideó una forma para calcularlo. La teoría del calórico: el calor como fluido
Antoine Laurent Lavoisier hacía 1770 dio un paso infortunado en el estudio del calor, él consideró el calor, junto con la luz y otros elementos, como un fluido al que llamó calórico. Según esta teoría, el calor era un fluido “imponderable” y sutil que podía penetrar los cuerpos y ser almacenado o liberado, de esta manera los cuerpos en los que penetraba el calórico se calentaban y en los que escapaba se enfriaban. Uno de los principales defensores del calórico fue Black que con sus experimentos en los cuales ponía en contacto cuerpos fríos y calientes concluyó que la tendencia del calor era difundirse de un cuerpo más caliente a otro más frío hasta alcanzar equilibrio, de manera que la cantidad de calórico que pierde un cuerpo coincide con la cantidad de calórico ganado por el otro. La teoría del calórico fue ampliamente aceptada durante medio siglo. Rechazo a la teoría del calórico: La teoría cinética del calor
En 1798 Benjamin Thompson más conocido como Conde de Rumford, cuestionó la teoría del calórico. Rumford notó que cuando se torneaban cañones, el metal se calentaba muchísimo (aparentemente la cantidad de “calor” obtenida era superior a la que contendría el metal) y por tanto tenían que ser enfriados asiduamente con agua. Comprendió entonces que el calor no tenía nada que ver con ser un fluido que saliera del metal, ya que según la teoría del calórico, este se conservaba durante un fenómeno. Concluyó entonces que el movimiento, es decir, que provocar fricción entre dos materiales producía calor. Las ideas de Rumford fueron ignoradas durante los cincuenta años siguientes y la teoría del calórico siguió reinando hasta 1840.
114
Una aproximación al principio de la conservación de la energía
A tres hombres de manera independiente (Mayer, Joule y Helmholtz) se les ocurrió de una forma u otra forma el principio de la conservación de la energía. Mayer observó que el océano se calentaba por el movimiento de las olas del agua, de lo que concluyó que el movimiento se convertía en calor, también dedujo que el calor que un cuerpo producía debía ser igual numéricamente al trabajo necesario para producirlo. De esta manera, Mayer pensó de una u otra forma que la energía se conserva. Sin embargo, el no utilizó la palabra energía, en su lugar empleó caída de la fuerza (para referirse a lo que actualmente se conoce como energía potencial gravitacional) y fuerza de la vida (para referirse a la energía cinética o movimiento). Por su parte James Prescott Joule, interesado la mayor parte de su vida por comprender la conversión del trabajo mecánico (movimiento) en calor, realizó un experimento muy famoso que consistió en hacer caer una pesa desde una altura para girar una rueda de paletas al interior de un recipiente cerrado con agua. De esta manera el trabajo realizado podía calcularse mediante la masa del objeto que cae y la distancia recorrida por este. Con este experimento Joule notó que la temperatura del agua se incrementaba por el movimiento de las aspas de la rueda de paletas y por tanto, a partir de las experiencias de Joule se abrió paso al establecimiento de que el calor y el trabajo estaban estrechamente relacionados. La conservación de la “vis viva”
Durante el siglo XVII Leibniz y otros científicos pensaron que en las colisiones elásticas entre dos cuerpos lo que se conservaba era la “vis viva” (fuerza viva) y no el movimiento como afirmaba Descartes. Leibniz propuso el principio de conservación de la “vis viva”, en el que indica que cuando un cuerpo cae adquiere una “fuerza”. El efecto de dicha “fuerza” es tal que permite remontar a la misma altura desde la que cayó, si se produce una colisión elástica. Formalización del principio de conservación de la energía Del concepto de la “vis viva” a la idea actual de energía Aunque Mayer y Joule realizaron varios experimentos para demostrar que existía una magnitud que se conservaba en cualquier proceso natural, fue Hermann Ludwig Ferdinand (von) Helmholtz en 1847 quien realizó la primera redacción clara y profunda acerca de la conservación de la energía que presentó en la memoria Über die Erhaltung der Kraft (obre la conservación de la fuerza). En ella Helmholtz define la cantidad de tensiones (la energía potencial actual) e indica que “el aumento de la energía cinética de una partícula en su movimiento bajo la influencia de una fuerza central es igual a la cantidad de tensiones que corresponden a la variación relativa desde el centro de acción”. La correspondencia actual del enunciado anterior sería que el aumento de la energía cinética de una partícula es igual a la disminución de su energía potencial cuando se mueve sometido a una fuerza central.1
115
Tiempo después Helmholtz por sugerencia de Rankine (1820- 1872) cambió los término “fuerza viva” y cantidad de tensión” por los términos “energía actual” y “potencial”, así mismo lo hizo con la “conservación de la fuerza” por “conservación de la energía.” Helmholtz aplicó el principio de conservación de la energía a fenómenos eléctricos, químicos, mecánicos, magnéticos y térmicos, logrando así unificar diferentes procesos como la manifestación de uno solo ente, la “energía”.
Finalmente, en el siglo XIX Faraday introduce el concepto de campo para explicar la acción entre dos cuerpos separados. En el siglo XX se plantea la relación entre campo y la energía potencial, ya que el campo se puede entender como la variación de la energía potencial, por unidad de masa o carga, en función de la distancia. De igual manera la teoría de la relatividad, propuesta por Einstein, permite establecer que la masa es tan solo otra forma de energía, lo que se refleja en la famosa igualdad E = mc2. De la cual se deduce que la materia y la energía son lo mismo y es precisamente en los proceso de fisión y fusión nuclear que esta equivalencia tiene aplicabilidad. En la actualidad, el estudio de las partículas elementales ha evidenciado la equivalencia entre materia y energía; es posible considerar la transformación de materia en energía o viceversa, como por ejemplo en las bombas nucleares.
Tomado de Jordi Solbes y Francisco Tarín. Generalizando el concepto de energía y su conservación. Didáctica de las ciencias experimentales y sociales. N° 22,
2008.
116
Anexo C: Guía aprendizaje Sesión 2: ¿Cómo funciona una montaña rusa?
INSTITUCIÓN EDUCATIV A ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
Asignatura: Ciencias Naturales Grado: Noveno Tema: Energía potencial
¿Cómo funcionan las montañas rusas?
Sesión: 2 Actividad: 1 En qué consiste:
Predecir cómo funcionan las montañas rusas
Identificar los principios físicos que describen el funcionamiento de una montaña rusa
Qué piensas acerca de
¿Cómo funciona una montaña rusa? ¿A qué se debe esa sensación que experimentas en la barriga durante la caída? ¿La velocidad que se experimenta es constante o cambia? ¿Qué fuerza(s) actúan durante el recorrido? ¿Cuál (es)?. Exploremos Comparte con tus compañeros tus ideas acerca del funcionamiento de una montaña rusa y tu experiencia al haber montado en una de
ellas. Luego ingresen a la dirección https://www.eduplace.com/kids/hmsc/activities/simulations/gr4/unitf.html y una vez hayan ingresado deben leer la introducción sobre el funcionamiento de la montaña rusa sin fricción haciendo clic en la casilla marcada como 1 que aparece en el lado izquierdo de la ventana y hagan una comparación con las ideas que escribieron en el apartado anterior. Luego hacer clic en la casilla numerada como 2, dar clic en la leyenda
start y leer la información que aparece en cada interfaz y que con esta información trabajen la guía de trabajo propuesta acerca del
funcionamiento de una montaña rusa
Guía de trabajo con el simulador Energy and Motion (Discovery! Simulations)
1. ¿Cómo inicia el funcionamiento de una montaña rusa?
2. ¿Por qué se debe ubicar el coche de la montaña rusa en lo más alto?
3. ¿En qué momento del recorrido existe energía potencial? ¿Por qué?
117
4. ¿Qué tipo de energía tiene el coche de la montaña rusa cuando desciende de la colina?
5. ¿Por qué puede mantenerse en movimiento el coche durante todo el recorrido sin ayuda del motor?
6. ¿Qué fuerzas actúan sobre los pasajeros que van en el coche de la montaña rusa?
7. ¿Cómo son los bucles o inclinaciones de la montaña rusa con respecto a la altura inicial? ¿Qué pasaría si fueran más altos o más bajos que la altura donde inicia la aventura?
8. ¿En qué tramos del recorrido la velocidad aumenta y en cuáles la velocidad disminuye, y por qué?
9. ¿Se conserva la energía en la montaña rusa?
10. ¿Existe un tramo del recorrido en la que los pasajeros no experimentan aceleración?
11. En la montaña rusa descrita en la simulación ¿existe fricción? ¿Por qué?
La siguiente imagen representa la fuerza normal (n) y el peso (w) en diferentes posiciones de la montaña rusa.1
Imagen tomada de http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1350/06CirMtn/VertCircle.html
12. ¿En qué tramo la velocidad aumenta? ¿En qué tramo la velocidad disminuye? ¿En qué tramo la velocidad no cambia?
13. ¿A qué se deben las sensaciones desagradables que experimentan algunas personas en las montañas rusas?
¿Cómo funcionan las montañas rusas? Sesión: 2 Actividad: 2
En qué consiste:
Identificar las barreras de energía potencial que puede experimentar un coche de montaña rusa que no tiene la suficiente energía potencial desde el inicio.
118
Qué piensas acerca de ¿Cuál de las siguientes montañas rusa está bien diseñada y por qué?
Diseño 1
Diseño 2
Exploremos: ingresen al simulador Energy and Motion.
https://www.eduplace.com/kids/hmsc/activities/simulations/gr4/unitf.html) Una vez allí seleccionar la pestaña numerada como 2 y luego dar clic en la opción Try it, al ingresar aparecerán unos controles, esos botones permiten manipular la altura de cada tramo de la montaña rusa, deben asignar diferentes valores y escribir sus predicciones acerca de si el carrito completará o no su recorrido, luego dar clic en Start y observar los resultados y tabularlos en una tabla como esta:
¿Qué puedo concluir respecto a? 1. ¿Cómo funciona una montaña rusa? 2. ¿Por qué se cumple el principio de conservación de la energía en una montaña rusa con fricción? 3. ¿En qué parte del recorrido existe energía potencial y energía cinética? 4. ¿Qué sensaciones produce la aceleración en los pasajeros de una montaña rusa? 5. ¿Qué fuerzas actúan sobre los pasajeros de una montaña rusa y cuál es su importancia para asegurar la vida de los pasajeros?
Grupo Altura inicial Altura siguiente colina Altura bucle Resultados
1
2
119
Comprobando y ampliando los conocimientos aprendidos Extaclase: Jugar con este Apple Pista de patinar “Energía” alojado en https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-skate-park
Después de observar y trabajar con el simulador contesta las siguientes preguntas:
1. ¿Qué puede concluir acerca de magnitud de energía potencial gravitacional del patinador en el espacio, la Tierra, la Luna y Júpiter?
2. ¿Cómo afecta la gravedad la magnitud de energía potencial gravitacional del patinador?
3. ¿Por qué en el espacio no se observa representación en el gráfico del simulador la existencia de energía potencial gravitacional?
4. ¿Qué efecto tiene la fricción sobre la conservación de la energía mecánica?
5. ¿A pesar de la fricción, se puede decir que la energía total del sistema se conserva?
6. ¿Por qué? ¿Qué pasa con la energía potencial gravitacional del patinador a medida que se le aumenta la masa?
120
Anexo D: Guía aprendizaje Sesión 3: ¿Por qué se unen los átomos?
INSTITUCIÓN EDUCATIV A ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
Asignatura: Ciencias Naturales Grado: Noveno Tema: Energía potencial
¿Por qué se unen los átomos? Sesión: 3 Actividad: 1
En qué consiste:
Plantear conjeturas que respondan transitoriamente preguntas acerca de la unión de los átomos
.Qué piensas acerca de
1. ¿Qué partículas fundamentales componen los átomos? 2. ¿Qué hace que los átomos se aproximen o se separen? ¿Mediante qué fuerzas interaccionan los átomos? 3. ¿Qué sucede cuando los átomos están muy próximos entre sí? 4. ¿Por qué una vez que los átomos forman moléculas ya no pueden separarse por sí solos?
5. En términos energéticos ¿qué pasa cuando se forma un enlace? 6. En términos energéticos ¿Qué pasa cuando se rompe un enlace? 7. ¿Cuándo los átomos se acercan, qué pasa con su energía potencial? ¿Por qué? 8. La distancia que existe entre un núcleo atómico y otro cuando los átomos se enlazan ¿es mínima o es nula? ¿Por qué?
Exploremos Consultar los siguientes conceptos; radio atómico, energía de enlace, distancia de enlace, fuerzas intermoleculares, punto de ebullición y punto de fusión y los anotarlos en su libreta. Luego realiza tus predicciones acerca de cómo serán las interacciones atómicas entre las parejas de átomos: Neón-Neón, Oxígeno-Oxígeno, Argón-Argón, Neón-Argón, Neón-Oxígeno, Argón-Oxígeno y organizarlas en una tabla como la siguiente:
Pareja de átomos que se enlazan
Fuerza De interacción
(fuerte/ débil)
Distancia de enlace
larga /corta)
Energía de enlace
(grande/Pequeña)
Explicación
121
Luego de realizar las predicciones ingresar la página
https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/atomic-interactions Una vez que
ingrese al simulador deberá desarrollar las siguientes actividades:
1. Escoger la pareja de átomos con la que se va a realizar la interacción y dar clic
en la opción mostrar componentes de las fuerzas.
2. Deslizar el átomo móvil hasta encontrar la distancia a la que el átomo inmóvil y el
átomo móvil se encuentran vibrando sin poder escapar del enlace. ¿Cómo son las
fuerzas repulsivas y atractivas a esta distancia? ¿Será posible juntar más los
átomos? ¿Qué pasará con las fuerzas repulsivas y atractivas si sigo intentando
juntar más los átomos?
3. Describa cómo varía la energía potencial de los átomos en función de la distancia.
4. Describa la profundidad del pozo de energía potencial simbolizado con la letra ε
y la distancia de enlace simbolizada con la letra σ.
5. Repita el mismo procedimiento con cada una de las parejas de átomos
propuestas por el simulador, organice los resultados en la siguiente tabla.
Átomo
inmóvil
Átomo
móvil
Energía de
enlace
(grande/
pequeña)
Distancia de
enlace (larga
/corta)
6. Busquen el valor del radio atómico de cada pareja de átomos.
¿Qué puedo concluir respecto a?
● La energía de enlace y las fuerzas intermoleculares de enlace
● La energía de enlace y la distancia de enlace
● La variación de energía potencial en función de la distancia de los átomos
● Las fuerza de enlace y el pozo de potencial
● La magnitud de las energías de enlace y los puntos de fusión y ebullición de
las sustancias
Comprobando y ampliando los conocimientos aprendidos
Realiza un mapa conceptual acerca de lo aprendido sobre enlace químico
122
Anexo E: Guía aprendizaje Sesión 4: ¿Por qué algunas reacciones liberan
energía y otras adsorben energía?
INSTITUCIÓN EDUCATIV A ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
Asignatura: Ciencias Naturales
Grado: Noveno
Tema: Energía potencial
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras adsorben
energía?
Sesión: 4 Actividad: 1
En qué consiste:
Reconocer que existen reacciones que liberan energía y otras que adsorben
energía.
Qué piensas acerca de
Situación 1: La siguiente ecuación que representa una reacción
química de manera gráfica
Explique lo que sucede en la reacción química descrita con respecto a los enlaces
químicos
Situación 2: ¿Cómo funciona un fósforo?
Exploremos
1. Observa los siguientes videos:
La química del fósforo (reacción exotérmica)
https://www.youtube.com/watch?v=y2ErAPODA6U
La química de los fuegos pirotécnicos
https://www.youtube.com/watch?v=nPHegSulI_M
123
Fuego ciencia en cámara lenta
https://www.youtube.com/watch?v=oycR87Qn_YE
Reacción entre el cloruro de amonio e hidróxido de bario https://www.youtube.com/watch?v=GQkJI-Nq3Os
2. Después de mirar los videos responde las siguientes preguntas:
a. ¿Cuáles son las sustancias químicas que se utilizan para los fósforos?
b. ¿Qué sustancias conforman la banda lateral de la caja de fósforos?
c. ¿Qué función cumple durante la reacción cada uno de los componentes del fósforo?
d. ¿Qué función cumplen las sustancias de la banda lateral de la caja de fósforos?
e. ¿Por qué se necesita fricción para encender un fosforo?
f. ¿La cabeza de los cerillos puede reaccionar en el vacío si la temperatura es lo suficiente mente alta?
g. ¿Por qué el agua que se agrega sobre la madera se congela al colocar sobre ella el recipiente donde ocurre la reacción entre el hidróxido bario y el cloruro de amonio?
h. ¿En cuál de las reacciones mostradas se adsorbe energía y en cuál se libera energía?
i. ¿El fósforo para encender inicialmente necesita del oxígeno?
¿Qué puedo concluir respecto a?
Redacta un párrafo explicando el funcionamiento de un fósforo. Comprobando y ampliando conocimientos
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras absorben energía? Busca ejemplos de reacciones endotérmicas y reacciones exotérmicas en la naturaleza
124
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras adsorben energía?
Sesión: 4 Actividad: 2
En qué consiste:
Reconocer que en las reacciones químicas ocurren intercambios de energía.
Qué piensas acerca de
¿En las reacciones químicas ocurre intercambio de energía?
¿Cómo puede constatarse que hubo intercambio de energía en
una reacción química?
Exploremos:
En grupos de 5 estudiantes diseñen un procedimiento con el que
puedan establecer la variación de energía que experimentan las
sustancias al reaccionar, para esto cuentan con los siguientes
materiales: Un vaso de icopor con 10 ml de ácido clorhídrico 1 M, un
vidrio de reloj con una pequeña cantidad de granalla de zinc, una
espátula, y un termómetro. Recuerda que no podrás realizar ningún
procedimiento hasta que el profesor les dé el visto bueno para iniciar.
Para Analizar experiencia 1
¿Hubo intercambio de energía en la reacción? ¿Cómo se pudo evidenciar? ¿En
esta reacción la energía potencial de los reactivos es mayor o menor que la de los
productos? ¿Por qué?
