Vehículo pila combustible 1

www.heliocentris.com.

Dr FuelCell™ Model CarGuía para el profesorMaqueta de coche

Todos los derechos reservados. Está prohibida la reproducción total o parcial de este libro, su almacenamiento en un sistema de recuperación o su transmisión en cualquier forma y por cual-quier medio sin la previa autorización, excepto en el siguiente caso: fotocopiar de estas páginas de investigación para su uso en el aula o por un profesor.

Los autores y el editor se esforzaron en la preparación de este libro para garantizar la exactitud de la información. Sin embargo, la información contenida en este libro es provista sin garantía explícita o implícita. Ni los autores ni el editor, como tampoco los distribuidores, serán responsa-bles de ningún daño causado o supuestamente causado directa o indirectamente por este libro.

Los componentes del Dr FuelCellTM Model Car Kit están protegidos por aplicaciones de patentes y/o modelos de utilidades.

Nafion es una marca comercial registrada de E.I. du Pont de Nemours and Company.

Dr FuelCell es una marca comercial de Heliocentris Energiesysteme GmbH, Alemania.

Sujeto a modificaciones sin previo aviso.

Guía para el profesor del Dr FuelcellTM Model Car Kit

Versión 1.0

Marzo de 2008

© Heliocentris Energiesysteme GmbH

Rudower Chaussee 29

12489 Berlín

Alemania

Guía para el profesor – Dr FuelCell™ Model Car 3

Contenidos

Prefacio .................................................................................................................................. 5

2 Acerca de este documento ............................................................................................... 7

2.1 Cómo utilizar las investigaciones en el aula ........................................................... 8

2.2 Símbolos y signos ................................................................................................ 9

2.3 Otros documentos aplicables ............................................................................. 10

3 Seguridad general ......................................................................................................... 11

3.1 Por su seguridad ................................................................................................ 11

3.2 Condiciones del lugar ........................................................................................ 12

3.3 Envío y transporte .............................................................................................. 12

3.4 Medidas de seguridad ........................................................................................ 12

3.5 Compatibilidad electromagnética........................................................................ 13

3.6 Garantía ........................................................................................................... 13

4 Demostración del Dr FuelCell™ Model Car ..................................................................... 15

4.2 Bases para el profesor ....................................................................................... 15

4.3 La investigación – profesores .............................................................................. 19

5 Orientación del panel solar ............................................................................................ 25


5.2 La investigación - profesores ............................................................................... 30

5.3 Sección para el alumno ..................................................................................... 40

6 Electrólisis simple .......................................................................................................... 47


6.2 La investigación – profesores .............................................................................. 51


7 Explicación de la electrólisis ........................................................................................... 63


7.2 La investigación - profesores ............................................................................... 67


8 ¡La energía del hidrógeno! ............................................................................................. 91


8.2 Las investigaciones - profesores .......................................................................... 95

8.3 Sección para el alumno ................................................................................... 107

Acerca de este documento

4 Dr FuelCell™ Model Car – Guía para el profesor

9 La energía del hidrógeno en movimiento ....................................................................... 117

9.1 Bases para el profesor ..................................................................................... 117

9.2 La investigación - profesores ............................................................................. 120


10 Eficacia de la energía .................................................................................................. 141


10.2 Las investigaciones - profesores ........................................................................ 146


11 ¿Qué es un híbrido? ................................................................................................... 167


11.2 La investigación - profesores ............................................................................. 169


12 Glosario .................................................................................................................... 185


Prefacio

El objetivo de este libro es poner a los alumnos en contacto con la tecnología de las pilas de combustible. Los principios básicos de las pilas de combustible serán examinados de manera didáctica y entre-tenida para que los alumnos estudien esta nueva tecnología.

Las pilas de combustible utilizan la energía química del hidrógeno para producir electricidad de una manera limpia y eficaz. Las pilas de combustible con hidrógeno tienen el potencial para

• Reducir la producción de gases que generen el efecto inver-nadero, la contaminación del aire y los cambios climáticos globales

• Ser una parte importante de la seguridad de la energía

• Propulsar la tecnología del hidrógeno como la fuente de energía del futuro

Al enseñarles a los alumnos acerca de esta importante tecnología, les estará dando un papel esencial en este campo creciente.

Pueden enseñarse muchos planes de estudio con esta nueva tecno-logía:

• El concepto de las moléculas

• La estructura de los átomos

• Las reacciones químicas

• La conversión de los diferentes tipos de energía

• La realización de investigaciones científicas

• El diseño y la realización de investigaciones científicas

• La ciencia y la tecnología en los desafíos locales, nacionales y globales

Esperamos que los alumnos tengan un rol importante en la incorpo-ración de las pilas de combustible como parte de nuestro futuro sos-tenible.

Programa de es-tudios


2 Acerca de este docu-mento

Este documento está diseñado para asistir en la preparación de las lecciones sobre las pilas de combustible. Las investigaciones están organizadas de manera secuencial; sin embargo, es posible realizar-las de manera independiente.

Utilice este libro para dar las lecciones a los alumnos haciendo hin-capié en la innovativa y apasionante tecnología de las pilas de com-bustible.

Cada investigación contiene una sección con información general que proporciona las nociones básicas de los temas a tratar. Además, cada investigación incluye una sección para el alumno y una para el profesor.

Las secciones que contienen información general e instrucciones para los alumnos están explícitamente diseñadas para poder fotocopiarlas y entregarlas a los alumnos.

Esta Guía para el profesor contiene las siguientes investigaciones:

Investigación Objetivo principal

Demostración del Dr FuelCellTM Model Car

Observaciones precisas

Orientación del panel solar Cómo la producción de potencia eléctrica depende de la intensi-dad de la entrada de energía

Electrólisis simple Principios básicos de la electróli-sis

Explicación de la electrólisis División de moléculas

La potencia del hidrógeno Cómo ahorrar electricidad com-binando hidrógeno y oxígeno – la electrólisis es reversible

La potencia del hidrógeno en movimiento

Fricción, funcionamiento, poten-cia, energía

Eficacia de la energía Eficacia de la energía

¿Qué es un híbrido? Trabajo independiente sobre las pilas de combustible – el concep-to de "híbrido"

Tabla 2-1 Investigaciones y sus objetivos principales



2.1 Cómo utilizar las investigaciones en el aula

Estas investigaciones le brindan sugerencias acerca de cómo organi-zar las lecciones referidas a las pilas de combustible y los principios básicos de la física y la química en los que se basan.

Heliocentris publicó correlaciones con los programas de estudio na-cionales de algunos países. Estas correlaciones pueden encontrarse en nuestra página: www.heliocentris.com

Si desea agregar correlaciones para su país, envíe un mensaje de correo electrónico a: [email protected] con el asunto: correlations.

Estas investigaciones están diseñadas para proporcionarle material que le sirve para dar una clase expositiva o para trabajar en grupos. El método que escoja depende no sólo del número de maquetas de coche disponibles sino también de las habilidades de los alumnos y del progreso de la clase. También son parte de cada investigación las preguntas de tarea, el trabajo escrito o los cuestionarios.

En Heliocentris, creemos en el aprendizaje constante: si tiene suge-rencias para mejorar esta Guía para el profesor, recibiremos con gusto sus recomendaciones y opiniones.

Envíenos sus sugerencias a: [email protected] con el asunto: feedback.

2.1.2 Estructura de los capítulos

Los capítulos de esta Guía para el profesor consisten en tres seccio-nes: una sección que contiene las bases para el profesor, una sec-ción que describe una lección expositiva y una sección para el alum-no que contiene una descripción de la investigación y un compendio de preguntas.

En esta sección se da la información para diseñar una lección:

• La cantidad aproximada de tiempo necesario

• La información sobre las aptitudes que necesitan tener los alumnos

• Los objetivos de aprendizaje

• Las palabras clave para sugerir temas relacionados

• La información general acerca de la teoría detrás de las in-vestigaciones, que se puede fotocopiar y entregar a los alumnos.

En esta sección se describe una lección expositiva que explica cada paso a seguir para demostrar la investigación. Se brindan sugeren-cias para instar a la participación de los alumnos. Al final de esta sección se proporcionan las respuestas para las preguntas de los alumnos.

Método de ense-ñanza

Feedback

Bases para el profesor

Las investigacio-nes – profesores

http://www.heliocentris.com/



Cada investigación contiene una sección para el alumno, que se puede fotocopiar y entregar al alumno. Esta sección contiene una descripción de cómo el alumno deberá llevar a cabo la investiga-ción, ya sea en grupo o de forma individual, y un compendio de pre-guntas. Puede utilizar estas preguntas como parte de la tarea, como trabajo escrito en clase o de la manera que usted desee.

2.2 Símbolos y signos

2.2.1 Símbolos

En este documento, los siguientes símbolos y signos se utilizan para:

Símbolo Significado

Aquí debe hacer algo

1. Aquí debe hacer algo y prestar atención a la indicación

Éste es un prerrequisito que debe completar antes de comenzar el siguiente paso

•, - Ítem de una lista

Tabla 2-2 Símbolos utilizados en este documento

2.2.2 Signos de advertencia

Aunque no surjan peligros inminentes de estas investigaciones, deben tomarse algunas medidas de seguridad. Cuando sea apropiado, se colocan signos de advertencia en la investigación.

Los signos de advertencia aparecen de la siguiente manera.

NIVEL DE RIESGO

¡Aquí se describe el tipo y origen del peligro!

Aquí se describen las posibles consecuencias de no tomar en cuenta las medidas de seguridad.

