Energía Calor

Texto completo

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Energía

El Calor en las Reacciones Químicas

Programa y materiales

de apoyo para el estudio

Licenciatura en Educación Secundaria

Especialidad: Química

Sexto Semestre

Programa para la Transformación

Y el fortalecimiento Académicos

De las Escuelas Normales

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Índice

Presentación 3

Energía, El calor en las reacciones químicas. 4

Programa

5 Introducción

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Orientaciones didácticas generales 7

Sugerencias para la evaluación 9

Organización por bloques 11

Bloque I La energía en sus diferentes presentaciones 11

Bloque II Las dificultades en la enseñanza y el aprendizaje del tema

energía. 14

Bloque III. La energía y la química en el mundo contemporáneo. 16

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Presentación

La Secretaría de Educación Pública, en coordinación con las autoridades educativas estatales, ha puesto en marcha el Programa para la Transformación y el Fortalecimiento Académicos de las Escuelas Normales. Una de las acciones de este programa es la aplicación de un nuevo Plan de Estudios para la Licenciatura en Educación Secundaria, que se inicia en el ciclo escolar 1999-2000.

Este cuaderno está integrado por dos partes: el programa Energía. El calor en las reacciones químicas y los textos que constituyen los materiales de apoyo para el estudio de la asignatura.

Estos últimos recursos son básicos para el análisis de los temas y se incluyen en este cuaderno debido a que no se encuentran en las bibliotecas o son de difícil acceso para estudiantes y maestros.

Otros textos cuya consulta también es fundamental es el desarrollo del curso y que no están incluidos en este volumen son los propuestos en el apartado de bibliografía básica. Para ampliar la información sobre temas específicos en cada bloque se sugiere la revisión de algunas fuentes citadas en la bibliografía complementaria. Las obras incluidas en estos dos apartados están disponibles en las bibliotecas de las escuelas normales. Es importante que los maestros y los estudiantes sean usuarios constantes de estos servicios, con la finalidad de alcanzar los propósitos del curso.

Este cuaderno se distribuye en forma gratuita a los profesores que atienden las asignaturas y a los estudiantes que cursan el sexto semestre de la Licenciatura en Educación Secundaria. Es importante conocer los resultados de las experiencias de trabajo de maestros y alumnos; sus opiniones y sugerencias serán revisadas con atención y consideradas para este material.

La Secretaría de Educación Pública confía en que este documento, así como las obras que integran el acervo de las bibliotecas de las escuelas normales del país, contribuyan a la formación de los futuros maestros que México requiere.

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Energía

El Calor en las Reacciones

Químicas

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Programa

Introducción

Con esta asignatura se invita al normalista a rebasar las concepciones intuitivas y científicamente erróneas sobre el concepto de energía, mediante un estudio cuidadoso de los fenómenos químicos y de algunos desarrollos tecnológicos vinculados con este tema. Se analiza en especial la forma en que el lenguaje coloquial influye en las clases de Química al emplear expresiones como “gasto energético”, “consumo de energía”, “crisis energética” o “cargar de energía”, sin sustento científico. Se plantea una visión atractiva, pero al mismo tiempo crítica del término, con el fin de que se comprenda su potencialidad y su aplicabilidad. Este curso también provee al estudiante de un conjunto de reflexiones didácticas que le permitan encontrar formas de trabajar este concepto con los adolescentes de la escuela secundaria.

El propósito fundamental de esta asignatura es continuar con el estudio de las reacciones químicas introduciendo el aspecto energético, es decir, el de los intercambios de energía que tienen lugar durante las reacciones.

El primer bloque del curso hace un análisis de los beneficios y usos de la energía para nuestra sociedad actual, en contraste con los peligros potenciales de su abasto, siempre creciente. Se hará hincapié en los aspectos energéticos de las reacciones químicas.

Inicialmente el curso conduce al alumno hacia el establecimiento de las diferencias entre calor y temperatura con base en situaciones prácticas y reflexivas. Se parte del análisis de los efectos del calor sobre los cuerpos y se llega al estudio de las características de la dilatación en sólidos y líquidos; incluyendo su aplicación en la medición de la temperatura por medio de termómetros y de las diferentes escalas termométricas. Se continúa haciendo referencia a la transferencia de calor como producto de la diferencia de temperatura, al calor como energía en tránsito y a los mecanismos de transmisión del calor.

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escala a otra, con la finalidad de que diseñe actividades que le faciliten la enseñanza de estos temas, mediante situaciones prácticas, alejadas de la simple mecanización de fórmulas matemáticas.

El alumno normalista se iniciará también en la comprensión de las leyes de la termodinámica a través de ejemplos que permitan aplicar los conceptos de calor, temperatura y energía que se han desarrollado a lo largo de esta asignatura y del resto de la licenciatura.

Como ejercicios de aplicación relacionados con la enseñanza de los temas relacionados con el calor y la temperatura se propone que el estudiante normalista diseñe estrategias didácticas para la demostración práctica de la ley de la conservación de la energía. Al analizar con detalle diferentes procesos, el estudiante entenderá que la transformación de la energía implica cambios de una forma a otra, lo que incluye que una parte se convierta en calor.

Posteriormente se presentan los conceptos de entropía y energía libre como criterios de espontaneidad o de equilibro de los procesos. Con estos antecedentes se estudia el equilibrio químico.

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En el último bloque, con el objeto de que se analicen las implicaciones sociales de la producción de energía mediante procesos químicos o fisicoquímicos, se retoma el tema de la combustión desde la perspectiva de la eficiencia energética, comparando diferentes tipos de combustibles. Asimismo, el tema de la energía nuclear, además de proporcionar información sobre este proceso, permite la discusión sobre valores y actitudes relacionados con el cuidado ambiental y la preservación de la salud individual y colectiva. Es importante revisar diversas fuentes de información y organizar debates sobre estos temas, para seguir contribuyendo a fomentar el escepticismo informado, así como la necesidad de actualizarse permanentemente, en especial sobre la relación entre las reacciones químicas y las fuentes energéticas.

Orientaciones didácticas generales

En la descripción de los propósitos y los contenidos de los bloques que conforman este curso se han incluido orientaciones básicas que llevan al estudiante a un tratamiento detallado de cada tema, y se sugieren una serie de actividades para cubrir sesiones de dos horas. A continuación se enuncian algunas líneas de trabajo que sería conveniente desarrollar a lo largo del curso.

1. Lograr una conocimiento de los fines y del contenido de este programa que sea compartido por el maestro y los alumnos. Será provechoso que, al iniciarse el curso, el maestro y el grupo analicen conjuntamente el programa, para que queden claros sus propósitos formativos, la secuencia de sus componentes y el tipo de trabajo que se espera de cada quién. Durante el curso, cuando sea necesario, deberá regresarse a la lectura del programa para precisar por qué y para qué trabajar determinados contenidos y actividades.

2. Aprovechar los conocimientos y experiencias del alumno, iniciando cada sesión de trabajo con su clarificación y recuperación, pues se pretende lograr el acercamiento al conocimiento científico, tomando como base los conocimientos previamente adquiridos.

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Debe asumirse que la mejor forma de demostrar una buena lectura es incorporar su contenido al análisis, la discusión y la actividad práctica.

4. Incluir en el programa de trabajo del grupo actividades en las cuales los estudiantes lleven a la práctica las observaciones y la indagación que, en temas especialmente relevantes, los programas de educación secundaria, el libro para el maestro y los libros de texto proponen para los alumnos de secundaria. Ello permitirá que los futuros maestros experimenten situaciones que vivirán sus alumnos y puedan anticipar algunos de los retos y dificultades pedagógicas que enfrentarán en su vida profesional.