Ahora registren la temperatura de 20ml de agua destilada que se encuentran en un
vaso de icopor y luego agreguen una pequeña porción (aproximadamente 0,1 g)
de nitrato de amonio que se encuentra en el vidrio de reloj y registren nuevamente
la temperatura durante la disolución de la sal o inmediatamente finalizado éste.
Para analizar experiencia 2
¿Cómo se evidenció el intercambio de energía en forma de calor durante las
reacciones? ¿Por qué?
En un vaso de icopor coloque 50 g de agua e introduzca un termómetro. Adicione un cubo de hielo previamente pesado y registre la temperatura del agua cada minuto hasta que se estabilice. Repita el experimento con 50 g de agua a una temperatura aproximada de 50 °C.
125
Preguntas para el análisis y la discusión
¿Todas las reacciones fueron viables naturalmente? ¿Por qué las reacciones se dan en una dirección específica?
Actividad para indagar
1. ¿Qué entendemos por reacción viable? ¿Qué determina que una reacción transcurra de manera natural?
2. Busca la definición de estos conceptos: entropía, entalpía, energía libre de Gibbs, energía interna y cómo se relacionan estos para determinar que un proceso sea viable o no lo sea.
4. ¿Cómo varió la entalpía y la entropía en cada una de las reacciones realizadas en laboratorio?
5. ¿Qué reacciones conoces que liberen energía a los alrededores? ¿Qué reacciones conoces que absorban energía de los alrededores?
6. ¿Qué cambio de entalpia tienen las reacciones endotérmicas y exotérmicas?
7. ¿Todas las reacciones que liberan energía ocurrirán de manera natural, sin interferencia del hombre?
8. ¿Cómo es la variación de entropía y entalpía en procesos espontáneos y no espontáneos?
9. ¿Por qué el hielo al fundirse adsorbe energía en forma de calor?
10. ¿En qué estado las moléculas de agua, en promedio, tienen más energía potencial?
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras adsorben energía?
Sesión: 4 Actividad: 3
En qué consiste:
identificar cambios de entropía y entalpía en un proceso.
126
Qué piensas acerca de:
Observa los siguientes diagramas de energía potencial
(diagramas de energía) (figura 3).
Figura 3. Representación del transcurso de una reacción exotérmica y endotérmica. Imagen tomada de
http://image.slidesharecdn.com/reaccionesqumicas-100319045149-phpapp01/95/reacciones-qumicas-25-
728.jpg?cb=1268974371
Según la variación de energía representada en los diagramas ¿Por qué algunas
reacciones liberan energía y otras la adsorben?
Exploremos
En grupos de 2 o 3 estudiantes resuelvan la siguiente actividad
1. Observa la siguiente imagen y responde las preguntas que se te
hacen a continuación.
Figura.1 Sistema formado por dos gases separados por una llave de paso. Tomada de
http://es.slideshare.net/JAIMEANDRESVERDUGO/quimica-3-y-4-medio-texto-para-el-estudiante-
30226124
a. ¿Qué sucederá con la entropía del sistema si se abre la llave de paso que separa
los dos gases? ¿Por qué?
b. ¿Qué ocurrirá con la entropía del sistema si aumentamos la temperatura del gas
confinado en los balones?
2. Analiza las ecuaciones que representan los siguientes procesos y para cada
proceso indica si la entropía aumenta o disminuye. Los símbolos usados como (s)
indican que la sustancia está en estado sólido, (l) en estado líquido y (g) en estado
gaseoso.
127
a. Fusión del nitrato de sodio
NaN03 (s) NaN03 (l)
b. Descomposición del Carbonato de Calcio
CaC03 (s) C02 (g) + Ca0 (s)
c. Fusión del cloruro de sodio (sal de mesa)
Na (g) + Cl (g) NaCl (s)
d. Evaporación del agua
H20 (l) H20 (g)
e. Congelación del agua
H20 (l) H20 (s)
f. Sublimación del Yodo
I2 (s) I2 (g)
g. Formación de agua
2H2 (g) + 02 (g) 2H20 (l)
h. Disolución de un gas en agua
C02 (g) + H20 (l) H2C03 (sol)
3. ¿Cuál es el efecto de la temperatura sobre la entropía de una sustancia? ¿Qué
experimento diseñarías para comprobar dicha relación?
4. Analiza los siguientes procesos. Para cada proceso indica si la energía interna
del sistema aumenta o disminuye y cómo es el cambio de entalpia del proceso.
a. Evaporar agua
b. Congelar agua
c. Expansión de un gas
d. Compresión de un gas
e. Combustión de la gasolina
f. Una taza de leche caliente dejada sobre la mesa
g. Un vaso con agua y hielo
128
h. Durante la fotosíntesis de las plantas
5. Complete la siguiente tabla de acuerdo si el proceso será viable o no y a que
temperaturas (bajas o altas)
6. Para los siguientes procesos indica si son viables o no a presión y temperatura
estándar.
a. Reacción entre el sodio metálico y el agua para formar hidrógeno gaseoso.
b. Disolución de sacarosa (azúcar) en agua.
c. Formación de amoníaco a partir de hidrógeno gaseoso y nitrógeno gaseoso.
d. Disociación del agua líquida para formar hidrógeno y oxígeno gaseoso.
e. Vaporización del etanol
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras adsorben energía?
Sesión: 4 Actividad: 4
En qué consiste:
Identificar transformaciones de energía en el cuerpo humano
Qué piensas acerca de:
¿De dónde proviene la energía que utilizan los seres vivos para
realizar sus funciones vitales?
129
Exploremos
1. Observa siguientes videos a manera de introducción al tema energía potencial y
metabolismo:
Cadena de transporte de electrones
https://www.youtube.com/watch?v=L3UDOb0qFek
https://www.youtube.com/watch?v=aVzdbnlzvJE&list=PL-
P5C4S5uhY6lYFVp-_Kj3gMSoiwL4wEK&index=2
Gradiente de protones y síntesis de ATP
https://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY
Resuelve
¿Qué importancia tiene el bombeo de protones o iones hidrógeno que se efectúa
en la membrana mitocondrial? ¿Qué función tiene la molécula de NADH? ¿Por qué
se dice que la mitocondrias es la central de producción energética de las células?
¿De dónde provienen la energía que utiliza el complejo ATP sintetasa para producir
ATP? Al generarse el gradiente de H+ se almacena energía, ¿qué tipo de energía
es está?
2. En grupos de tres estudiantes lean la siguiente lean la siguiente lectura.
Lectura complementaria: Energía y metabolismo
Introducción al metabolismo
Recorrer un lugar desconocido, especialmente una gran ciudad, puede ser
desconcertante. Calles, avenidas, cruces, rutas, atajos, puentes, etc. Seguramente
habrá más de una ruta posible que conduzca al destino deseado. Algunas serán
cuesta arriba, e implicarán un gran gasto de energía, mientras que otros caminos
serán cuesta abajo, y exigirán menor desgaste. Contar con un mapa puede ser de
gran ayuda. Se puede considerar que las moléculas presentes en cada célula se
comportan como viajantes en una ciudad. Las reacciones celulares en las que están
implicadas esas moléculas definen un mapa bastante complejo, llamado
metabolismo celular.
El metabolismo celular está constituido por el conjunto de reacciones y procesos
fisicoquímicos que ocurren en la célula. Algunas moléculas están involucradas en
rutas que implican gasto de energía, mientras que otras van “cuesta abajo”,
liberando energía.
En una única célula ocurren miles de reacciones químicas y su variedad es enorme.
Sin embargo, las diferentes reacciones del metabolismo celular integran una red
coordinada de transformaciones que presentan muchos aspectos en común. Todas
130
las células tienen la capacidad de degradar sustancias y extraer de ellas energía,
así como también de sintetizar macromoléculas (carbohidratos, proteínas, lípidos y
ácidos nucleicos) a partir de sus respectivas unidades (monómeros), y almacenar
energía.
Anabolismo y Catabolismo
El metabolismo está constituido por dos tipos de reacciones básicas: las anabólicas
y las catabólicas.
Anabolismo: Es el conjunto de reacciones con las que los organismos vivos
sintetizan (fabrican) las biomoléculas que los componen como hidratos de carbono,
proteínas, lípidos y ácidos nucleicos a partir de compuestos presentes en la célula.
La energía necesaria para reacciones anabólicas es provista por la reacción de
hidrólisis de ATP (Adenosina Tri-Fosfato), que es entre ATP y agua, y que es una
reacción exotérmica, o que emite energía a los alrededores. La fotosíntesis,
biosíntesis de ácidos grasos y aminoácidos son ejemplos de rutas anabólicas.
Catabolismo: Es el conjunto de reacciones de degradación a través de las cuales
los seres vivos obtienen energía. Los polímeros o biomoléculas presentes en las
células son transformadas en moléculas más simples, orgánicas o inorgánicas. La
energía liberada en las reacciones de degradación de estas moléculas es
almacenada en las células. La oxidación de ácidos grasos, la glucólisis, la
fermentación y la respiración celular son ejemplos de rutas catabólicas. Las
reacciones anabólicas y catabólicas dependen unas de otras, ya que están
interconectadas por intercambios de materia y energía en forma de calor. La energía
liberada por unas es usada por las otras, y los productos de una son materia prima
de las otras.
Relación entre energía y metabolismo
En particular los seres vivos recurren a la energía potencial almacenada en forma
de potencial eléctrico de sus membranas, en el gradiente de concentración de
sustancias, y la energía potencial debida a la interacción entre los átomos que
conforman las moléculas.
Las reacciones anabólicas no son viables naturalmente por si solas y requieren
acoplarse a otras reacciones para que se lleven a cabo, los productos tienen más
energía que los sustratos y menor entropía, y por ende son más inestables. Ahora,
estas reacciones también ocurren en las células. Una reacción termodinámicamente
no favorable ocurre si, y sólo si, se le acopla una reacción viable naturalmente, cuyo
incremento de entropía sea mayor que la disminución de entropía ocasionada por
la reacción no viable.
Otro aspecto a considerar es el efecto regulatorio que ejerce la energía celular sobre
el metabolismo. En situaciones donde la carga energética abunda, las rutas
131
catabólicas son inhibidas o “apagadas” por moléculas que participan en reacciones
exotérmicas, como el ATP y el NADH. ¿Para qué seguir almacenando energía, en
forma de energía potencial “química”, si hay suficiente? En el caso inverso, si la
célula se encuentra “hambreada” las moléculas que denotan déficit de energía (ADP
y NAD+) activan las rutas catabólicas. La regulación metabólica define que sólo se
almacene energía en caso de ser necesaria.
Moléculas transportadoras de energía
Los seres vivos, desde el organismo más simple hasta el más complejo, necesitan
un aporte permanente de energía. Algunas reacciones liberan energía, mientras que
otras la absorben. ¿Cómo ocurre esa transferencia de energía entre distintos tipos
de reacciones metabólicas? Usualmente, la energía liberada durante reacciones
catabólicas se almacena en moléculas transportadoras de alta energía. De esta
manera, se producen compuestos que almacenan la energía en su estructura en
forma de energía potencial. El ATP (Adenosin trifosfato) es la “moneda de energía”
más frecuente en los seres vivos. Está compuesta por una base nitrogenada
(Adenina), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato. Es un tipo de nucleótido que
contiene enlaces fosfato, que al ser hidrolizados se libera una gran cantidad de
energía.
La hidrólisis del ATP provee energía para:
❖ Síntesis de polímeros o moléculas complejas
❖ Trabajo mecánico en la contracción muscular
❖ Transporte activo a través de membranas
❖ Movimiento celular (cilios, flagelos, movimiento de cromosomas, etc.)
La hidrólisis del ATP en ADP (adenosin difosfato) o AMP (adenosin monofosfato)
libera grandes cantidades de energía, que es aprovechada por reacciones que la
absorben para llevarse a cabo.
Figura 3. Hidrólisis del ATP y producción de energía.
132
Imagen tomada de
http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/img_c105/fig3.jpg
El metabolismo es organizado por enzimas
Los sustratos de una reacción están separados de sus productos por una barrera
energética llamada energía de activación. La velocidad con la que transcurre una
reacción en ausencia de catalizadores (aceleradores de las reacciones químicas)
es muy baja, ya que sólo las moléculas con energía mayor o igual a esa barrera
energética lograrán formar producto. De hecho, las actividades metabólicas no
pueden llevarse a cabo a un ritmo que permita la vida, sin la presencia de las
enzimas, catalizadores biológicos que tienen la capacidad de hacer que la reacción
ocurra por otra vía donde la energía de activación es más baja que la observada en
ausencia del catalizador. Al disminuir la barrera de energía potencial entre sustratos
y productos, la mayoría de las moléculas tienen la energía suficiente para llegar al
estado de transición y por lo tanto aumenta la velocidad de la reacción.
Reacciones redox (reducción- oxidación)
Las pilas que utilizamos en juguetes, controles remotos o relojes les proveen de la
energía necesaria para hacer un trabajo. En la pila hay dos componentes químicos
con diferente afinidad por los electrones, por lo que se establece un flujo de
electrones espontáneo que finalmente produce energía eléctrica. En la pila está
ocurriendo una reacción redox o de óxido-reducción que consiste en la transferencia
de electrones desde un dador (agente reductor) a un aceptor (agente oxidante).
En sistemas biológicos las reacciones redox son fundamentales, al punto que el uso
e intercambio de energía en el metabolismo es regido por reacciones de oxidación
y reducción. La glucosa, por ejemplo, es un intermediario clave de varias rutas
metabólicas. En función del nivel energético, la glucosa presenta distintos destinos.
Si la carga de energía celular es baja, entonces sufrirá una serie de reacciones de
oxidación con la concomitante liberación de energía. Por el contario, si la célula no
precisa energía, la glucosa se almacena luego de ser polimerizada en forma de
glucógeno o almidón (según el tipo de organismo), con absorción de energía.
Transformaciones energéticas en los seres vivos
Quizá la más familiar es la transformación de la radiación electromagnética en
energía potencial durante la fotosíntesis. Otras transformaciones son la energía
potencial de los alimentos en energía mecánica durante la contracción muscular, la
energía potencial eléctrica asociada al gradiente electroquímico a energía potencial
química al sintetizar moléculas, entre otras.
133
Habrás notado que es supremamente importante la energía potencial en los seres
vivos para poder realizar trabajos tan variados como la contracción del músculo
cardíaco para impulsar sangre, la transmisión de innumerables impulsos nerviosos,
la formación de orina en el riñón, la absorción de nutrientes, la síntesis de proteínas
en las células, la eliminación de sustancias tóxicas, entre otros, que no podrían
llevarse a cabo si la célula no captarán y transformaran la energía de una forma en
otra.
Tomada y modificada de
www.porquebiotecnologia.com.ar/adc/uploads/El_Cuaderno_1.doc
Preguntas para el análisis y la discusión
1. ¿A qué se denomina metabolismo?
2. Establezca diferencias entre anabolismo y catabolismo. ¿Por qué las reacciones
anabólicas deben estar asociadas o acopladas con reacciones catabólicas?
Mencione ejemplos de reacciones catabólicas y anabólicas.
3. ¿A qué se debe que la reacción de hidrólisis de ATP aporte energía a la célula?
4. ¿Cuáles son las principales formas de energía aprovechable para realizar trabajo
en los seres vivos?
5. ¿Qué trabajo biológico realizan los seres vivos a partir de la energía?
134
Anexo F: Guía aprendizaje Sesión 5: ¿Qué pasa cuando se altera el potencial
de membrana?
INSTITUCIÓN EDUCATIV A ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
Asignatura: Ciencias Naturales
Grado: Noveno
Tema: Energía potencial
¿Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana?
Sesión: 5 Actividad: 1
En qué consiste:
Distinguir entre potencial de reposo y potencial de acción.
Qué piensas acerca de:
¿Qué entiendes por voltaje?
Animales marinos como el pez torpedo, la raya y la anguila
pueden paralizar a otros seres vivos mediante descargas
eléctricas ¿Cuál es la fuente de esta energía potencial
eléctrica?
Exploremos
En grupos de 2 o 3 estudiantes resuelvan la siguiente actividad.
Proyecte las imágenes para que se observen mejor.
1. Observa la siguiente imagen y responde las preguntas que se te
hacen a continuación:
Momento 1. Potencial de reposo de una neurona
135
Ilustración 24 Célula neuronal en reposo.
Imagen tomada de http://www.monografias.com/trabajos41/potencial-membrana/potencial-
membrana2.shtml
¿Qué diferencias encuentras con respecto a la distribución de iones sodio y potasio a ambos lados de la membrana?
¿Qué iones abundan en el medio extracelular? ¿Qué iones abundan en el medio intracelular?
¿Cómo es el interior de la célula con respecto al extracelular en cuanto a la carga eléctrica que predomina? ¿Qué canales están abiertos y cerrados durante el estado de reposo de la membrana? ¿Por qué se mantiene la diferencia de potencial eléctrico o distribución desigual de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana? Momento 2: Despolarización de la membrana de la neurona por efecto de un
impulso nervioso
Ilustración 25 Potencial de acción de una neurona.
136
Imagen tomada de http://www.monografias.com/trabajos41/potencial-membrana/potencial-
membrana2.shtml
¿Qué está ocurriendo con la distribución de iones sodio? ¿A qué debe este cambio?
¿Qué determina respecto a la carga que posee el medio intracelular en reposo el
flujo de iones sodio durante el potencial de acción?
Durante el potencial de acción ¿Qué canales iónicos se abren?
Momento 3 Repolarización luego del paso del impulso nervioso
Ilustración 26 Neurona luego de transmitir el impulso nervioso.
Imagen tomada de http://www.monografias.com/trabajos41/potencial-
membrana/potencial-membrana2.shtml
¿Cómo están distribuidos los iones a ambos lados de la membrana? ¿A qué se debe esto?
Luego de esto observa el siguiente video: https://www.youtube.com/watch?v=7P63Pl8kfqk y contesta las siguientes preguntas;
1. ¿A qué iones no es permeable la membrana celular y a cuales si?
2. ¿Cuál es el valor del voltaje de la célula en reposo? ¿Qué indica el signo negativo del voltaje respecto a las cargas eléctricas del interior de la célula?
3. ¿Qué sucede con la distribución de iones sodio en el exterior celular durante el umbral?
4. ¿Qué consecuencias tiene la entrada de iones sodio para la carga eléctrica del interior celular?