Aquí se mencionan las medidas de seguridad a tener en cuenta.

Sección para el alumno



2.2.3 Niveles de riesgo

Pueden presentarse los siguientes niveles de riesgo al trabajar con el producto:

PRECAUCIÓN

¡Situación peligrosa!

Si no se tienen en cuenta las medidas de seguridad, pueden produ-cirse heridas leves.

AVISO

¡Situación peligrosa!

Si no se tienen en cuenta las medidas de seguridad, pueden produ-cirse daños en el equipo.

2.2.4 Consejos

Aparecen consejos útiles de la siguiente manera:

CONSEJO

Consejo útil

2.3 Otros documentos aplicables

Además de esta Guía para el profesor, el Dr FuelCellTM Model Car se entrega con los siguientes documentos:

• Manual de instrucciones con información sobre cómo utilizar la maqueta de coche. Debe leerlo el profesor antes de utilizar la maqueta de coche.

• Guía rápida para entregar a los alumnos, con un breve re-sumen de las configuraciones básicas de la maqueta de co-che.

Seguridad general


3 Seguridad general

La maqueta de coche está construida según los estándares más altos. Sin embargo, manejarla de manera incorrecta puede causar daños en:

• La salud del operador y los presentes

• La unidad en sí misma y otros artículos de pertenencia

3.1 Por su seguridad

Hay diferentes advertencias a lo largo de esta guía que contienen esta información sobre seguridad general. Estas advertencias expli-can cómo actuar para protegerse a usted mismo y a otras personas o pertenencias.

Lea hasta comprender totalmente los experimentos de esta Guía.

Cumpla las normas legales locales.

Siga las advertencias e instrucciones de seguridad.

Entregue esta Guía a futuros operadores de la maqueta de coche.

3.1.1 Uso correcto

La maqueta de coche se proporciona solamente con el fin de realizar experimentos y demostraciones sobre la tecnología del hidrógeno y sus componentes. La maqueta de coche puede usarse solamente para realizar experimentos y demostraciones. Su uso correcto es co-mo electrolizador y pila de combustible.

3.1.1.1 Usos prohibidos

La maqueta de coche no puede usarse para:

• Generar electricidad ni hidrógeno con ningún otro objetivo que no sea el mencionado en la Guía para el profesor o en el Manual de instrucciones

• Almacenar o guardar más de las cantidades mínimas de hidrógeno (aprox. 30 ml)

• Medir el voltaje y la corriente con otros medios que no sean los componentes del Dr FuelCellTM Kit

• La electrólisis continua

Seguridad general


3.1.2 Operadores

La maqueta de coche debe ser utilizada solamente por personas ma-yores de 12 años. Los menores deben usar la maqueta de coche sólo bajo la supervisión y guía de un adulto calificado. Los adultos deben asegurarse del manejo correcto. Deben ser conscientes de los posi-bles daños.

Los alumnos que utilicen el equipo deben ser supervisados por per-sonal de enseñanza con experiencia. Cuando los alumnos realicen experimentos, el profesor debe distribuir la sección para el alumno pertinente de la Guía para el profesor del Dr FuelCellTM Model Car Kit y tener copias disponibles en el laboratorio de la Guía rápida del Dr FuelCellTM Model Car Kit.

3.1.3 Equipo de protección

Use anteojos protectores al realizar experimentos.

3.2 Condiciones del lugar

Los componentes del kit de maqueta de coche deben montarse y operarse sobre una superficie lisa y estable, resistente al agua, a una altura recomendada de 75–85 cm.

El aula debe estar bien ventilada.

El aula y el equipo deben cumplir con las normas legales locales.

3.3 Envío y transporte

Antes de enviar o transportar el kit de maqueta de coche:

Vacíe siempre el agua destilada.

Para el envío:

Utilice sólo el recipiente original.

3.4 Medidas de seguridad

Por su propia seguridad:

Utilice solamente los componentes de Dr FuelCellTM, a no ser que se indique lo contrario en las descripciones del experi-mento de la Guía para el profesor.

No conecte los componentes de Dr FuelCellTM a tomas de CA.

La pila de combustible reversible produce hidrógeno, un gas explosi-vo.

Seguridad general


Evite la llama expuesta cerca de los componentes.

No fume.

3.4.1 En caso de emergencia

Si se prende fuego el hidrógeno que se filtra:

1. Desconecte inmediatamente la fuente de potencia eléctrica de la pila de combustible reversible para que deje de producir hidró-geno.

2. Inicie todas las medidas de seguridad.

3. Asegúrese de que todas las personas presentes mantengan una distancia prudente de los componentes.

3.5 Compatibilidad electromagnética

La caja del medidor de carga cumple con la Directiva de compatibi-lidad electromagnética (CEM) 89/336/CEE.

3.6 Garantía

El período de garantía del Dr FuelCellTM Model Car Kit es de 12 me-ses desde la fecha de entrega. La garantía cubre solamente las fallas que ocurren en el contexto del uso correcto de la maqueta de coche y que no sean a causa del operador.

La garantía cubre los componentes faltantes solamente en el momen-to de la entrega. Ciertas características, como la energía y la vida útil de la pila de combustible reversible, no están cubiertas por la garant-ía.

La garantía tampoco cubre las fallas que ocurren por:

• El daño causado por el mal desempeño del cliente

• La reparación alterada o arbitraria del equipo

• El daño causado por terceras partes a causa de la negligen-cia del cliente

Demostración del Dr FuelCell™ Model Car


4 Demostración del Dr FuelCell™ Model Car

El objetivo principal de esta investigación es permitir a los alumnos comenzar a hacer preguntas sobre el aparato y su funcionamiento.

Los alumnos observarán el maqueta de coche, sacarán conclusiones sobre lo que suceda y predecirán y formularán preguntas mientras observan el aparato en funcionamiento.

O-P-P significa Observación, Predicción y Preguntas. Ésas son las fuerzas que impulsan el comienzo de una investigación científica. Las actividades de descubrimiento son exploraciones no definidas de antemano para despertar el interés del alumno y así desee aprender más.

Es importante permitir que los alumnos practiquen estas habilidades intencionalmente y con la guía para el profesor. Esto es apropiado en el principio de una unidad y debe repetirse intermitentemente a lo largo del año escolar para medir el progreso del alumno en el cono-cimiento y dominio de estas habilidades.

Es bueno dejar que los alumnos exploren en el sentido que ellos de-sean, incluso si sus ideas son incorrectas. Los alumnos pueden deba-tir entre ellos acerca de conceptos erróneos pero es mejor que no intervenga, además de dar lugar al pensamiento ampliado sobre los conceptos y permitir que los alumnos con puntos de vista diferentes mantengan esas opiniones de una manera lógica.

4.2 Bases para el profesor

4.2.1 Objetivos

El foco de esta investigación es hacer que los alumnos observen, predigan y formulen preguntas; por lo tanto, no es necesario ningún prerrequisito. Si desde utilizar esta demostración como punto de par-tida para otras investigaciones, es posible que los alumnos necesiten tener ciertas aptitudes, según el foco que desee determinar.

Los alumnos aprenderán la importancia de la observación precisa en la ciencia y la importancia de ser capaz de expresar esta observación de manera concisa.

Actividad de des-cubrimiento

Requisitos

Objetivos de aprendizaje



CONSEJO

Es bueno dejar que los alumnos exploren en el sentido que ellos desean, incluso si sus ideas son incorrectas. Los alumnos pueden debatir entre ellos acerca de conceptos erróneos pero es mejor que no intervenga, además de dar lugar al pensamiento ampliado sobre los conceptos y permitir que los alumnos con puntos de vista dife-rentes mantengan esas opiniones de una manera lógica. Esto es muy importante, ya que un alumno elocuente con un concepto erró-neo puede desorientar a los alumnos más inseguros.

Esta investigación sirve como punto de partida de una variedad de temas:

• El uso de la energía regenerativa

• El funcionamiento de las pilas de combustible

• Los principios de la física, la química y la matemática acumu-lados en la configuración de un panel solar conectado a una pila de combustible reversible.

− La carga electrónica

− El voltaje, la corriente, la Ley de Ohm

− Los conceptos de los átomos, los electrones y las molé-culas

− La oxidación y la reducción

− La descomposición de compuestos químicos

− Las reacciones químicas

− La planificación de gráficos

− y muchas otras cosas...

4.2.2 Horario

La cantidad de tiempo es estimada.

Tarea Tiempo

Preparación previa a la clase 30 minutos

Introducción 15 minutos

Investigación (trabajo grupal) 40 minutos

Tabla 4-1 Cantidad de tiempo

Panorama



4.2.3 Método de enseñanza

Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva

Trabajo escrito (preguntas de los alumnos)

Tarea (preguntas de los alum-nos)

Tabla 4-2 Método de enseñanza ( = malo... =muy bueno)



4.2.4 Información general

Los científicos observan todo lo que sucede en el mundo a su alrede-dor. Estas observaciones comienzan, por lo general, con sucesos poco comunes o peculiares, cosas que despiertan su curiosidad. Un científico dijo: "La cura para el aburrimiento es la curiosidad. ¡Y no hay cura para la curiosidad!"

Muchas invenciones no se habrían llevado a cabo si los científicos no hubieran sentido curiosidad acerca de sus descubrimientos y no se hubieran interesado en los efectos secundarios de sus estudios. Así se descubrieron, por ejemplo, las funciones del horno microondas, que luego se utilizaron en hornos microondas.

