by P Esenciales — para comprender la energía surgen en casi todas, si no todas, las disciplinas 400.000 años.1 La quema de madera y otras formas de biomasa eventualmente.
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estudios sin prescripción alguna de cuándo, dónde y cómo debe presentarse el contenido. El uso previsto de esta guía incluye, pero no se limita a, la educación formal o informal en materia de energía, al desarrollo de normas de educación, al diseño del plan de estudios, al desarrollo de evaluación de planes de estudio y a la formación de los educadores.El desarrollo de esta guía comenzó como resultado de un taller patrocinado por el Departamento de Energía (DOE) y la Asociación Americana para el Avance de las Ciencias (AAAS) en el otoño de 2010. Múltiples agencias federales, organizaciones no gubernamentales y numerosas personas han contribuido a su desarrollo a través de un extenso proceso de revisión y comentarios. La discusión e información obtenida en la AAAS, WestEd y Talleres de Conocimiento de Energía patrocinados por DOE en la primavera de 2011 contribuyeron en gran medida al perfeccionamiento de esta guía.Para obtener esta guía y documentos relacionados, visite energy.gov/eere/educationDepartamento de Energía de EE.UU.1000 Independence Ave SW Washington, DC 20585 202-586-5000energy.gov/eere/energyliteracy Conocimiento de Energía: Principios Esenciales y Conceptos Fundamentales para la Educación de Energía presenta conceptos de energía que, cuando se entienden y se aplican, ayudan a individuos y a comunidades a tomar decisiones sobre la energía con conocimiento de causa.La energía es un tema esencialmente interdisciplinario. Los conceptos fundamentales para comprender la energía surgen en casi todas, si no todas, las disciplinas académicas. Se puede utilizar esta guía en diversas disciplinas. La guía recomienda la comprensión de la energía a través de un enfoque integrado y/o de sistemas.Conocimiento de Energía: Principios Esenciales y Conceptos Fundamentales para la Educación de Energía y un conjunto de Conceptos Fundamentales que apoyan a cada principio. Esta guía no intenta energía, sino más bien se centra en las áreas que son esenciales para todos los ciudadanos. La guía ha elaborado los Conceptos Fundamentales en parte, con base a hitos y estándares educativos. Esta guía se dirige a cualquier persona que participe en la educación de energía. Usada en ambientes educativos formales, esta guía proporciona una dirección sin necesidad de añadir nuevos conceptos al plan de estudios. Esta guía no es un programa de educación. Los Principios Esenciales y Conceptos Fundamentales ofrecen un marco sobre el cual puede basarse un plan de Acerca de Esta GuíaVersión S2.2: Junio 2014
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¿Qué es el Conocimiento de Energía?El conocimiento de energía es una comprensión del papel que desempeña la energía en el universo y en nuestras vidas. También ofrece la habilidad de aplicarlo para contestar preguntas y resolver problemas.Una persona con conocimiento de energía: términos de sistemas de energíasabe la cantidad de energía que él o ella utiliza, para qué, y de dónde proviene esa energíapuede evaluar la credibilidad de la información sobre energíapuede comunicar acerca de energía y su uso es capaz de tomar decisiones sobre el uso de energía basadas en la comprensión de su impacto y consecuenciascontinúa aprendiendo acerca de energía a lo largo de su vida¿Por Qué Tiene Importancia el Conocimiento de Energía?Una mejor comprensión de lo que es energía puede:dar lugar a decisiones más informadasmejorar la seguridad de una Naciónpromover el desarrollo de la economíadar paso al uso sostenible de energíareducir el riesgo e impacto negativo al medio ambiente, yayudar a individuos y organizaciones a ahorrar dineroSin una comprensión básica de energía, fuentes de energía, generación, uso y estrategias de ahorro de energía, individuos y comunidades no pueden tomar decisiones informadas sobre temas energéticos que van desde el uso inteligente de energía en el hogar y las opciones de los consumidores, hasta la política nacional e internacional sobre la energía. Asuntos nacionales y globales de actualidad, tales como el suministro de combustibles fósiles y el cambio climático, subrayan la necesidad de una educación sobre la energía.Conocimiento de Energía es una Parte del Conocimiento de las Ciencias Sociales y NaturalesUn estudio exhaustivo de la energía debe ser interdisciplinario. Los temas energéticos no pueden ser entendidos y los problemas no pueden ser resueltos utilizando únicamente ciencias naturales y/o un enfoque de ingeniería. Los temas de energía a menudo requieren una comprensión de cívica, historia, economía, sociología, psicología y política además de ciencia, matemática y tecnología.Así como las ciencias sociales y naturales ambas son parte del conocimiento de energía, el conocimiento de energía es una parte esencial del conocimiento de ciencias sociales y naturales. Referencias a la energía se pueden encontrar en las Normas Nacionales de Educación en casi todas las disciplinas académicas.1