137
5. ¿Cómo es el valor del voltaje del interior de la célula en este momento? ¿Qué indica ese voltaje? En este momento ocurre la despolarización ¿A qué se refiere este proceso?
6. ¿Qué iones salen al exterior celular durante la repolarización de a membrana?
Comprobando lo aprendido
Representa en una maqueta el potencial de acción
¿Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana? Sesión: 5 Actividad: 2
En qué consiste:
Reconocer que en las membranas celulares existe energía potencial eléctrica debido a la diferencia de potencial o voltaje
Comparar la propagación de los potenciales de acción en las membranas biológicas con un circuito básico RC
Qué piensas acerca de:
¿Qué es una batería eléctrica?
¿El gradiente electroquímico que se genera en las membranas puede considerarse una especie de batería eléctrica? ¿Por qué?
¿En las membranas existe un flujo de cargas eléctricas, iones y electrones?
Exploremos
En grupos de 2 o 3 estudiantes resuelvan la siguiente actividad:
Las membranas celulares con canales iónicos selectivamente permeables durante el potencial de reposo y acción pueden representarse mediante un modelo de circuito RC. Tu misión consiste en encontrar el equivalente entre una membrana con canales iónicos y un circuito básico RC y explicar por qué cada componente de la membrana puede ser comparado con uno de los componentes del circuito RC.
Lee con atención:
Membrana con canales iónicos y circuito RC
138
Texto elaborado teniendo en cuenta la referencia bibliográfica Seippel, R. G. (1977). Fundamentos de electricidad: principios de electricidad, electrónica, control y ordenadores. Barcelona, Editorial Reverté.
Corriente eléctrica
Se denomina corriente eléctrica al movimiento de cargas debido a una diferencia de potencial o voltaje (tensión). Las cargas se mueven desde una zona de mayor energía potencial a una de menor energía potencial.
Circuito básico RC
Un circuito es un sistema en el que fluye corriente eléctrica debido a una diferencia de potencial. Los circuitos RC son circuitos que están compuestos por un condensador y una resistencia, alimentados por una fuente eléctrica (pila). En los circuitos RC la corriente eléctrica que circula a través de ellos puede variar con el tiempo. A continuación se describen los componentes básicos de un circuito RC.
Condensador o Capacitor: Es fundamentalmente un aparato que almacena carga
y a la vez energía en forma de energía potencial. Un condensador consta de dos placas metálicas que se encuentran separadas por un pequeño espacio de aire o por un material aislante.
Ilustración 27 Imagen que ilustra a un condensador conectado por cables a una pila.
Se produce un flujo de electrones desde la placa positiva hacia la pila, dando lugar a un déficit de electrones en esa placa y un superávit de electrones en la placa negativa. Tomada de Seippel, R. G. (1977). Fundamentos de electricidad: principios de electricidad, electrónica, control y ordenadores. Barcelona, Editorial Reverté.
El símbolo para representar el capacitor dentro de un circuito es:
Resistencia: Es un material que genera un oposición o resistencia al paso de
corriente eléctrica, en otras palabras, las resistencias representan un obstáculo al flujo de corriente.
139
El símbolo para representar una resistencia dentro de un circuito es:
El ohmio es la unidad de resistencia en el Sistema Internacional, y se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.
La representación de un circuito básico RC es:
Ilustración 28 Circuito RC.
Donde C es el capacitor, R la resistencia i la intensidad de corriente v es el voltaje o tensión y E representa la diferencia potencial eléctrico. Tomada de http://elluishinojos.blogspot.com.co/2015/04/circuitos-rc-y-constante-de-tiempo.html
Fuerza electromotriz: La fuerza electromotriz hace referencia a la energía
proveniente de un dispositivo o fuente que genera una diferencia de potencial entre dos puntos (polo negativo y polo positivo) capaz de suministrar corriente eléctrica. Las baterías o pilas son los dispositivos más conocidos de fuerza electromotriz. Las pilas trasforman la energía potencial eléctrica en trabajo por medio de una reacción química de óxido-reducción producida en los electrodos que genera un flujo de electrones.
Ilustración 29 Componentes de una pila.
140
Los electrones fluyen del ánodo al cátodo por el circuito externo. Tomada de chubutin.com
Membrana plasmática
La membrana plasmática es una bicapa lipídica que envuelve a la célula y la separa del medio exterior, entre sus funciones está: permitir la entrada y salida de sustancias, regular el paso de agua, mantener la diferencia de potencial iónico. La membrana está compuesta principalmente por proteínas, carbohidratos, lípidos y azúcares.
Ilustración 30 Imagen del modelo mosaico fluido de la membrana.
Imagen tomada de http://www.escuelapedia.com/wp-content/uploads/Membrana-plasmatica.jpg
Para permitir el paso de sustancias la membrana plasmática cuenta con poros (canales iónicos) y proteínas transportadoras.
Canales iónicos
Los canales iónicos están formados por proteínas que contienen poros que permiten el paso selectivo de iones específicos, es decir, son permeables o permiten el flujo a unos iones y a otros no, en otras palabras la selectividad de los canales iónicos permite regular el paso de moléculas con carga eléctrica dentro y fuera de la célula.
Ilustración 31 Canales iónicos de la membrana. Tomada de http://www.itaca.edu.es/IMAGENES/INFORMACION%20ESPECIALISTAS/estructura-canales-ionicos-2.gif
141
Existen dos clases de canales iónicos: los sensibles al potencial de membrana, estímulos físicos o a mensajeros químicos (que se abren o se cierran debido a estímulos eléctricos, mecánicos o químicos) y los no sensibles (que están siempre abiertos, ya que no dependen de factores externos).
En todas las células existe una diferencia de potencial o voltaje debido a la distribución desigual de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana, que a su vez determina una composición diferente entre el medio intracelular y el medio extracelular, es decir, se crea un gradiente electroquímico denominado potencial de membrana (Vm). El potencial de membrana no es más que un tipo de energía potencial (eléctrica) que resulta del gradiente electroquímico que se genera en las membranas celulares.
Gradiente electroquímico
Un gradiente electroquímico resulta del potencial eléctrico (diferencia de energía potencial, ∆V) y del potencial químico (diferencia de concentración) de moléculas o iones a través de una membrana. La diferencia de potenciales electroquímicos puede ser interpretada como un tipo de energía potencial disponible para realizar trabajo en la célula.
El movimiento de un ion depende de la concentración y de la carga. Si un ion se mueve a favor de un gradiente electroquímico libera energía, y si se mueve en contra de un gradiente electroquímico absorbe energía, o un agente externo realiza trabajo sobre él.
142
Anexo G: Guía aprendizaje Sesión 6: ¿Por qué unos líquidos mojan unas
superficies y otras no?
INSTITUCIÓN EDUCATIV A ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
Asignatura: Ciencias Naturales
Grado: Noveno
Tema: Energía potencial
¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no?
Sesión: 6 Actividad: 1
En qué consiste:
Reconocer que el proceso de mojado está asociado a una disminución de la
energía potencial de todo el sistema.
Qué piensas acerca de:
¿Cuándo algo está mojado?
¿Todos los líquidos mojan, o solamente el agua moja?
¿Por qué el agua moja?
¿Qué cosas no moja el agua?
Al agregar una gota de un líquido sobre una superficie sólida, ¿Cómo sabes si está la moja o no?
¿Por qué los patos no se mojan? ¿Por qué los paraguas nos protegen de mojarnos con la lluvia?
Exploremos
En grupos de 2 estudiantes realizar la siguiente lectura como apoyo
conceptual al tema a abordar:
¿MOJA O NO MOJA?
Este texto fue elaborado teniendo en cuenta la referencia
bibliográfica Ruiz-Cabello, F. J. M. (2009). 27
27 Trabajo de tesis doctoral titulado Efecto de la rugosidad y heterogeneidad superficial en
fenómenos de mojado. Universidad de Granada.
143
El que una sustancia líquida moje a una superficie sólida en el seno de una
sustancia fluida (líquida o vapor) depende de la afinidad de los líquidos por
determinados sólidos, es decir, depende de las propiedades físico-químicas tanto
del sólido como del líquido que entran en contacto.
La mojabilidad de un líquido se manifiesta con el esparcimiento del líquido sobre el
sólido, de este modo cuando la gota del líquido entra en contacto con el sólido se
forma entre éstos un ángulo, denominado ángulo de contacto. Se tiene que si el
líquido se extiende completamente sobre la superficie sólida el mojado es perfecto,
si la gota se deforma medianamente se dice que el líquido moja parcialmente al
sólido y si el líquido no moja la superficie sólida, permanece formando la gota
esférica, tal como se muestra en la figura 1.
Mojado nulo28 Mojado parcial 29 Mojado perfecto30
Ilustración 32 Difrenetes grados de humectación del agua en diferentes superficies.
Como en la naturaleza no existen discontinuidades debe considerarse la existencia
de una región en donde se da la transición continua de una fase a otra, denominada
interfaz (o interfase), por otro lado el termino interfaz o superficie de Gibbs será
utilizado para describir una superficie imaginaria de separación entre dos fases.
Observe la figura 2.
28 Imagen tomada de https://nonperfect.files.wordpress.com/2015/03/gotaideal.jpg 29 Imagen tomada de https://quesosypan.files.wordpress.com/2011/08/image5.png 30 Imagen tomada de https://thumbs.dreamstime.com/x/las-gotas-de-agua-modelan-en-tarjeta-de-madera-19967311.jpg
144
Ilustración 33 Representación de una interfase y la interfaz.
Tomada de digibug.ugr.es/bitstream/10481/2413/1/18197759.pdf
En la interfaz existe un exceso de energía almacenada la cual es desfavorable
desde el punto de vista energético, por lo que el sistema siempre tiende a disminuir
la extensión del área interfacial con el objetivo de disminuir su energía libre de
Gibbs, también conocida como energía superficial y que es una forma de energía
potencial “eléctrica”. Recuerde que todas las interacciones entre átomos que llevan
a la formación de enlaces son principalmente eléctricas.
La energía superficial se define como la energía potencial almacenada por unidad
de área en una interfaz. Esta energía existe como consecuencia de la necesidad de
realizar un trabajo para “romper” las interacciones entra las moléculas durante la
formación de las superficies, o la energía de cohesión.
La formación de gotas de un líquido se debe a la tensión superficial, ya que ésta
tiende a minimizar la relación área-volumen. Como el sólido de menor superficie
que encierra un mayor volumen es la esfera, los líquidos tienden a formar gotas. De
acuerdo a esto es de suponerse que cuando la energía superficial de un líquido
disminuye, este minimiza su tendencia a formar gotas, por lo que el líquido se
extiende.
Observa ahora estos videos:
Superficies Superhidrofóbicas
https://www.youtube.com/watch?v=IPM8OR6W6WE
Replica Robot de insecto que puede saltar en agua
https://www.youtube.com/watch?v=39dg0wkS254
Lagarto Jesucristo (camina sobre el agua)
https://www.youtube.com/watch?v=45yabrnryXk
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL: ¿MOJA O NO MOJA?
1. Revisa tu kit y observa detenidamente lo que contiene
145
2. Antes de realizar el experimento realicen las siguiente predicciones de manera
individual y luego el grupo redactará la predicción grupal. Escribe si los líquidos
mojan o no mojan las superficies descritas:
Líquidos del Kit
Predicciones ¿moja o no moja?
Superficie
Solida
Agua Alcoho
l
Aceite
de
cocina
Glicerin
a
Agua con jabón
1 Grafito
2 Madera
3 Poliestire
no
4 Vidrio
5 Vidrio
engrasad
o
6 Cerámica
3. Utiliza el gotero y coloca cuidadosamente una gota de agua sobre cada superficie
(que previamente fue limpiada exhaustivamente con agua destilada únicamente) y
describe lo que sucede. Luego repite el procedimiento con cada líquido, teniendo
presente que el gotero debe estar limpio (enjuáguelo varias veces con agua
destilada) y seco en cada procedimiento y que cada gota debe caer en una zona
distinta a la del líquido anteriormente utilizado.
Una vez hayan realizado el procedimiento anoten sus observaciones en la siguiente
tabla:
Líquidos del Kit
Resultado ¿moja o no moja?
Superficie
Solida
Agua Alcoho
l etílico
Aceite
de
cocina
Glicerin
a
Agua con jabón
1 Grafito
2 Madera
146
3 Poliestire
no
4 Vidrio
5 Vidrio
engrasa
do
6 Cerámic
a
5. Conclusiones ¿Cómo explica el hecho que unos líquidos mojen unas superficies y otras no? ¿Qué efecto tuvo el jabón en el proceso de mojado del agua? ¿Qué es un jabón? ¿Por qué lo necesitamos para lavar?
¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no?
Sesión: 6 Actividad: 2
En qué consiste:
Reconocer que el proceso de mojado está asociado a una disminución de la
energía potencial de todo el sistema.
Qué piensas acerca de:
Observa las experiencias realizadas por el profesor y
contesta:
¿Se esparcirá o formará gotas la tinta de color sobre la leche?
¿Qué sucederá al sumergir el copito de algodón impregnado
de jabón en la leche con tinta?
¿Cómo explicas lo observado entre el agua y el aceite al colocarse un sobre otro?
Exploremos
En grupos de 2 o 3 estudiantes realizar las siguientes actividades
Experiencia No 1
Materiales:
- Dos tapas de refresco iguales y dos platos pequeños.
- Reactivos: Agua corriente y Alcohol
Desarrollo
147
Llena una tapa con agua y otra con alcohol. Derrama cuidadosamente el agua en
uno de los platos y el alcohol en el otro y observa.
¿Cuál de los dos líquidos se esparce más?
¿Cómo explicas lo observado?
¿Según lo observado, qué moja más el agua o el alcohol?
Experiencia No 2
Materiales.
Dos velas de parafina
Un vaso con agua y otro con aceite de cocina
Servilletas de papel
Desarrollo
Sumerge una vela en el vaso con agua y otra en el que contiene aceite. Sácalas
observa y compara.
¿Cuál de las dos velas está más mojada?
¿Cuál vela se deja secar más fácilmente con la servilleta?
¿A qué crees que se deben los resultados obtenidos?
Comprobando lo aprendido
¿Cómo explicas la acción de “mojar”?
¿Qué son superficies impermeables?
¿Qué son superficies superhidrofobas?
La sesión 2 fue tomada de Muñoz & Bernal (2013) Apropiación de la ciencia desde
el aula INDAGALA. Módulo: Química-1 Actividad 3. Humectación y lavado.
Bogotá.31
31 Indágala es un sitio destinado a apoyar a maestros, formadores, científicos y
administradores que buscan poner en marcha una enseñanza de calidad de las ciencias. Este portal busca ayudar en la formación, el acompañamiento y la puesta a disposición de materiales apropiados en el marco de un esfuerzo internacional entre muchos países, investigadores y maestros que han decidido compartir sus saberes y experiencias.
148
Anexo G: Prueba Final
INSTITUCIÓN EDUCATIVA ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO
ÁREA DE CIENCIAS NAURALES
DOCENTE: JESSY ARMENTA CASTRO
Este test contiene enunciados y situaciones relacionadas que se trabajaron durante la secuencia para abordar el concepto de energía potencial y otros conceptos relacionados con ésta como lo son fuerza, trabajo y aceleración. Contesta las preguntas de la 1 a la 4 de acuerdo a la siguiente información El lanzamiento vertical comprende la subida y bajada de los cuerpos. La siguiente imagen
representa el lanzamiento vertical de una pelota.
Ilustración 34 Lanzamiento vertical de una pelota.
Imagen tomada y modificada de https://efalhadra.files.wordpress.com/2009/11/columnas-2.png
1. Las fuerzas que están actuando sobre la pelota son:
a. La fuerza eléctrica y la gravedad b. La fuerza elástica y la fricción c. La fuerza de gravedad y la fricción d. La fuerza nuclear fuerte y la gravedad 2. Cuando la persona lanza la pelota hacia arriba, la aceleración de la pelota en el instante
después de que abandona la mano es: a. Mayor de cero b. Menor de cero c. Igual a cero d. Igual a la gravedad 3. Cuando la pelota alcanza su máxima altura, su velocidad es:
a. Mayor de cero b. Menor de cero
149
c. Igual a cero d. Igual a la gravedad 4. La aceleración que experimenta la pelota es:
a. Mayor al subir que al bajar b. Mayor al bajar que al subir c. Negativa al subir y positiva al bajar d. La aceleración siempre es constante e igual a la gravedad 5. Observa las siguientes imágenes y determina la o las fuerzas mediante las cuales los cuerpos que conforman el sistema interactúan: Sistema niña- pista Sistema pelota-suelo
Sistema imán-clavos Sistema interacción de átomos
Sistema neutrones y protones Sistema mano-pelota-tierra
6. En general, la energía potencial es aquella energía que:
a. Posee un cuerpo debido a su posición y configuración respecto a otro con el que interacciona mediante una fuerza natural b. Posee un cuerpo en virtud de su movimiento respecto a otro c. Posee un cuerpo debido a su altura respecto a la tierra d. Posee un cuerpo en virtud de su masa.
150
7. Solo las fuerzas conservativas dan lugar a la energía potencial, ya que cuando estas
actúan sobre un cuerpo se conserva la energía mecánica (energía potencial y energía cinética). Señala con una X las fuerzas conservativas:
h. Fuerza gravitacional __ i. Fuerza elástica__ j. Fuerza de rozamiento__ k. Fuerza eléctrica__
l. Fuerza magnética__ m. Fuerza ejercida por una máquina
(una prensa por ejemplo) __ n. Fuerza nuclear fuerte __
8. Señala con una X las situaciones en las que existe energía potencial:
a. Entre dos átomos separados a una distancia dada___ b. En un resorte que se encuentra estirado ___ c. Un automóvil en movimiento__ d. Un clavadista ubicado en un trampolín a dos metros de la tierra___ e. En una batería eléctrica cargada ___ f. En la radiación electromagnética__ g. En el ascenso de un carrito de montaña rusa en las colinas del recorrido ___ h. La tensión superficial de los líquidos___ i. En un juguete mecánico al cual se le ha dado cuerda para hacerlo
funcionar__ Considere un cometa en una órbita elíptica alrededor del sol. Como se muestra en la gráfica.