Al trabajar en un tubo de magnetrón, en 1946, el Dr. Percy Spencer buscó en su bolsillo una barra de chocolate – encontró el chocolate derretido. Como no sintió calor proveniente del magnetrón, tuvo que averiguar si el calor de su cuerpo o las microondas del magnetrón habían derretido el chocolate. Luego, colocó rosetas de maíz y hue-vos adelante del magnetrón y, cuando regresó, encontró todo sucio. Tras este descubrimiento, las propiedades del microondas comenza-ron a utilizarse tal como las conocemos actualmente.

La demostración del maqueta de coche sirve como punto de partida para otras investigaciones minuciosas.

La curiosidad como motor de los des-

cubrimientos y las inven-ciones posteriores



4.3 La investigación – profesores

4.3.1 Preparación

AVISO

¡Utilice sólo agua destilada!

El agua de canilla y otros líquidos producirán un daño permanente en la membrana de la pila de combustible.

Se ha escogido una base lisa y estable

Pila de combustible reversible

Agua destilada

Maqueta de coche

2 cables de conexión

Panel solar o generador de mano

Lámpara PAR de 100–120 vatios o una fuente luminosa equivalente

1. Coloque la pila de combustible reversible hacia abajo (con los números hacia abajo) sobre la superficie plana.

2. Quite los tapones.

Fig. 4-1 Llenado de la pila de combustible reversible con agua destilada



3. Eche agua destilada en los dos cilindros acumuladores hasta que el agua llegue al tope de los tubos pequeños en el centro de los cilindros.

4. Golpee suavemente la pila de combustible para hacer que el agua corra hacia el área alrededor de la membrana y las placas metálicas recolectoras de corriente.

5. Agregue más agua hasta que comience a desbordar hacia los tubos de los cilindros.

6. Vuelva a colocar los tapones en los cilindros. Asegúrese de que no quede aire atrapado dentro de los cilindros.

CONSEJO

Una burbuja de aire pequeña en el orden de los 0,5 ml no causará problemas y puede pasarse por alto.

7. Si la membrana no fue utilizada durante un tiempo y se secó, déjela en remojo por 20 minutos aproximadamente.

8. Vacíe si desea que los alumnos llenen la pila de combustible re-versible.

La membrana de la pila de combustible reversible ahora estará mo-jada y lista para usar.

Es aconsejable que pruebe esta investigación antes de realizarla en la clase.

4.3.2 En clase

4.3.2.1 Clase expositiva

Concientice siempre a los alumnos para que realicen las in-vestigaciones de manera segura y familiarícese con los posi-bles daños.

PRECAUCIÓN

¡Inicio de fuego por hidrógeno!

Quemaduras en la piel y daños en la pila de combustible.

Evitar las llamas expuestas.

No fumar.

Ventilar el área de trabajo.

Seguridad



Demuestre todo el proceso de puesta en marcha del maqueta de coche mientras estimula a los alumnos a expresar sus observaciones y conjeturas acerca de lo que sucede.

1. Póngase los anteojos protectores y estimule a los alumnos a es-cribir sus observaciones.

2. Llene la pila de combustible reversible con agua destilada, con-sulte PREPARACIÓN en la página 19.

3. En lugar del paso 7 en la preparación, ponga la pila de combus-tible hacia arriba.

CONSEJO

Para esta investigación, se recomienda utilizar el panel solar como fuente de potencia eléctrica. O también puede utilizar el generador de mano (consulte el Manual de instrucciones).

AVISO

Recalentamiento del panel solar.

Mal funcionamiento o daño permanente de las células solares.

Utilice solamente fuentes luminosas con una potencia máxi-ma de 120 vatios.

Mantenga una distancia mínima de 20 cm entre la fuente luminosa y el panel solar.

No concentre la luz.

4. Ajuste el panel solar y la lámpara.

Fig. 4-2 Utilización de la pila de combustible reversible como electrolizador



5. Enchufe las clavijas de punta cónica (1, 3) del cable de conexión rojo en las terminales rojas de la clavija (positivas) del panel solar (1) y la pila de combustible (3).

6. Repita el paso 5 con el cable de conexión negro (2,4) y las ter-minales negativas.

7. Encienda la luz.

La pila de combustible está ahora conectada a la fuente de energía e inmediatamente comenzará a producir hidrógeno y oxígeno.

Cuando el hidrógeno llene el cilindro acumulador:

8. Desconecte la pila de combustible de la fuente de energía desen-chufando las clavijas de punta cónica.

La pila de combustible reversible dejará de producir hidrógeno y oxí-geno.

PRECAUCIÓN

¡Superficie del panel solar y la lámpara demasiado ca-liente!

Quemaduras en la piel.

No toque la superficie caliente del panel solar ni de la lámpara.

Deje que el panel solar y la lámpara se enfríen antes de to-carlos.

9. Apague la luz.

Se ha finalizado la producción de hidrógeno.

10. Escoja un lugar adecuado: plano, llano y sin obstáculos.

Fig. 4-3 Colocación de la pila de combustible reversible en la maqueta de coche

Producción de hidrógeno

Funcionamiento del coche



11. Con las terminales roja y negra hacia la parte delantera del co-che, coloque la pila de combustible reversible en las ranuras de la maqueta de coche hasta que haga clic al insertarse.

AVISO

¡Cortocircuito de la pila de combustible reversible!

Manchas de luz en la membrana que conducen al deterioro de la misma.

No anule la pila de combustible reversible.

12. Conecte la clavija de punta cónica roja (positiva) con la terminal roja (positiva) y la clavija de punta cónica negra (negativa) con la terminal negra (negativa).

El coche se pondrá en marcha.

Si dispone de tiempo, pruebe lo siguiente:

1. Coloque el panel solar y el electrolizador como en los pasos 2–4.

2. Deje que el hidrógeno llene el cilindro acumulador hasta que las burbujas de hidrógeno lleguen hasta la parte superior del tubo pequeño, el depósito superior y el escape.

PRECAUCIÓN



Realice este experimento con sumo cuidado.

3. Sostenga un fósforo encendido sobre las burbujas para ver y oír el efecto del hidrógeno quemándose.

4. Haga que los alumnos manifiesten sus observaciones y comien-cen a debatirlas.

4.3.3 Tarea

Para esta primera investigación, no se han diseñado preguntas espe-ciales ya que el objetivo es que los alumnos observen, predigan y formulen preguntas. Sin embargo, estos objetivos pueden cumplirse escribiendo las observaciones, predicciones y preguntas, y posible-mente se saquen conclusiones.

Cómo hacer que el hidrógeno se escuche



4.3.4 Trabajo escrito

Igual que la tarea.


5 Orientación del panel solar

Esta investigación permite a los alumnos explorar cómo la orienta-ción de las células solares puede tener como resultado la maximiza-ción de la potencia eléctrica producida.

Los alumnos aprenderán cómo la producción de potencia eléctrica a partir de los paneles solares depende de la intensidad de la fuente luminosa y cómo la intensidad depende de la orientación de las célu-las solares.


5.1.1 Objetivos

Para garantizar el éxito en el aprendizaje, los alumnos ya deben estar familiarizados con:

• La medición de las características eléctricas

• El conocimiento de las diferentes formas de energía, carga electrónica, corriente y voltaje

• La planificación de un gráfico

• El conocimiento de los circuitos eléctricos

• La latitud geográfica, el ángulo del sol

En esta investigación, los alumnos aprenderán:

• Cómo la producción de potencia eléctrica depende de la in-tensidad de la entrada de energía

• La medición de la corriente de cortocircuito

• La conversión de energía

• La radiación solar y cómo depende de la latitud geográfica

Esta investigación sirve como punto de partida de una variedad de temas, por ejemplo:

• Cómo funciona una célula solar

• Los conceptos de electrones, átomos, etc.

• Los semiconductores

• La energía renovable

Requisitos


Panorama

Orientación del panel solar


• Los recursos

• La producción de potencia eléctrica

5.1.2 Horario


Tarea Tiempo


Introducción 15 minutos

Investigación (trabajo grupal) 35 minutos

Tiempo necesario para que los alumnos respondan preguntas

45 minutos

Tabla 5-1 Cronograma


Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva







Las células solares individuales convierten la radiación de la energía de la luz solar en electricidad. El panel solar provisto con el kit de maqueta de coche consiste en varias células solares conectadas en serie. El panel puede producir energía suficiente como para accionar el kit.

Las células solares son ejemplos de tecnología eléctrica útil ya que pueden transformar la energía sostenible de la luz solar en electrici-dad. La fuente luminosa que se utilizará en estas investigaciones es una lámpara incandescente pero, en las aplicaciones prácticas, se utiliza luz solar. En el mundo entero, tenemos luz solar en varios momentos a lo largo del día. El sol es la estrella más cercana a la tierra y parece moverse a través del cielo todos los días. Pero, en realidad, la tierra viaja en órbita alrededor del sol mientras que, al mismo tiempo, gira sobre su eje. Sin embargo, a menudo necesita-mos potencia eléctrica cuando no hay luz solar, por ejemplo, a la noche. Esto significa que, si queremos acumular el máximo de luz solar con un dispositivo de células solares estacionario, debemos colocarlo en la mejor posición para recibir la cantidad máxima de energía disponible. Si una célula solar está conectada a un electroli-zador, la radiación de energía de la luz solar puede almacenarse como gas oxígeno e hidrógeno. Una pila de combustible puede utili-zar estos gases para producir electricidad cuando sea necesario.

