PROYECTO:
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.
RESPUESTA: La energía térmica puede transmitirse de varias formas, incluyendo:
Conducción,Convección,Radiación Estos son los principales métodos de transferencia de energía térmica, y a menudo se combinan en situaciones cotidianas para lograr una transferencia efectiva de calor.
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
Experimento 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. | 1. |
2. | 2. |
3. | 3. |
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?
RESPUESTA:
cada tipo de transferencia de energía térmica afecta la temperatura del agua y cómo varía a lo largo del tiempo, lo que proporciona información valiosa sobre el comportamiento térmico del sistema.
¿Cuáles serian las ventajas y desventajas?
Ventajas:
Costo
Facilidad de ejecución
Información sobre transferencia de calor
Flexibilidad
Desventajas:
Precisión limitada
Control de variables
Reproducibilidad
Limitaciones en la generalización
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?
la energía en un horno solar se transfiere principalmente a través de la radiación solar concentrada en un punto focal, seguida de la conducción del calor desde este punto focal hacia el material a calentar. En algunos casos, la convección también puede desempeñar un papel importante en la transferencia de energía, especialmente cuando el material a calentar es un líquido o un gas.
b) ¿Cómo se da la transferencia de calor dentro y fuera del horno solar?
La transferencia de calor dentro y fuera de un horno solar se produce principalmente a través de tres mecanismos: radiación, conducción y convección.
Estos procesos de transferencia de calor pueden ocurrir tanto dentro como fuera del horno solar dependiendo de las condiciones específicas del entorno y del diseño del horno.
c) ¿Cómo se podrá conseguir aislar la caja para su mejor funcionamiento?
Para mejorar el funcionamiento de un horno solar, es importante aislar adecuadamente la caja donde se encuentra el material a calentar. Esto ayuda a retener el calor dentro del horno y maximizar la eficiencia energética. Aquí hay algunas formas de lograr un mejor aislamiento:
Aislamiento Térmico: Utilizar materiales aislantes térmicos alrededor de la caja del horno puede reducir la pérdida de calor. Algunos materiales comunes incluyen espuma de poliestireno expandido (corcho blanco), fibra de vidrio, lana de roca o poliestireno extruido. Estos materiales tienen propiedades de baja conductividad térmica, lo que significa que son eficientes para minimizar la transferencia de calor.
Doble Pared: Construir la caja del horno con una doble pared puede ayudar a crear una barrera adicional contra la pérdida de calor. Entre las dos paredes, se puede colocar un espacio lleno de aire u otro material aislante para mejorar aún más el aislamiento térmico.
Sellado hermético: Asegurarse de que la caja del horno esté completamente sellada puede prevenir fugas de aire que podrían comprometer el aislamiento térmico. Utilizar materiales de sellado adecuados alrededor de las juntas y las aberturas puede ayudar a mantener el calor dentro del horno.
Reflejar la Radiación: Utilizar materiales reflectantes en el interior de la caja del horno puede ayudar a dirigir la radiación solar hacia el material a calentar y reducir la pérdida de calor por radiación desde las paredes de la caja.
Diseño Eficiente: Optar por un diseño eficiente que minimice las áreas de superficie expuestas al exterior puede reducir la pérdida de calor. Por ejemplo, una forma más compacta y un diseño bien ajustado pueden ayudar a retener el calor de manera más efectiva.
Ventanas Dobles o Triple Vidrio (opcional): Si el horno solar tiene ventanas para permitir la entrada de luz solar, considerar el uso de ventanas dobles o triples con espacios de aire entre ellas puede mejorar el aislamiento térmico y reducir la pérdida de calor.
Al implementar estas técnicas de aislamiento, se puede mejorar significativamente el funcionamiento y la eficiencia de un horno solar al mantener una temperatura más alta y constante dentro de la caja del horno.
d) ¿Existe alguna relación entre el calor que cuece los alimentos y el color de las cajas?
Sí, existe una relación entre el calor que cuece los alimentos en un horno solar y el color de las cajas. El color de la superficie de la caja del horno solar puede afectar significativamente su capacidad para absorber la radiación solar y convertirla en calor para cocinar los alimentos. Aquí hay algunos puntos importantes sobre esta relación:
Absorción de Radiación Solar: Los colores oscuros tienden a absorber más radiación solar que los colores claros. Por lo tanto, una caja de color oscuro absorberá más energía solar y generará más calor en su interior que una caja de color claro.
Eficiencia de Calentamiento: Una caja de color oscuro, como el negro, puede calentarse más rápidamente y alcanzar temperaturas más altas en su interior en comparación con una caja de color claro. Esto se debe a que el color oscuro absorbe más radiación solar y convierte más energía en calor.
Distribución del Calor: La distribución del calor dentro de la caja del horno puede ser más uniforme en una caja de color oscuro, ya que absorbe la radiación solar de manera más uniforme en toda su superficie. Esto puede ser beneficioso para asegurar una cocción uniforme de los alimentos.
Reflexión de la Radiación: Por otro lado, una caja de color claro puede reflejar más radiación solar en lugar de absorberla, lo que podría resultar en una menor eficiencia de calentamiento en comparación con una caja de color oscuro.
En resumen, el color de la caja del horno solar puede influir en su capacidad para absorber la radiación solar y convertirla en calor para cocinar los alimentos. En general, las cajas de color oscuro tienden a ser más eficientes para absorber la energía solar y calentar el interior del horno, mientras que las cajas de color claro pueden reflejar más radiación solar y tener una eficiencia de calentamiento relativamente menor.
e) Investiguen la cantidad de radiación solar, según la latitud donde se va a construir el horno solar.
f) ¿Cómo funciona el efecto invernadero dentro del horno y que beneficios se obtienen de este fenómeno al cocer alimentos?
g) ¿Cómo se consigue una mejor absorción de la luz solar para que el horno sea más eficiente?
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?
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.
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