Ilustración 35 Imagen del cometa Halley en su trayectoria alrededor del sol.
Imagen tomada de http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?id=139368
9. La energía potencial gravitacional del sistema: e. Disminuye cuando el cometa se aleja del sol f. Aumenta cuando el cometa se acerca al sol g. Aumenta cuando el cometa se aleja del sol h. En cualquier punto es la misma, ya que la energía se conserva
10. Una fuerza que actúa sobre un objeto es entendida como
a. Toda acción capaz de someter un cuerpo a una aceleración b. Toda acción capaz de mantener el movimiento de un cuerpo c. Toda acción capaz de mantener un cuerpo en reposo d. Toda acción capaz de someter un cuerpo a la misma velocidad Observe la siguiente imagen y responda las preguntas que se hacen a continuación. Suponga que no hay fricción con el aire (o que el balón está rebotando en el vacío)
151
Ilustración 36 Imagen de un balón de baloncesto rebotando a iguales intervalos de tiempo.
Imagen tomada de https://en.wikipedia.org/wiki/File:Bouncing_ball_strobe_edit.jpg
11. La aceleración del balón es…
e. La misma en todo momento f. Mayor cuando está cerca al piso g. Cero cuando está en la máxima altura h. Mayor al inicio del rebote
12. La fuerza que actúa sobre el balón es…
e. La misma en todo momento f. Mayor cuando está cerca al piso g. Cero cuando está en la máxima altura h. Mayor al inicio del rebote
13. La energía cinética es…
e. La misma en todo momento f. Mayor en la medida que esté más cerca al piso g. Máxima cuando está en la máxima altura h. Mayor al inicio del rebote
14. La energía potencial es…
a. La misma en todo momento b. Mayor en la medida que esté más cerca al piso c. Máxima cuando está en la máxima altura d. Mayor al inicio del rebote
La siguiente imagen muestra a un hombre empujando un barril por una rampa a una
mesa.
Ilustración 37 Hombre subiendo un barril por una rampa a una mesa.
Imagen tomada de https://www.youtube.com/watch?v=NJr1BPWSF3Q
152
Utilizando la Figura 3 responda las siguientes preguntas
15. Si un hombre sube un barril por una rampa a una mesa y sube otro barril idéntico a la mesa levantándolo directamente del piso podemos concluir que.
a. En ambos casos hizo el mismo trabajo b. Hizo más trabajo cuando lo levanto directamente el barril del piso y lo puso
sobre la mesa. c. Hizo más trabajo cuando subió el barril a la mesa usando la rampa d. En ambos casos hizo la misma fuerza para levantar el barril
16. Si cambia la inclinación de la rampa el hombre…
a. Hará más trabajo en la medida que la rampa sea más inclinada. b. Hará menos trabajo en la medida que la rampa sea más inclinada. c. Hará el mismo trabajo independientemente de la inclinación de la rampa d. Gastará más energía en la medida que la rampa se más inclinada
Contesta las preguntas del 17 al 22 de acuerdo con la siguiente información
El siguiente esquema representa la variación de energía potencial en función de la distancia cuando dos átomos interaccionan formando un enlace químico
Ilustración 38 Curva de energía potencial.
Imagen tomada y modificada de http://1.bp.blogspot.com/- S9Ujz0aJOPY/UJFyL0bgm1I/AAAAAAAAAOM/HNE7WQfq2Do/s1600/sep.gif
17. Cuando los átomos están muy próximos entre sí predominan
a. Las fuerzas atractivas y la energía potencial del sistema aumenta b. Las fuerzas repulsivas y la energía potencial del sistema disminuye c. Las fuerzas repulsivas y la energía potencial del sistema aumenta d. Las fuerzas atractivas y la energía potencial del sistema disminuye 18. Cuando los átomos empiezan a aproximarse a largas distancias predominan a. las fuerzas atractivas y la energía potencial del sistema aumenta b. las fuerzas repulsivas y la energía potencial del sistema disminuye c. las fuerzas repulsivas y la energía potencial del sistema aumenta d. las fuerzas atractivas y la energía potencial del sistema disminuye 19. Se dice que dos átomos están enlazados cuando el sistema en su conjunto está en un
pozo de potencial, es de esperarse que al formarse un enlace químico
153
e. La energía potencial del sistema aumente f. La energía potencial del sistema sea mínima g. La energía potencial del sistema sea la misma que la de los átomos separados. h. La energía potencial sea cero.
20. Cuando se rompe un enlace químico siempre se
e. Adsorbe energía f. Libera energía g. Emite calor h. Disminuye la energía potencial
21. Cuando se forma un enlace químico se
a. Adsorbe energía b. Libera energía c. Emite calor d. Aumenta la energía potencial
22. Los átomos se unen a una distancia en la que
a. Las fuerzas de atracción sean mayores que las de repulsión y la energía potencial sea mínima
b. Las fuerzas netas sobre cada átomo sean cero y la energía potencial sea mínima
c. Las fuerzas se equilibren y los átomos se fusionen d. La fuerza de repulsión entre ellos sea nula
Observe las siguientes imágenes y responda las preguntas 23 y 24 .Suponga que no hay fricción entre el las ruedas del carro y el riel.
Momento 1 Momento 2
Ilustración 39 Imagen del recorrido de una montaña rusa.
Tomada y modificada de https://www.eduplace.com/kids/hmsc/activities/simulations/gr4/unitf.html
23. Al observar el momento 1 se puede decir que
a. El carrito completará su recorrido sin dificultad, pues tiene la suficiente energía potencial desde el inicio.
b. El carrito presentará dificultad para pasar el tramo marcado como D c. El carrito no tienen la suficiente energía cinética desde el inicio para remontar
la barrera de energía potencial de la subida en el tramo C
154
d. El carrito se detendrá a media subida por no tener la suficiente energía potencial y después se regresará hacia abajo.
24. Al observar el momento 2 se puede decir que
a. El carrito completará su recorrido sin dificultad pues tiene la suficiente energía potencial desde el inicio.
b. El carrito presentará dificultad para pasar el tramo marcado como D c. El carrito no tienen la suficiente energía potencial desde el inicio para
remontar la barrera de energía potencial de la subida en el tramo C d. El carrito se detendrá a media subida del punto D por no tener la suficiente
energía potencial y después se regresará hacia abajo
25. El funcionamiento de una montaña rusa sin fricción se basa en el principio de
conservación de la energía ya que
a. La energía potencial gravitacional se transforma en energía cinética y viceversa durante todo el recorrido b. Parte de la energía potencial gravitacional se transfiere en forma de calor c. Parte de la energía potencial gravitacional se conserva d. La suma de la energía potencial, la energía cinética y la que se pierde en forma de calor es constante
26. En una montaña rusa con fricción la energía se conserva porque
a. La energía potencial gravitacional se transforma en energía cinética y viceversa durante todo el recorrido b. La suma de la energía potencial, la energía cinética y la que se pierde en forma de calor es constante c. Parte de la energía potencial gravitacional se transfiere en forma de calor d. La energía potencial gravitacional se transforma en energía cinética sucesivamente durante todo el recorrido Observa la siguiente imagen que representa las transformaciones de energía en una pista de patinar.
Ilustración 40 Transformaciones energéticas en una pista en forma de U. Tomada de https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-skate-park
155
27. De la imagen se puede decir que
a. Hay pérdida de energía en forma de calor por efecto de la fricción b. Toda la energía potencial gravitacional se transforma en energía cinética c. La energía mecánica se conserva d. Hay pérdida de energía mecánica La siguiente imagen representa el estado de una membrana celular en reposo.
Ilustración 41 Imagen del potencial de membrana o potencial de reposo.
Tomada dehttp://cureserpc.blogspot.com.co/2010/09/polarizacion-celular.html
28. El gradiente de concentración electroquímico presente en las membranas celulares
hace referencia a a. La energía potencial eléctrica almacenada en la membrana por las cargas eléctricas presentes a ambos lados de ésta. b. La distribución equitativa de las cargas eléctricas a ambos lados de la membrana. c. A la permeabilidad de la membrana. d. A la transferencia de cargas eléctricas a través de la membrana. 29. La diferencia de potencial eléctrico (Voltaje) que se genera en la membrana plasmática produce el movimiento de las cargas eléctricas a ambos lados de la membrana, la energía de ese gradiente de concentración electroquímico es utilizado por la célula para a. Realizar trabajo mecánico, químico y eléctrico b. Mantener el potencial de membrana c. Mantener la concentración de iones equilibrada d. Impedir el movimiento de cargas eléctricas a través de la membrana Observe los siguientes diagramas de energía potencial en función de la coordenada de reacción:
Ilustración 42 Representación del transcurso de una reacción exotérmica y endotérmica. Imagen tomada de http://image.slidesharecdn.com/reaccionesqumicas-100319045149-phpapp01/95/reacciones-qumicas-25-728.jpg?cb=1268974371
156
30. Una reacción es exotérmica si
a. Al formarse los nuevos enlaces liberan mayor energía que la que requieren para romper los enlaces originales b. Al formarse los nuevos enlaces absorben mayor energía que la que requieren para romper los enlaces c. Al formarse los nuevos enlaces liberan menor energía que la que requieren para romper los enlaces c. Al formarse los nuevos enlaces liberan la misma energía que requieren para romper los enlaces.
31. En la naturaleza los procesos que se dan de manera natural son aquellos que: a. Ocasionen un aumento de la entropía del universo (sistema más alrededores) b. Disminución de la entropía del sistema c. Aumento de entalpía d. Disminución de temperatura 32. Indique como varía la entalpía y la entropía en los siguientes procesos o reacciones:
Proceso Energía interna (aumenta / disminuye) Entalpía (Positiva/ negativa)
Congelar agua
Dejar una taza de leche caliente en la mesa
Durante la fotosíntesis de las plantas
La disolución del cloruro de amonio
157
Anexo H: Secuencia Didáctica: Una aproximación al concepto de energía potencial y su
aplicabilidad a distintos fenómenos naturales
U N I V E R S I D A D N A C I O N A L D E
C O L O M B I A
S E C U E N C I A D I D Á C T I C A : U N A A P R O X I M A C I Ó N A L C O N C E P T O D E
E N E R G Í A P O T E N C I A L Y S U A P L I C A B I L I D A D A D I S T I N T O S
F E N Ó M E N O S N AT U R A L E S
J E S S Y A R M E N T A C A S T R O Licenciada en ciencias naturales y
educación ambiental
B Á S I C A S E C C U N D A R I A
1
Contenido
Presentación............................................................................................................. 2
Sesión 1
¿Qué es la energía potencial y como varía en función de la distancia? ............ 3
Sesión 2
¿Cómo funcionan las montañas rusas? ............................................................ 11
Sesión 3
¿Por qué se unen los átomos? ............................................................................. 15
Sesión 4
¿Por qué algunas reacciones liberan energía y otras adsorben energía? ........ 19
Sesión 5
¿Qué pasa cuando se altera el potencial de membrana? ...................................... 29
Sesión 6
¿Por qué unos líquidos mojan unas superficies y otras no? ................................36
Bibliografía................................................................................................................. 41
2
Presentación
La secuencia didáctica “Una aproximación al concepto de energía potencial y su aplicabilidad
a distintos fenómenos naturales” fue diseñada a partir de la metodología de enseñanza de
las ciencias basada en la indagación.
La metodología basada en la indagación guiada sitúa al docente como orientador del proceso
y a los alumnos como generadores de su propio conocimiento. Este conocimiento se va
forjando en la mente de cada estudiante a partir de la observación y exploración de
fenómenos, la formulación de preguntas e hipótesis, el análisis de información, la
constatación de ideas previas, la elaboración de conclusiones y la comunicación de
resultados.
Esta secuencia didáctica pretende abordar el concepto de energía potencial y su aplicabilidad
a los procesos químicos, biológicos y físicos de una manera trasversal, desde el
planteamiento de situaciones de enseñanza contextualizadas.
En la secuencia didáctica se mezcla la exploración autónoma, experiencias de laboratorio,
en casa, el uso de recursos virtuales disponibles en línea, demostraciones, el uso de una
bitácora por parte de cada estudiante y orientaciones del profesor.
Cada sesión de trabajo de la secuencia permite identificar el avance conceptual de los
estudiantes, en qué ocasiones necesitan refuerzo y evidenciar las habilidades y actitudes de
los estudiantes hacia la ciencia.
Finalmente este material se pone a disposición de los maestros que quieran propiciar un
conocimiento holístico de algunos fenómenos naturales recurriendo al concepto energía
potencial.
Jessy Armenta Castro
3
IDEAS CLAVES
Sesió
n
1
¿Qué es la energía potencial y como
varía en función de la distancia
DESEMPEÑOS ESPERADOS
La energía potencial es una forma de energía que existe cuando hay
una fuerza de interacción entre dos objetos.
Existe energía potencial gravitacional, elástica, eléctrica, magnética.
La variación de energía potencial entre dos cuerpos que interaccionan
es igual al trabajo necesario para llevar los cuerpos desde una
distancia de separación inicial a otra final.
Describo los aspectos más relevantes del desarrollo histórico del concepto
de energía.
Reconozco que la energía potencial se manifiesta entre objetos que
interaccionan mediante una fuerza natural conservativa.
Defino los conceptos de trabajo, fuerza y aceleración y su relación con la
energía potencial.
Verifico que el trabajo realizado por un sistema es igual a la variación de
energía potencial
4
Sesión 1. Actividad 1. En qué consiste:
Conocer los conceptos de trabajo,
fuerza y aceleración y su relación con
la energía.
Reconocer las fuentes de energía y
las manifestaciones de energía en la
naturaleza.
Materiales: computadores con
conectividad, video beam,
Lugar: Biblioteca
Desarrollo
Inicie la sesión a través de la
exploración de ideas previas acerca
del concepto trabajo, fuerza,
aceleración, energía y energía
potencial. Para esto plantee preguntas
y situaciones para que los estudiantes
expresen sus conocimientos acerca
de estos conceptos, luego pídales que
indaguen en diferentes fuentes
bibliográficas el significado científico
de estos conceptos y lo comparen con
sus apreciaciones.
Para introducir el concepto de fuerza
pídale a los estudiantes que hagan las
siguientes actividades: deje caer un
objeto desde una altura, lance un
objeto hacia arriba y estire un resorte
y suéltelo súbitamente. A través de un
cuestionamiento lleve a los
estudiantes a inferir que toda fuerza
lleva a un cambio de la velocidad de
un objeto, o más específicamente que
para que haya una fuerza neta debe
haber una aceleración. Luego
pregúnteles si una fuerza siempre
produce un movimiento. Para aclarar
esto pídales que sostengan un objeto
en la mano y explíqueles que ellos
están aplicando una fuerza para que el
objeto no caiga, es decir que las
fuerzas sobre un objeto pueden
contrarrestarse unas a otras.
Para que los estudiantes puedan
inferir que una fuerza neta produce
aceleración (o desaceleración)
organice la siguiente actividad:
coloque un distintivo que indique un
número de 1 a 10 a 10 estudiantes del
grupo y distribúyalos aleatoriamente.
Luego de esto necesitará un
estudiante voluntario para hacer la
actividad. Dígale al estudiante
voluntario que deberá ir corriendo
hacia cada número que usted le
indique. La idea es hacer que el
estudiante tenga que cambiar de
dirección mientras corre de un número
a otro, o frenar cuando se le cambie
abruptamente las coordenadas.
Luego de terminada la actividad haga
las siguientes preguntas: ¿Qué
velocidad tenía el estudiante en
reposo? Pregúntele al estudiante de la
actividad si realizó alguna fuerza para
empezar a correr hacia donde se le
indicaba. Pídale al estudiante que
realizó la actividad que describa en
que momentos sintió que cambió de
velocidad durante la actividad. Se
espera que el estudiante responda
que al frenar, al cambiar de dirección
y al variar la magnitud de la velocidad
que llevaba. Terminada la
conversación con el estudiante
concluya que una fuerza origina una
aceleración, para esto utilice el
siguiente dibujo.
5
V=0 V 0
F
∆𝑉
∆𝑡 = a
Pídale a los estudiantes que realicen
la siguiente actividad: atar una base
de madera o plástica rígida, de 20 cm
x 20 cm, por todas las esquinas con
hilo de nailon formando una pirámide.
Después pídales que coloquen un
vaso con agua y colorante en el centro
de ésta y que la hagan girar sobre sí
mismos. Pregunte a los estudiantes en
este caso ¿Cómo es la velocidad del
objeto? ¿Cómo es la aceleración del
objeto? Seguidamente haga la
siguiente demostración: lance una
pelota hacia arriba y pregúntele a los
estudiantes ¿Cómo es la aceleración
de la pelota cuando sube, cuando baja
y en la altura máxima? ¿Cómo es la
velocidad de la pelota cuando va hacia
arriba y cuando empieza a caer?
Explíqueles por qué la aceleración es
la misma ya sea que el objeto se
desplace hacia arriba o hacia abajo.
Seguidamente proyecte el siguiente
video: las partículas y fuerzas
fundamentales:
https://www.youtube.com/watch?v=
m6uqTK6uY4&list=PLu7yMlFyIGtAq0
Ety2f_6p3ZN7a6XxrKg&index=13 y
haga una puesta en común.
Una vez proyectado el video pídales a
los estudiantes que responden
nuevamente las preguntas del
apartado anterior y que completen la
información que se le pregunta en
cada recuadro acerca de las fuerzas
fundamentales y el atributo que las
origina:
¿Qué fuerza fundamental es
responsable de la atracción de la Luna
hacia la Tierra?
¿Qué atributo está relacionado con
esta fuerza?
¿Qué fuerza fundamental atrae los
electrones de un átomo hacia su
núcleo? ¿Qué atributo se asocia a
esta fuerza?
¿Qué fuerza fundamental mantiene
unidos a los protones y neutrones en
el núcleo del átomo?
6
¿Qué fuerza fundamental es
responsable de la desintegración de
partículas y núcleos atómicos?