5. Promover sistemáticamente la observación y la interrelación de los estudiantes normalistas con los adolescentes en edad escolar, a propósito del conocimiento de la naturaleza y el aprendizaje de la Química. Una oportunidad de hacerlo la ofrece la asignatura Observación y Práctica Docente, sin embargo, se deberá alentar a los estudiantes para que busquen y aprovechen, con ese fin, todas las ocasiones informales posibles, sea con grupos escolares a los que tengan acceso o con adolescentes de su entorno familiar y de residencia. Familiarizarse con las formas de percepción y reflexión de los adolescentes y con sus reacciones ante estímulos cognitivos que poseen un propósito claro, permitirá que los estudiantes desarrollen su sensibilidad y su capacidad de empatía hacia la perspectiva desde la cual los adolescentes miran y tratan de dar sentido al mundo que les rodea.

6. Realizar actividades complementarias de estudio para fortalecer la formación disciplinaria básica de la Química. El maestro y los estudiantes deberán estar atentos a la detección oportuna de deficiencias y vacíos que pueden existir en la formación individual. En esos casos, el docente deberá orientarlos para el estudio y consulta de la bibliografía pertinente, tanto de la que se encuentra en el acervo de la biblioteca de la escuela como la que está en otras bibliotecas, hemerotecas de instituciones de investigación o de educación superior. Asimismo, debe utilizarse el material videogravado y programas de informática educativa disponibles en la biblioteca de la escuela y accesibles en Centros de Maestros. En ocasiones puede ser de interés acudir a las bibliotecas, hemerotecas o centros de documentación de otras instituciones educativas.

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grupo de trabajo. En este último caso, habrán de observarse ciertas normas mínimas que aseguren la eficacia de esta modalidad de organización didáctica: la planeación clara del trabajo, la distribución equitativa de las tareas y el carácter realmente colectivo del análisis, la discusión y la elaboración del resultado final del trabajo. Estas normas son útiles porque evitarán una frecuente deformación del trabajo de equipo, que fracciona temas de aprendizaje, no permite que los estudiantes visualicen los contenidos en su conjunto y oculta desequilibrios injustos en el esfuerzo realizado por cada alumno. Se sugiere establecer como criterio que los equipos no se integren con más de cinco alumnos.

8. Propiciar la redacción de notas de lectura, registros de observación y de resultados de los experimentos, diseños de actividades didácticas para el trabajo en el aula de la escuela secundaria, entre otras. Es conveniente que cada alumno integre a lo largo del curso una carpeta personal con los productos del aprendizaje, la que le será útil para el ordenamiento y la clasificación de su trabajo, para consultarla durante los siguientes semestres en su futuro trabajo profesional y, eventualmente, como elemento para la evaluación.

9. Propiciar el análisis de los resultados de las jornadas de observación y práctica docente.

Sugerencias para la evaluación

Los criterios y procedimientos que se definen para evaluar los conocimientos, habilidades y actitudes que los estudiantes adquieren durante el estudio de los temas del curso, deben ser congruentes con los propósitos y las orientaciones didácticas que se han señalado.

Es necesario tener en cuenta que la evaluación, entendida como proceso permanente, permite identificar no sólo los avances y las dificultades en el aprendizaje de los estudiantes, sino que también aporta información que el maestro puede aprovechar para tomar decisiones que contribuyan a mejorar sus formas de enseñanza.

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Las características de este curso y el tipo de actividades que se realizan requieren de prácticas de evaluación diversas que den evidencias no sólo de conocimientos que se adquieren, sino de las actitudes que los alumnos manifiestan ante el trabajo individual y de grupo, hacia los adolescentes y hacia la naturaleza.

Para evaluar, deben aprovecharse la participación de los alumnos en la clase, los textos escritos y las indagaciones que realicen. En este caso, la evaluación no requiere de acciones ni productos distintos de los que se generan en el proceso mismo de enseñar y aprender. Cuando se considere necesario que los alumnos muestren sus niveles de logro por medio de un desempeño destinado específicamente a la evaluación, los instrumentos que se elijan deben plantear retos para que los estudiantes apliquen su capacidad de análisis, juicio crítico, comprensión, relación, síntesis y argumentación, y proporcionar información sobre rasgos como los que se enuncian enseguida.

 El interés que muestran los estudiantes por acercarse al conocimientos científico.  La comprensión de las intenciones educativas de la enseñanza de la Química en

la escuela secundaria, a partir del análisis de los contenidos propuestos en los programas de estudio de este nivel.

 La habilidad para vincular las elaboraciones teóricas con el análisis de las situaciones educativas relacionadas con la enseñanza y el aprendizaje de la Química.

 La capacidad para diseñar, mediante el conocimiento y uso eficaz de los libros de texto y otros recursos educativos y del medio, estrategias didácticas que estimulen en los adolescentes las habilidades y actitudes propias de la indagación y del pensamiento científicos.

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Organización por bloques.

Bloque I. La energía en sus diferentes presentaciones.

Tema 1. Importancia de la energía. El concepto de energía, su transformación, transferencia, degradación y conservación.

Tema 2. Calor y temperatura. Medición de la temperatura. Naturaleza de la temperatura y del calor. Mecanismos de transmisión del calor.

Tema 3. Primera ley de la termodinámica. Sistemas endotérmicos y exotérmicos. Ley de Hess.

Tema 4. Segunda ley de la termodinámica. Entropía, equilibrio químico y de fases. Energías libres.

Bibliografía Básica

Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Primera Ley de la termodinámica, Segunda Ley de la Termodinámica, en “Fundamentos de Química” Continental 1992. pp. 83-101, 373-3397.

Brawn Le May Brusten. Termoquímica, Termodinámica Química, en Química la Ciencia Central. Ed. Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp. 145-168, 691-721.

Choppin, R. y Lee R. Summerlin (1994), “Energía química”, “Entropía y equilibrio” y

“Termodinámica, progreso y contaminación”, en Química, México, pp. 273-290, 291-307 y 550-558.

Actividades Sugeridas

1. Realizar la lectura de Naturaleza de la energía, en Química la Ciencia Central, Brown Le May Brusten. Ed. Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp. 145-147. y en plenaria discutir las propuestas de Fuerza, Trabajo, Energía Potencial y cinética, sus unidades y la equivalencia entre Joules y Calorías. Realizando ejercicios correspondientes a cada una de las formulas revisadas.

2. Como ejercicios resuelvan los siguientes cuestionamientos: Escribe el enunciado de la ley de conservación de la energía.

Un objeto de masa m se encuentra a una altura h con respecto al suelo; por lo tanto, posee energía potencial gravitacional de magnitud mgh. a) Si se deja caer un objeto ¿en qué se transforma la energía potencial gravitacional que poseía? b) En el momento de llegar al piso ¿qué sucede con la energía que llevaba el cuerpo?.

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3. En sesión bibliográfica revise lo correspondiente al experimento de Joule, descríbalo y preséntelo en plenaria al grupo. Además lea La primera Ley de la termodinámica en Química la Ciencia Central, Brawn Le May Brusten. Ed.

Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp.147-151. y en Fundamentos de Química, de Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Continental 1992. pp. 83-86. La plenaria servirá además para aclarar dudas sobre los siguientes términos energía interna; la relación entre Incremento de energía (ΔE), calor y trabajo. Procesos

endotérmicos y exotérmicos, Convenciones de signos y la relación de q, w y ΔE. Resolviendo los ejercicios del 1 al 5 pp. 97 en Fundamentos de Química, de Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Continental 1992.

4. Leer en sesión bibliográfica Entalpía en Fundamentos de Química, de Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Continental 1992. pp. 86-88 y en Química la Ciencia Central, Brawn Le May Brusten. Ed. Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp.151-156. Y realizar una discusión sobre cada uno de los términos y la deducción de las formulas correspondientes. Realizando ejercicios de aplicación.