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¿Cómo Sabemos lo Que Conocemos Acerca de Energía?Los expertos en ciencias sociales y naturales han desarrollado sistemáticamente un conjunto de conocimientos acerca de la energía a través de un proceso muy parecido al que utilizan las disciplinas de la naturaleza utilizando la observación, la experimentación y los modelos teóricos y tentativas y sometidas a cambios y mejoramiento, la mayoría de las ideas principales tienen abundante sobre la naturaleza cuando encuentran nueva evidencia experimental que está en desacuerdo con modelos existentes. La ciencia rechaza la idea de alcanzar la verdad absoluta y acepta la incertidumbre como parte de la naturaleza. La es la norma en la ciencia. Sin embargo, profundas mayor precisión, hasta llegar a ser ampliamente aceptadas. De este modo, muchas de las ideas principales cambian muy poco a través del tiempo.activa y no hay una gran evidencia y comprensión experimental u observacional, es normal que sobre la interpretación de dicha evidencia bajo publicar resultados experimentales que están en diferentes con base a los mismos datos. Idealmente, desacuerdos. De esta manera, comunidades de auto-corrección, trabajando hacia una comprensión cada vez mejor del universo social y natural. observaciones, modelos teóricos y las explicaciones procesos experimentales, examinan la evidencia, resultados que van más allá de dicha evidencia y sugieren explicaciones alternativas para las mismas pueden estar en desacuerdo sobre las explicaciones de ciertos fenómenos, la interpretación de datos o el valor de teorías rivales, hay un acuerdo entre ellos en que plantear preguntas, proporcionar respuestas a las críticas y mantener líneas de comunicación abiertas son parte integral del proceso de la ciencia. A medida que el conocimiento evoluciona, dichas interacciones resuelven poco a poco la mayoría de las discrepancias que aún existen.2
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embarcaciones e incluso los primeros automóviles.3 Fue entonces que el carbón remplazó a la madera como fuente principal de combustible para la sociedad industrializada. El carbón se mantuvo como principal fuente de combustible hasta mediados del siglo XX cuando lo sustituyó el petróleo.La siguiente revolución energética fue la habilidad de generar electricidad y trasmitirla a largas distancias. Durante la primera mitad del siglo XIX, el físico británico Michael Faraday demostró que expuesto a un campo magnético variable, fenómeno descrito ahora por la Ley de Inducción de Faraday. Los seres humanos comprendieron entonces cómo generar electricidad. En los 1880s, Nikola Tesla, un ingeniero nacido en Serbia, inventó motores y transformadores de corriente alterna (AC) que permitieron la transmisión de energía eléctrica a larga distancia. Los seres humanos pudieron entonces generar energía eléctrica en gran escala en un lugar y luego trasmitirla Una Breve Historia del Uso de Energía por los Seres HumanosLas plantas, algas y cianobacterias capturan la energía del Sol y la almacenan como celulosa, azúcares, almidones y grasas que tienen contenido energético. Casi todos los organismos dependen de esa mayoría de las cadenas alimenticias comienza con esa energía solar almacenada. Una parte de esta energía es utilizada por organismos en cada nivel de la cadena alimenticia, una gran parte se pierde en forma de calor y una pequeña porción pasa a través de la cadena alimenticia cuando un organismo se alimenta de otro.Con el tiempo, los humanos han desarrollado una comprensión de la energía que les ha permitido aprovecharla para usos que van más allá de la supervivencia básica.El primer avance importante en la comprensión humana de la energía fue el dominio del fuego. El uso del fuego para preparar alimentos y calentar viviendas, utilizando biomasa (madera, por ejemplo) como combustible, data de hace por lo menos 400.000 años.1 La quema de madera y otras formas de biomasa eventualmente metales. La primera