Para introducir el concepto de energía
se sugiere que proyecte los siguientes
dos videos:
(https://www.youtube.com/watch?v=tx
U9gnZrgs&index=3&list=PLu7yMlFyI
GtAq0Ety2f_6p3ZN7a6XxrKg) y el
vídeo relacionado con el concepto de
energía potencial de la serie del
universo mecánico
(https://www.youtube.com/watch?v=8
QDHqrE9V8E)
Una vez haya proyectado los videos
haga una puesta en común sobre lo
que los estudiantes entendieron de los
videos y proponga la siguiente
actividad:
Observe el siguiente diagrama que
representa la idea de Boscovich
acerca de la variación de la fuerza
entre dos átomos respecto a la
distancia.1
1. Variación de las fuerzas entre dos átomos en
función de la distancia. Tomada de
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volu
men3/ciencia3/136/img/136-94.gif
1. Señale a qué distancia las fuerzas
atractivas y repulsivas son igual a
cero.
2. En qué posición (señale en la
gráfica) los átomos están en equilibrio
estable.
3. A qué se refiere la posición de
equilibrio estable propuesta por
Boscovich.
4. ¿Con qué está relacionada la
energía potencial? ¿Con qué está
relacionada la energía cinética?
Luego explíqueles a los estudiantes
cuales son las principales fuentes de
energía y las formas de energía
asociadas a estas, y que los
electrodomésticos son aparatos que
permiten transformaciones de energía
mas no son fuentes de energía.
Seguidamente mencione ejemplos de
conservación de la energía,
transformación de la energía y
degradación de la energía.
Para ampliar lo de las
transformaciones de un tipo de
energía en otra pídale a los
estudiantes jugar con el applet
https://phet.colorado.edu/es/simulatio
7
n/legacy/energy-forms-and-changes
(PhET colorado).
Solicitar a los estudiantes que
escriban las trasformaciones de
energía que evidenciaron en el applet.
Luego realice las siguientes
demostraciones y pregunte a los
estudiantes sobre las
transformaciones energéticas que se
dan en cada proceso:
Hacer oscilar un péndulo
Dejar caer un objeto desde
cierta altura
Prender un bombillo LED a
partir de una batería de
limones
Hacer girar un molino con un
panel solar
Hacer mover un carro con un
panel solar.
Para introducir el concepto de trabajo
pídales a los estudiantes que realicen
las siguientes actividades y que
explique si realizan trabajo o no.
Que estiren una bomba y que
rápidamente la pongan sobre
sus labios con el objeto de
notar los cambios de
temperatura.
Que empujen una pared.
Halen un maletín desde una
posición inicial a una posición
final.
Que sostengan un maletín sin
hacer ningún desplazamiento.
Que introduzcan un masmelo
(o malvavisco) al interior de una
jeringa y que muevan el émbolo
comprimiendo y expandiendo
manteniendo la salida de la
jeringa tapada.
Luego de escuchar su explicaciones
de por qué realizan o no trabajo,
aclare dudas y proponga más
ejemplos explicativas de la realización
de un trabajo y como este es una
forma de transferencia de energía.
Cierre la sesión pidiéndoles a los
estudiantes que consignen con sus
propias palabras lo que entendieron
por fuerza, aceleración, trabajo y que
lo representen gráficamente.
Sesión 1.
Actividad 2.
En qué consiste: Conocer la
evolución histórica del concepto
energía
Elaborar una línea de tiempo con los
aspectos históricos más relevantes en
el desarrollo del concepto de energía.
Desarrollo
Organice a los estudiantes en grupo
de 5 estudiantes y entréguele a cada
grupo una lectura sobre un momento
histórico dentro del desarrollo del
concepto energía, dígale que cada
grupo debe exponer ante los demás
compañeros los sucesos que se
tuvieron lugar en el momento histórico
que les correspondió y que
contribuyeron al desarrollo del
concepto energía.
Breve evolución historia del
concepto de energía
El calor como sustancia material
Desde el pensamiento Aristotélico la
explicación de los fenómenos del
universo se basaban en el movimiento
de los cuerpos y la naturaleza del
calor. Para los griegos atomistas el
calor era como una especie de
8
sustancia material capaz de difundirse
a través de los cuerpos, y que de esto
dependía que los cuerpos estuvieran
fríos o calientes.
Nadie sabía con certeza qué era el
calor, sin embargo Francis Bacon en
1620 en su libro “Novum Organum”
tabuló las fuentes de calor, tales como
la llama, el rayo, el verano, rayos
solares, el fuego y las hierbas
aromáticas que producen la sensación
de calor cuando se ingerían.
Hacia 1761 Joseph Black notó que en
los cambios de estado, se absorbía o
se cedía una cantidad de “calor”, más
exactamente de energía, sin que la
temperatura cambie. De esta manera,
a la energía involucrada en estos
fenómenos la denominó calor latente
e ideó una forma para calcularlo.
La teoría del calórico: el calor como
fluido
Antoine Laurent Lavoisier hacía 1770
dio un paso infortunado en el estudio
del calor, él consideró el calor, junto
con la luz y otros elementos, como un
fluido al que llamó calórico. Según
esta teoría, el calor era un fluido
“imponderable” y sutil que podía
penetrar los cuerpos y ser
almacenado o liberado. De esta
manera, los cuerpos en los que
penetraba el calórico se calentaban y
en los que escapaba se enfriaban.
Uno de los principales defensores del
calórico fue Black que con sus
experimentos en los cuales ponía en
contacto cuerpos fríos y calientes
concluyó que la tendencia del calor
era difundirse de un cuerpo más
caliente a otro más frío hasta alcanzar
equilibrio, de manera que la cantidad
de calórico que pierde un cuerpo
coincide con la cantidad de calórico
ganado por el otro. La teoría del
calórico fue ampliamente aceptada
durante medio siglo.
Rechazo a la teoría del calórico: La
teoría cinética del calor
En 1798 Benjamin Thompson más
conocido como Conde de Rumford,
cuestionó la teoría del calórico.
Rumford notó que cuando se
torneaban cañones, el metal se
calentaba muchísimo (aparentemente
la cantidad de “calor” obtenida era
superior a la que contendría el metal)
y por tanto tenían que ser enfriados
asiduamente con agua. Comprendió
entonces que el calor no tenía nada
que ver con ser un fluido que saliera
del metal, ya que según la teoría del
calórico, este se conservaba durante
un fenómeno. Concluyó entonces que
el movimiento, a través de la fricción
entre dos materiales producía calor.
Las ideas de Rumford fueron
ignoradas durante los cincuenta años
siguientes y la teoría del calórico
siguió reinando hasta 1840.
Una aproximación al principio de la
conservación de la energía
Tres hombres de manera
independiente Mayer, Joule y
Helmholtz se les ocurrió de una forma
u otra el principio de la conservación
de la energía. Mayer observó que el
océano se calentaba por el
movimiento de las olas del agua, de lo
que concluyó que el movimiento se
convertía en calor, también dedujo
que el calor que un cuerpo producía
9
debía ser igual numéricamente al
trabajo necesario para producirlo. De
esta manera, Mayer pensó de una u
otra forma que la energía se conserva,
sin embargo el no utilizó la palabra
energía y en su lugar empleó caída de
la fuerza para referirse a lo que
actualmente se conoce como energía
potencial gravitacional y fuerza de la
vida para referirse a la energía cinética
o movimiento.
Por su parte, James Prescott Joule se
interesó la mayor parte de su vida por
comprender la conversión del trabajo
mecánico (o movimiento) en calor. Él
realizó un experimento muy famoso
que consistió en hacer caer una pesa
desde una altura para girar una rueda
de paletas al interior de un recipiente
cerrado con agua. De esta manera el
trabajo realizado podía calcularse
mediante la masa del objeto que cae y
la distancia recorrida por este. Con
este experimento Joule notó que la
temperatura del agua se incrementaba
por el movimiento de las aspas de la
rueda de paletas. A partir de las
experiencias de Joule se abrió paso al
establecimiento de la hipótesis de que
el calor y el trabajo estaban
estrechamente relacionados.
La conservación de la “vis viva”
Durante el siglo XVII Leibniz y otros
científicos pensaron que en las
colisiones elásticas entre dos cuerpos
lo que se conservaba era la “vis viva”
(fuerza viva) y no el movimiento como
afirmaba Descartes. Leibniz propuso
el principio de conservación de la “vis
viva”, en el que indica que cuando un
cuerpo cae adquiere una “fuerza”. El
efecto de dicha “fuerza” es tal que
permite remontar a la misma altura
desde la que cayó, si se produce una
colisión elástica.
Formalización del principio de
conservación de la energía:
Del concepto de la “vis viva” a la
idea actual de energía
Aunque Mayer y Joule realizaron
varios experimentos para demostrar
que existía una magnitud que se
conservaba en cualquier proceso
natural, fue Hermann Ludwig
Ferdinand (von) Helmholtz en 1847
quien realizó la primera redacción
clara y profunda acerca de la
conservación de la energía que
presentó en la memoria Über die
Erhaltung der Kraft (Sobre la
conservación de la fuerza). En ella
Helmholtz define la cantidad de
tensiones (la energía potencial actual)
e indica que “el aumento de la energía
cinética de una partícula en su
movimiento bajo la influencia de una
fuerza central es igual a la cantidad de
tensiones que corresponden a la
variación relativa desde el centro de
acción”. La correspondencia actual del
enunciado anterior sería que el
aumento de la energía cinética de una
partícula es igual a la disminución de
su energía potencial cuando se mueve
sometido a una fuerza central.1
Tiempo después Helmholtz por
sugerencia de Rankine (1820- 1872)
cambió los término “fuerza viva” y
cantidad de tensión” por los términos
“energía actual” y “potencial”, así
mismo lo hizo con la “conservación de
10
la fuerza” por “conservación de la
energía.”
Helmholtz aplicó el principio de
conservación de la energía a
fenómenos eléctricos, químicos,
mecánicos, magnéticos y térmicos,
logrando así unificar diferentes
procesos como la manifestación de
uno solo ente, la “energía”.
Finalmente, en el siglo XIX Faraday
introduce el concepto de campo para
explicar la acción entre dos cuerpos
separados. En el siglo XX se plantea
la relación entre campo y la energía
potencial, ya que el campo se puede
entender como la variación de la
energía potencial, por unidad de masa
o carga, en función de la distancia. De
igual manera la teoría de la relatividad,
propuesta por Einstein, permite
establecer que la masa es tan solo
otra forma de energía, lo que se refleja
en la famosa igualdad E = mc2. De la
cual se deduce que la materia y la
energía son lo mismo y es
precisamente en los proceso de fisión
y fusión nuclear que esta equivalencia
tiene aplicabilidad. En la actualidad el
estudio de las partículas elementales
ha evidenciado la equivalencia entre
materia y energía; es posible controlar
la transformación de materia en
energía o viceversa, como por ejemplo
en las bombas nucleares.
________________
1. Jordi Solbes y Francisco Tarín.
Generalizando el concepto de energía y su
conservación. Didáctica de las ciencias
experimentales y sociales. N° 22, 200
11
IDEAS CLAVES
DESEMPEÑOS ESPERADOS
¿Cómo funcionan las montañas
rusas?
Sesió
n
2
El funcionamiento de una montaña rusa se basa en la ley de la conservación de
la energía.
En las montañas rusas se forma un ciclo de transformación de energía potencial
gravitacional en energía cinética sucesivamente.
Parte de la energía mecánica es cedida a los alrededores en forma de calor.
El vagón ejerce una fuerza sobre los pasajeros que va cambiando conforme va
cambiando la velocidad.
Explico la conservación de la energía en una montaña rusa.
Identifico las transformaciones de energía en una montaña rusa.
Reconozco que la fricción de los rieles hace que parte de la energía cinética sea
cedida a los alrededores en forma de calor.
12
Sesión 2. Actividad 1. En qué consiste: Predecir cómo
funcionan las montañas rusas.
Identificar los principios físicos que describen el funcionamiento de una montaña rusa.
Materiales: Libros, computadores con conectividad, diccionarios de inglés, el simulador Energy and Motion (Discovery! Simulations).
Lugar: Biblioteca
Desarrollo
Inicie la sesión recordando los aprendizajes de la sesión anterior a través de preguntas. Una vez realizado esto muestre un video de una montaña rusa. Una vez visto el video haga una exploración de ideas previas a partir de las preguntas: ¿Cómo funciona una montaña rusa? ¿A qué se debe esa sensación que experimentas en la barriga durante la caída? ¿La velocidad que se experimenta es constante o cambia?
¿Qué fuerzas actúan durante el recorrido? Escriba las predicciones hechas por los estudiantes a cada pregunta en el tablero e invite a los estudiantes que compartan sus ideas respecto al funcionamiento de las montañas rusas y su experiencia al haber montado en una de ellas. Haga una síntesis de éstas predicciones sin emitir juicios valorativos y pídale a sus estudiantes que registren estas predicciones en sus cuadernos.
Seguidamente organice los estudiantes en grupos de 2 o 3 estudiantes, luego entréguele a cada grupo un computador e indíqueles que
trabajaran con el simulador Energy and Motion (Discovery! Simulations), y que para esto deben ingresar a la página web:
https://www.eduplace.com/kids/hmsc/activities/simulations/gr4/unitf.html.
Dígales que deben leer la introducción sobre el funcionamiento de la montaña rusa sin fricción haciendo clic en la casilla marcada como 1 que aparece en el lado izquierdo de la ventana. Una vez realizado esto deberán hacer clic en la casilla numerada como 2, dar clic en la leyenda start y leer la información que aparece en cada interfaz y que con esta información trabajen la guía de trabajo propuesta acerca del funcionamiento de una montaña rusa.
Guía de trabajo con el simulador Energy and Motion (Discovery! Simulations)
1. ¿Cómo inicia el funcionamiento de una montaña rusa? 2. ¿Por qué se debe ubicar el coche de la montaña rusa en lo más alto? 3. ¿En qué momento del recorrido existe energía potencial? ¿Por qué? 4. ¿Qué tipo de energía tiene el coche de la montaña rusa cuando desciende de la colina? 5. ¿Por qué puede mantenerse en movimiento el coche durante todo el recorrido sin ayuda del motor? 6. ¿Qué fuerzas actúan sobre los pasajeros que van en el coche de la montaña rusa? 7. ¿Cómo son los bucles o inclinaciones de la montaña rusa con respecto a la altura inicial? ¿Qué pasaría si fueran más altos o más bajos que la altura donde inicia la aventura?
13
8. ¿En qué tramos del recorrido la velocidad aumenta y en cuáles la velocidad disminuye, y explique por qué ocurre esto? 9. ¿Se conserva la energía en la montaña rusa? 10. ¿Existe un tramo del recorrido en la que los pasajeros no experimentan aceleración? 11. En la montaña rusa descrita en la simulación: ¿existe fricción? ¿Por qué? La siguiente imagen representa la fuerza normal (n) y el peso (w) en diferentes posiciones de la montaña rusa (figura 1).
Figura 1. Diagramas de fuerza en distintos puntos de la montaña rusa. Imagen tomada de http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1350/06CirMtn/VertCircle.html
12. ¿En qué tramo la velocidad aumenta? ¿En qué tramo la velocidad disminuye? ¿En qué tramo la velocidad no cambia? 13. ¿A qué se deben las sensaciones desagradables que experimentan algunas personas en las montañas rusas? Mientras los estudiantes realizan la actividad propuesta se sugiere que el maestro escuche las explicaciones de los estudiantes y oriente con más preguntas, y no de las respuestas a las ideas que manejan los estudiantes del fenómeno observado. Una vez terminado el tiempo pídales a los estudiantes que compartan sus respuestas.
Una vez que los grupos terminen de observar la simulación retome las preguntas que se formularon en la guía respecto al funcionamiento de una montaña rusa y realice una puesta en común. De ésta puesta en común se escriben en el tablero las conclusiones acerca del funcionamiento de las montañas rusas desde la ley de la conservación de la energía y analizando las fuerzas que intervienen en ella, y se le pide a los estudiantes que la consignen en su libreta.
Actividad 2
En qué consiste:
Identificar las barreras de energía potencial que puede experimentar un coche de montaña rusa que no tiene la suficiente energía potencial desde el inicio.
Materiales: Computador con
conectividad
Lugar: Aula virtual
14
Desarrollo
En esta parte de la sesión se les pide a los estudiantes que manipulen los controles que aparecen en la pantalla del simulador, lo que les permite variar la altura inicial del recorrido, la altura de la siguiente colina y la altura del bucle a su antojo. Dígales que deben hacer varios cambios, anotar en su cuaderno estos valores y que debe predecir si el coche de la montaña rusa completará sin dificultad el recorrido en esas condiciones antes de observar la simulación.
Una vez que cada grupo haya realizado varias pruebas, realice una puesta en común para que los estudiantes compartan sus resultados con los demás. Se sugiere que haga una tabla como la siguiente
Una vez completada la tabla con los datos de todos los grupos, pídales a los estudiantes que saquen una conclusión del experimento. Lo que se espera es que los estudiantes se percaten de que cuando la altura inicial es menor que el resto de los tramos del recorrido el coche no tendrá la suficiente energía potencial desde el inicio para remontar los ascensos y se encontrará entonces ante una barrera de energía potencial que le impidió completar su recorrido.
Cierre la actividad con la siguiente pregunta: ¿cómo deben ser los valores de la altura inicial, respecto a
los demás tramos del recorrido, para que el coche de la montaña rusa pueda completar su recorrido? ¿Por qué?
Proponga como actividad extra clase mirar este Apple Pista de patinar “Energía” alojado en https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-skate-park para complementar esta actividad.
Se sugiere que en la próxima sesión haga las siguientes preguntas: ¿Qué puede concluir acerca de magnitud de energía potencial gravitacional del patinador en el espacio, la Tierra, la Luna y Júpiter? ¿Cómo afecta la gravedad la magnitud de energía potencial gravitacional del patinador? ¿Por qué en el espacio no se observa representación en el gráfico del simulador la existencia de energía potencial gravitacional? ¿Qué efecto tiene la fricción sobre la conservación de la energía mecánica? ¿A pesar de la fricción, se puede decir que la energía total del sistema se conserva? ¿Por qué? ¿Qué pasa con la energía potencial gravitacional del patinador a medida que se le aumenta la masa?
15
¿Por qué se unen los átomos?
IDEAS CLAVES
DESEMPEÑOS ESPERADOS
Sesió
n
3
Los átomos interaccionan mediante fuerzas de tipo electromagnéticas (principalmente eléctrica).
Al acercarse los átomos para formar enlaces químicos la energía potencial del sistema disminuye hasta un valor mínimo.