5. De igual forma en sesión bibliográfica lea Calorimetría y revise con su profesor los siguientes aspectos. Capacidad calorífica, Calor específico, Calorimetría a presión constante en Química la Ciencia Central, Brawn Le May Brusten. Ed. Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp.156-162. resolviendo ejercicios de aplicación. Resuelva los ejercicios del 6 al 9 de la pp. 97 y 98 de Fundamentos de Química, de Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Continental 1992.

6. Para reafirmar lo relacionado al Calor responde los siguientes cuestionamientos, antes revisa en bibliografía lo relacionado al calor y la temperatura., sus unidades y presentaciones:

Dos cuerpos A y B separados tienen temperaturas diferentes: ¿por qué al ponerlos en contacto al cabo de cierto tiempo tendrán la misma temperatura?

Dos recipientes contienen la misma sustancia pero en diferentes cantidad. Indica qué sucede con la temperatura al suministrarles la misma cantidad de calor.

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Al suministrar igual cantidad de calor a dos masas iguales de cobre y de hielos ¿variará la temperatura de las masas en igual proporción? Explica.

Elabora un experimento que confirme o refute la siguiente expresión: “Si a dos cantidades diferentes de la misma sustancia se les suministra igual cantidad de calor, las variaciones de temperatura son diferentes.

Resuelve los siguientes ejercicios:

Una lámina de estaño de 250 g se calienta pasando su temperatura de 16.5º C a 38.3º C. ¿Qué cantidad de calor se debió suministrar?

Un vidrio de 120 g aumentó su temperatura en 0.8º C. ¿qué cantidad de calor absorbió del ambiente?

Una bala de plomo de 64 g absorbe 380 cal por el rozamiento con un bloque de madera donde penetra. ¿En cuánto aumentó la temperatura de la bala?

Un pedazo de plomo de 250 g se calienta a 112º C y se echa en 500 g de agua inicialmente a 18º C. Despreciando la capacidad calorífica del recipiente, ¿Cuál es la temperatura final del plomo y del agua?

Una pieza de fundición de 40 Kg. se enfría desde 600º C hasta 80º C, colocándola en agua cuya temperatura inicial era de 12º C. ¿Cuánta agua se ha empleado?

7. Revisa en la bibliografía Entalpía y Ley de Hess, por ejemplo en Fundamentos de Química, de Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Continental 1992. pp. 86-88 y 91-93 respectivamente o en Química la Ciencia Central, Brawn Le May Brusten. Ed. Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp. 164- 167 y 162-164 respectivamente. Y resuelve los problemas de 10 al 30 pp. 98-101. de Fundamentos de Química, de Brescia, Arents, Meislich y Turk, Ed. Continental 1992.

8. Revise en sesión bibliográfica los siguientes términos Procesos espontáneos, Entropía y la segunda Ley de la Termodinámica, Energía Libre de Gibbs, Energía libre y temperatura y Energía libre y la constante de equilibrio. En Química la Ciencia Central, Brawn Le May Brusten. Ed. Pearson Educación 7ª. Edición 1998. pp. 691- 721. y realiza los ejercicios 19.1 a 19.54 de las pp. 715-718, de tal forma que por alumno desarrolle de 3 a 5 ejercicios y discutir en plenaria las dudas que resulten de la ejecución de los mismos.

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Tema 1. La conceptualización del término energía y su conservación: errores conceptuales más comunes.

Tema 2. Concepciones alternativas sobre energía química.

Tema 3. El modelo corpuscular y las reacciones endotérmicas y exotérmicas: cómo las entienden los alumnos.

Bibliografía Básica

Cárdenas, M. y S. Ragout de Lozano (1996), “Explicaciones de procesos termodinámicos a partir del modelo corpuscular: una propuesta didáctica”, en Enseñanza de las ciencias, vol. 14, núm. 3, Barcelona, ICE de la Universitat Autónoma de Barcelona/Vice-rectorat d’Investigació de la Universitat de Valencia, pp. 343-349.

Driver, R., A. Squires, P. Rushworth y V. Wood-Robisnson (1999), “Energía”, en Dando sentido a la ciencia en secundaria.Investigaciones sobre las ideas de los niños, Madrid, Aprendizaje Visor, pp. 187-192.

Gallástegui Otero, J.R. y F.M. Lorenzo Barral (1993), “<<El café tiene cafeína y nos despierta, nos da energía>>: Concepciones sobre la energía química, una buena razón para poner de acuerdo a los profesores de física y química y ciencias naturales”, en Enseñanza de las ciencias, vol. 11, núm. 3, Barcelona, ICE de la Universitat Autònoma de Barcelona/Vice-rectorat d’Investigació de la Universitat de Valencia, pp. 20-25.

Solbes, J. y F. Tarín (1998), “Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía”, en

Enseñanza de las ciencias, vol. 16, núm. 3, Barcelona, ICE de la Universitat Autònoma de Barcelona/Vice-rectorat d’Investigació de la Universitat de Valencia, pp. 387-397.

Actividades Sugeridas

1. Para revisar el concepto de energía realice las siguientes actividades Escribe una definición de energía.

Haz una lista de las clases de energías que conozcas. ¿Todos los cuerpos poseen energía? Explica.

¿Es posible que la energía cinética de un objeto tenga un valor negativo? ¿Qué es la energía cinética y la potencial? Explica.

¿Puede un cuerpo que está en reposo realizar trabajo? ¿cómo?

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Analiza cada una de las respuestas en plenaria y desarrolla una tabla de dificultades que pudieron encontrarse para hablar de estos temas. En especifico determine que tan alejado se encuentran sus resultados de los obtenidos en una relación a la revisión bibliográfica en los libros de Secundaria, tanto de Introducción a al Física-Química, Química 1 y Química 2. Reporte y concluya.

2. Realice la lectura de “Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía”, en Enseñanza de las ciencias, vol. 16, núm. 3, Barcelona, ICE de la Universitat Autònoma de Barcelona/Vice-rectorat d’Investigació de la Universitat de Valencia, pp. 387-397. Con el fin de tener mayor información realice 5 entrevistas a estudiantes de secundaria, en las cuales el concepto principal sea la Energía y su conservación. Compare los resultados obtenidos de sus entrevistas con los de sus compañeros y concluyan realizando una plenaria. Tome como base la lectura.

3. Realice la lectura “El café tiene cafeína y nos despierta, nos da energía:

Concepciones sobre la energía química, una buena razón para poner de acuerdo a los profesores de física y química y ciencias naturales”, en Enseñanza de las ciencias, vol. 11, núm. 3, Barcelona, ICE de la Universitat Autònoma de Barcelona/ Vice-rectorat d’Investigació de la Universitat de Valencia, pp. 20-25. En base a la lectura diseñe por equipos de tres alumnos dos experimentos donde se vea involucrada la energía química, en su laboratorio haga la presentación de los mismos y concluya.

4. Cada uno de los experimentos antes realizados deberá desarrollar con un programa de cómputo la simulación de los mismos, en el salón de clases y en plenaria se realizará la presentación de este material didáctico.

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6. Realice extra clase la lectura Explicaciones de procesos termodinámicos a partir del modelo corpuscular: una propuesta didáctica”, en Enseñanza de las ciencias, vol. 14, núm. 3, Barcelona, ICE de la Universitat Autònoma de Barcelona/Vice-rectorat d’Investigació de la Universitat de Valencia, pp. 343-349. Y compare las conclusiones que llegan los autores, con las que ustedes obtuvieron en la actividad anterior.

Bloque III. La energía y la química en el mundo contemporáneo

Tema 1. Combustibles y energía: carbón mineral, petróleo y gas natural. Gasolinas y octanaje.

Tema 2. La energía nuclear en la sociedad actual. Riesgos y beneficios de su uso. Opciones energéticas alternativas.

Bibliografía Básica

AAAS (1997), “Transformaciones de la energía” y “Los recursos energéticos y su uso”, en Ciencia: conocimiento para todos, Oxford University Press/SEP (Biblioteca del Normalista), México, pp. 50-53 y 118-122.