El principio de una célula solar es que convierte una corriente de fotones (la radiación de energía de la luz solar) en una corriente de electrones (electricidad). La conversión o transferencia de energía de una forma a electricidad es el principio detrás de cualquier genera-dor eléctrico. Los generadores eléctricos incluyen paneles solares, generadores de motores de gas o diesel, las turbinas hidroeléctricas y las pilas de combustible.



Fig. 5-1 Flujo de electrones en las células solares

Una célula solar contiene capas de dos tipos de silicona. Los fotones que golpean contra su superficie sueltan los electrones de una capa. Los electrones son atraídos hacia la otra capa. Si ambas capas están conectadas a través de un circuito externo, los electrones fluirán a través de ese circuito. El flujo de electrones se advierte como una corriente eléctrica. A medida que se suministre más luz a la célula solar, hay más fotones disponibles para soltar los electrones, y así se genera más corriente eléctrica.



Fig. 5-2 Cascada como imagen de la corriente

Este flujo de electrones puede considerarse parecido a una cascada y tiene dos valores que se miden con facilidad. Una medida es como la altura de la cascada, que es un valor fijo. En las unidades eléctri-cas, es el potencial eléctrico, medido en voltios. La otra medida es como la cantidad de agua que cae por la cascada, y nos permite trabajar con el agua. En las unidades eléctricas, esto se denomina la corriente, que se mide en amperios (o amp). La milésima parte de un amperio se denomina miliamperio, o mA.




En esta investigación, el panel solar está conectado a la caja del medidor de carga para obtener información que ilustre la relación entre la corriente y la intensidad de la luz.

5.2.1 Preparación

Pruebe la investigación antes de la clase para asegurarse de que la fuente luminosa puede colocarse en una posición en la que propor-cione una iluminación pareja y una corriente reproducible y estable desde el panel solar, consulte SECCIÓN PARA EL ALUMNO en la página 40.

CONSEJO

Para el trabajo en grupo puede ser útil proporcionar un transportador grande que los alumnos puedan colocar sobre la mesa de trabajo cuando ajustan el panel solar. Aquí se ofrece una plantilla de dicho transportador para que pueda copiarla, consulte Fig. 5-10 en la página 46.

5.2.2 En clase

Según el enfoque didáctico y la cantidad de paneles solares a mano, puede escoger dar la clase con una lección expositiva o con trabajo grupal. El trabajo grupal tiene la ventaja de hacer que la ciencia sea más tangible y fácil de entender. La lección expositiva tiene la ventaja de que sólo se necesita un kit de maqueta de coche y que puede guiar a los alumnos más directamente.


Cualquiera sea el enfoque que utilice, siempre es útil una corta in-troducción previa.

Puede introducir la investigación del panel solar mediante esta breve demostración:

Linterna

Tiza y pizarrón

Antes de la clase

Seguridad

Cómo introducir el tema



Fig. 5-3 Demostración del ángulo de incidencia

1. Ilumine con una linterna directamente hacia el pizarrón (ver ) desde exactamente 1 metro del pizarrón y con la luz en el pi-zarrón perpendicular al mismo (es decir, el ángulo en el cual la luz apunta en el pizarrón debe ser de 0º).

El ángulo de incidencia es de 0º a una distancia de 1 metro.

2. Marque el contorno del círculo de luz con una tiza (ver ).

3. Cambie el ángulo de incidencia a 45º (ver ).

4. Marque el contorno del elipse (ver ).

5. Haga que los alumnos calculen las áreas dentro del elipse / círculo.

El área de un elipse se calcula de la siguiente manera: A = (π/4) × d × D El área de un círculo se calcula de la siguiente manera: A = π × r2

6. Haga que los alumnos comparen la densidad de los fotones que golpean la superficie del círculo con la densidad de los fotones que golpean la superficie de la elipse, asumiendo que la canti-dad de fotones que emite la linterna es constante.



La densidad es la cantidad de fotones por área, ya que la cantidad de fotones es constante y ya que la fuente de los mismos es la misma (la linterna). Cuanto más grande es el área, menor es la densidad de fotones.

7. Deje que los alumnos predigan de qué manera influirá el ángulo de incidencia en el resultado del módulo solar en la siguiente in-vestigación.

5.2.2.2 Trabajo grupal

En la sección ¿CÓMO PODEMOS MAXIMIZAR LA POTENCIA ELÉC-TRICA QUE PROVIENE DEL PANEL SOLAR?, en la página 40, encon-trará una descripción de la investigación de los alumnos.

Para el trabajo grupal se necesitan varias maquetas de coche.

Distribúyalas entre los alumnos y hágalos trabajar en grupos pequeños.

Las preguntas de la investigación provistas en las sección ¿CÓMO PODEMOS MAXIMIZAR LA POTENCIA ELÉCTRICA QUE PROVIENE DEL PANEL SOLAR?, en la página 40, están diseñadas para el traba-jo grupal. Mientras realizan el experimento, los alumnos deben ser alentados a cuestionar sus acciones y escribir sus descubrimientos de tal manera que puedan sacar conjeturas y conclusiones.

CONSEJO

Recuerde a los alumnos que deben comprobar la distancia hasta el centro del panel cada vez, para que la distancia desde la fuente lu-minosa no sea otra variable.


Realice la investigación adelante de los alumnos y diséñela de tal manera que ellos puedan participar con sugerencias, conjeturas y debates; así logrará involucrarlos en la investi-gación.

Panel solar

Caja del medidor de carga

Dos cables de conexión, rojo y negro


Cinta métrica

Transportador para medir los ángulos (o haga su propio transportador de papel con la plantilla en la página 46)

Investigación



En esta investigación, maximizar la corriente no es importante. Una corriente en el rango de los 100–150 mA es suficiente. Es probable que esta corriente se obtenga a 30-40 cm de distancia. Evite la ilu-minación que tenga “puntos” brillantes ya que los movimientos leves de la luz o del panel producen cambios erráticos en la corriente.

PRECAUCIÓN




Deje que el panel solar y la lámpara se enfríen antes de tocarlos.

PRECAUCIÓN




No fumar.


Fig. 5-4 Coloque el panel solar y la caja del medidor de carga

1. Con los cables, conecte el panel solar a las terminales de la caja del medidor de carga: negro con negro y rojo con rojo.

2. Coloque la fuente luminosa en la posición correcta.



3. Gire la perilla de LOAD a SHORT CIRCUIT.

4. Presione el botón de encendido y apagado.

5. Compruebe si aparece un número en la ventana "A". Si no apa-rece nada, revise las conexiones. Si aparece un número negativo, tiene las conexiones al revés y deberá cambiarlas.

AVISO

¡Recalentamiento del panel solar!





6. Ajuste el panel solar y la fuente luminosa para que estén a una distancia de 40 cm y el ángulo de incidencia sea de 0º exacta-mente. O sea, el panel mira directamente hacia la fuente lumino-sa.

7. Encienda la luz.

8. Mueva la luz hacia el panel solar o aléjela del mismo, mante-niendo el ángulo de incidencia a 0º, hasta que la corriente que aparece en la ventana "A" esté entre 0.100 y 0.150 amperios. Para evitar que el panel solar se recaliente, no acerque la luz más de 20 cm.

9. Haga que un alumno lea la corriente en voz alta y mida la dis-tancia.

Corriente: 150 mA Distancia entre la luz y el panel solar: 40 cm

CONSEJO

La corriente máxima en 0º variará con la lámpara y la distancia pero el cambio proporcional en la corriente será el mismo.

10. Haga que otro alumno escriba los resultados en una tabla, en el pizarrón.

Participación de los alumnos



CONSEJO

Observe que el número que aparece tiene una coma decimal ade-lante. Por ejemplo, el número .105 A representa un poco más que un décimo de un amperio, o 105 miliamperios.

11. Coloque el panel solar de manera tal que el ángulo de inciden-cia esté a exactamente 90º de la fuente luminosa, con cuidado de mantener el centro de panel solar exactamente igual que an-tes.

12. Haga que un alumno escriba la corriente que aparece en el am-perímetro.

13. Por los resultados obtenidos hasta este momento, haga que los alumnos predigan cuál es la corriente con un ángulo de 10º.

14. Haga que otro alumno escriba las predicciones en la tabla, en el pizarrón.

15. Con la plantilla de transportador, haga que un alumno ajuste el ángulo de incidencia del panel solar a 10º, manteniendo el cen-tro del panel solar exactamente igual que antes.

16. Haga que un alumno grabe la corriente real en la tabla, en el pizarrón.

Ángulo de inci-dencia (grados)

Corriente predicha (mA) linear

Corriente real (mA)

0º – 150

10º 133 148

20º 117 143

30º 100 130

40º 83 123

50º 67 108

60º 50 88

70º 33 63

80º 17 38

90º – 10

Tabla 5-3 Ángulo de incidencia – muestra de posibles soluciones (los valores son ejemplos y pueden variar)




CONSEJO

Para los alumnos avanzados, señale la relación coseno de corriente y ángulo y haga que los alumnos predigan los valores de la relación coseno.

Fig. 5-5 Colocación del panel solar

17. Haga que los alumnos sigan prediciendo y midiendo de la misma manera a intervalos de 10º hasta que lleguen a los 80º.

18. Cuando ya hayan realizado y grabado las mediciones, haga que utilicen la información de TABLA 5-4 ÁNGULO DE INCIDENCIA para dibujar un gráfico que indique los descubrimientos.