Se forma un enlace químico cuando la fuerza neta promedio sobre cada átomo es igual a cero, quedando confinados en un pozo de energía potencial.
La distancia de enlace es la distancia a la cual los átomos equilibran sus fuerzas de atracción y repulsión.
La energía de enlace es la diferencia de energía potencial del sistema formado por los átomos separados una distancia infinita y los átomos separados por una distancia en la cual la energía potencial se hace mínima.
Explico cómo varía la energía potencial en función de la distancia de
los átomos.
Explico desde el punto de vista energético por qué unos átomos se
unen y otros no.
Establezco relación entre el radio atómico y la distancia de enlace y
entre la fuerza de interacción y el pozo de energía potencial.
Correlaciono la energía de enlace con el punto de fusión, el punto de ebullición y la dilatación térmica de las sustancias
16
Sesión 3.
Actividad 1.
En qué consiste: plantear conjeturas
que respondan transitoriamente
preguntas acerca de la unión de los
átomos
Sacar conclusiones acerca de la unión
de los átomos utilizando el simulador
“interacciones atómicas” (PhET
University of Colorado).
Materiales: hojas de predicciones
individual y grupal, computador con
conectividad, simulador interacciones
atómicas (PhET University of
Colorado at Boulder, 2011)
Lugar: sala de cómputos
Desarrollo
Comience distribuyendo a cada
estudiante la hoja de predicción
individual, pídales que respondan a
las preguntas en silencio y sin estar
pendientes a lo que su compañero
responde y que para eso disponen de
20 minutos.
Pasado éste tiempo dígales a los
estudiantes que se reúnan en grupo
de cuatro estudiantes y pídales que
lean sus predicciones individuales y
que redacten una predicción grupal
para lo cual contarán con 15 minutos.
Una vez realizado lo anterior haga una
puesta en común y anote las
predicciones en el tablero.
Hoja de predicciones individuales
/Grupales
1. ¿Qué partículas fundamentales
componen los átomos?
2. ¿Qué hace que los átomos se
aproximen o se separen? ¿Mediante
qué fuerzas interaccionan los átomos?
3. ¿Qué sucede cuando los átomos
están muy próximos entre sí?
4. ¿Por qué una vez que los átomos
forman moléculas ya no pueden
separarse por sí solos?
5. En términos energéticos ¿qué pasa
cuando se forma un enlace?
6. En términos energéticos ¿Qué pasa
cuando se rompe un enlace?
7. ¿Cuándo los átomos se acercan,
qué pasa con su energía potencial?
¿Por qué?
8. La distancia que existe entre un
núcleo atómico y otro cuando los
átomos se enlazan ¿es mínima o es
nula? ¿Por qué?
Cierre esta actividad haciendo una
síntesis de las predicciones sin emitir
juicios y recuérdele a los estudiantes
que en la próxima sesión con ayuda
del simulador podrán verificar sus
ideas acerca de la unión de los
átomos.
Luego pídales a los estudiantes que
busquen en la tabla periódica las
propiedades de los siguiente átomos:
Neón, Argón, Oxígeno y que además
consulten sobre los siguientes
conceptos: radio atómico, energía de
enlace, distancia de enlace, fuerza
intermoleculares, punto de ebullición y
punto de fusión y los anoten en su
libreta.
Luego de esto pídales que realicen
sus predicciones acerca de cómo
serán las interacciones atómicas entre
las siguientes parejas de átomos de
acuerdo a la energía de enlace, la
distancia de enlace y las fuerzas
intermoleculares.
17
Una vez socializadas las predicciones
y anotadas en el tablero, organice a
los estudiantes en grupos de 2 o 3
estudiantes, pídales que tengan en
cuenta sus predicciones de la sesión
anterior y que luego digiten la página
https://phet.colorado.edu/es_PE/simul
ation/legacy/atomic-interactions y que
hagan clic en simulador interacciones
atómicas. Recuérdeles que a través
de simulador podrán verificar las
predicciones y sacar conclusiones.
Actividad sobre interacciones
atómicas
Una vez hayan ingresado al simulador
deberán desarrollar las siguientes
actividades:
1. Escoger la pareja de átomos con la
que se va a realizar la interacción y dar
clic en la opción mostrar componentes
de las fuerzas.
2. Deslizar el átomo móvil hasta
encontrar la distancia a la que el
átomo inmóvil y el átomo móvil se
encuentran vibrando sin poder
escapar del enlace. ¿Cómo son las
fuerzas repulsivas y atractivas a esta
distancia? ¿Será posible juntar más
los átomos? ¿Qué pasará con las
fuerzas repulsivas y atractivas si sigo
intentando juntar más los átomos?
3. Describa cómo varía la energía
potencial de los átomos en función de
la distancia.
4. Describa la profundidad del pozo de
energía potencial simbolizado con la
letra ε y la distancia de enlace
simbolizada con la letra σ.
5. Repita el mismo procedimiento con
cada una de las parejas de átomos
propuestas por el simulador, organice
los resultados en la siguiente tabla.
6. Busque el valor del radio atómico de
cada pareja de átomos.
7. Compare los resultados y saquen
conclusiones con respecto a la
relación entre:
La energía de enlace y las
fuerzas interatómicas e
intermoleculares.
La energía de enlace y la
distancia de enlace
La variación de energía
potencial en función de la
distancia de los átomos.
La magnitud de las energías de
enlace y los puntos de fusión y
ebullición de las sustancias
Con esta actividad lo que se
espera es que los estudiantes
establezcan que:
Cuando el pozo de potencial es
profundo las sustancias
18
presentan altos puntos de
fusión y ebullición.
La distancia promedio entre los
núcleos atómicos (distancia de
enlace) depende de qué
átomos están interaccionando y
no del radio atómico, ya que en
realidad éste no tiene un valor
fijo.
Que la energía potencial
disminuye al aproximarse los
átomos y vuelve a aumentar
cuando hay repulsión entre los
núcleos y las nubes
electrónicas.
Cierre la actividad solicitándoles
que realicen un mapa conceptual
acerca de lo aprendido sobre
enlace químico.
19
Sesió
n
4
¿Por qué algunas reacciones
liberan energía y otras absorben
energía?
IDEAS CLAVES
DESEMPEÑOS ESPERADOS
Las reacciones exotérmicas emiten energía a los alrededores y las
endotérmicas adsorben energía de los alrededores.
La energía involucrada en una reacción química corresponde a la
energía adsorbida para romper enlaces y la energía liberada al formarse
otros enlaces.
Siempre hay un cambio de la energía potencial interna de los átomos y
moléculas cuando se transforman los reactivos a productos.
En las reacciones exotérmicas los reactivos tienen mayor energía
potencial que los productos y en las reacciones endotérmicas tienen
menor energía que los productos.
En las reacciones exotérmicas hay disminución de la entalpía (se libera
energía en forma de calor) y en las endotérmicas un aumento de entalpía
(se absorbe energía en forma de calor).
En un proceso o reacción viable en la naturaleza hay un aumento de la entropía del universo y en uno no viable hay una disminución de la entropía del universo
Reconozco que en una reacción química las sustancias involucradas
pasan de un pozo de energía potencial a otro.
Utilizo los conceptos de entropía, entalpía y energía libre para explicar
procesos y reacciones químicas viables y no viables naturalmente, y
endotérmicas y exotérmicas.
Establezco diferencias entre reacciones endotérmicas y exotérmicas, y
entre procesos posibles e imposibles de ocurrir en la naturaleza de forma
natural.
20
Sesión 4.
Actividad 1.
En qué consiste: Reconocer que
existen reacciones que liberan energía
y otras que adsorben energía.
Materiales: Video beam,
Lugar: Sala AFT
Desarrollo
Inicie la sesión pidiéndoles a los
estudiantes que presenten el mapa
conceptual que realizaron para
plasmar lo aprendido en la sesión
anterior acerca del enlace químico.
Luego muéstreles la siguiente
ecuación que representa la reacción
química entre el cloro y el hidrógeno
para formar ácido clorhídrico de
manera gráfica (figura 2).
Figura 2. Representación del reordenamiento
molecular en la reacción del cloro y el
hidrógeno gaseoso. Tomada de
http://3.bp.blogspot.com/-t2GuxLe5-
Bo/T2FD3fpmi_I/AAAAAAAAAWg/5abvNDdp
-DE/s400/reacciones-quimicas.jpg
Pídales que expliquen lo que sucede
en la reacción química descrita con
respecto a los enlaces químicos. Lo
que se espera es que los estudiantes
lleguen a la conclusión de que durante
una reacción química hay unos
enlaces que se rompen y otros que se
forman para dar origen a nuevas
sustancias.
Para hablar de una reacción
exotérmica pídale a los estudiantes
que expliquen cómo funciona un
fosforo, haga una puesta en común y
luego de escuchar sus respuestas
proyecte los siguientes videos acerca
del funcionamiento de un fósforo:
La química del fósforo
https://www.youtube.com/watch?v=y2
ErAPODA6U
La química de los fuegos pirotécnicos
https://www.youtube.com/watch?v=n
PHegSulI_M
Fuego ciencia en cámara lenta
https://www.youtube.com/watch?v=oy
cR87Qn_YE
Para mostrar una reacción
endotérmica utilice el siguiente video
https://www.youtube.com/watch?v=G
QkJI-Nq3Os
Luego de proyectar los videos haga
las siguientes preguntas:
1. ¿Cuáles son las sustancias
químicas que se utilizan para los
fósforos?
2. ¿Qué sustancias conforman la
banda lateral de la caja de fósforos?
3. ¿Qué función cumple durante la
reacción cada uno de los
componentes del fósforo?
4. ¿Qué función cumplen las
sustancias de la banda lateral de la
caja de fósforos?
5. ¿Por qué se necesita fricción para
encender un fosforo?
6. ¿La cabeza de los cerillos puede
reaccionar en el vacío si la
temperatura es lo suficientemente
alta?
22
7. ¿Por qué el agua que se agrega
sobre la madera se congela al colocar
sobre ella el recipiente donde ocurre la
reacción entre el hidróxido bario y el
cloruro de amonio?
8. ¿En cuál de las reacciones
mostradas se adsorbe energía y en
cuál se libera energía?
9. ¿El fósforo para encender
inicialmente necesita del oxígeno?
Cierre la sesión pidiéndoles a los
estudiantes que redacten un párrafo
explicando el funcionamiento de un
fósforo.
Sesión 4.
Actividad 2.
En qué consiste: Reconocer que en
las reacciones químicas ocurren
intercambios de energía.
Materiales: Erlenmeyer, termómetro,
granalla de zinc, ácido clorhídrico,
espátula, vidrio de reloj
Lugar: Laboratorio de química
Desarrollo
Inicie la sesión recordando a los
estudiantes las normas de seguridad
previstas acerca del uso de los
equipos de protección personal y el
cuidado en el manejo de reactivos.
Luego retome las conclusiones de la
sesión anterior respecto a los cambios
que experimenta la materia y explore
sus ideas previas a partir de las
siguientes preguntas:
¿En las reacciones químicas ocurre
intercambio de energía?
¿Cómo puede constatarse que hubo
intercambio de energía en una
reacción química?
Seguidamente organice a los
estudiantes en grupos de 5
estudiantes y antes de empezar la
actividad experimental recuerde las
normas de seguridad y los equipos de
protección personal que deben tener
en cuenta para la actividad propuesta.
Una vez realizado esto entregue a
cada grupo la guía de laboratorio y los
siguientes materiales: Un vaso de
icopor (poliestireno de baja densidad)
con 10 ml de ácido clorhídrico 1 M, un
vidrio de reloj con una pequeña
cantidad de granalla de zinc, una
espátula, un termómetro. Pídale que
diseñen un procedimiento con el que
puedan establecer la variación de
energía potencial que experimentan
las sustancias al reaccionar y que lo
anoten en su libreta. Exprese que una
vez hayan propuesto los pasos a
seguir deben mostrárselos para que
usted pueda darles el visto bueno para
realizarlo, de lo contrario no podrán
ejecutarlo. Se espera que los
estudiantes lleguen a proponer que
deben anotar la temperatura inicial de
la disolución de ácido clorhídrico o en
su defecto la temperatura ambiente,
echar las granallas de zinc al ácido
clorhídrico y observar el cambio de
temperatura que registra el
termómetro durante la reacción o en
su defecto introducir el termómetro
inmediatamente después de ocurrida
la reacción. Una vez verificado los
procedimientos de cada grupo,
invítelos a realizar la actividad.
Recuérdales que deben anotar sus
observaciones en la libreta de
apuntes. Luego haga una puesta en
común con las siguientes preguntas
¿Hubo intercambio de energía en la
22
reacción? ¿Cómo se pudo evidenciar?
¿En esta reacción la energía potencial
de los reactivos es mayor o menor que
la de los productos? ¿Por qué?
Pídales ahora que registren la
temperatura de los 20 ml de agua
destilada que se encuentran en un
vaso de icopor (poliestireno de baja
densidad) y que luego agreguen la
pequeña porción (aproximadamente
0,1 g) de nitrato de amonio que se
encuentra en el vidrio de reloj y que
registren nuevamente la temperatura
durante la disolución de la sal o
inmediatamente finalizado éste. Inicie
una puesta en común a partir de los
resultados obtenidos, se sugiere que
haga las siguientes preguntas ¿cómo
se evidenció el intercambio de energía
en forma de calor durante las
reacciones? ¿Por qué?
En un vaso de icopor coloque 50 g de
agua e introduzca un termómetro.
Adicione un cubo de hielo previamente
pesado y registre la temperatura del
agua cada minuto hasta que se
estabilice. Repita el experimento con
50 g de agua a una temperatura
aproximada de 50 °C.
Preguntas para el análisis y la
discusión
¿Todas las reacciones fueron viables
naturalmente? ¿Por qué las
reacciones se dan en una dirección
específica?
Actividad para indagar
1. ¿Qué entendemos por reacción
viable? ¿Qué determina que una
reacción transcurra de manera
natural?
2. Busca la definición de estos
conceptos: entropía, entalpía, energía
libre de Gibbs y cómo se relacionan
estos para determinar que un proceso
sea viable o no lo sea.
3. ¿Cómo varió la entalpía y la
entropía en cada una de las
reacciones realizadas en laboratorio?
4. ¿Qué reacciones conoces que
liberen energía a los alrededores?
¿Qué reacciones conoces que
absorban energía de los alrededores?
5. ¿Qué cambio de entalpia tienen las
reacciones endotérmicas y
exotérmicas?
6. Observa los siguientes diagramas
de energía potencial (diagramas de
energía) (figura 3).
Figura 3. Representación del transcurso de
una reacción exotérmica y endotérmica.
Imagen tomada de
http://image.slidesharecdn.com/reaccionesqu
micas-100319045149-
phpapp01/95/reacciones-qumicas-25-
728.jpg?cb=1268974371
7. Según la variación de energía
representada en los diagramas ¿Por
qué algunas reacciones liberan
energía y otras la adsorben?
8. ¿Todas las reacciones que liberan
energía ocurrirán de manera natural,
sin interferencia del hombre?
23
9. ¿Cómo es la variación de entropía y
entalpía en procesos espontáneos y
no espontáneos?
10. ¿Por qué el hielo al fundirse
adsorbe energía mediante una
trasferencia en forma de calor?
11. ¿En qué estado las moléculas de
agua, en promedio, tienen más
energía potencial?
Cierre la sesión con una puesta en
común de los resultados obtenidos de
la práctica experimental y la
indagación realizada por los
estudiantes. Anote las conclusiones
en el tablero y pídale a los estudiantes
que la consignen en su libreta.
Solicíteles que lleven para la próxima
sesión una representación gráfica y
creativa del reordenamiento de
átomos y la variación de energía
potencial durante una reacción
química o un cambio de estado de la
materia y que la expliquen a sus
compañeros en la próxima sesión.
Sesión 4.
Actividad 3
En qué consiste: identificar cambios
de entropía y entalpía en un proceso.
Materiales: fotocopias
Lugar: salón de clases
Desarrollo
Inicie la sesión con una recordación de
los aprendizajes de la sesión anterior,
para esto solicite a cada uno de los
grupos que realicen la explicación de
su maqueta o representación gráfica
del reordenamiento de átomos y la
variación de energía potencial durante
una reacción química.
Luego organice a los estudiantes en
grupos de 2 o 3 estudiantes y entregue
la actividad escrita propuesta para la
sesión. Dígales que deben tener a la
mano los términos indagados en la
sesión anterior (entropía, entalpía,
energía libre de Gibbs).
Actividad propuesta
1. Observa la siguiente imagen y
responde las preguntas que se te
hacen a continuación.
Figura.1 Sistema formado por dos gases
separados por una llave de paso. Tomada de
http://es.slideshare.net/JAIMEANDRESVERD
UGO/quimica-3-y-4-medio-texto-para-el-
estudiante-30226124
a. ¿Qué sucederá con la entropía del
sistema si se abre la llave de paso que
separa los dos gases? ¿Por qué?
b. ¿Qué ocurrirá con la entropía del
sistema si aumentamos la
temperatura del gas confinado en los
balones?
2. Analiza las ecuaciones que
representan los siguientes procesos y
para cada proceso indica si la entropía
aumenta o disminuye. Los símbolos
usados como (s) indican que la
sustancia está en estado sólido, (l) en
estado líquido y (g) en estado
gaseoso.
a. Fusión del nitrato de sodio
NaN03 (s) NaN03 (l)
b. Descomposición del carbonato de
calcio
CaC03 (s) C02 (g) + Ca0 (g)
c. Síntesis del cloruro de sodio (sal de
mesa)
2Na (g) + Cl2 (g) 2NaCl (s)
d. Evaporación del agua
25
H20 (l) H20 (g)
e. Congelación del agua
H20 (l) H20 (s)
f. Sublimación del Yodo
I2 (s) I2 (g)
g. Formación de agua
2H2 (g) + 02 (g) 2H20 (l)
h. Disolución de un gas en agua
3. ¿Cuál es el efecto de la temperatura
sobre la entropía de una sustancia?
¿Qué experimento diseñarías para
comprobar dicha relación?