American Chemical Society (1998) “Desintegración radiactiva natural” y “Energía nuclear: fuente de poder del universo”, “Cómo vivir con riesgos y beneficios”, en QuimCom. Química en la

Comunidad, Delaware, E.U.A., Addison Wesley Iberoamericana, pp. 295-299, 308-315, 316-334.

Garritz Ruiz, Andoni, “Energía, química y sociedad”, en Fernández Flores, Rafael (editor) (1994),

La química en la sociedad, México, UNAM/ Facultad de Química, pp. 121-127.

Kwen Boo, Hong (1998), “Students’ understandings of chemical bonds and the energetics of chemical reactions”, en Journal of Research in Science Teaching, vol. 35, núm. 5, E.U.A., pp. 569-581.

Actividades Sugeridas.

1. En sesión bibliográfica investigue una de las fuentes de energía denominada “el carbón mineral”. Realice en plenaria los comentarios necesarios y concluya que riesgo se presentan en la actualidad su uso y como afecta como suministro energético.

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3. Realice la lectura de “El oro solar y otras fuentes de energía de Juan Tonda. Y comente en plenaria cuales son las circunstancias adecuadas del trabajo con la energía nuclear y cuales pueden ser los efectos negativos del uso de esta energía. Concluya en plenaria y entre sus reflexiones al profesor por escrito.

Bibliografía complementaria

Arnold, Mike y Robin Millar (1994), “Children’s and lay adults’ views about thermal equilibrium”, en

International Journal of Science Education, vol. 16, núm. 4, Reino Unido, pp. 405-419.

Asimov, Isaac (1989), “Reacciones nucleares”, en Breve historia de la Química, México, Alianza Editorial (El libro de bolsillo, no. 580), pp. 228-242.

Garritz, Andoni y J. A. Chamizo (1994), “Energía y termoquímica”, “Segunda ley de la

termodinámica”, en Química, Wilmington, Delaware, E.U.A., Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 563-614, 615-635.

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EL ORO SOLAR Y OTRAS FUENTES DE ENERGÍA

Autor Juan Tonda Primera edición, 1993

Dibujos: Alberto R. García, sobre diseños del autor

La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D.R. © 1993, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S.A. DE C.V. Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14200 México, D.F:

ISBN 968-16-4286-4 Impreso en México

INTRODUCCIÓN

1. LA ENERGÍA ES DELEITE ETERNO

EN 1881, en la calle Pearl de la ciudad de Nueva York, Thomas Alva Edison, mejor conocido como "el mago de Menlo Park" construyó la que fue, junto con la estación Holborn Viaduct de Londres, la primera planta de potencia para generar energía eléctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante una instalación de alumbrado en paralelo. Antes de esa fecha, si fallaba alguna lámpara, ¡toda la ciudad se quedaba sin luz!, como sucede con las series de luces de los arbolitos de Navidad. Actualmente, ¿qué ocurriría si cuando fallara un foco toda la ciudad se quedara sin luz? Ni siquiera lo consideramos como una posibilidad. Conectar la clavija de cualquier aparato eléctrico nos parece lo más natural. Sin embargo, tener la posibilidad de hacerlo requirió de muchos años, desde que se descubrieron las leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construyó la primera planta eléctrica de potencia.

Pero, a su vez, la construcción de la primera planta eléctrica necesitó la invención del foco, logro que disputaron Thomas A. Edison y Joseph Wilson Swan.

En el debate entre Edison y Swan, decía el primero, refiriéndose a Swan: "Ahí lo tienen. Tan pronto como alguien consigue hacer algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que hace años lograron lo mismo."

Swan, quien permaneció callado durante mucho tiempo, escribió en la revista Nature, en enero de 1880:

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anterior fracaso; ahora puedo producir una lámpara eléctrica duradera por medio de carbones incandescentes.

Años después, antes de que se realizara el juicio por la primacía del invento, Swan y Edison se unieron y formaron la compañía Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que más tarde se convertiría en la General Electric.

En la época de Edison se producía energía eléctrica para iluminar las ciudades con los primeros focos eléctricos; el problema fundamental que éstos presentaban era no disponer de un filamento duradero (véase la figura 1).

Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.

Los avances tecnológicos se asimilan rápidamente. Sin embargo, olvidamos con facilidad la historia de su desarrollo y cuáles son sus principios de operación. La primera locomotora, por ejemplo, provocó serias protestas de los ingleses por las elevadas velocidades que alcanzaba. En México, la ciudadanía también protestó cuando aparecieron las primeras bicicletas que circulaban por la Alameda central; hoy, ¿cuántos ciclistas se atreven a circular por las calles de la capital? ¿Cuando prendemos un foco, sabemos que tiene un filamento de tungsteno y torio que permite que dure 750 horas encendido?

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actividades, por lo cual es fundamental producir energía utilizable a través de las diferentes fuentes. Cuando se habla de energéticos nos referimos al aprovechamiento de dichas fuentes, así como a su óptima utilización.

Los energéticos han evolucionado a lo largo de la historia. Primero se utilizó la energía mecánica de los músculos para efectuar las labores pesadas. Posteriormente, las "bestias" de carga y la tracción animal facilitaron aún más el transporte de cargas pesadas. Aquí vale la pena aclarar que los animales, incluido el hombre, necesitan de una fuente de energía fundamental para efectuar trabajo: los alimentos. De esta forma, los alimentos eran y son la fuente energética fundamental para desempeñar cualquier actividad.

La madera ocupó durante muchos siglos el primer lugar como fuente energética y hoy se sigue utilizando ampliamente, sobre todo en el campo. Desde que el hombre hizo la primera fogata, hasta ahora que se calienta en una chimenea casera, han pasado miles y miles de años. Posteriormente, el empleo del carbón ocasionó que se abandonara la leña como combustible fundamental. Además, su transformación en coque y el invento de la máquina de vapor marcaron un cambio tecnológico, económico y social de gran importancia: la Revolución Industrial.

Pocos años antes del inicio de la primera Guerra Mundial se empezó a emplear el petróleo y el gas. Antes de que terminara la segunda Guerra Mundial, Fermi realizó la primera reacción nuclear controlada y en la década de los años cincuenta aparecieron los primeros reactores nucleares comerciales, que aprovechan la energía calorífica producida por la fisión o rompimiento de los núcleos atómicos. En la década de los cincuenta y sesenta el petróleo y el gas desplazaron al carbón, situación que prevalece hasta nuestros días. Entre 1960 y 1985 proliferó la construcción de reactores nucleares, sobre todo en los llamados países desarrollados como EUA, Francia, la ex Unión Soviética (hoy Comunidad de Estados Independientes), Japón, la ex Alemania Federal, Inglaterra, etcétera. Posteriormente, los países en vías de desarrollo como India, Argentina, Brasil y México construyeron sus primeras centrales nucleoeléctricas.

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fuentes energéticas (geotermia, carbón, energía hidráulica, petróleo, energía nuclear, energía solar y eólica). Pese a lo anterior, los recursos energéticos que posee cada país constituyen un factor importante para adoptar una política energética. Un país sin petróleo, carbón, geotermia y con baja insolación o soleamiento, difícilmente puede aprovechar distintas fuentes de energía.

La transformación de las fuentes de energía en diversas formas de energía utilizables nos proporciona gran cantidad de beneficios: tener electricidad, agua caliente, gas para cocinar, calefacción, refrigeración, ventilación, transporte, etcétera.

La energía hidráulica, la que se obtiene del petróleo, el gas, la energía eólica o de los vientos y la que se obtiene de la biomasa tienen un origen común: la energía del Sol. Por otro lado, las fuentes de energía que no tienen un origen solar son: la energía de la fisión nuclear, la geotermia y la que se obtiene de las mareas. La fusión nuclear es un caso aparte, dado que se reproducen en condiciones artificiales las reacciones termonucleares de fusión que tienen lugar en el núcleo de nuestra estrella: el Sol. La energía solar es producto de las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el Sol; así, la energía que recibimos del Sol tiene como origen la energía nuclear.

