APROVECHEMOS LA ENERGIA DEL SOL EN NUESTRO HOGAR
ACTIVIDADES PARA DESARROLLAR
Libro de proyectos página 129
INICIEMOS Y OBSERVEMOS
Existen diferentes fuentes de energía que se utilizan en beneficio de la humanidad. Algunas de estas provienen de fuentes naturales y se consideran renovables. La energía solar es una de ellas; provee de energía termina y lumínica en forma de calor y luz. Sin embargo, esta no es completamente sustentable, los materiales y equipos necesarios para transformar la energía producen desperdicios tóxicos para el medio ambiente. Por ejemplo, para producir paneles solares se genera una gran cantidad de gases de efecto invernadero y desechos tóxicos. Aun no existe un proceso adecuado para reciclar la totalidad de los componentes de los paneles solares obsoletos que se convierten en desperdicios tóxicos (lamas, 2020).
El aprovechamiento sustentable de la energía solar es todo un reto. ¿Cómo se podrían conseguir los beneficios de la energía solar sin dañar el medio ambiente?
DISEÑO Y DESARROLLO DE LA INDAGACIÓN
¡Aquí está el problema!
Es posible aprovechar la energía solar de manera eficiente, sin emplear procesos contaminantes, al utilizar las diferentes formas de transmisión de la energía térmica.
Utilicen sus conocimientos previos sobre las formas de transmisión de la energía térmica.
1. Organicen comunidades de tres integrantes e investiguen sobre las aplicaciones que tiene cada una de las formas de transmisión de la energía térmica.
2. Cada integrante investigue sobre alguna de ellas en las fuentes confiables que tenga al alcance, como el libro Colección Sk´asolil. Saberes y pensamiento científico.
BUSCA Y ENCUENTRA
¿Cómo se puede transmitir la energía térmica? Para dar respuesta a esta pregunta, realicen los siguientes experimentos.
Materiales:
2 botellas de reuso del mismo tamaño y material. Pueden ser de agua.
Tijeras
Pintura negra
2 termómetros
Una brocha
Un litro de agua
Un reloj
1
1. Corten las botellas a la misma altura
2. Pinten una de las botellas de color negro. Una vez seca, lleven ambas a un lugar soleado.
3. Llenen cada botella con la misma cantidad de agua.
4. Coloquen un termómetro en cada botella y registren en una libreta la temperatura del agua.
5. Dejen las botellas al sol durante 45 minutos con los termómetros dentro de ellas.
6. Midan la temperatura cada 15 minutos y regístrenla en su libreta.
Temperaturas | |
Botella transparente | Botella negra |
1.35aprox | 1.45aprox |
2.45aprox | 2.60aprox |
3.55aprox | 3.75aprox |
7. Comenten entre ustedes lo que notaron sobre la transferencia de energía entre la luz del sol, las botellas y los termómetros, y elaboren una lista con las diferentes transferencias de energía térmica que detecten. Después, expliquen cual fue el mecanismo de transferencia de energía térmica observada en el experimento.
8. Investiguen sobre la radiación del cuerpo negro (la botella pintada). Como se representa analíticamente, en donde se presenta y como puede aprovecharse.
9. Registren en su cuaderno sus observaciones, luego respondan lo siguiente:
¿Cómo podrían aprovechar los tipos de transferencia de energía térmica que encontraron en el experimento?
1. Diseño de sistemas de calefacción y refrigeración: Utiliza el conocimiento sobre la absorción y liberación de calor de diferentes materiales para optimizar sistemas de calefacción y refrigeración, como colectores solares y dispositivos de refrigeración.
2. Eficiencia energética en edificaciones: Aplica el entendimiento de cómo los colores y materiales afectan la transferencia de calor en el diseño de edificaciones para mejorar la eficiencia energética.
3. Optimización de paneles solares: Utiliza la información sobre cómo las superficies absorben la radiación solar en el diseño de paneles solares para maximizar la conversión de energía solar en electricidad.
4. Aplicaciones en la industria alimentaria: Aplica los principios de transferencia de calor en el diseño de envases o sistemas de cocción para mejorar la eficiencia en la manipulación térmica de alimentos.
5. Desarrollo de tecnologías sostenibles: Utiliza el conocimiento sobre transferencia de energía térmica para desarrollar tecnologías más eficientes y respetuosas con el medio ambiente.