evidencia del carbón, quemado como combustible, data de hace aproximadamente 2.400 años.2 Después de la llegada del fuego, el uso humano de energía per cápita permaneció casi constante hasta el inicio de la Revolución Industrial en el siglo XIX. Esto ocurrió a pesar del hecho que, poco después de haber dominado el fuego, los humanos aprendieron a utilizar la energía del Sol, del viento, del agua y de animales de carga y tiro, para transporte, calefacción y agricultura.El invento de la máquina de vapor fue el eje de la Revolución Industrial. La máquina de vapor convirtió la energía solar almacenada en la madera o carbón en energía motriz. La máquina de vapor fue ampliamente utilizada para resolver el urgente problema de extracción de agua que inundaba las minas de carbón. Mejorada por James Watt, inventor e ingeniero mecánico escocés, pronto fue utilizada para mover carbón, impulsar la manufactura de maquinaria y proporcionar fuerza motriz a locomotoras, __________________1 Bowman DM, Balch JK, Artaxo P et al. Fire in the Earth System. Science. 2009, 324 (5926), pág. 481Œ4.2 Metalworking and Tools, en: Oleson, John Peter (ed.): The Oxford Handbook of Engineering and Technology in the Classical World, Imprenta de la Universidad de Oxford, 2009, pág. 418Œ38 (432).3 Benchmarks for Science Literacy, Asociación Americana para el Avance de las Ciencias, 1993, benchmark 10J/M2.4 La fuente de los datos es la Administración de Información de Energía de los EE.UU. (http://www. eia.gov) a menos que se indique lo contrario.energía eléctrica generada en las Cataratas del Niágara, por ejemplo, pudo ser utilizada por consumidores en centros de población distantes.Aunque la energía hidráulica, en gran medida en la forma de molinos de agua, ha sido usada por la humanidad por siglos, la energía hidroeléctrica es una aplicación más reciente. Las primeras plantas de energía hidroeléctrica fueron de electricidad en el mundo. A partir del año 2010, la energía hidroeléctrica ha constituido más del 15% de la electricidad mundial.4Los seres humanos han utilizado también la energía del viento para capacitar empresas humanas durante siglos. Sin embargo, es ahora que sólo hace poco Durante el siglo XX, las represas hidroeléctricas como ésta fueron construidas en los ríos principales en muchos mediados del siglo XX, la energía hidroeléctrica fue la principal fuente de electricidad en los Estados Unidos. Por siglos, los seres humanos han construidos hace casi trescientos años. 3
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Conocimiento de Energía Principios Esenciales y Conceptos FundamentalesUna nota sobre el uso de los Principios Esenciales y Conceptos Fundamentales:Los Principios Esenciales, del 1 al 7, son amplias categorías que incorporan grandes ideas. De seis a ocho Conceptos Fundamentales (por ejemplo, 1.1, 1.2, etc.) apoyan cada Principio Esencial. Los Conceptos Fundamentales están destinados a ser desenvueltos y aplicados como sea en un modo apropiado para la audiencia y escenario de aprendizaje. Por ejemplo, la enseñanza de las diversas fuentes de energía (Concepto Fundamental 4.1) sería muy diferente en un aula de 3º grado, en un aula de 12º grado, para los visitantes de un museo o como parte de un programa de educación de la comunidad. Además, los conceptos no están destinados a ser abordados de manera aislada. Una lección en energía tendrá a menudo alguna conexión con muchos de estos conceptos.La energía es una magnitud física que obedece a leyes naturales precisas. energía a través del sistema terrestre. del sistema terrestre.Diversas fuentes de energía se pueden utilizar para las actividades humanas, y con frecuencia esa energía debe ser transferida desde la fuente hasta el destinatario. Las decisiones de energía estáneconómicos, políticos, medioambientales y sociales.La cantidad de energía utilizada por la sociedad humana depende de muchos factores.La calidad de vida de individuos y sociedades es afectada por opciones energéticas.5