Fig. 5-6 La corriente en función del ángulo de incidencia (resultados)

5.2.2.4 Trabajo escrito

Puede estimular a los alumnos a responder las preguntas en la sec-ción PREGUNTAS – alumnos, en la página 45, en silencio o de a dos. Eso depende de las aptitudes de los alumnos y de su método de enseñanza.

5.2.2.5 Tarea

Las preguntas provistas en la sección PREGUNTAS – alumnos, en la página 45, también pueden darse como tarea si los alumnos no ne-cesitan la ayuda del profesor para responderlas.

5.2.3 Preguntas y respuestas

1. ¿Qué es un amperio? ¿Qué es un miliamperio?

Un amperio es una medida de la corriente eléctrica. Un miliamperio es un milésimo de un amperio.



2. ¿Es el miliamperio una medida útil para ver a qué ángulo funcio-na mejor el panel solar?

El miliamperio es una medida útil del mejor ángulo de funcionamiento del panel solar porque es una medida pequeña apropiada para el dispositivo de células solares y es lo suficientemente sensible como para permitirnos ver cómo afecta el ángulo de incidencia de la fuente lu-minosa al flujo de corriente del panel solar.

3. ¿Qué descubriste acerca de la orientación del panel solar hacia la fuente luminosa?

Descubrí que a medida que la fuente luminosa cambiaba desde un ángulo de incidencia bajo a uno más alto, dis-minuía la corriente.

4. ¿Por qué es importante mantener el centro del panel solar exac-tamente a la misma distancia de la fuente luminosa con cada ángulo diferente? ¿Es esto importante cuando se utiliza la luz so-lar como fuente?

Si queremos comparar todos los resultados, entonces es importante mantener el centro del panel solar exacta-mente a la misma distancia de la fuente luminosa con cada ángulo diferente. Cuando utilizamos la luz solar como fuente luminosa, el sol está tan lejos del panel so-lar que la distancia en la mesa de trabajo es insignifican-te.

5. ¿Cómo se compara tu predicción sobre el ángulo de 10º con el resultado real? ¿Cómo ajustaste las predicciones para los otros ángulos? ¿Fueron haciéndose más exactas como resultado de las medidas reales?

Mi predicción para el ángulo de 10º fue diferente al re-sultado real. Pensé que habría una diferencia mayor. Las diferencias entre cada medida se hicieron cada vez más grandes a medida que aumentaba el ángulo de inciden-cia, así que fui aumentando las diferencias cada vez más.

6. Con el gráfico, ¿pudiste realizar una predicción bastante exacta de la corriente con 25º o 75º? ¿Hay alguna manera de que compruebes tus predicciones con 25º o 75º?

Se pueden comprobar mis predicciones con 25º y 75º realizándolo y obteniendo los resultados del amperíme-tro.

7. Para obtener la corriente máxima, hemos apuntado la fuente luminosa y el panel solar en la misma línea. El sol parece mover-se tanto horizontal como verticalmente. ¿Qué sería necesario sa-ber antes de adosar permanentemente un panel solar sobre tu escuela?

Necesitaría determinar la latitud y dónde está el sur ge-ográficamente antes de adosar permanentemente un pa-



nel solar sobre la escuela. Sería como ajustar la posición de un reloj de sol.

8. El régimen de producción de potencia eléctrica, ¿será el mismo para cada día del año? ¿Por qué? ¿Qué podrías planificar al respecto? ¿La solución debe necesariamente ser práctica?

El régimen de producción de potencia eléctrica no será el mismo para cada día del año a causa del clima o el momento del año. Se podría hacer un soporte motoriza-do para el panel solar que automáticamente siga al sol o localice el punto más brillante en un cielo cubierto. Podr-ía ser demasiado caro armarlo y también podría presen-tar más problemas o malos resultados.

9. ¿Cómo podemos maximizar la potencia eléctrica que proviene del panel solar?

Podemos maximizar la potencia eléctrica proveniente del panel solar posicionándola correctamente.



Secc

ión

para

el a

lum

no

5.3 Sección para el alumno

En esta investigación, examinarás la influencia del ángulo de inci-dencia de la fuente luminosa en la potencia eléctrica proveniente del panel solar.

5.3.1.1 ¿Cómo podemos maximizar la potencia eléctrica que proviene del panel solar?

Ponte anteojos protectores cuando hagas este experimento.

Panel solar


Dos cables de conexión, rojo y negro


Cinta métrica

Transportador para medir los ángulos (o haz tu propio trans-portador de papel con la plantilla en la página 46)

PRECAUCIÓN



No toques la superficie caliente del panel solar ni de la lámpara.

Deja que el panel solar y la lámpara se enfríen antes de to-carlos.

PRECAUCIÓN




No fumar.


Seguridad




1. Con los cables, conecta el panel solar a las terminales de CU-RRENT de la caja del medidor de carga: negro con negro y rojo con rojo.

AVISO



Utiliza solamente fuentes luminosas con una potencia máxima de 120 vatios.

Mantén una distancia mínima de 20 cm entre la fuente lu-minosa y el panel solar.

No concentres la luz.

2. Coloca la fuente luminosa en la posición correcta.

3. Gira la perilla de LOAD a SHORT CIRCUIT.

Presiona el botón de encendido y apagado.

4. Comprueba si aparece un número en la ventana "A". Si no apa-rece nada, revisa las conexiones. Si aparece un número negativo, tienes las conexiones al revés y deberás cambiarlas.

Fig. 5-7 Coloca el panel solar y la caja del medidor de carga

5. Ajusta el panel solar y la fuente luminosa para que estén a una distancia de 40 cm y el ángulo de incidencia sea de 0º exacta-mente. O sea, el panel mira directamente hacia la fuente lumino-sa.

6. Enciende la luz.



Secc

ión

para

el a

lum

no

7. Mueve la luz hacia el panel solar o aléjala del mismo, mante-niendo el ángulo de incidencia a 0º, hasta que la corriente que aparece en la ventana "A" esté entre 100 y 150 amperios. Para evitar que el panel solar se recaliente, no acerques la luz más de 20 cm.

8. Mide la distancia y escríbela.

9. Escribe la corriente que aparece en el amperímetro en la tabla de abajo.

CONSEJO

Observa que el número que aparece tiene una coma decimal ade-lante. Por ejemplo, el número .105 A representa un poco más que un décimo de un amperio, o 105 miliamperios.

Ángulo de inci-dencia [grados]

Corriente predi-cha [mA]

Corriente real [mA]

0º

10º

20º

30º

40º

50º

60º

70º

80º

90º

Tabla 5-4 Ángulo de incidencia

10. Coloca el panel solar de manera tal que el ángulo se incidencia esté a exactamente 90º de la fuente luminosa, con cuidado de mantener el centro de panel solar exactamente igual que antes.

11. Escriba la corriente que aparece en la ventana del amperímetro.

Por los resultados obtenidos hasta este momento, puedes predecir cuál es la corriente con un ángulo de 10º:

12. ¿Cuál crees que será la corriente con un ángulo de incidencia de 10º? Escribe tu predicción en TABLA 5-4 ÁNGULO DE INCI-DENCIA.

13. Con la plantilla de transportador (consulte FIG. 5-10 en la pági-na 46), ajusta el ángulo de incidencia del panel solar a 10º,

¡Obtén los resul-tados!




manteniendo el centro del panel solar exactamente igual que an-tes.

14. Registra la corriente real en TABLA 5-4 ÁNGULO DE INCIDEN-CIA.

Fig. 5-8 Colocación del panel solar

15. Sigue prediciendo y midiendo de la misma manera a intervalos de 10º hasta llegar a los 80º. Comprueba la distancia al centro del panel solar para cada medida.

16. Cuando hayas realizado y registrado las medidas, utiliza la in-formación para dibujar un gráfico que indique tus descubrimien-tos en el espacio de abajo.

La parte experimental ya finalizó; para obtener más información, de-bes procesar la información:

17. Utilizando la información de TABLA 5-4 ÁNGULO DE INCIDEN-CIA, completa el gráfico de abajo con tus descubrimientos.



Secc

ión

para

el a

lum

no

Fig. 5-9 La corriente como función del ángulo de incidencia

Ahora sí culminó la investigación y la recopilación de datos. Así que puedes continuar interpretando tus descubrimientos y comprobando tu conocimiento.

Pero antes:

Apaga la fuente luminosa.

Deja que se enfríe el panel solar. Desmonta el equipo con cuidado y regrésalo.




5.3.2 Preguntas – alumnos

Utiliza una hoja extra para responder las preguntas.

1. ¿Qué es un amperio? ¿Qué es un miliamperio?

2. ¿Es el miliamperio una medida útil para ver a qué ángulo funcio-na mejor el panel solar?

3. ¿Qué descubriste acerca de la orientación del panel solar hacia la fuente luminosa?

4. ¿Por qué es importante mantener el centro del panel solar exac-tamente a la misma distancia de la fuente luminosa con cada ángulo diferente? ¿Es esto importante cuando se utiliza la luz so-lar como fuente?

5. ¿Cómo se compara tu predicción sobre el ángulo de 10º con el resultado real? ¿Cómo ajustaste las predicciones para los otros ángulos? ¿Fueron haciéndose más exactas como resultado de las medidas reales?

6. Con el gráfico, ¿pudiste realizar una predicción bastante exacta de la corriente con 25º o 75º? ¿Hay alguna manera de que compruebes tus predicciones con 25º o 75º?

7. Para obtener la corriente máxima, hemos apuntado la fuente luminosa y el panel solar en la misma línea. El sol parece mover-se tanto horizontal como verticalmente. ¿Qué sería necesario sa-ber antes de adosar permanentemente un panel solar sobre tu escuela?