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precisamente la que el Sol nos proporciona en forma de radiación. Por ejemplo, si se unen cuatro núcleos de hidrógeno se forma helio, electrones positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masa de los productos antes y después de la reacción de fusión nuclear se observará una diferencia o defecto de masa faltante después de la reacción. Debido a que la energía debe conservarse antes y después de la reacción, la masa faltante se transforma en energía calorífica. En el caso de la reacción mencionada, cuando se fusionan cuatro núcleos de hidrógeno se produce un núcleo de helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV (megaelectrón-volts) de energía calorífica. Para darse una idea de lo que representa esta cantidad, la fusión nuclear que tuviera lugar en un pequeño cuarto de dos metros por lado bastaría para producir más energía que el reactor de Laguna Verde.

2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERGÍA Y POCA POTENCIA

Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas líneas nuestro cuerpo está empleando 84 kilocalorías por cada hora de lectura. Pero esas 84 kilocalorías que empleamos para leer, el cuerpo las debe recuperar mediante nuestra fuente de energía: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen 3000 kilocalorías diarias.

Pero ahora surge una pregunta: ¿por qué tenemos que recuperar la energía que invertimos en la lectura? La respuesta no es sencilla; para responderla tuvieron que pasar varios siglos hasta que se descubriera entre 1830 y 1850 el principio de la conservación de la energía, que afirma que ésta no se crea ni se destruye, únicamente se transforma, o expresada esta idea en forma general: la energía del Universo se mantiene constante. Volviendo a nuestro caso, la energía que nos proporcionan los alimentos se transforma en energía utilizable para desempeñar todas nuestras actividades. Para aquellos que se estén quedando dormidos, sólo mencionaremos que se consumen 500 kilocalorías durante 8 horas de sueño (alrededor de 1/6 de la energía que necesitamos diariamente), pues el organismo humano requiere cierta cantidad de energía para que todos los órganos trabajen adecuadamente y se lleven a cabo los procesos fisiológicos del organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal y corresponde a más de la mitad de la energía que consumimos a través de los alimentos).

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serían invaluables; sin embargo, las leyes de la termodinámica se han encargado de demostrar que su construcción es imposible.

Recuadro 1

Lázaro Carnot y La Real Academia de Ciencias de París. En el año de 1775, la Academia de Ciencias de París había tomado una decisión: no examinaría ninguna solución a los problemas de la duplicación del cubo, la cuadratura del círculo, ni analizaría ninguna máquina de movimiento perpetuo.

Lázaro Carnot, padre de Sadi Carnot, también había declarado: "es inútil que se les explique que toda máquina se reduce a una palanca; al parecer el símil se les hace demasiado vago y confuso. Yo puedo demostrarles no solamente que toda máquina

abandonada a sí misma tiene que detenerse, sino que además, puedo señalar el instante preciso en que debe hacerlo."

Por ejemplo, si tomamos una rueda y le damos un impulso inicial para que gire, al cabo de un tiempo la fricción provocará que parte de la energía que se utilizó para moverla por un lado se transforme en energía calorífica del aire que la rodea y por el otro ocasione el calentamiento de la rueda. Así, la fricción provocará que la rueda se detenga.

La ley de la conservación de la energía se formuló entre 1830 y 1850, gracias al trabajo de muchos científicos, entre los que podemos mencionar a Herman von Helmholtz, James Prescott Joule, Julius Robert Mayer y Ludvig Colding. Esta ley afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, de manera que la energía total de un sistema permanecerá constante.

La primera ley de la termodinámica no es otra cosa que la ley de conservación de la energía para los sistemas termodinámicos, es decir, aquellos en los que interviene el calor. Expresada matemáticamente, ésta señala que el cambio de energía interna de un sistema es igual a la energía recibida en forma de trabajo externo hecho sobre el sistema más la energía en forma de calor que absorbe dicho sistema ( U +W=Q, donde U es el 

cambio de energía interna, W es el trabajo y Q la energía calorífica).

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Fue así como surgió la segunda ley de la termodinámica, la cual señala que es imposible que exista una máquina o proceso cuyo único resultado final sea transformar calor en trabajo de una fuente calorífica que esté a la misma temperatura. Dicha forma de la segunda ley se conoce como postulado de Lord Kelvin. A su vez, Rudolph Clausius formuló un postulado equivalente en el que afirma que es imposible la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente. En otras palabras, en todos los procesos que ocurren en la naturaleza el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos y no al revés. Decir "voy a enfriar mi café" no es lo mismo que "voy a calentar el aire con mi café". Afortunadamente, no somos puristas en el uso del lenguaje, aunque en física la situación es distinta. El postulado de Kelvin dice que es imposible que exista una máquina cuyo único resultado final sea transformar energía calorífica en trabajo con una fuente de calor a la misma temperatura, como lo habíamos señalado anteriormente. En otras palabras, afirma que es imposible que exista una máquina de movimiento perpetuo de segunda clase. Con una máquina de este tipo aprovecharíamos la energía calorífica del aire que nos rodea para transformarla en energía mecánica de un motor de coche, con lo cual tendríamos una fuente de energía prácticamente ilimitada, o moveríamos la turbina de un turbogenerador con el calor del agua de los ríos.

Una de las consecuencias más importantes de la segunda ley de la termodinámica es que en los procesos en donde se transforma calor en trabajo útil para, por ejemplo, mover un motor, siempre existirán pérdidas de calor que no se pueden transformar en trabajo útil, o puesto en términos de eficiencia, que cuando se trate de obtener trabajo de una máquina térmica la eficiencia teórica nunca podrá ser del 100 por ciento. La eficiencia real de cualquier motor es todavía inferior al valor teórico.

Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas sí es posible transformar calor en trabajo a través de un proceso cíclico que se denomina ciclo de Carnot. Es a través de este proceso cíclico como funcionan todos los motores de combustión interna, en particular los de los automóviles.

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Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadena con balines. Como de A a B hay cuatro balines y de B a C hay dos, se podrían pensar que los cuatro balines del lado izquierdo jalaran a los dos que hay en el lado derecho, por simple diferencia de pesos. Si a esto añadimos que la cadena es continua, entonces se moverá indefinidamente; con ello se tendría una máquina de movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus descartó dicha posibilidad y señaló que la cadena quedaría en equilibrio.

Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que consumimos proporcionan más energía de la que empleamos para desempeñar nuestras actividades. ¿Dónde queda la energía sobrante que nos proporcionan los alimentos? ¿No habíamos señalado que la energía se conserva? Efectivamente, pero cuando efectuamos un trabajo muscular, parte de la energía se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se acumula en las llantitas de nuestro cuerpo (véase el cuadro I que muestra la energía de algunos alimentos).

CUADRO I. Energía de los alimentos (en kilojoules).

kJ(por cada 100 g del alimento)

Arroz blanco 1,522.9

Espaguetis crudos 1,543.8

Harina de maíz (sin

germen) 1,518.7

Harina de trigo suave 1,522.9

Maíz de grano 1,510.4

Palomitas 1,615.0

Pan blanco de trigo 1,284.4

Pan de centeno 1,092.0

Pan integral de trigo 1,196.6

Papas 313.8

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Garbanzo 1,522.9

Chícharo 1,410.0

Lentejas 1,422.5

Cacahuates tostados 2,368.1

Coco 1,238.4

Nuez de acajú 2,330.0

Pistaches 2,502.0 Ajo 560.6 Apio 79.4 Calabaza 125.5 Cebolla 188.2 Col 117.1 Coliflor 138.0 Espárrago 96.0 Espinaca 125.5 Haba 493.7 Frijol 150.6 Lechuga 62.7 Pepino 62.7 Perejil 179.9 Pimiento 129.7 Rábano 96.2 Betabel 184.0 Tomate 87.8 Zanahoria 171.5 Aceituna 485.3 Aguacate 384.9 Ciruela 196.6 Fresa 150.6 Limón 121.3 Mango 246.8 Manzana 242.6 Melón 184.0 Naranja 175.7 Papaya 133.8 Pera 234.3 Sandía 92.0 Toronja 158.9 Uva 284.5 Azúcar 1,606.6 Chocolate 2,209.1

Miel de abeja 1,280.3

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Tocino 2,604.9

Atún 1,204.9

Camarón 359.8

Ostión 184.0

Filete de Pescado 376.5

Fuente: OMS, 1987.