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La energía es una magnitud física que obedece a leyes naturales precisas. un sistema a otro. La energía es la capacidad de un sistema para efectuar un trabajo. Un sistema ha hecho un trabajo si ha ejercido una fuerza sobre otro sistema a través de una cierta distancia. Una energía de un sistema a otro. Parte de la energía puede también transformarse de un tipo a otro durante este proceso. Es posible calcular o medir exterior de un sistema.1.2 La energía de un sistema o un objeto que da lugar a su temperatura se denomina energía térmica. Cuando una diferencia en la temperatura entre dos objetos causa una transferencia neta de energía de un sistema a otro, la energía que calor puede tener lugar en tres maneras: por convección, conducción y radiación. Al igual que toda transferencia de energía, la transferencia de calor implica fuerzas ejercidas sobre una distancia a algún nivel cuando los sistemas interactúan.1.3 La energía no se crea ni se destruye. El cambio en la cantidad total de energía en un sistema es siempre igual a la diferencia entre la cantidad de energía transferida hacia adentro y la cantidad transferida hacia afuera. La cantidad total 1.4 La energía disponible para realizar trabajo útil a otro. Durante todas las transferencias de energía entre sistemas, parte de la energía se pierde en los alrededores. En un sentido práctico, esta energía perdida, a pesar de que todavía se encuentra en algún lugar, se ha fiagotado.fl Un sistema más límite teórico.1.5 Mientras la energía tiene diferentes formas, puede dividirse en categorías. Toda la energía se cinética describe los tipos de energía asociados con cuerpos en movimiento. La potencial describe a la energía que posee un objeto o sistema debido a su posición relativa a otro objeto o sistema, y las fuerzas entre los dos. Algunas formas de energía son en parte cinética y en otra parte energía potencial. Las formas de energía incluyen energía luminosa, energía elástica, energía química, entre otras.1.8 La potencia es una medida de la transferencia de energía, por unidad de tiempo. Es útil hablar de la pauta o velocidad con la cual la energía por (energía por unidad de tiempo). Tal medida o pauta se llama potencia. Un julio de energía transferida en un segundo se llama un vatio (es decir, 1 julio / segundo = 1 vatio). Un ficaballo de fuerzafl (BHP) equivale a 746 vatios.Toda la transferencia de energía comporta pérdida en los alrededores. Este diagrama ilustra las pérdidas típicas de una red eléctrica que alimenta una bombilla incandescente.(Reproducido con permiso de: What You Need to Know About Energy, 2008, la Academia Nacional de Ciencias de los EE.UU. y la Editorial de las Academias Nacionales de los EE.UU.)1.6 Las reacciones químicas y nucleares implican la transferencia y la transformación de la energía. La energía asociada con las reacciones nucleares es mucho mayor que la asociada con las reacciones químicas, dada la cantidad de masa. Las reacciones nucleares tienen lugar en los centros de las estrellas, en las explosiones de armas nucleares y en unidades diferentes. Al igual que con otras magnitudes físicas, unidades diferentes se asocian con la energía. Por ejemplo, julios, calorías, ergios, kilovatios-hora, y BTU (unidad térmica británica) son unidades de energía. Dada la cantidad de energía en un conjunto de unidades, una unidad siempre puede convertirse a otra (por ejemplo, 1 caloría = 4,186 julios).Figura 2La energía utilizada para alimentar la bombilla:36 unidadesDesde Fuentes de Energía Hasta Luz Incandescente: Perdidas Típicas en la Transferencia de Energía 2 unidades de energía en la luz34 unidades de calor38 unidades entran a las líneas de transmisión de energía Contenido de energía de carbón:100 unidades Las pérdidas de la central eléctrica:62 unidadesPérdidas de líneas de transmisión:2 unidades6
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2.1 La Tierra sufre un cambio constante a raíz Datos geológicos, fósiles, y de los glaciares a lo largo de la historia de la Tierra. Estos cambios siempre se asocian con cambios en el Procesos vivos e inertes han contribuido a ello.2.2 La luz del sol, el potencial gravitacional, el decaimiento de los isótopos radiactivos, y la rotación de la Tierra son las principales fuentes de energía que impulsan a los procesos físicos terrestres. La luz solar es una fuente externa a la Tierra, mientras que los isótopos radiactivos y el potencial gravitacional, con la excepción de la energía de las mareas, son procesos internos. Los isótopos radiactivos y la gravedad trabajan juntos global del aire y del agua.2.3 La energía del Sol impulsa la mayoría de los eventos meteorológicos y el clima de la Tierra. Por ejemplo, el calentamiento desigual del Sol en la lugar a convección en la atmósfera, produciendo 2.4 El agua desempeña un papel importante en el almacenamiento y la transferencia de energía en el sistema de la Tierra. El papel principal del agua es resultado de su prevalencia, su alta capacidad calórica y el hecho de que los cambios regulares de fase de agua ocurren en la Tierra. El sol proporciona la energía que