8. El régimen de producción de potencia eléctrica, ¿será el mismo para cada día del año? ¿Por qué? ¿Qué podrías planificar al respecto? ¿La solución debe necesariamente ser práctica?

9. Cuál es la respuesta a la pregunta del comienzo de esta investi-gación: ¿Cómo podemos maximizar la potencia eléctrica que proviene del panel solar?



Secc

ión

para

el a

lum

no

5.3.3 Plantilla para la orientación del panel solar

Fig. 5-10 Plantilla para la orientación del panel solar


6 Electrólisis simple

En esta investigación, se examinará el proceso de división de un compuesto. Se investigará qué sucede cuando la electricidad fluye en el agua.

El objetivo principal de esta investigación es permitir que los alumnos comiencen a formular preguntas respecto a la energía y el agua. Ésta no es una investigación cuantitativa que necesite ser totalmente ex-presada en fórmulas y reacciones ya que éstas se desarrollarán en las próximas dos investigaciones.


6.1.1 Objetivos


• Características eléctricas

• Diferentes formas de energía

• Principio de las moléculas


• La división de moléculas

• Las reacciones químicas

• La estructura y las propiedades de la materia

• El comportamiento de los iones

• La carga electrónica, el ánodo, el cátodo

• Los electrolitos

• La oxidación y la reducción


• Qué procesos requieren la separación de las moléculas


• La energía renovable

• La autoprotólisis del agua

Requisitos


Panorama

Electrólisis simple


6.1.2 Horario


Tarea Tiempo


Investigación 35 minutos


35 minutos

Tabla 6-1: Cronograma


Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva



Tabla 6-2: Método de enseñanza ( = malo... =muy bueno)




La materia está hecha de pequeñas partículas que los científicos de-nominan átomos. A menudo, los átomos se combinan para formar moléculas. Los compuestos iónicos, como el sodio cloruro, están compuestos por partículas que se forman cuando los átomos pierden o ganan electrones. Un elemento es una sustancia que consiste en átomos de un solo tipo.

El oxígeno es un elemento y cada molécula de oxígeno está hecha de dos átomos de oxígeno unidos químicamente. En la abreviatura científica, el oxígeno es O y una molécula de oxígeno se escribe co-mo O2.

De la misma manera, el hidrógeno es otro elemento y cada molécula de hidrógeno se compone de dos átomos de hidrógeno unidos quí-micamente. Una molécula de hidrógeno se escribe como H2.

Un compuesto se describe por su fórmula. Por ejemplo, la sal de mesa está compuesta de un átomo del elemento sodio unido quími-camente con un átomo del elemento cloro. Este compuesto iónico se denomina sodio cloruro. La abreviatura del sodio es Na y la del cloro es Cl. Por lo tanto, la fórmula del sodio cloruro es NaCl. El agua es un compuesto que contiene dos átomos del elemento hidrógeno y un átomo del elemento oxígeno. La fórmula del agua es H2O.

A menudo, al aplicar energía a una molécula, ésta se divide. La energía necesaria es generalmente calor, luz o electricidad. La divi-sión es un tipo de cambio denominado "reacción química". Al dividir-se la molécula, los átomos pueden volver a unirse para formar dife-rentes sustancias.

2 H2O ↔ 2 H2 + O2

Luego, estas nuevas sustancias pueden utilizarse para hacer otros compuestos o incluso para volver a hacer la molécula original, y puede regresar un poco de la energía que se utilizó al dividir la molécula original.

El sufijo latino -lisis significa disolver o separar. Por lo tanto, la electrólisis es el uso de un electrón para separar o dividir algo.

Este tipo de pensamiento sobre la información general de una inves-tigación a menudo ayuda con las observaciones y nos permite com-prender lo que estamos viendo.

En general, el término ánodo se refiere al electrodo donde ocurre la reacción de oxidación; o sea, una reacción en la cual hay una pérdi-da de electrones.

De la misma manera, el término cátodo se refiere al electrodo donde ocurre la reacción de reducción; o sea, una reacción en la cual hay un incremento de electrones. En esta investigación, el electrodo ad-herido al lado positivo (rojo) del panel solar suelta oxígeno y es el ánodo. El otro electrodo, adherido al lado negativo (negro) del panel solar suelta pequeñas burbujas de hidrógeno y es el cátodo.

La materia

Los compuestos químicos

Ánodo – oxida-ción

Cátodo – reduc-ción




6.2.1 Preparación

Pruebe la investigación antes de la clase para comprobar que todo funciona correctamente.

6.2.2 En clase

Según el enfoque didáctico y la cantidad de paneles solares a mano, puede escoger dar la clase con una lección expositiva o con trabajo grupal.


Asegúrese de proporcionar anteojos protectores a los alum-nos y póngaselos usted también.

PRECAUCIÓN




No fumar.



Para el trabajo grupal se necesitan varios paneles solares.

Mientras realizan el experimento, los alumnos deben ser alentados a cuestionar sus acciones y escribir sus descubrimientos de tal manera que puedan sacar conjeturas y conclusiones; consulte la página 58.


Para la clase expositiva sólo se necesita un panel solar.

Puede ser útil agrandar la investigación utilizando, en vez de un vaso de laboratorio, un plato Petri colocado en un retroproyector.

Los pasos 2.-6. pueden llevarse a cabo antes de la clase o puede llevarlos a cabo un alumno para ahorrar tiempo.

Anteojos protectores


Seguridad

Investigación



CONSEJO

Como alternativa al panel solar, también puede utilizar el generador de mano como fuente de potencia eléctrica (consulte con el Manual de instrucciones).

Dos cables de conexión

Dos trozos de papel aluminio de 10 cm × 5 cm

Lápiz

Vaso de plástico de 200 ml transparente o vaso de laborato-rio de 250 ml (o plato Petri)

CONSEJO

Si no tiene vasos de laboratorio y utiliza vasos de plástico, trate que sean de base ancha porque son más estables.

150 ml de agua destilada

1 cuchara grande de sal de mesa

Lámpara PAR de 100–120 vatios, una fuente luminosa equi-valente o luz solar brillante

Cinta adhesiva para sujetar el papel aluminio

Lupa (opcional)

Retroproyector y plato Petri (opcional)

1. Póngase los anteojos protectores.

Fig. 6-1 Cómo hacer electrodos simples

2. Enrolle un lápiz con un trozo de papel aluminio.

3. Utilice un trozo pequeño de cinta para sostener el papel en forma de cilindro y sacarlo del lápiz deslizándolo.

Cómo hacer el ánodo y el cátodo



4. Coloque un extremo del cilindro sobre la punta metalizada de un cable de conexión, apriete el papel y envuelva el extremo con cinta para que quede bien asegurado.

5. Aplaste el otro extremo del cilindro de papel, formando un elec-trodo.

6. Repita este paso con otro trozo de papel y el otro cable de co-nexión.

7. Vierta 150 ml de agua destilada en un vaso de laboratorio o vaso plástico pequeño (opcionalmente, un plato Petri, que se puede colocar en un retroproyector para agrandar la observa-ción).

Fig. 6-2 Electrólisis simple

8. Doble los electrodos de aluminio y cuélguelos del borde del vaso (o plato) con los electrodos inmersos en el agua destilada. Los extremos de metal de los cables de conexión no deben tocar el agua directamente.



AVISO






9. Coloque el panel solar directamente frente a la fuente luminosa pero no más cerca de 20 cm.

PRECAUCIÓN





10. Encienda la luz pero aún no conecte los cables de conexión.

11. Pregunte a los alumnos qué piensan que sucederá cuando se conecten los cables al panel solar y por qué.

La electricidad pasará a través del agua. Quizás sepa-rará el agua en hidrógeno y oxígeno.

12. Conecte los cables al panel solar: rojo con rojo y negro con negro. Los conectores en la célula solar tienen el mismo color en general. el rojo es el positivo y el negro, el negativo.

13. Haga que los alumnos observen qué sucede bajo el agua en la superficie de cada electrodo. Deje que hagan sugerencias y for-mulen hipótesis acerca de lo sucedido.

No sucede nada.

Explicación: No hay corriente en el agua destilada.


Electrólisis




PRECAUCIÓN

¡Formación de cloro!

Irritación en la piel y en los órganos respiratorios.

No agregue más de una cucharada grande de sal a 150 ml de agua destilada. Si se agrega demasiada sal, puede for-marse cloro.

14. Levante los electrodos del agua y póngalos a un lado. Agregue una cucharada grande de sal de mesa al agua y revuelva hasta que la sal se disuelva por completo.

15. Vuelva a colocar los electrones en el agua, que ahora es una solución salina.

16. Haga que los alumnos observen qué sucede bajo la solución, en la superficie de cada electrodo. Puede utilizar una lupa.

Se levantan pequeñas burbujas del electrodo negro. Se levantan burbujas más grandes, y en menor cantidad, del electrodo rojo.

Explicación: Ahora el agua contiene iones que conducen la electrici-dad. Hay burbujas pequeñas (de hidrógeno) en el electrodo negro (cátodo) y más grandes, y en menor cantidad (de oxígeno) en el elec-trodo rojo (ánodo).

17. Quite los electrodos de la solución salina y sáquelos de los ca-bles de conexión.

18. Tire el papel aluminio como corresponde.

19. Vacíe la solución salina y lave el vaso para poder volver a usarlo.

20. Desconecte los cables.


Puede estimular a los alumnos a responder las preguntas en la sec-ción PREGUNTAS, en la página 62, en silencio o de a dos. Eso de-pende de las aptitudes de los alumnos y de su método de enseñanza.