6. Educación y divulgación: Comparte los resultados del experimento para educar y concientizar sobre la importancia de entender y aprovechar los principios de transferencia de energía térmica en diversos campos.
¿Cuáles serian las ventajas y desventajas?
Ventajas:
Eficiencia Energética: El conocimiento y la aplicación adecuada de la transferencia de energía térmica pueden conducir a sistemas más eficientes, reduciendo el consumo de energía y los costos asociados.
Diseño Eficiente: Permite el diseño eficiente de dispositivos y sistemas, como colectores solares o sistemas de calefacción, optimizando su rendimiento y aprovechando mejor los recursos disponibles.
Sostenibilidad: Favorece el desarrollo de tecnologías sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, utilizando de manera eficiente la energía térmica disponible, especialmente en fuentes renovables como la solar.
Aplicaciones Diversas: El entendimiento de la transferencia de calor tiene aplicaciones en una variedad de campos, desde la industria hasta la construcción, ofreciendo soluciones versátiles.
Desventajas:
Complejidad en la Aplicación: En algunos casos, la aplicación precisa de los principios de transferencia de calor puede ser compleja y requerir conocimientos especializados.
Requisitos Específicos del Medio Ambiente: Algunas aplicaciones pueden depender de condiciones ambientales específicas, como la disponibilidad de luz solar en el caso de sistemas solares, lo que limita su efectividad en ciertos entornos.
Costos Iniciales: La implementación de tecnologías basadas en transferencia de energía térmica a veces puede tener costos iniciales más altos, aunque a menudo se compensan con ahorros a largo plazo.
Posibles Limitaciones en Materiales: En ciertos casos, la aplicación de transferencia de calor puede depender de materiales específicos, y la disponibilidad o costo de estos materiales puede ser limitante.
Es importante señalar que estas ventajas y desventajas son generales y pueden variar dependiendo del contexto y la aplicación específicos. Además, avances tecnológicos y enfoques innovadores pueden mitigar algunas de las desventajas mencionadas.
10. Tomen en cuenta que la transferencia de energía termina siempre ocurre del objeto de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
EXPERIMENTO 2
1. Forren el interior de las 4 cajas y las tapas con el papel aluminio, asegurándose de cubrir toda la superficie.
2. Recorten la caja de cartón en tiras de 10 cm x 20 cm y fórrenlas también con el papel aluminio.
3. Cubran las cajas por fuera con la cinta canela.
4. En cada caja chica coloquen una bolsa para basura.
5. Tomen una caja grande e introduzcan en ella una de las chicas.
6. Pongan unos cubos de hielo en la caja mas chica y tomen la temperatura. Tapen la caja.
7. Tomen el otro par de cajas, pero, en esta ocasión, coloquen las tiras de cartón a manera de rejillas aislantes entre la caja pequeña y las paredes de la caja grande. Coloquen el hielo y tomen la temperatura del interior de la caja. Tápenla.
8. Lleven ambas cajas a un lugar soleado.
9. Escriban en su cuaderno lo que creen que sucederá con cada par de cajas y justifiquen porque será así.
10. Después de 15 minutos tomen nuevamente la temperatura de cada una de las cajas.
11. Registren sus mediciones en su cuaderno.
12. Anoten sus observaciones y expliquen los resultados obtenidos. Expliquen cómo funciona la conversión en la atmosfera terrestre y porque consideran que obtuvieron esos resultados.
MATERIALES:
4 cajas de cartón de dos diferentes tamaños, preferentemente con tapa. Dos de ellas deben entrar en las otras dos.
Una caja de cartón para recortar
Un rollo de papel aluminio de 10 metros
2 bolsas para basura
Tijeras
Un rollo de cinta canela o para embalaje
Una regla de 30 cm o un flexómetro
Un termómetro
Hielo
ENCUENTRA Y APRENDE
En los experimentos anteriores pudieron trabajar con los mecanismos de transmisión de energía térmica por conducción, radiación y convección. Ahora, el reto es aprovechar la energía térmica que se obtiene del sol como fuente de energía para el diseño y construcción de algún dispositivo equipado para aprovechar la energía térmica de forma sustentable, útil en la vida diaria.
1. Organícense en equipos y elijan alguna propuesta de dispositivo, por ejemplo, un horno solar, un calentador, solar con botellas de plástico o un sistema aislante térmico.