conduce el ciclo del agua en la Tierra.2.5 Fuentes de energía internas y externas de la Tierra provocan el movimiento de la materia entre depósitos. Estos movimientos son a menudo acompañados por un cambio en las propiedades físicas y químicas de la materia. El carbono, por ejemplo, se presenta en las rocas constituidas por carbonatos, tales como piedra caliza, en la atmósfera como gas de dióxido de carbono, en el agua como el dióxido de carbono disuelto, y en todos los organismos como moléculas complejas que toman parte en la química de la vida. La diferentes depósitos.2.6 Los gases del efecto invernadero afectan el Los gases de efecto invernadero en la atmósfera, como el dióxido de carbono y vapor de agua, son transparentes a gran parte de la luz solar visible, pero son opacos de la luz infrarroja que energía a través del sistema terrestre. gases desempeñan un papel importante en la determinación de las temperaturas promedio de luz infrarroja la misma cantidad de energía que recibe como luz visible, su temperatura media se mantiene estable.2.7 Los efectos de los cambios en el sistema de energía de la Tierra a menudo no son inmediatamente evidentes. Las consecuencias de cambios en el sistema de energía de la Tierra, balance entre admisión y emisión de energía, a menudo sólo se notan a lo largo de meses, años e incluso décadas. del calor latente del agua, ya que los cambios de fase de líquido 7
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3.1 El Sol es la principal fuente de energía para los organismos y sus ecosistemas. Los productores, tales como plantas, algas y cianobacterias utilizan la energía de la luz solar para producir materia orgánica a partir de dióxido de carbono y agua. través de casi todas las redes alimenticias.3.2 Los alimentos son un biocombustible utilizado por organismos para adquirir energía para procesos vitales internos. Los alimentos se componen de moléculas que sirven como combustible y material de construcción para todos los organismos a medida que la energía almacenada en las moléculas se libera y se utiliza. La ruptura de las moléculas de los alimentos permite que las células almacenen energía en diferentes moléculas que se utilizan para llevar a cabo muchas de las funciones de la célula y por lo tanto al organismo.3.3 La energía disponible para realizar trabajo un organismo a otro organismo. Los elementos químicos de los cuales se componen las moléculas de los seres vivos pasan a lo largo de las cadenas alimenticias combinándose y recombinándose de diferentes maneras. En cada nivel en una cadena alimenticia, parte de la energía se almacena en nuevas estructuras químicas, pero la mayoría se disipa en el medio ambiente. Un suministro continuo de energía, sobre todo de la luz solar, mantiene en marcha el proceso. alimenticias en una dirección, desde los productores hacia los consumidores y descomponedores. Un organismo que se alimenta en el nivel más bajo de alimenta a un nivel más alto de la cadena. Los que se alimentan de productores, que se encuentran en sistema terrestre.el nivel más bajo donde alimentos son accesibles, energético.3.5 Cambios en la disponibilidad de la energía y la materia afectan los ecosistemas. La cantidad y el tipo de energía así como la materia disponible restringen no sólo la distribución y abundancia de los organismos en un ecosistema sino también la capacidad del ecosistema de reciclar materiales.3.6 Los seres humanos forman parte de los ecosistemas de la Tierra e influencian el flujo de energía a través de los mismos sistemas. de energía de los ecosistemas de la Tierra a un ritmo creciente. Los cambios se producen, por ejemplo, como resultado de los cambios en la tecnología agrícola y el procesamiento de alimentos, los hábitos del consumo y de la población humana. ProducersPrimary Consumers Secondary Consumers Tertia ry Consumers 1,000,000 J100,000 J10,000 J1,000 JSi uno imagina 25.000.000 julios (J) de energía cayéndose sobre una población de plantas, las plantas harían uso de alrededor de 1.000.000 J de esta energía. A medida que las plantas son comidas por consumidores primarios, sólo el 10% de esa energía sería transmitida. Este proceso de pérdida continúa mano a mano que los consumidores primarios son comidos por los secundarios y los secundarios por los terciarios. Sólo alrededor del 10% de la energía disponible en un nivel se pasa al siguiente nivel.Figura 3Productores Consumidores Primarios Consumidores Secundarios Consumidores Terciarios 1.000 J10.000 J100.000 J1.000.000 J8
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