6.2.2.5 Tarea

Las preguntas provistas en la sección PREGUNTAS, en la página 62, también pueden darse como tarea si los alumnos no necesitan la ayuda del profesor para responderlas.





1. ¿Cuál es el motivo por el cual debemos asegurar el panel solar en forma perpendicular a la fuente luminosa y no más cerca de 20 cm?

El panel solar se coloca en perpendicular a la luz para poder obtener la mayor cantidad de energía de la fuente luminosa. La fuente luminosa debe estar por lo menos a 20 cm del panel solar para evitar el recalentamiento.

2. ¿Por qué se agrega sal al agua y cómo cambia? ¿Qué sucede cuando los electrodos están bajo el agua y conectados al panel solar?

Se agrega sal al agua para permitir que fluya la electrici-dad. Cuando se agrega la sal, comienza a fluir la electri-cidad y aparecen burbujas en la superficie de los electro-dos de papel aluminio.

3. Durante la electrólisis, el electrodo adherido al cable de conexión negro se denomina CÁTODO. ¿El cátodo es positivo o negativo con respecto al otro electrodo?

El cátodo es más negativo que el otro electrodo.

4. Durante la electrólisis, el electrodo adherido al cable de conexión rojo se denomina ÁNODO. ¿El ánodo es positivo o negativo con respecto al otro electrodo?

El ánodo es más positivo que el otro electrodo.

5. Cuando se conectaron los cables al panel solar, ¿qué observaste que sucedió en el cátodo?

Cuando conecté los cables al panel solar vi que el cáto-do soltaba burbujas muy pequeñas.

6. ¿Sucedía lo mismo con el ánodo? ¿Cuál crees que es el motivo de las diferencias en tus observaciones?

Cuando miré el ánodo después de conectar los cables al panel solar vi que se formaban burbujas más grandes sobre él pero que no subían a la superficie tan a menu-do. Creo que cada electrodo producía diferentes gases.

7. ¿Qué evidencia tenemos de que el agua puede dividirse por me-dio de la electricidad?

Vimos que cuando fluye electricidad en el agua, se pro-ducen distintos gases en los dos puntos donde la corrien-te ingresa al agua. Es probable que estos gases sean los elementos de los que se compone el agua.

8. Mirando la fórmula científica del agua, H2O, ¿qué crees que sucedió en esta investigación? ¿Cómo puedes estar seguro?

El agua está hecha de dos elementos, oxígeno e hidró-geno. Ambos son gases y cuando el agua se divide por la electricidad, los gases se transforman en burbujas y sa-



len a la superficie. Creo que podríamos recoger los ga-ses para estar seguros de qué son.

9. ¿Qué preguntas tienes acerca de este proceso?

Acepte cualquier pregunta que realicen los alumnos. Quizás ellos quieran saber qué sucedería si utilizáramos una luz más fuerte o más paneles solares, o si agregáramos alguna otra cosa al agua, como azúcar o más sal, o quizás tengan cualquier otra sugerencia. Algunos pueden observar que los gases parecen salir de diferente manera: con burbujas más grandes o más chicas, etc.

Este proceso sirve para estimular la formulación de preguntas que vayan más allá de la experiencia inmediata, para dejar que la curio-sidad de los alumnos los incite a realizar otras investigaciones, ya sean parte de esta experiencia o alguna otra que pueda aportar a esta unidad. Puede ser útil realizar preguntas durante la investigación correspondiente.

10. ¿Cuál es el nombre científico de este proceso?

El nombre científico de la división del agua con electrici-dad se denomina electrólisis.



Secc

ión

para

el a

lum

no


En esta investigación, aprenderás si es posible dividir el agua con potencia eléctrica o no.

6.3.1 ¿Se puede dividir el agua con electricidad?

En esta investigación, aplicarás potencia eléctrica al agua / solución salina y observarás los resultados.


PRECAUCIÓN




No fumar.




CONSEJO

Como alternativa al panel solar, tu profesor también puede pedirte que uses el generador de mano como fuente de potencia eléctrica (consulta con el Manual de instrucciones).


Lápiz

Dos trozos de papel aluminio de 10 cm × 5 cm

Vaso de plástico de 200 ml transparente o vaso de laborato-rio de 250 ml

150 ml de agua destilada

1 cuchara grande de sal de mesa

Lámpara PAR de 100–120 vatios, una fuente luminosa equi-valente o luz solar brillante

Seguridad




Cinta adhesiva para sujetar el papel aluminio

Lupa (opcional)

1. Ponte los anteojos protectores.

Fig. 6-3 Material para los electrodos simples

2. Enrolla un lápiz con un trozo de papel aluminio.

3. Utiliza un trozo pequeño de cinta para sostener el papel en forma de cilindro y sacarlo del lápiz deslizándolo.

4. Coloca un extremo del cilindro sobre la punta metalizada de un cable de conexión, aprieta el papel y envuelve el extremo con cinta para que quede bien asegurado.

5. Aplasta el otro extremo del cilindro de papel, formando un elec-trodo.

6. Repite este paso con otro trozo de papel y el otro cable de co-nexión.

7. Vierte 150 ml de agua destilada en un vaso chico de laboratorio o un vaso de plástico transparente.

8. Dobla los electrodos de aluminio y cuélgalos del borde del vaso con los electrodos inmersos en el agua destilada. Los extremos de metal de los cables de conexión no deben tocar el agua direc-tamente.

Fig. 6-4 Electrólisis simple

Cómo hacer el ánodo y el cátodo



Secc

ión

para

el a

lum

no

AVISO



Utiliza solamente fuentes luminosas con una potencia máxi-ma de 120 vatios.

Mantén una distancia mínima de 20 cm entre la fuente lumi-nosa y el panel solar.


9. Coloca el panel solar directamente frente a la fuente luminosa pero no más cerca de 20 cm.

PRECAUCIÓN





10. Enciende la luz pero aún no conectes los cables de conexión.

11. ¿Qué crees que sucederá cuando conectes los cables al panel solar? ¿Por qué? Ingresa la respuesta en tu planilla de laborato-rio antes de continuar.

12. Conecta los cables al panel solar: rojo con rojo y negro con ne-gro. Los conectores en la célula solar tienen el mismo color en general. El rojo es el positivo y el negro, el negativo.

13. Observa lo que sucede bajo el agua sobre la superficie de cada electrodo y escríbelo en la planilla de laboratorio.


Electrólisis





PRECAUCIÓN

¡Producción de cloro!

Irritación en la piel y en los órganos respiratorios.

¡No agregues más de una cucharada grande de sal!

14. Levanta los electrodos del agua y ponlos a un lado. Agrega una cucharada grande de sal de mesa al agua y revuelve hasta que la sal se disuelva por completo.

15. Vuelve a colocar los electrones en el agua, que ahora es una solución salina.

16. Observa y escribe qué sucede bajo la solución, en la superficie de cada electrodo. Puedes utilizar una lupa.

17. Quita los electrodos de la solución salina y sácalos de los cables de conexión.

18. Tira el papel aluminio como corresponde.

19. Vacía la solución salina y lava el vaso para poder volver a usarlo.

20. Apaga la fuente luminosa y deja que se enfríe el panel solar.

21. Desconecta los cables y regresa el equipo según las instrucciones del profesor.

22. Quítate los anteojos protectores y regrésalos con cuidado.




Secc

ión

para

el a

lum

no

6.3.2 Preguntas - alumnos


1. ¿Cuál es el motivo por el cual debemos asegurar el panel solar en forma perpendicular a la fuente luminosa y no más cerca de 20 cm?

2. ¿Por qué se agrega sal al agua y cómo cambia? ¿Qué sucede cuando los electrodos están bajo el agua y conectados al panel solar?

3. Durante la electrólisis, el electrodo adherido al cable de conexión negro se denomina CÁTODO. ¿El cátodo es positivo o negativo con respecto al otro electrodo?

4. Durante la electrólisis, el electrodo adherido al cable de conexión rojo se denomina ÁNODO. ¿El ánodo es positivo o negativo con respecto al otro electrodo?

5. Cuando se conectaron los cables al panel solar, ¿qué observaste que sucedió en el cátodo?

6. ¿Sucedía lo mismo con el ánodo? ¿Cuál crees que es el motivo de las diferencias en tus observaciones?

7. ¿Qué evidencia tenemos de que el agua puede dividirse por me-dio de la electricidad?

8. Mirando la fórmula científica del agua, H2O, ¿qué crees que sucedió en esta investigación? ¿Cómo puedes estar seguro?

9. ¿Qué preguntas tienes acerca de este proceso?

10. ¿Cuál es el nombre científico de este proceso?


7 Explicación de la electrólisis

Esta investigación está basada en la investigación ELECTRÓLISIS SIMPLE. Por supuesto, puede ser utilizada de forma independiente: según los alumnos y sus necesidades.

En esta investigación, se estudiará la electrólisis en forma cuantitati-va, yendo de la simple investigación al análisis más detallado de lo que sucede cuando se divide el agua.