4. Analiza los siguientes procesos.
Para cada proceso indica si la energía
interna del sistema aumenta o
disminuye y cómo es el cambio de
entalpia del proceso.
a. Evaporar agua
b. Congelar agua
c. Expansión de un gas
d. Compresión de un gas
e. Combustión de la gasolina
f. Una taza de leche caliente dejada
sobre la mesa
g. Un vaso con agua y hielo
h. Durante la fotosíntesis de las
plantas
5. Complete la siguiente tabla de
acuerdo si el proceso será viable o no
y a que temperaturas (bajas o altas)
6. Para los siguientes procesos indica
si son viables o no a presión y
temperatura estándar.
a. Reacción entre el sodio metálico y
el agua para formar hidrógeno
gaseoso.
b. Disolución de sacarosa (azúcar) en
agua.
c. Formación de amoníaco a partir de
hidrógeno gaseoso y nitrógeno
gaseoso.
d. Disociación del agua líquida para
formar hidrógeno y oxígeno gaseoso.
e. Vaporización del etanol.
Sesión 4.
Actividad 4
En qué consiste: identificar
transformaciones de energía en el
cuerpo humano
Materiales: Video Beam-Fotocopias,
internet, computadores
Lugar: Sala AFT
Desarrollo
Inicie la sesión con una recordación de
los aprendizajes de la sesión anterior,
luego de esto proyecte los siguientes
videos a manera de introducción al
tema energía potencial y metabolismo:
Cadena de transporte de electrones
https://www.youtube.com/watch?v=L3
UDOb0qFek
https://www.youtube.com/watch?v=a
VzdbnlzvJE&list=PL-
P5C4S5uhY6lYFVp-
_Kj3gMSoiwL4wEK&index=2
Gradiente de protones y síntesis de
ATP
https://www.youtube.com/watch?v=3y
1dO4nNaKY
Una vez proyectado los videos haga
una puesta en común a través de las
siguientes preguntas: ¿Qué
importancia tiene el bombeo de
protones o iones hidrógeno que se
25
efectúa en la membrana mitocondrial?
¿Qué función tiene la molécula de
NADH? ¿Por qué se dice que la
mitocondrias es la central de
producción energética de las células?
¿De dónde provienen la energía que
utiliza el complejo ATP sintetasa para
producir ATP? Al generarse el
gradiente de H+ se almacena energía,
¿qué tipo de energía es está?
Seguidamente organice a los
estudiantes en grupos de tres
estudiantes y entrégueles la lectura
complementaria, así como un
computador.
Lectura complementaria: Energía y
metabolismo
Tomada y modificada de
www.porquebiotecnologia.com.ar/adc
/uploads/El_Cuaderno_1.doc
Introducción al metabolismo
Recorrer un lugar desconocido,
especialmente una gran ciudad,
puede ser desconcertante ya que hay
muchas calles, avenidas, cruces,
rutas, atajos, puentes, etc.
Seguramente habrá más de una ruta
posible que conduzca al destino
deseado. Algunas serán cuesta arriba,
e implicarán un gran gasto de energía,
mientras que otros caminos serán
cuesta abajo, y exigirán menor
desgaste. Contar con un mapa puede
ser de gran ayuda. Se puede
considerar que las moléculas
presentes en cada célula se
comportan como viajeros en una
ciudad. Las reacciones celulares en
las que están implicadas esas
moléculas definen un mapa bastante
complejo, llamado metabolismo
celular.
El metabolismo celular está
constituido por el conjunto de
reacciones y procesos fisicoquímicos
que ocurren en la célula. Algunas
moléculas están involucradas en rutas
que implican gasto de energía,
mientras que otras van “cuesta abajo”,
liberando energía.
En una única célula ocurren miles de
reacciones químicas y su variedad es
enorme. Sin embargo, las diferentes
reacciones del metabolismo celular
integran una red coordinada de
transformaciones que presentan
muchos aspectos en común. Todas
las células tienen la capacidad de
degradar sustancias y extraer de ellas
energía, así como también de
sintetizar macromoléculas
(carbohidratos, proteínas, lípidos y
ácidos nucleicos) a partir de sus
respectivas unidades (monómeros), y
almacenar energía.
Anabolismo y Catabolismo El
metabolismo está constituido por dos
tipos de reacciones básicas: las
anabólicas y las catabólicas.
Anabolismo: Es el conjunto de reacciones con las que los organismos vivos sintetizan (fabrican) las biomoléculas que los componen como hidratos de carbono, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos a partir de compuestos presentes en la célula.
26
La energía necesaria para reacciones
anabólicas es provista por la reacción
de hidrólisis de ATP (Adenosina Tri-
Fosfato), que es una reacción química
entre ATP y agua, y que es una
reacción exotérmica, o que emite
energía a los alrededores. La
fotosíntesis, biosíntesis de ácidos
grasos y aminoácidos son ejemplos de
rutas anabólicas.
Catabolismo: Es el conjunto de
reacciones de degradación a través de
las cuales los seres vivos obtienen
energía. Los polímeros o biomoléculas
presentes en las células son
transformadas en moléculas más
simples, orgánicas o inorgánicas. La
energía liberada en las reacciones de
degradación de estas moléculas es
almacenada en las células. La
oxidación de ácidos grasos, la
glucólisis, la fermentación y la
respiración celular son ejemplos de
rutas catabólicas. Las reacciones
anabólicas y catabólicas dependen
unas de otras, ya que están
interconectadas por intercambios de
materia y energía en forma de calor.
La energía liberada por unas es usada
por las otras, y los productos de una
son materia prima de las otras.
Relación entre energía y
metabolismo
En particular los seres vivos recurren
a la energía potencial almacenada en
forma de potencial eléctrico de sus
membranas, asociado al gradiente de
concentración de sustancias, y la
energía potencial debida a la
interacción entre los átomos que
conforman las moléculas.
Las reacciones anabólicas no son
viables naturalmente por si solas y
requieren acoplarse a otras
reacciones para que se lleven a cabo,
los productos tienen más energía que
los sustratos y menor entropía, y por
ende son más inestables. Ahora, estas
reacciones también ocurren en las
células. Una reacción
termodinámicamente no favorable
ocurre si, y sólo si, se le acopla una
reacción viable naturalmente, cuyo
incremento de entropía sea mayor que
la disminución de entropía ocasionada
por la reacción no viable.
Otro aspecto a considerar es el efecto
regulatorio que ejerce la energía
celular sobre el metabolismo. En
situaciones donde la carga energética
abunda, las rutas catabólicas son
inhibidas o “apagadas” por moléculas
que participan en reacciones
exotérmicas, como el ATP y el NADH.
¿Para qué seguir almacenando
energía, en forma de energía potencial
“química”, si hay suficiente? En el
caso inverso, si la célula se encuentra
“hambreada” las moléculas que
denotan déficit de energía (ADP y
NAD+) activan las rutas catabólicas.
La regulación metabólica define que
sólo se almacene energía en caso de
ser necesaria.
27
Moléculas transportadoras de
energía
Los seres vivos, desde el organismo
más simple hasta el más complejo,
necesitan un aporte permanente de
energía. Algunas reacciones liberan
energía, mientras que otras la
absorben. ¿Cómo ocurre esa
transferencia de energía entre
distintos tipos de reacciones
metabólicas? Usualmente, la energía
liberada durante reacciones
catabólicas se almacena en moléculas
transportadoras de alta energía. De
esta manera, se producen
compuestos que almacenan la
energía en su estructura en forma de
energía potencial. El ATP (Adenosin
trifosfato) es la “moneda de energía”
más frecuente en los seres vivos. Está
compuesta por una base nitrogenada
(Adenina), un azúcar (ribosa) y tres
grupos fosfato. Es un tipo de
nucleótido que contiene enlaces
fosfato, que al ser hidrolizados se
libera una gran cantidad de energía.
La hidrólisis del ATP provee energía
para:
Síntesis de polímeros o
moléculas complejas
Trabajo mecánico en la
contracción muscular
Transporte activo a través de
membranas
Movimiento celular (cilios,
flagelos, movimiento de
cromosomas, etc.)
La hidrólisis del ATP en ADP
(adenosin difosfato) o AMP (adenosin
monofosfato) libera grandes
cantidades de energía, que es
aprovechada por reacciones que la
absorben para llevarse a cabo.
Figura 3. Hidrólisis del ATP y
“producción” de energía.
Imagen tomada de
http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educa
cion/cuaderno/img_c105/fig3.jpg
El metabolismo es posible gracias a
las enzimas
Los sustratos de una reacción están
separados de sus productos por una
barrera energética llamada energía de
activación. La velocidad con la que
transcurre una reacción en ausencia
de catalizadores (aceleradores de las
reacciones químicas) es muy baja, ya
que sólo las moléculas con energía
mayor o igual a esa barrera energética
lograrán formar producto. De hecho,
las actividades metabólicas no pueden
llevarse a cabo a un ritmo que permita
la vida sin la presencia de las
enzimas, catalizadores biológicos que
tienen la capacidad de hacer que la
reacción ocurra por otra vía donde la
energía de activación es más baja que
la observada en ausencia del
catalizador. Al disminuir la barrera de
energía potencial entre sustratos y
productos, la mayoría de las
moléculas tienen la energía suficiente
para llegar al estado de transición y
por lo tanto aumenta la velocidad de la
reacción.
28
Reacciones redox (reducción-
oxidación)
Las pilas que utilizamos en juguetes,
controles remotos o relojes les
proveen de la energía necesaria para
hacer un trabajo. En la pila hay dos
componentes químicos con diferente
afinidad por los electrones, por lo que
se establece un flujo de electrones
espontáneo que finalmente produce
energía eléctrica. En la pila está
ocurriendo una reacción redox o de
óxido-reducción que consiste en la
transferencia de electrones desde un
dador (agente reductor) a un aceptor
(agente oxidante).
En sistemas biológicos las reacciones
redox son fundamentales, al punto
que el uso e intercambio de energía en
el metabolismo es regido por
reacciones de oxidación y reducción.
La glucosa, por ejemplo, es un
intermediario clave de varias rutas
metabólicas. En función del “nivel
energético”, la glucosa presenta
distintos destinos. Si la carga de
energía útil para realizar trabajo en
celular es baja, entonces sufrirá una
serie de reacciones de oxidación con
la concomitante liberación de energía.
Por el contario, si la célula no precisa
energía para realizar trabajo, la
glucosa se almacena luego de ser
polimerizada en forma de glucógeno o
almidón (según el tipo de organismo),
con absorción de energía.
Transformaciones energéticas en
los seres vivos
Quizá la más familiar es la
transformación de la radiación
electromagnética en energía potencial
durante la fotosíntesis. Otras
transformaciones son la energía
potencial de los alimentos en energía
mecánica durante la contracción
muscular, la energía potencial
eléctrica asociada al gradiente
electroquímico a energía potencial
química al sintetizar moléculas como
la de ATP, entre otras.
Habrás notado que es supremamente
importante la energía potencial en los
seres vivos para poder realizar
trabajos tan variados como la
contracción del músculo cardíaco para
impulsar sangre, la transmisión de
innumerables impulsos nerviosos, la
formación de orina en el riñón, la
absorción de nutrientes, la síntesis de
proteínas en las células, la eliminación
de sustancias tóxicas, entre otros, que
no podrían llevarse a cabo si la célula
no captarán y transformaran la
energía de una forma en otra.
Preguntas para el análisis y la
discusión
1. ¿A qué se denomina metabolismo?
2. Establezca diferencias entre
anabolismo y catabolismo. ¿Por qué
las reacciones anabólicas deben estar
asociadas o acopladas con reacciones
catabólicas? Mencione ejemplos de
reacciones catabólicas y anabólicas.
3. ¿A qué se debe que la reacción de
hidrólisis de ATP “aporte energía” a la
célula?
4. ¿Cuáles son las principales formas
de energía aprovechable para realizar
trabajo en los seres vivos?
5. ¿Qué trabajo biológico realizan los
seres vivos a partir de la energía
potencial química?
29
¿Qué pasa cuándo se altera el
potencial de membrana?
Sesió
n
5 IDEAS CLAVES
DESEMPEÑOS ESPERADOS
Las células tienen una diferencia de potencial eléctrico (diferencia de voltaje) a
través de su membrana.
La diferencia de potencial eléctrico resulta de la distribución desigual de cargas
eléctricas a ambos lados de la membrana.
El gradiente electroquímico constituye una forma de energía, llamada energía
potencial eléctrica, disponible para realizar trabajo.
La diferencia de concentración y de potencial eléctrico de un ion a través de la
membrana determina la diferencia de energía potencial del ion a través de la
misma.
Reconozco que el gradiente electroquímico generado en la membrana es un tipo de energía potencial.
Reconozco qué clase de trabajo puede efectuar la célula con la energía potencial electroquímica almacenada en un gradiente iónico.
Establezco relación entre los componentes de un circuito eléctrico RC y el potencial de membrana.
Explico el potencial de membrana.
30
Sesión 5.
Actividad 1
En qué consiste: Distinguir entre
potencial de reposo y potencial de
acción
Materiales: Video Beam, Fotocopias,
internet, computadores
Lugar: Sala AFT
Desarrollo
Puede iniciar la sesión preguntando a
los estudiantes si recuerdan lo
aprendido en la sesión anterior, es
decir, aquella en que determinaron las
principales formas de energía
presente en los seres vivos, las
transformaciones energéticas que
ocurren en las células y el trabajo
biológico realizado por los seres vivos
para poder crecer, regularse y
reproducirse. Luego de esto proyecte,
imagen por imagen, el paso de un
potencial de reposo a un potencial de
acción. Deje que los estudiantes
observen detalladamente cada
imagen y describan lo observado en
un tiempo de 10 minutos.
Actividad: Análisis potenciales de
membrana
Observa cada imagen y contesta las
preguntas que se hacen a
continuación
Momento 1. Potencial de reposo de
una neurona (neurona polarizada)
Figura 1. Célula neuronal en reposo. Imagen
tomada de
http://www.monografias.com/trabajos41/pote
ncial-membrana/potencial-membrana2.shtml
1. ¿Qué diferencias encuentras con
respecto a la distribución de iones
sodio y potasio a ambos lados de la
membrana?
2. ¿Qué iones abundan en el medio
extracelular? ¿Qué iones abundan en
el medio intracelular?
3. ¿Cómo es el interior de la célula con
respecto al extracelular en cuanto a la
carga eléctrica que predomina?
4. ¿Qué canales están abiertos y
cerrados durante el estado de reposo
de la membrana?
5. ¿Por qué se mantiene la diferencia
de potencial eléctrico o distribución
desigual de cargas eléctricas a ambos
lados de la membrana?
Momento 2: Despolarización de la
membrana de la neurona por efecto de
un impulso nervioso
Figura 2. Potencial de acción de una neurona.
Imagen tomada de
http://www.monografias.com/trabajos41/pote
ncial-membrana/potencial-membrana2.shtml
6. ¿Qué está ocurriendo con la
distribución de iones sodio? ¿A qué
debe este cambio?
31
7. ¿Qué determina respecto a la carga
que posee el medio intracelular en
reposo el flujo de iones sodio durante
el potencial de acción?
8. Durante el potencial de acción
¿Qué canales iónicos se abren?
Momento 3 Repolarización luego del
paso del impulso nervioso
Figura 3. Neurona luego de transmitir el
impulso nervioso. Imagen tomada de
http://www.monografias.com/trabajos41/pote
ncial-membrana/potencial-membrana2.shtml
9. ¿Cómo están distribuidos los iones
a ambos lados de la membrana? ¿A
qué se debe esto?
Luego de hacer una puesta en común
y escribir las conclusiones, proyecte
un video sobre el potencial de reposo
y acción de una neurona
https://www.youtube.com/watch?v=7
P63Pl8kfqk y realice las siguientes
preguntas:
1. ¿A qué iones no es permeable la
membrana celular y a cuales si?
2. ¿Cuál es el valor del voltaje de la
célula en reposo? ¿Qué indica el signo
negativo del voltaje respecto a las
cargas eléctricas del interior de la
célula?
3. ¿Qué sucede con la distribución de
iones sodio en el exterior celular
durante el umbral?
4. ¿Qué consecuencias tiene la
entrada de iones sodio para la carga
eléctrica del interior celular?
5. ¿Cómo es el valor del voltaje del
interior de la célula en este momento?
¿Qué indica ese voltaje? ¿En este
momento ocurre la despolarización?
¿A qué se refiere este proceso?
6. ¿Qué iones salen al exterior celular
durante la repolarización de a
membrana?
Coméntele a los estudiantes que no
solo los canales iónicos intervienen en
el estado de reposo o acción de una
célula si no que la bomba de sodio y
potasio tiene una fuerte incidencia en
este proceso, pídales que consulten
acerca de su funcionamiento.
Solicite a los estudiantes que vean el
siguiente video sobre la ATPasa de
sodio-potasio:
https://www.youtube.com/watch?v=hc
F8ZiintNA.
Cierre la sesión proponiendo a los
estudiantes que en grupos
representen a través de una maqueta
el potencial de acción de una
membrana.
Sesión 5.
Actividad 2
En qué consiste: Reconocer que en
las membranas celulares existe
energía potencial eléctrica debido a la
diferencia de potencial o voltaje.
Comparar la propagación de los
potenciales de acción en las
membranas biológicas con un circuito
básico RC.
Materiales: Video beam, fotocopias,
computadores
Lugar: sala de cómputos
32
Desarrollo
Inicie la sesión pidiendo a los
estudiantes que expliquen la maqueta
que elaboraron para modelar el
potencial de membrana.
Luego coménteles que en los videos
de la sesión anterior se hablaba del
voltaje de las membranas celulares y
pregúnteles ¿qué entienden por
voltaje? Luego de escuchar y escribir
sus ideas proyecte el video ¿Qué es el
voltaje?
https://www.youtube.com/watch?v=pg
xoB9g4s9o).
Una vez hayan visto el video pídales
que describan qué es el voltaje con
sus propias palabras, además de esto
pregúnteles: ¿por qué el nombre de
“diferencia de potencial”? Pídales que
indaguen acerca de lo que es una pila
o batería eléctrica, ¿cómo funciona? y
¿para qué sirve? Luego realice una
puesta en común y pregúnteles ¿si
puede decirse que en las membranas
celulares se genera una especie de
batería eléctrica? ¿Puede decirse que
en las membranas existe un flujo de
cargas eléctricas, iones y electrones?
