2° Semestre - Conservación de la energía y sus interacciones con la materia - Progresiones de Aprendizaje - CNEyT
“La energía no puede ser creada o destruida, pero puede ser transportada de un lugar a otro dentro del sistema y transferida entre sistemas. Muchos fenómenos se pueden explicar en términos de transferencias de energía. Las expresiones matemáticas que cuantifican los cambios en las formas de energía dentro de un sistema y las transferencias de energía dentro o fuera de este, permiten utilizar el concepto de conservación de energía para predecir y describir su comportamiento” (National Research Council, 2012).
De forma similar a como sucede con la materia, en cualquier sistema se observan flujos y transformaciones de la energía dentro y fuera de un sistema. La cantidad de energía que recibe un sistema limita su funcionamiento, como se observa en las plantas que reciben energía (luz solar) y materia (dióxido de carbono y agua). Por ello, el análisis de las transferencias de materia y energía de un sistema proporciona mucha información sobre su funcionamiento.
Es posible identificar muchas manifestaciones de la energía a nivel macroscópico, tales como el movimiento, la luz, el sonido, los campos electromagnéticos y la energía térmica. En contraste, a nivel microscópico la energía se comprende en función de los movimientos de las partículas, o bien, la almacenada en campos de fuerza (campos electromagnéticos) que intervienen en la interacción entre las partículas. Estas manifestaciones de energía son conocidas como energía cinética (energía del movimiento), energía térmica (asociada al movimiento y colisiones de las partículas), los campos electromagnéticos o la energía potencial (definida como una diferencia de energía en comparación con alguna configuración de referencia en un sistema). Debido a que el concepto de energía no es sencillo, es común que los estudiantes conozcan algunas expresiones matemáticas (fórmulas) para calcular alguna cantidad, como un término abstracto en el que no se comprenden los mecanismos o las razones de las diversas fórmulas. La percepción de que existen diferentes formas de energía también produce la idea intuitiva de que la naturaleza de la energía es distinta en cada fenómeno, cuando lo que subyace es la naturaleza a escala microscópica; lo mismo sucede con fenómenos que transfieren energía de un sistema a otros o entre objetos, los mecanismos de transferencia son comunes. La radiación electromagnética (luz visible, radiación U.V. o los rayos X) es un concepto importante para comprender fenómenos de transferencia de energía entre dos cuerpos que no están en contacto directo, como sucede con el Sol y la Tierra.
Cuando en un sistema hay una variación en la cantidad de energía, esto produce cambios en otras formas de energía dentro del sistema o por transferencias de energía dentro o fuera de los sistemas, sin embargo, la energía total del sistema se conserva.
Aplicación disciplinar
El concepto de la conservación de la energía y sus interacciones con la materia es fundamental en las disciplinas científicas de la física, la química, la biología y la ecología.
La energía no puede ser creada o destruida, pero puede ser transportada de un lugar a otro y transferida entre sistemas. Muchos tipos diferentes de fenómenos se pueden explicar en términos de transferencias de energía. Las expresiones matemáticas que cuantifican los cambios en las formas de energía dentro de un sistema y las transferencias de energía dentro o fuera del sistema, permiten utilizar el concepto de conservación de energía para predecir y describir el comportamiento de un sistema (National Research Council, 2012).
Progresión de aprendizaje del concepto central “Conservación de la energía y sus interacciones con la materia”
Para Ciencias Naturales, Experimentales y Tecnología, las progresiones de aprendizaje son ideas que permiten la apropiación del concepto central, ordenadas progresivamente (de lo más simple a lo más complejo). Estas ideas se complementan con los conceptos transversales y las prácticas de ciencia e ingeniería, para mayor referencia sobre estas relaciones (véase cuadro 1), así como con los propósitos, contenido científico asociado y prácticas sugeridas (véase cuadro 2).
El propósito de la progresión de aprendizaje es ayudar a las y los estudiantes a apropiarse del concepto central y proporciona al docente una idea clara del nivel de conocimientos que tienen sus estudiantes. A partir de la recuperación de sus ideas previas se puede orientar de mejor forma a las y los estudiantes a alcanzar una mayor comprensión y desarrollo del sentido científico.