El interior del cuerpo debe tener una temperatura constante de aproximadamente 37ºC. Para ello, el sudor actúa como un termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que ésta permanezca sin cambio; prueba de esto es el sudor que acompaña a la fiebre.

Los alimentos que ingerimos se transforman en energía química utilizable por reacciones de oxidación; es decir, el oxígeno que respiramos se emplea para transformar los alimentos en energía química. La energía química, a su vez, se transforma en energía mecánica cuando movemos algún músculo, pero parte de la energía química se pierde inevitablemente en forma de calor. Los músculos esqueléticos tienen cuando mucho una eficiencia del 20%, lo cual quiere decir que el 80% restante se pierde en el ambiente. Debe mencionarse también que los desechos que producimos contienen energía almacenada que no aprovechó el cuerpo, lo cual no significa que otros organismos no la puedan aprovechar (incluido el hombre). De hecho, el abono es un excelente nutriente para el crecimiento de las plantas y también de éste se puede obtener gas metano para cocinar.

Por lo tanto, la energía que consumimos en los alimentos sí se conserva. Únicamente tenemos que considerar la energía química que no se transforma en movimiento de nuestros músculos y que se pierde irreversiblemente en el ambiente que nos rodea (véase el cuadro II).

CUADRO II. Consumo de energía en diversas actividades cotidianas.

kJ (Kilojoules)

Dormir 4.52

Sentarse 5.82

Pararse 7.32

Caminar 15.50

Trabajar sentado en la

oficina 7.5

Cocinar 8.8

Limpieza moderada 18.0

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Muchas actividades humanas requieren grandes esfuerzos corporales; por esto, es deseable que las máquinas realicen el trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas más creativas. Sin embargo, la conservación de la energía nuevamente hace su aparición. Para que las máquinas realicen trabajo se requiere una fuente de energía, un combustible que, al igual que los alimentos, provea la energía necesaria para realizarlo. El desgaste físico y el tiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de México a Cuernavaca es enorme si se compara con lo que se consume cuando se hace el viaje en camión (aunque lo que pagamos por el camión hubiera alcanzado para invitarle un refresco a cada pasajero en Tres Marías si hiciéramos el viaje a pie). La gran ventaja del camión es que el motor realiza el trabajo, en lugar de nuestro cuerpo; además, la potencia que desarrolla el camión, es decir, la energía por unidad de tiempo, es mayor que la de nuestro cuerpo.

Por otro lado, ni nuestro cuerpo, ni un motor de camión transforman toda la energía en trabajo mecánico, inevitablemente una parte se transforma en calor y es irrecuperable. Sadi Carnot se encargó de demostrar en su libro Reflexiones sobre la potencia motriz de fuego (véase el recuadro 2), de 1824, que la eficiencia teórica máxima a la que opera cualquier máquina térmica es:

 

donde Tmax. es la temperatura máxima y Tmin. es la mínima.

Otra forma equivalente de expresar la eficiencia es considerando que la temperatura máxima es la de entrada y la mínima es la de salida. Entonces la fórmula sería:

 

Recuadro 2

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Por ejemplo, una máquina de vapor tiene una temperatura máxima de 200 grados Celsius, es decir, que el agua que entra a la caldera tiene esa temperatura máxima, y la temperatura mínima es de 100 grados, que es la temperatura a la cual se elimina el vapor a la atmósfera. Por lo tanto, la eficiencia (si se convierten los grados Celsius a Kelvin, para lo cual bastará sumar 273.16 a cada temperatura) será de 21%. Aunque en la práctica, como existen pérdidas de calor de otro tipo (fricción, turbulencia, conducción de calor, mezcla de diferentes sustancias, etcétera), la eficiencia real de estas máquinas es de 15%. La eficiencia real de un motor de automóvil común es de 22%. La temperatura máxima que alcanza la gasolina mezclada con el aire en el interior del motor es de alrededor de 120ºC, mientras que la temperatura a la que salen expulsados los gases es de 50ºC aproximadamente, que sería la temperatura mínima. En el caso de los motores diesel la eficiencia es de 40%. En todas las máquinas térmicas existe un fluido o gas que alcanza tanto la temperatura máxima como la mínima. En una caldera es el vapor de agua y en un automóvil es la gasolina o el diesel.

En todas las máquinas térmicas a las que se refiere Carnot, la eficiencia teórica máxima es de poco menos del 60%; es decir, que no puede existir una máquina térmica con una eficiencia superior a este valor (véase el recuadro 3).

Recuadro 3

Denis Papin y la olla express. Cuando el físico francés Denis Papin presentó su invento de la olla express ante la Real Sociedad de Londres, la olla estalló frente a los distinguidos miembros. Posteriormente, solicitó otra demostración, dado que ahora la olla poseía una válvula de seguridad; sin embargo, todos los miembros se opusieron a la nueva demostración, temerosos de salir sin vida, dado el peligro potencial que representaba el invento. La única excepción fue la del presidente, el físico Robert Boyle, quien permitió la demostración, siempre y cuando se efectuara ante un número razonable de personas.

Ahora, si se trata de una máquina que transforma combustible en calor o que evita el uso de calor, la máquina puede ser 100% eficiente. En la turbina de una presa, la eficiencia puede llegar a 90%, al igual que la de una caldera grande de una central termoeléctrica; la eficiencia de un generador eléctrico puede ser de 98% y la eficiencia de una estufa de cocina es de 85% aproximadamente.

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es necesario saber cuánto tiempo le dedicó a esta tarea. Cuando nos enteramos que leyó todo en 840 horas, es decir, un poco mas de un mes, resulta que sólo empleó 10 kilocalorías diarias, en promedio, para leer. Si comparamos esta cantidad con las 84 kilocalorías que se necesitan para leer durante una hora, el estudiante leyó alrededor de siete minutos diarios. Éste es precisamente el caso de un estudiante con mucha energía y poca potencia.

Un buen lector podría leer cinco horas diarias, y así leería todo el libro en dos días y utilizaría tan sólo 840 kilocalorías. Así podría leer 10 libros como éste y emplear las mismas 8 400 kilocalorías.

Por lo tanto, cuando se habla de energéticos, y en particular de las centrales de energía, es muy importante conocer no sólo cuánta energía se produce, sino la rapidez con la que se produce dicha energía; la energía por unidad de tiempo. Lo mejor, por lo tanto, es desarrollar mucha potencia.

Si ahora regresamos al ejemplo de la energía empleada en la lectura, se había dicho que se utilizan 84 kilocalorías por cada hora de lectura, pero ¿no sería deseable que fueran 84 kilocalorías por cada dos horas? Así podríamos leer más y comer menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto... pero una máquina sí. Aunque la máquina no entiende lo que lee.

El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina y por esto se introdujo el concepto de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo. Si en una casa empleamos un foco de 100 watts de potencia, la compañía de luz nos cobra la energía, que es igual a la potencia multiplicada por el tiempo; es decir, tendremos que pagar determinada cantidad por 100 watts-hora = 0.1 kilowatts-hora (kWh) por cada hora que prendamos el foco. Si lo usamos dos horas cobrará 0.2 kWh.

Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la cuenta será de 0.06 kWh por cada hora que esté prendido. Al de dos horas la compañía de luz nos cobrará 0.12 kWh. Por lo tanto, cuanto menor sea la potencia de los aparatos que se utilicen, o menor el tiempo que permanezcan encendidos, menor será la cuenta de luz.

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Las plantas o centrales de energía eléctrica deben ser de mucha potencia para poder satisfacer en todo momento las necesidades de todas las casas. Así, la producción de electricidad depende de la demanda de la población que tiene que satisfacerse.

En el Sistema Internacional de Unidades la energía se mide en joules; sin embargo, como es una unidad muy pequeña, para medir el consumo de energía doméstica se emplea otra unidad, tal vez más conocida: el kilowatt-hora, abreviado kWh (1 kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencionó anteriormente es la kilocaloría; 1 kilocaloría = 4 186.8 joules. También se utiliza frecuentemente el BTU (British Thermal Units) con la siguiente equivalencia: 1 BTU =1/9.478X10-4 joules.

La unidad de potencia es el watt (véase el recuadro 4) y sus múltiplos: el kilowatt, el megawatt, el gigawatt y el terawatt, abreviados W, kW, MW, GW y TW, respectivamente. Un watt equivale a un joule/segundo, o en forma abreviada 1W = 1J/s. En el cuadro III aparecen las unidades de energía y potencia, cómo se abrevian y su equivalencia. Y en el cuadro IV están los múltiplos y submúltiplos que se utilizan como prefijos en todas las unidades.

Recuadro 4

Sociedad inglesa de lunáticos. Durante la segunda mitad del siglo XVIII existía en Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada Sociedad Lunar, porque sus miembros se reunían el primer lunes posterior a la Luna llena. A la asociación de lunáticos, como se les llamó, pertenecían: James Watt, Erasmus Darwin, Matthew Boulton, John Wilkinson y William Small, entre otros.

 

CUADRO III. Unidades de energía: conversión. 1 joule = 1 watt·segundo = 1 newton·metro =

1 kilogramo·metro2 / segundo2

1 J = 1 W·s = 1 N·m = 1 kg·m2/s2

= 6.242 x 1018 eV (electrón-volt)

= 6.242 x 1012 MeV (megaelectrón-volt)

= 107 ergs

= 0.2388 cal (calorías)

= 2.778 x 10-7 kW·h (kilowatts-hora)

=9.478 x 10Units) -4 BTU (British Thermal = 3.725 x 10-7 hp·h (horse power-hora)

= 0.7376 ft·lbf (pies·libras fuerza)

Unidades de Potencia: Conversión

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1 W = 1 J/s = 1 kg·m2/s3

= 0.001 kW (kilowatts) =6.242 x 10(electrón-volt/segundo)18 eV/s = 0.001341 hp (Horse Power) =3413 BTU/h (British Thermal Units/hora)

 

CUADRO IV. Múltiplos y submúltiplos. Prefijo Símbolo Potencia Cantidad

exa E 1018 1 000 000 000 000

000 000 peta P 1015 1 000 000 000 000

000 tera T 1012 1 000 000 000 000

giga G 109 1 000 000 000

mega M 106 1 000 000

kilo k 103 1 000

100 1

mili m 10-3 0. 001

micro M 10-6 0. 000 001

nano n 10-9 0.000 000 001

pico P 10-12 0.000 000 000 001

femto f 10-15 0.000 000 000 000

001 atto a 10-18 0.000 000 000 000

000 001

 

3. FORMAS DE ENERGÍA

La energía del Universo se manifiesta en diversas formas físicas y químicas: energía cinética y potencial, que en conjunto constituyen la energía mecánica, energía calorífica, electromagnética (eléctrica y magnética), nuclear y química.

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Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen y aprovechamiento: 1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que proporcionan el petróleo, el gas o el carbón se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes la energía se transforma en cinética o mecánica (pasando por la energía calorífica o térmica) o bien en energía calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa.

2) Energía hidráulica. En ésta se aprovechan las caídas de agua que se originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo tanto se trata de energía potencial. La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial, cuando el agua de un río es detenida por la cortina de una presa y se establece una diferencia de altura, y después cinética, cuando se deja caer el agua de la presa. Dicha energía cinética es la que se utiliza para mover un turbogenerador y producir energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas. 3) Energía geotérmica. Es la energía calorífica del interior de la Tierra, la cual se transforma en energía mecánica y eléctrica a través de un turbogenerador.

4) Energía nuclear. En ésta, la energía que une a los núcleos de los átomos se transforma en energía calorífica, y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica.

5) Energía solar. En ésta se aprovecha directamente la radiación solar para producir calor o electricidad.

6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, que puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse en electricidad.

7) Energía de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia viva y los desechos orgánicos como combustibles, por lo tanto se trata de energía química, que se pueden transformar en cualquier forma de energía. El caso de la madera es un ejemplo.

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PRIMERA PARTE.

EL HILO DORADO: LA ENERGÍA SOLAR

1. 1. INTRODUCCIÓN

DURANTE siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no sólo como una opción energética sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra. El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energía solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosíntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiación solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energía solar. Prueba de esto es que más de 90% del material orgánico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del océano donde llega la luz del Sol.

Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas que nos brinda la naturaleza. ¿Cómo sería la vida sin el Sol? La respuesta inmediata es: no habría vida. El invierno nuclear sería poca cosa comparado con un planeta que no recibiera la energía solar.

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saltos tecnológicos con grandes huecos y deficiencias. Si se quiere satisfacer la demanda de energía que requiere cada habitante del planeta es indispensable buscar fuentes de energía que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe y debe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el pronóstico sobre el agotamiento del petróleo, que comenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo serán insuficientes para satisfacer la demanda mundial.

La acción de una fuente de energía prácticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fenómenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldrá en un principio caliente. De hecho, éste es el sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de lavar los platos después de comer. Otro ejemplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de plástico negro de un automóvil que ha estado expuesto a la luz del Sol. ¿Cuántas veces se ha quemado usted?

Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energía solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa. Pero el experimento podría hacerse más interesante si utilizáramos una lupa de hielo; de esta forma estaríamos produciendo fuego a partir del agua.

En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente energética, puesto que las reservas de combustibles fósiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las mañanas sin cobrar.

Debe quedar claro que la energía solar no constituye ninguna panacea universal de la cual los hombres obtendrán todo lo que necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra posibilidad energética y no se trata de defenderla a ultranza como la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería considerarla seriamente como una opción energética con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a largo plazo.

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recursos económicos destinados a su estudio y del interés que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energéticas de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y también se han construido algunas plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energía solar no contribuye con ningún porcentaje al consumo energético nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.

I.2. UN FOCO CELESTE

El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como ésta. Sin embargo, aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta y por esta razón, para nosotros no son más que débiles puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 km de distancia; nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 km, aunque para nosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos (un dos con treinta ceros), cifra difícil

de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra.

El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y ésta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5 770ºC, más que suficiente para derretir un automóvil.

En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. En este tipo de reacciones se unen los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para formar átomos más pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Dos núcleos de deuterio (isótopo del hidrógeno) se fusionan y transforman en helio; los núcleos de helio, en carbono, y así sucesivamente hasta constituir elementos cada vez más pesados. Actualmente, el Sol está compuesto de 73.46% de hidrógeno y 24.85% de helio (el resto son elementos más pesados).

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La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite un patrón de radiación electromagnética (una forma de radiación característica) que puede identificarse en el espectro electromagnético. En la figura 8 pueden apreciarse las diferentes formas de radiación electromagnética, que dependen de la cantidad de energía que ésta posea. Para nosotros la más común es la luz visible, pero también los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiación electromagnética.

Figura 3. Espectro electromagnético.