2. Investiguen como elaborar su dispositivo en fuentes confiables y compartan sus hallazgos en asamblea.
3. De acuerdo con el dispositivo que eligieron, tomen en cuenta las siguientes preguntas para responderlas cuando realicen sus experimentos.
a) ¿Cuáles son los tipos de transferencia de energía que se dan en un horno solar? En un horno solar, los principales tipos de transferencia de energía que tienen lugar son:En un horno solar, los principales tipos de transferencia de energía que tienen lugar
son:Radiación:La radiación solar es capturada y concentrada por los espejos o lentes del horno solar. Esta radiación se convierte en calor cuando incide sobre la superficie receptora dentro del horno, como una bandeja metálica o un recipiente para cocinar.Conducción: Una vez que la radiación solar es absorbida por la superficie receptora, el calor se transfiere a través del material del recipiente por conducción. Esto significa que las moléculas en la superficie caliente del recipiente transmiten su energía térmica a las moléculas adyacentes más frías, calentando así el contenido del recipiente.
Convección: La energía térmica generada por la radiación solar calienta el aire en el interior del horno. El aire caliente tiende a subir debido a su menor densidad, creando corrientes de convección que distribuyen el calor de manera más uniforme dentro del horno. Esto ayuda a cocinar los alimentos de manera más eficiente.
Convección forzada: Algunos hornos solares utilizan ventiladores o dispositivos de circulación de aire para aumentar la velocidad del flujo de aire caliente dentro del horno. Esto puede mejorar aún más la distribución del calor y acelerar el proceso de cocción.Estos mecanismos de transferencia de energía trabajan en conjunto para aprovechar la energía solar y convertirla en calor útil para cocinar alimentos u otros propósitos.
b) ¿Cómo se da la transferencia de calor dentro y fuera del horno solar?
Radiación: La radiación solar es capturada por los reflectores del horno solar, que concentran la energía solar en un punto focal dentro del horno. Esta radiación se convierte en calor cuando incide sobre la superficie receptora, como una bandeja metálica o un recipiente para cocinar.
Conducción: Una vez que la radiación solar es absorbida por la superficie receptora, el calor se transfiere a través del material del recipiente por conducción. Las moléculas en la superficie caliente del recipiente transmiten su energía térmica a las moléculas adyacentes más frías, calentando así el contenido del recipiente.
Convección: E
Después
Radiación: Parte del calor generado dentro del horno solar se irradia hacia el exterior en forma de radiación térmica. Esta radiación puede ser absorbida por el aire circundante, el suelo u otros objetos cercanos al horno.
Conducción y convección: El calor también puede transferirse fuera del horno por conducción y convección. Por ejemplo, si el horno está en contacto directo con una superficie más fría, como una mesa o el suelo, el calor se transferirá por conducción. Además, el aire caliente dentro del horno puede escapar hacia el exterior, llevando consigo parte del calor por convección.
c) ¿Cómo se podrá conseguir aislar la caja para su mejor funcionamiento?
Aislamiento térmico: Utiliza materiales aislantes para reducir la pérdida de calor. Por ejemplo, puedes llenar el espacio entre las cajas con materiales aislantes como papel de periódico arrugado, fibra de vidrio, poliestireno expandido (corcho blanco) o bolsas de plástico llenas de aire.
Doble capa: Puedes duplicar las capas de cartón para aumentar el grosor de las paredes del horno, lo que proporcionará un mejor aislamiento térmico.
Reflectores: Añade reflectores internos al horno para maximizar la captura de radiación solar. Puedes utilizar papel de aluminio o láminas reflectantes en las paredes internas del horno para reflejar la radiación solar hacia el punto focal.
Sellado adecuado: Asegúrate de sellar bien todas las juntas y aberturas del horno para evitar fugas de calor. Usa cinta adhesiva resistente al calor o masilla para sellar cualquier espacio entre las cajas de cartón.
Utiliza materiales oscuros: Pinta las superficies internas del horno con pintura negra o de otro color oscuro para maximizar la absorción de radiación solar y mejorar la eficiencia del horno.
Ventanas aislantes: Si el diseño lo permite, puedes incorporar una ventana de vidrio o plástico transparente en la parte superior del horno para permitir la entrada de radiación solar mientras se reduce la pérdida de calor.