Código | Progresión de Aprendizaje |
|---|---|
PA2.1. | La energía puede ser transferida de un objeto en movimiento a otro objeto cuando colisionan. La energía está presente cuando hay objetos en movimiento, hay sonido, hay luz o hay calor. |
PA2.2. | La energía tiene diferentes manifestaciones (por ejemplo, energía en campos electromagnéticos, energía térmica, energía de movimiento). |
PA2.3. | La energía se puede transferir de distintas formas y entre objetos o sistemas, así como al interior de ellos. |
PA2.4. | Cuando la energía fluye es posible detectar la transferencia de energía a través de un objeto o sistema. |
PA2.5. | El cambio de estado y/o el movimiento de la materia en un sistema es promovido por la transferencia de energía. |
PA2.6. | La temperatura de un sistema se da en función de la energía cinética promedio y a la energía potencial por partícula. La relación depende del tipo de átomo o molécula del material y sus interacciones. |
PA2.7. | La energía requerida para cambiar la temperatura de un objeto está en función de su tamaño y naturaleza, así como del medio. |
PA2.8. | La energía se transfiere de sistemas u objetos más calientes a otros más fríos. |
PA2.9. | La energía no puede ser creada o destruida, pero puede ser transportada de un lugar a otro y transferida entre sistemas. |
PA2.10. | La energía no se puede destruir, sin embargo, se puede convertir en otras formas de menor utilidad (por ejemplo, cuando hay pérdidas por calor). |
PA2.11. | El funcionamiento de los sistemas depende de su disponibilidad de energía. |
PA2.12. | En los sistemas cerrados las cantidades totales de materia y energía se conservan. |
PA2.13. | Los cambios de energía y materia en un sistema se pueden rastrear a través de sus flujos hacía, desde y dentro del mismo. |
PA2.14. | Emplear el principio de conservación en el que la energía no se crea ni se destruye, significa que el cambio total de energía en cualquier sistema es siempre igual al total de energía transferida dentro o fuera del sistema. |
PA2.15. | A través del concepto de conservación de la energía es posible describir y predecir el comportamiento de un sistema. |
PA2.16. | La ciencia como un esfuerzo humano para el bienestar, parte 2. Discusión de la aplicación de las ciencias naturales: sobre la generación de energía eléctrica. |
Cuadro 1. Propósitos, contenido científico asociado y prácticas sugeridas para la apropiación del concepto central “Conservación de la energía y sus interacciones con la materia”
CT1 - Patrones | CT2 - Causa y efecto | CT3 - Medición | CT4 - Sistemas (modelos de sistemas) | CT5 - Flujos y ciclos de la materia y la energía | CT6 - Estructura y función | CT7 - Estabilidad y cambio | Prácticas |
Se utilizan los patrones como un método para identificar relaciones de causa y efecto en las colisiones entre partículas. | Comprender las relaciones de causa y efecto en sistemas naturales (por ejemplo, la energía solar es una de las principales fuentes de energía del planeta, indispensable para los procesos de la vida). | Las relaciones proporcionales entre diferentes tipos de cantidades proveen información acerca de la magnitud de las propiedades y los procesos. Por ejemplo, la relación de la energía cinética con la masa de un objeto y su velocidad. Identificar las principales unidades de energía y de temperatura. | Los modelos ayudan a representar sistemas y sus interacciones, así como los flujos de energía en el sistema y entre sistemas. Identificar en un modelo las entradas, salidas y retroalimentaciones de energía. | La energía tiene diferentes manifestaciones (térmica, cinética, potencial y campos electromagnéticos) La transferencia de energía sucede de diferentes formas dentro del sistema y entre sistemas. La energía no se crea ni se destruye sólo se transfiere dentro y entre sistemas. | Una estructura puede tener una función específica a partir de las propiedades de los materiales para permitir la transferencia de energía en diferentes grados. | Los sistemas experimentan cambios hasta alcanzar el equilibrio dinámico. Por ejemplo, un sistema a mayor temperatura transfiere energía al de menor temperatura hasta que alcanzan un equilibrio térmico. | Las y los estudiantes realizarán a lo largo del curso prácticas relacionadas con la energía, su transferencia y su conservación, lo que les permitirán también desarrollar las habilidades de hacer preguntas, utilizar modelos, obtener, analizar e interpretar datos, usar su pensamiento matemáticos, así como evaluar y comunicar información. |
Cuadro 2. Uso de los conceptos transversales y las prácticas en la apropiación del concepto central “Conservación de la energía y sus interacciones con la materia”
Propósitos del concepto central: A lo largo de este curso ayude a las y los estudiantes a que desarrollen su comprensión sobre la energía y sus interacciones con la materia, a través del concepto de transferencia de energía. Identificar que la energía se puede manifestar de distintas formas, como energía cinética, potencial, térmica y campos electromagnéticos. Igualmente, a que comprendan que la energía de un sistema depende del movimiento de las partículas de la materia y que el cambio total de energía de un sistema es igual al total de energía transferida al interior y exterior del sistema
CT1 - Patrones | CT2 - Causa y efecto | CT3 - Medición | CT4 - Sistemas (modelos de sistemas) | CT5 - Flujos y ciclos de la materia y la energía | CT6 - Estructura y función | CT7 - Estabilidad y cambio | Prácticas |
Manifestaciones macroscópicas de la energía (luz, sonido, movimiento y calor). Energía cinética. Por ejemplo, un tren a una velocidad determinada comparado con un auto a la misma velocidad. Energía potencial, los sistemas contienen energía dependiendo de su posición relativa. | Cuando un sistema con una masa mayor a una determinada velocidad se detiene la cantidad de energía requerida es proporcional. | La relación entre la cantidad de energía de un cuerpo y si temperatura es directamente proporcional. La cantidad de energía de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a la longitud de la onda. | Identificar las entradas y salidas de energía de un sistema. | La transferencia de energía se presenta en forma de convección, conducción y radiación. | Manifestaciones de la energía que observamos se comprenden mejor a escala microscópica, donde se asocia a la cantidad de energía de partículas. | La cantidad de energía requerida para cambiar la temperatura de un sistema, en una determinada cantidad, depende de la naturaleza del sistema (propiedades de la materia) y sus interacciones con el ambiente. | Se recomienda realizar prácticas en las que las y los estudiantes reconozcan las formas de transferencia de energía. |