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partículas atómicas, incluidos los fotones, podían presentar patrones de interferencia y difracción, características que corresponden a una onda y no a una partícula. Sin embargo, ¿la luz está compuesta de ondas o de partículas? A finales de la década de los veinte la respuesta la dio la mecánica cuántica, teoría que señala que la luz tiene manifestaciones de partícula y de onda, es decir, tiene una naturaleza dual, de dos; no se pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o como partícula, según el instrumento que se use para analizarla.

En la figura 4 pueden apreciarse las características físicas de una onda de luz. Un ejemplo cotidiano de una onda lo podemos observar en el movimiento que se produce en el agua de un estanque cuando se tira una piedra al centro de éste; se formarán una serie de anillos concéntricos que se harán cada vez más grandes, hasta llegar al borde del estanque. Aquí debe señalarse que las ondas de luz, a diferencia de las de un estanque, se pueden propagar en el vacío, cosa que no sucede con las ondas de un estanque, porque requieren de un medio para propagarse. La luz se comporta como una serie de partículas en movimiento o como una onda transversal que se propaga en diferentes materiales o en el vacío.

T - periodo = tiempo en que la onda completa un ciclo

v - frecuencia = = número de ciclos por segundo

 - longitud de onda = distancia que hay al completar

un ciclo o entre cresta y cresta

o entre valle y valle C - v

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- longitud de la onda de luz

v - frecuencia de la onda de luz

 

Figura 4. Características físicas de una onda de luz.

El tipo de radiación electromagnética dependerá de las características físicas que posean los fotones. La energía contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula de Planck, E= hv, donde E es la energía de los fotones, h es la constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10-34 Js, y la letra griega v es la frecuencia a la que oscilan los fotones

o la frecuencia de las ondas de luz.

De esta fórmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad de energía (como los rayos gamma) y otros que son menos energéticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden atravesar la atmósfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos del cuerpo y chocan únicamente con los huesos: estos últimos constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiografías.

Una característica común que comparten todos los fotones es que viajan a una velocidad constante en el vacío: a la velocidad de la luz, que es la más alta que existe en el Universo. Una propiedad curiosa de estas partículas es que un fotón en reposo tiene una masa igual a cero.

A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del Sol tarda aproximadamente ocho minutos en llegar a la Tierra. En la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos llega instantáneamente. (Por ejemplo, la luz de un foco colocado a 1 m de distancia, tarda 0.33X10-8 s.)

Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de características diferentes (rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el espectro del Sol.

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Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atmósfera, la radiación solar está constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicación visible y 46% de rayos infrarrojos. En la superficie, en condiciones ideales (cielo despejado y a nivel del mar) los porcentajes son: 4% de ultravioleta, 46% de visible y 50% de infrarroja. La curva corresponde a la radiación de cuerpo negro a aproximadamente 6 000º K.

1.3. DE LOS ESPEJOS DE ARQUÍMEDES A LOS HORNOS SOLARES

Según narran los antiguos historiadores, en el año 212 a. C., a petición del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaña, Arquímedes utilizó varios espejos planos o tal vez escudos reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo, pues en esa época ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo cóncavo sería, por ejemplo, el que tiene el faro de un automóvil. Este tipo de espejo, cuando posee la forma de un paraboloide de revolución, tiene la propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre él desde cualquier dirección se concentran en un punto: el foco del espejo. De esta forma, mediante la concentración de la energía de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quizá, como Arquímedes, incendiar grandes objetos. También Euclides, en sus trabajos de óptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo, y Filón de Bizancio aprovechó el calor del Sol en un termoscopio (antecedente del termómetro), que consiste en un termómetro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud.

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Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.

Figura 1.

Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen. p.20
Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadena con balines

Figura 2.

Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadena con balines p.26
CUADRO II. Consumo de energía en diversas actividades cotidianas.  kJ (Kilojoules) Dormir 4.52 Sentarse 5.82 Pararse 7.32 Caminar 15.50 Trabajar sentado en la  oficina 7.5 Cocinar 8.8 Limpieza moderada 18.0 Fuente: OMS, 1987

CUADRO II.

Consumo de energía en diversas actividades cotidianas. kJ (Kilojoules) Dormir 4.52 Sentarse 5.82 Pararse 7.32 Caminar 15.50 Trabajar sentado en la oficina 7.5 Cocinar 8.8 Limpieza moderada 18.0 Fuente: OMS, 1987 p.28
CUADRO IV. Múltiplos y submúltiplos.

CUADRO IV.

Múltiplos y submúltiplos. p.33
Figura 3. Espectro electromagnético.

Figura 3.

Espectro electromagnético. p.38
Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atmósfera, la radiación solar está constituida por 7%  de rayos ultravioleta, 47% de radicación visible y 46% de rayos infrarrojos

Figura 5.

Espectro del Sol. Fuera de la atmósfera, la radiación solar está constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicación visible y 46% de rayos infrarrojos p.41
Figura 6. Potencia de diferentes máquinas. (Tomado y adaptado de Scientific  American, La energía, Alianza Editorial, num

Figura 6.

Potencia de diferentes máquinas. (Tomado y adaptado de Scientific American, La energía, Alianza Editorial, num p.46
Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la ciudad  de México o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios

Figura 8.

Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la ciudad de México o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios p.48
Figura 7. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios.

Figura 7.

Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios. p.48
Figura 9. Balance energético de la radiación solar para longitudes de onda corta ( 4mm)

Figura 9.

Balance energético de la radiación solar para longitudes de onda corta ( 4mm) p.50
Figura 11. Radiación solar en la Republica Mexicana. (Tomado y adaptado de

Figura 11.

Radiación solar en la Republica Mexicana. (Tomado y adaptado de p.52
Figura 10. Radiación total mundial (durante el mes de julio de 1966.)

Figura 10.

Radiación total mundial (durante el mes de julio de 1966.) p.52
Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares.

Figura 12.

Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares. p.53
Figura 13. Colectores tubulares.

Figura 13.

Colectores tubulares. p.56
Figura 14. Colector plano para un calentador solar.

Figura 14.

Colector plano para un calentador solar. p.57
Figura 15. Colectores solares de concentración con seguimiento del Sol.  (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas

Figura 15.

Colectores solares de concentración con seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas p.59
Figura 16. Colectores solares de concentración estáticos o sin seguimiento  del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas

Figura 16.

Colectores solares de concentración estáticos o sin seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas p.60
Figura 18. Concentración de los rayos solares en una línea.

Figura 18.

Concentración de los rayos solares en una línea. p.61
Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares  en una o varias líneas o en una zona pequeña

Figura 19.

Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares en una o varias líneas o en una zona pequeña p.62
CUADRO V. Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y área

CUADRO V.

Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y área p.66
Figura 21. Esquema de una celda solar. Al unir un material semiconductor  tipo n con uno tipo p e iluminarlo con fotones de enería adecuada,

Figura 21.

Esquema de una celda solar. Al unir un material semiconductor tipo n con uno tipo p e iluminarlo con fotones de enería adecuada, p.66
Figura 24. Formación del pétroleo.

Figura 24.

Formación del pétroleo. p.70
Figura 25. Diagrama de un pozo-petrolero. (Tomado de Man, Energy and

Figura 25.

Diagrama de un pozo-petrolero. (Tomado de Man, Energy and p.72
Figura 27. Diferentes tipos de turbinas hidráulicas.

Figura 27.

Diferentes tipos de turbinas hidráulicas. p.78
Figura 26. Diagrama de una central hidroeléctrica.

Figura 26.

Diagrama de una central hidroeléctrica. p.78
Figura 20. Cada punto en el rectángulo determinado por E (energía) y V  (volumen) corresponde a una molécula del gas en un instante dado

Figura 20.

Cada punto en el rectángulo determinado por E (energía) y V (volumen) corresponde a una molécula del gas en un instante dado p.83

Referencias

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