Al implementar estas medidas de aislamiento, puedes mejorar significativamente el rendimiento de tu horno solar al reducir las pérdidas de calor y maximizar la captura de energía solar.
d) ¿Existe alguna relación entre el calor que cuece los alimentos y el color de las cajas?Sí, hay una relación entre el color de las cajas y la eficiencia para cocinar los alimentos en un horno solar. Aquí hay algunas consideraciones importantes:
Absorción de radiación solar: Los colores oscuros tienden a absorber más radiación solar que los colores claros. Por lo tanto, si las cajas están pintadas de negro o de otro color oscuro, absorberán más calor del sol, lo que aumentará la temperatura dentro del horno y mejorará la eficiencia para cocinar los alimentos.
Reflectividad: Por otro lado, los colores claros reflejan más la radiación solar en lugar de absorberla. Por lo tanto, si las cajas están pintadas de blanco o de otro color claro, pueden reflejar parte de la radiación solar incidente, lo que podría reducir la temperatura interna del horno y disminuir su eficiencia para cocinar los alimentos.
En resumen, utilizar cajas de color oscuro, preferiblemente negro, puede ser más efectivo para cocinar alimentos en un horno solar, ya que absorberán más calor del sol y aumentarán la temperatura interna del horno. Sin embargo, la elección del color también puede depender de otros factores, como la disponibilidad de materiales y las condiciones climáticas locales.
Con esta información, ¿pueden concluir que se aprovecha la energía solar de manera eficiente sin emplear procesos contaminantes, al utilizar las diferentes formas de transmisión de la energía térmica?
Sí, basándonos en la información proporcionada sobre el funcionamiento del horno solar y los beneficios asociados, podemos concluir que se aprovecha la energía solar de manera eficiente y sostenible sin emplear procesos contaminantes. Aquí están las razones:
Eficienciaenelaprovechamiento de la energía solar: El horno solar utiliza la radiación solar como fuente de energía primaria para generar calor, aprovechando al máximo la energía del sol mediante el efecto invernadero. Esto significa que se está utilizando una fuente de energía abundante y renovable de manera eficiente.
Ausencia de procesos contaminantes: A diferencia de los métodos de cocción convencionales que pueden requerir el uso de combustibles fósiles o electricidad generada a partir de fuentes contaminantes, el horno solar no produce emisiones contaminantes durante su funcionamiento. No hay combustión de combustibles ni liberación de gases de efecto invernadero u otros contaminantes atmosféricos.
Uso de diferentes formas de transmisión de energía térmica: El horno solar aprovecha diferentes formas de transmisión de energía térmica, como la radiación, la conducción y la convección, para calentar los alimentos de manera eficiente. Estos procesos no generan contaminación y son naturales y sostenibles.
En resumen, el horno solar aprovecha la energía solar de manera eficiente y sostenible al utilizar diferentes formas de transmisión de energía térmica, sin emplear procesos contaminantes. Es una opción ecológica y limpia para cocinar alimentos, contribuyendo a la conservación del medio ambiente y la reducción de la huella de carbono.
CONSTRUCCIÓN Y/O COMPROBACIÓN
Los caminos posibles
1. En comunidades, diseñen y construyan el dispositivo que eligieron, teniendo en cuenta la información que obtuvieron. Consideren la necesidad de transportarlo a donde será su lugar de funcionamiento.
a) Tengan a la mano los materiales necesarios para llevarlo a cabo, así como las herramientas para armar su dispositivo y la ayuda de un familiar adulto en caso de ser necesario.
2. Consideren lo obtenido en las indagaciones realizadas para lograr un producto eficiente, funcional y capaz de satisfacer las necesidades, así mismo, el cuidado del medio ambiente durante y después de su construcción.
3. Verifiquen que el dispositivo terminado tenga un optimo funcionamiento y, si es necesario, hagan ajustes o investigaciones extra.
4. Tengan en cuenta que es conveniente tomar datos de los tiempos que se requieren para logar los resultados esperados y volver a ajustar, si fuera el caso.