Una vez constatada la presencia de
fenómenos eléctricos en las
membranas celulares, pregúnteles
¿en qué se utilizan en el organismo
estos voltajes?
Luego de esto haga una breve
contextualización de la importancia de
la electricidad en nuestra vida
cotidiana, para la cual puede empezar
diciendo que a nuestro alrededor hay
máquinas y aparatos que necesitan
energía eléctrica (electricidad) para
funcionar y que están formados por
circuitos eléctricos que permiten el
flujo de corriente eléctrica, los circuitos
están formados por unos elementos y
la corriente eléctrica.
Luego pregunte a los estudiantes qué
elementos forman el circuito eléctrico
más sencillo que conozcan y
escríbalos en el tablero.
Organice a los estudiantes en grupos
de tres estudiantes y luego
explíqueles que deben hacer en la
actividad propuesta y déjelos trabajar
unos 40 minutos en ella. Pasado este
tiempo haga una puesta en común y
escriba en el tablero las conclusiones
y pídale a los estudiantes que la
consignen en su libreta de apuntes.
Actividad: Comparando el modelo de
membrana con canales iónicos con un
modelo de circuito RC
Lectura: Membrana celulares y circuitos RC
Texto elaborado teniendo en cuenta la
referencia bibliográfica Seippel, R. G.
(1977). Fundamentos de electricidad:
principios de electricidad, electrónica,
control y ordenadores. Barcelona,
Editorial Reverté.
Las membranas celulares con canales
iónicos selectivamente permeables
durante el potencial de reposo y
acción pueden representarse
mediante un modelo de circuito RC.
Tu misión consiste en encontrar la
analogía entre una membrana con
canales iónicos y un circuito básico
RC y explicar por qué cada
componente de la membrana puede
ser comparado con uno de los
componentes del circuito RC.
34
Corriente eléctrica
Se denomina corriente eléctrica al
movimiento de cargas debido a una
diferencia de potencial o voltaje
(tensión). Las cargas se mueven
desde una zona de mayor energía
potencial a una de menor energía
potencial.
Circuito básico RC
Un circuito es un sistema en el que
fluye corriente eléctrica debido a una
diferencia de potencial. Los circuitos
RC son circuitos que están
compuestos por un condensador y
una resistencia, alimentados por una
fuente eléctrica (pila). En los circuitos
RC la corriente eléctrica que circula a
través de ellos puede variar con el
tiempo. A continuación se describen
los componentes básicos de un
circuito RC:
Condensador o Capacitor: Es
fundamentalmente un aparato que almacena carga y a la vez energía en forma de energía potencial eléctrica. Un condensador consta de dos placas metálicas que se encuentran separadas por un pequeño espacio de aire o por un material aislante
.
Figura 1. Imagen que ilustra a un
condensador conectado por cables a
una pila. Se produce un flujo de
electrones desde la placa positiva
hacia la pila, dando lugar a un déficit
de electrones en esa placa y un
superávit de electrones en la placa
negativa. Tomada de Seippel, R. G.
(1977). Fundamentos de electricidad:
principios de electricidad, electrónica,
control y ordenadores. Reverté.
El símbolo para representar el
capacitor dentro de un circuito es:
Resistencia: Es un material que
genera un oposición o resistencia al
paso de corriente eléctrica, en otras
palabras, las resistencias representan
un obstáculo al flujo de corriente.
El símbolo para representar una
resistencia dentro de un circuito es:
El ohmio es la unidad de resistencia
en el Sistema Internacional, y se
representa con la letra griega omega
(Ω), en honor al físico alemán Georg
Ohm, quien descubrió el principio que
ahora lleva su nombre.
La representación de un circuito
básico RC es
Figura 3. Circuito RC. Donde C es el
capacitor, R la resistencia i la
34
intensidad de corriente v es el voltaje
o tensión y E representa la diferencia
potencial eléctrico. Tomada de
http://elluishinojos.blogspot.com.co/20
15/04/circuitos-rc-y-constante-de-
tiempo.html
Fuerza electromotriz: La fuerza
electromotriz hace referencia a la
energía proveniente de un dispositivo
o fuente que genera una diferencia de
potencial entre dos puntos (polo
negativo y polo positivo) capaz de
suministrar corriente eléctrica. Las
baterías o pilas son los dispositivos
más conocidos de fuerza
electromotriz. Las pilas trasforman la
energía potencial eléctrica en trabajo
por medio de una reacción química de
óxido-reducción producida en los
electrodos que genera un flujo de
electrones.
Figura 3. Componentes de una pila. Los electrones
fluyen del ánodo al cátodo por medio del circuito
eléctrico. Tomada de chubutin.com
Membrana plasmática
La membrana plasmática es una
bicapa lipídica que envuelve a la
célula y la separa del medio exterior,
entre sus funciones está: permitir la
entrada y salida de sustancias, regular
el paso de agua, mantener la
diferencia de potencial iónico. La
membrana está compuesta
principalmente por proteínas,
carbohidratos, lípidos y azúcares.
Figura 4. Imagen del modelo mosaico fluido de la membrana. Imagen tomada de http://www.escuelapedia.com/wp-content/uploads/Membrana-plasmatica.jpg
Para permitir el paso de sustancias la
membrana plasmática cuenta con
poros (canales iónicos) y proteínas
transportadoras. .
Canales iónicos
Los canales iónicos están formados
por proteínas que contienen poros que
permiten el paso selectivo de iones
específicos, es decir, son permeables
o permiten el flujo a unos iones y a
otros no, en otras palabras la
selectividad de los canales iónicos
permite regular el paso de moléculas
con carga eléctrica dentro y fuera de la
célula.
Figura 5.Canales iónicos de la membrana. Tomada de http://www.itaca.edu.es/IMAGENES/INFORMACION%20ESPECIALISTAS/estructura-canales-ionicos-2.gif
35
Existen dos clases de canales iónicos:
los sensibles al potencial de
membrana, estímulos físicos o a
mensajeros químicos (que se abren o
se cierran debido a estímulos
eléctricos, mecánicos o químicos) y
los no sensibles (que están siempre
abiertos, ya que no dependen de
factores externos).
En todas las células existe una
diferencia de potencial o voltaje
debido a la distribución desigual de
cargas eléctricas a ambos lados de la
membrana, que a su vez determina
una composición diferente entre el
medio intracelular y el medio
extracelular, es decir, se crea un
gradiente electroquímico denominado
potencial de membrana (Vm). El
potencial de membrana no es más que
un tipo de energía potencial (eléctrica)
que resulta del gradiente
electroquímico que se genera en las
membranas celulares.
Gradiente electroquímico
Un gradiente electroquímico resulta
del potencial eléctrico (diferencia de
energía potencial, ∆V) y del potencial
químico (diferencia de concentración)
de moléculas o iones a través de una
membrana. La diferencia de
potenciales electroquímicos puede ser
interpretada como un tipo de energía
potencial disponible para realizar
trabajo en la célula.
El movimiento de un ion depende de la
concentración y de la carga. Si un ion
se mueve a favor de un gradiente
electroquímico libera energía, y si se
mueve en contra de un gradiente
electroquímico absorbe energía, o un
agente externo realiza trabajo sobre
él.
Cierre la sesión haciendo una puesta
en común para escuchar cómo
establecieron la comparación cada
grupo y retroalimentar el tema si es
necesario y pídales a los estudiantes
que representen el potencial de
membrana a través en una maqueta
móvil.
36
¿Por qué unos líquidos mojan
unas superficies y otras no?
Sesió
n
6
IDEAS CLAVES
DESEMPEÑOS ESPERADOS
La energía superficial (o tensión superficial) es la energía potencial
acumulada en la superficie.
La energía superficial es igual a la mitad del trabajo necesario para crear
una unidad de superficie, o interfaz, mediante la separación de los átomos
o moléculas de una fase condensada (líquida o sólida) a través de un
plano imaginario que atraviese la fase continua.
La energía superficial es igual a la mitad del trabajo de cohesión.
Reconozco que en todos los líquidos existe una tendencia a disminuir
su área de superficie y minimizar su energía potencial.
Describo las fuerza eléctrica entre las moléculas de un líquido como la
responsable de que exista una energía potencial de superficie
Reconozco los factores que pueden disminuir la tensión superficial de
un líquido.
Reconozco que el proceso de mojado está asociado a una disminución
de la energía potencial de todo el sistema.
Las superficies hidrofilias poseen alta energía superficial y las que son
hidrofóbicas poseen baja energía superficial.
Las superficies logran ser mojadas cuando tienen la suficiente energía
potencial de adhesión para superar la energía de cohesión, que está
asociada a la energía de interacción entre las moléculas del líquido
37
Sesión 6.
Actividad 1
En qué consiste: Reconocer que el
proceso de mojado está asociado a
una disminución de la energía
potencial de todo el sistema.
Materiales: agua, alcohol, aceite de
cocina, glicerina, mantequilla,
poliestireno, madera, grafito, vidrio,
cerámica, jabón.
Lugar: Laboratorio
Desarrollo
Inicie la sesión a través de las
siguientes preguntas: ¿Todos los
líquidos mojan? ¿Por qué el agua
moja algunas superficies y otras no?
¿Por qué los patos no se mojan?
¿Cómo sabes luego de agregar una
gota de un líquido sobre una superficie
sólida, si esta la moja o no? Anote las
respuestas de los estudiantes en el
tablero y pídales que realicen la
siguiente lectura.
¿MOJA O NO MOJA?
Este texto fue elaborado teniendo en
cuenta la referencia bibliográfica Ruiz-
Cabello, F. J. M. (2009).
Trabajo de tesis doctoral titulado
Efecto de la rugosidad y
heterogeneidad superficial en
fenómenos de mojado. Universidad de
Granada.
El que una sustancia líquida moje a
una superficie sólida en el seno de una
sustancia fluida (líquida o vapor)
32 Imagen tomada de
https://nonperfect.files.wordpress.com/2015/03/gotaideal.jpg 32 Imagen tomada de
https://quesosypan.files.wordpress.com/2011/
08/image5.png
depende de la afinidad de los líquidos
por determinados sólidos, es decir,
depende de las propiedades físico-
químicas tanto del sólido como del
líquido que entran en contacto.
La mojabilidad de un líquido se
manifiesta con el esparcimiento del
líquido sobre el sólido, de este modo
cuando la gota del líquido entra en
contacto con el sólido se forma entre
éstos un ángulo, denominado ángulo
de contacto. Se tiene que si el líquido
se extiende completamente sobre la
superficie sólida el mojado es
perfecto, si la gota se deforma
medianamente se dice que el líquido
moja parcialmente al sólido y si el
líquido no moja la superficie sólida,
permanece formando la gota esférica,
tal como se muestra en la figura 1.
Mojado nulo
Mojado parcial
Mojado perfecto Figura 1. Diferentes grados de humectación. Del agua en distintas superficies32
32 Imagen tomada de
https://thumbs.dreamstime.com/x/las-gotas-
de-agua-modelan-en-tarjeta-de-madera-
19967311.jpg
38
Como en la naturaleza no existen discontinuidades debe considerarse la existencia de una región en donde se da la transición continua de una fase a otra, denominada interfaz (o interfase), por otro lado el termino interfaz o superficie de Gibbs será utilizado para describir una superficie imaginaria de separación entre dos fases. Observe la figura 2.
Figura 2. Representación de una interfase y
la interfaz. Tomada de
digibug.ugr.es/bitstream/10481/2413/1/18197
759.pdf
En la interfaz existe un exceso de
energía almacenada la cual es
desfavorable desde el punto de vista
energético, por lo que el sistema
siempre tiende a disminuir la
extensión del área interfacial con el
objetivo de disminuir su energía libre
de Gibbs, también conocida como
energía superficial y que es una forma
de energía potencial “eléctrica”.
Recuerde que todas las interacciones
entre átomos que llevan a la formación
de enlaces son principalmente
eléctricas.
La energía superficial se define como
la energía potencial almacenada por
unidad de área en una interfaz. Esta
energía existe como consecuencia de
la necesidad de realizar un trabajo
para “romper” las interacciones entra
las moléculas durante la formación de
las superficies, o la energía de
cohesión.
La formación de gotas de un líquido se
debe a la tensión superficial, ya que
ésta tiende a minimizar la relación
área-volumen. Como el sólido de
menor superficie que encierra un
mayor volumen es la esfera, los
líquidos tienden a formar gotas. De
acuerdo a esto es de suponerse que
cuando la energía superficial de un
líquido disminuye, este minimiza su
tendencia a formar gotas, por lo que el
líquido se extiende.
Luego de que los estudiantes realicen
la lectura haga una puesta en común
para ver lo que éstos lograron
entender y retroalimente y oriente los
conceptos necesarios para entender
la actividad experimental a realizar y el
hecho de que uno líquidos mojen unas
superficies y otras no.
Solicite a los estudiantes que
observen estos videos:
Superficies Superhidrofóbicas
https://www.youtube.com/watch?v=IP
M8OR6W6WE
Replica Robot de insecto que puede
saltar en agua
https://www.youtube.com/watch?v=39
dg0wkS254
Lagarto Jesucristo (camina sobre el
agua)
https://www.youtube.com/watch?v=45
yabrnryXk
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL:
¿MOJA O NO MOJA?
40
Revisa tu kit y observa
detenidamente lo que contiene
2. Antes de realizar el experimento
realicen las siguiente predicciones de
manera individual y luego el grupo
redactará la predicción grupal. Escribe
si los líquidos mojan parcialmente,
totalmente o no mojan las superficies
descritas:
3. Utiliza el gotero y coloca
cuidadosamente una gota de agua
sobre cada superficie (que
previamente fue limpiada
exhaustivamente con agua destilada
únicamente) y describe lo que sucede.
Luego repite el procedimiento con
cada líquido, teniendo presente que el
gotero debe estar limpio (enjuáguelo
varias veces con agua destilada) y
seco en cada procedimiento y que
cada gota debe caer en una zona
distinta a la del líquido anteriormente
utilizado.
Una vez hayan realizado el
procedimiento anoten sus
observaciones en la siguiente tabla:
5. Conclusiones
¿Cómo explicas el hecho que unos
líquidos mojen unas superficies y otras
no?
¿Qué efecto tuvo el jabón en el
proceso de mojado del agua?
¿Qué es un jabón? ¿Por qué lo
necesitamos para lavar?
Sesión 6
Actividad 2
En qué consiste: Reconocer que el
proceso de mojado está asociado a
una disminución de la energía
potencial de todo el sistema.
Materiales: Dos tapas de refresco
iguales y dos platos pequeños, agua
corriente, alcohol, Dos velas de
parafina, un vaso con agua y otro con
aceite de cocina, Servilletas de papel
Lugar: Laboratorio
Desarrollo
Comience la sesión realizando
demostraciones sencillas acerca de la
tensión superficial y los factores que
logran vencerla. Para mostrar este
40
punto realice las siguientes
demostraciones:
Agregue en un recipiente con leche
colorantes y luego introduzca un
copito de algodón impregnado de
jabón líquido. ¿Cómo se observara la
tinta de color sobre la leche? ¿Qué
sucederá al sumergir el copito de
algodón impregnado de jabón en la
leche con tinta?
Coloque en un recipiente aceite sobre
agua y luego en otro recipiente agua
sobre aceite. ¿Cómo explicas lo
observado entre el agua y el aceite?
Antes de realizar todas las
demostraciones pídales a los
estudiantes que realicen predicciones
de lo que va a ocurrir, luego realice el
experimento y haga preguntas para
corroborar lo aprendido en la sesión.
Haga una puesta en común para sacar
conclusiones y pídales que las anoten
en la libreta.
Pídales a los estudiantes que realicen
las siguientes experiencias en grupos
de 2 o 3 estudiantes:
1. Llena una tapa con agua y otra con
alcohol. Derrama cuidadosamente el
agua en uno de los platos y el alcohol
en el otro y observa.
¿Cuál de los dos líquidos se esparce
más?
¿Cómo explicas lo observado?
¿Según lo observado, qué moja más
el agua o el alcohol?
2. Sumerge una vela en el vaso con
agua y otra en el que contiene aceite.
Sácalas observa y compara.
¿Cuál de las dos velas está más
mojada?
¿Cuál vela se deja secar más
fácilmente con la servilleta?
¿A qué crees que se deben los
resultados obtenidos?
Cierra la sesión preguntando a los
estudiantes acerca de;
¿Cómo explicas la acción de “mojar”?
¿Qué son superficies impermeables?
¿Qué son superficies
superhidrofobas?
41
Referencias bibliográficas
Cabello Bravo, M. I (2014) Texto del estudiante química 3 y 4°medio. Recuperado
de http://es.slideshare.net/JAIMEANDRESVERDUGO/quimica-3-y-4-medio-texto-
para-el-estudiante-30226124
Ministerio de Educación Nacional (2013) Secuencias Didácticas en Ciencias
Naturales Educación Básica Secundaria. Recuperado de
http://www.mineducacion.gov.co/1759/articles329722_archivo_pdf_ciencias_secun
daria.pdf
Muñoz & Bernal (2013) Apropiación de la ciencia desde el aula INDAGALA. Módulo:
Química-1 Actividad 3. Humectación y lavado. Bogotá.
Proyecto Newton (2002-2009). España, Ministerio de Educación Cultura y Deporte.
Recuperado de http://newton.cnice.mec.es/index.html
Ruiz-Cabello, F. J. M. (2009). Efecto de la rugosidad y heterogeneidad superficial
en fenómenos de mojado. Tesis Doctoral. Universidad de Granada.
42
![Determinación del Potencial de Generación Eléctrica a ... · Energético Nacional [6], para el año 2005 el consumo de energía eléctrica promedio per ... comparado con la media](https://img.pdfslide.us/doc/110x75/5c61596709d3f21c6d8cf2f3/determinacion-del-potencial-de-generacion-electrica-a-energetico-nacional.jpg)
![INVESTIGACIÓN & DESARROLLO, No. 16, Vol. 1: 49 – 60 (2016) · Figura 3 - Potencial de energía solar promedio anual en Bolivia [5]. Según datos de energética al 2013 [8] se tiene](https://img.pdfslide.us/doc/110x75/5eac975a924fe41d35188589/investigacin-desarrollo-no-16-vol-1-49-a-60-2016-figura-3-potencial.jpg)