COMUNICACIÓN
Ya lo tengo
Una vez hecho y probado su dispositivo, presenten los resultados. Para ellos, muestren el dispositivo ante la clase, procuren la participación de cada uno.
a) Describan como fue el proceso de construcción, la indagación que realizaron para llegar a la comprensión sobre su funcionamiento, los conceptos físicos aprendidos y aplicados, así como los obstáculos y las adecuaciones hechas para lograr su funcionamiento optimo.
b) Expongan las ventajas y desventajas del dispositivo construido, si contribuye a la mejora de su casa o comunidad, y una reflexión sobre el impacto y mejora del medio ambiente.
c) Hablen sobre las emociones que sintieron durante el proceso de indagación y análisis, asi como el sentimiento de responsabilidad, compañerismo, logro o decepción, si lo tuvieron, y como lo superaron.
d) Otorguen un valor a su trabajo de acuerdo con la percepción de lo que realizaron y pregunten a sus compañeras y compañeros de clase las mejoras que podrían realizar. Para que la presentación sea favorable, deben considerar los siguientes momentos para lograr el éxito.
ANTES: es el tiempo destinado a la preparación de lo requerido para la presentación, se puede realizar una lista para verificar que cuentan con todo, es importante planear cada detalle par que todo vaya bien y puedan exponer los resultados de su investigación.
DURANTE: en este momento es importante la escucha activa y el respeto mutuo si se realiza la presentación frente a sus compañeras y compañeros de clase. En caso de tener un publico mas extenso, pueden recurrir a técnicas de relajación y regulación de emociones, asimismo, cuando les toque participar como observadores, muestren respeto por el trabajo de sus compañeros.
DESPUES: este momento se considera para hacer una introspección y revisar las actividades realizadas para valorar lo hecho y reflexionar sobre las posibles acciones de mejora.
AUTORREFLEXIÓN
Valorando mis pasos
1. Organicen una muestra de trabajos con los miembros de la comunidad escolar y presenten su prototipo o diseño.
a) Expongan su principio de funcionamiento, ventajas, desventajas, porque es útil para su comunidad y las posibles aplicaciones en su entorno cercano.
2. Organizados en asamblea, comenten con sus compañeros como se sintieron con la actividad, cuales fueron sus aciertos y cuales las áreas que pueden mejorarse.
a) Mencionen como enfrentaron los conflictos al interior del equipo.
b) Mencionen cuales fueron las fortalezas que encontraron en cada uno de ustedes.
3. Marca la siguiente rubrica de acuerdo con los criterios solicitados, siempre reflexionando sobre los aspectos a considerar. Al final, comenta sobre las aportaciones realizadas, el proceso que se siguió para su construcción y lo que aporto a la comunidad.
criterios | Nivel 0 | Nivel 1 | Nivel 2 | Nivel 3 |
Planeación del proyecto | Solo existe un esbozo de lo que se realizo | Se detallaron algunos pasos que se siguieron | Se mencionaron todos los pasos que se siguieron, en general. | Se detallo paso a paso, describiendo cada uno de ellos. |
Nuestro dispositivo | No funciono | Funciono parcialmente | Funciono con algunas fallas | Funciono correctamente |
Explicamos sobre conceptos físicos involucrados | No explicamos ningún fenómeno físico involucrado | Tratamos algún fenómeno físico involucrado | Mencionamos la mayoría de los fenómenos físicos involucrados | Detallamos todos los fenómenos físicos involucrados. |
Resolvimos los conflictos presentados | No se resolvieron | Se resolvió la mayoría | Se resolvieron totalmente | Se resolvieron y se plantearon innovaciones |
Exposición del proyecto | Solo se puso en funcionamiento sin explicación | Explicamos a grandes rasgos | Explicamos a detalle la construcción | Explicamos la construcción y los conceptos físicos requeridos. |
Utilizamos recursos bibliográficos | No los mencionamos | Nos concentramos en un solo recurso | Utilizamos varios recursos sugeridos | Utilizamos los recursos sugeridos y mas |
Los materiales que utilizamos están acordes con al temática del cuidado del medio ambiente | Los materiales fueron nuevos | Los materiales fueron reciclados | Modificamos materiales para su uso | Utilizamos materiales completamente acordes y modificados para cuidar el medio ambiente |
Hablamos sobre la sustentabilidad del proyecto y el beneficio para la comunidad y el medio ambiente | No los mencionamos | Los mencionamos poco | Hablamos sobre partes del proyecto que pueden beneficiar | Hablamos durante gran parte de la presentación sobre los beneficios |
4. Comenten sobre los alcances obtenidos, las mejoras a realizar y los sentimientos acerca de la conclusión de su proyecto
5. Por último, escriban en sus cuadernos digitales los acuerdos asamblearios a los que llegaron en comunidad para analizar las formas de transferencia de energía térmica en diferentes situaciones de la vida cotidiana.
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