7.1.1 Objetivos


• La medición de las características eléctricas

• El conocimiento de las diferentes formas de energía

• El conocimiento de los principios de las moléculas

• El principio básico de la electrólisis (ver la investigación ELECTRÓLISIS SIMPLE)


• La observación cuantitativa de la electrólisis

• La división de moléculas

• Los catalizadores

• Los electrolizadores

• La Ley de Faraday de la electrólisis

• La prueba del hidrógeno

• La identificación del hidrógeno y el oxígeno

• Las reacciones exotérmicas y endotérmicas


• Qué procesos requieren la separación de las moléculas

• Los catalizadores

Requisitos


Panorama

Explicación de la electrólisis



• La termodinámica

• La Ley de los Gases Ideales

• La constante de Avogadro

• El potencial redox

• Las series electroquímicas

7.1.2 Horario


Tarea Tiempo




45 minutos



Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva







En la investigación previa (ELECTRÓLISIS SIMPLE, en la página 47), se demostró que la electricidad que fluye a través del agua con un poco de sal produce gases en cada electrodo.

La electricidad es el flujo de electrones y este flujo necesitaba tener sal disuelta en el agua para que los electrones completaran su tra-yecto por los cables desde el ánodo hasta el cátodo. Un efecto adi-cional interesante fue que, en su trayecto, el flujo de electrones divi-dió las moléculas de agua para producir burbujas de gas.

Cuando se mira la fórmula del agua (H2O), es probable que se ten-ga una idea de cuáles son estos dos gases. Esta investigación intro-ducirá otra manera de dividir el agua con electricidad, al hacerla fluir por un equipo especial llamado electrolizador. La electricidad que dividirá el agua provendrá del panel solar.

El electrolizador es bastante distinto al tanque de electrólisis de la investigación ELECTRÓLISIS SIMPLE, en la página 47. No debemos contaminar la membrana especial dejando que tome contacto con químicos perjudiciales, como la sal. Si la membrana se contamina, no funcionará correctamente y el electrolizador no podrá dividir el agua. Ni siquiera el agua de la canilla es lo suficientemente pura. Debe utilizar agua destilada pura cuando llene el electrolizador o podría causar daños permanentes en la membrana.

En la investigación anterior, la disolución de sal en agua creó partí-culas cargadas llamadas iones. La electricidad pudo fluir por el agua al utilizar esos iones.

El electrolizador puede dividir el agua porque contiene una membra-na especial con una sustancia que permite que los iones del hidró-geno salten entre moléculas y fluyan en una dirección a través de la membrana.

División del agua

Sólo agua desti-lada

El electrolizador



Fig. 7-1 Principio electrolizador en la pila de combustible reversible

1 Cátodo 4 Capa de carbón

2 Membrana de electrolito polimérico (Nafion)

5 Catalizador de platino

3 Ánodo 6 Catalizador de platino-iridio

Esta sustancia se mantiene dentro de dos capas muy delgadas de carbón a las cuales se agregó pequeñas cantidades del elemento platino de un lado y pequeñas cantidades de platino y otro elemento, iridio, del otro lado. Estas cantidades microscópicas de platino e iri-dio permiten que las moléculas de agua se separen cuando se utiliza la membrana como electrolizador.

El platino y el iridio no cambian en la reacción de electrólisis sino que permanecen en su lugar para seguir ayudando con la reacción. Las sustancias que cambian los regimenes de reacción pero no cam-bian en sí mismas se denominan catalizadores y son una parte muy importante de las pilas de combustible y los electrolizadores.

El concepto de catalizador es muy importante. Catálisis significa la aceleración de una reacción con ayuda de un catalizador, el cual no cambia en el proceso de reacción. Se utiliza un bate de baseball pa-ra impulsar la pelota una larga distancia, pero golpear la pelota no cambia materialmente el bate. Las patas de rana permiten a un na-dador ir más rápido pero no cambian mientras se las está usando. Estos ejemplos generalmente no son considerados catalizadores pero quizás pueda ver cómo el platino y el iridio permiten una reacción mucho más rápida que la que sucedería si no estuvieran presentes. El agua pura es muy difícil de dividir, por lo que es necesario un catali-zador de platino.

Los catalizadores



7.2 La investigación - profesores

7.2.1 Preparación


Como el electrizador tarda aproximadamente 10 minutos en llenar el cilindro de hidrógeno con hidrógeno y otros 5 minutos en llenar el tubo de ensayo con hidrógeno (el oxígeno tarda el doble), puede ser útil comenzar la electrólisis antes de comenzar la clase.

7.2.2 En clase

Según el enfoque didáctico y la cantidad de kits de maqueta de co-che a mano, puede escoger dar la clase con una lección expositiva o con trabajo grupal.



PRECAUCIÓN




No fumar.


PRECAUCIÓN



Realice la investigación con sumo cuidado ya que incluye el encendido de hidrógeno.

Seguridad



PRECAUCIÓN

¡Exceso de presión en la pila de combustible reversible!

Lastimaduras causadas por objetos que salen disparados cuando se obstruye la parte superior de los compartimientos de derrame de los cilindros acumuladores de gas.

No trabe la parte superior de los compartimientos de derra-me de los cilindros acumuladores de gas.

Use siempre anteojos protectores.



Se recomienda llevar a cabo esta investigación adelante de la clase antes de hacer que los alumnos la realicen por sí mismos.

Aclare a los alumnos de que habrá una pequeña explosión mientras se prueba el hidrógeno.


Para este tipo de clase sólo se necesita una maqueta de coche.

CONSEJO

Esta investigación se describe con el uso de un panel solar como fuente de potencia eléctrica. Para acelerar la investigación o para demostrar a los alumnos cómo obtener potencia eléctrica a partir de un trabajo mecánico, puede utilizar el generador de mano. Consulte el Manual de instrucciones y proporcione la información a los alum-nos.




Pila de combustible reversible utilizada como electrolizador


Agua destilada


Investigación



2 tubos de ensayo pequeños, de 1 cm por 10 cm

Fósforos

Tablitas de madera (finas, de aproximadamente 2 mm por 6–10 cm)

Bandeja para colocar bajo la pila de combustible o toallitas de papel

Reloj


2. Coloque la pila de combustible hacia abajo (con los números hacia abajo) sobre la superficie plana.



AVISO








7. Vuelva a colocar los tapones en los cilindros. Asegúrese de que no quede aire atrapado dentro del cilindro.

CONSEJO


8. Si la pila de combustible reversible no ha sido utilizada por un tiempo, déjela descansar por 20 minutos; si fue utilizada recien-temente, póngala hacia arriba.

CONSEJO

Coloque la pila de combustible sobre una bandeja o toallas de papel dobladas para atrapar el agua que se derramará en los siguientes pasos de la investigación.

9. Haga que los alumnos observen de cerca la parte superior de los tubos de ensayo durante medio minuto para ver si sale agua.

No sale agua de los tubos.

Fig. 7-3 Conexión del panel solar, la pila de combustible reversible y la caja del medidor de carga




10. Conecte la terminal roja (positiva) del panel solar (1) a la termi-nal roja (positiva) del amperímetro (3).

11. Conecte la terminal negra (negativa) del panel solar (2) a la ter-minal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (10).

12. Conecte la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (11) a la terminal negra (negativa) del amperímetro (5).

13. Conecte la terminal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (9) a la terminal negra (negativa) (7) del voltímetro.

14. Conecte la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (12) a la terminal roja (positiva) del voltímetro (6).

15. Gire la perilla de LOAD (4) a SHORT CIRCUIT.

16. Presione el botón de encendido y apagado (8).

AVISO






17. Alinee el panel solar con la fuente luminosa, manteniendo una distancia mínima de 20 cm.

PRECAUCIÓN





18. Encienda la luz.



19. Coloque el panel solar y la luz en tal posición que la corriente sea de 150 mA o más pero que no estén a menos de 20 cm de distancia.

20. Haga que un alumno observe la parte superior de las burbujas nuevamente. Pregúntele qué supone que empuja el agua hacia afuera.

El gas, aparentemente proveniente de la membrana del electrolizador, se está juntando en la parte superior de cada cilindro acumulador y empuja el agua hacia arriba por el tubo, hasta el depósito.

21. Haga que los alumnos sigan observando y grabando la cantidad de gas que se junta en cada cilindro acumulador cada dos minu-tos.

Tiempo desde el inicio [minutos]

Volumen de gas del cátodo (ne-gro) [ml]

Volumen de gas (rojo) del ánodo [ml]

0 0 0

2 2,5 1

4 5 2

6 7 3,5

8 9.5 5

8:30 10 5

Tabla 7-3 Volúmenes de gas - ejemplo (los valores son ejemplos y pueden variar)

22. Cuando se junten 10 ml de gas en un cilindro, mida el tiempo y la cantidad de gas en el otro cilindro.

Esto completa la tabla.

23. Deje que el otro electrolizador siga funcionando hasta que toda el agua se haya corrido a la parte superior de uno de los cilin-dros. (Con una iluminación óptima, tomará de 5 a 10 minutos llevar toda el agua hasta el cilindro de hidrógeno superior.)

24. Si es necesario, agregue más agua destilada a la parte superior del cilindro para que se derrame.

25. Lávese y enjuáguese las manos con cuidado. No utilice jabón.




Fig. 7-4 Llenado de los tubos de ensayo con hidrógeno

26. Llene por completo uno de los tubos de ensayo con agua desti-lada.

PRECAUCIÓN

¡Formación de oxígeno-hidrógeno!

Lastimaduras y daños en los objetos causados por la explosión des-controlada y los vidrios rotos.

Para que la explosión de esta investigación sea lo más pe-queña posible, asegúrese de que la cantidad de aire en el tubo de ensayo sea menor a 0,5 ml.

Realice la investigación con sumo cuidado ya que incluye una explosión.

CONSEJO

Una pequeña cantidad de aire, menor a 0,5 ml, en el tubo de ensa-yo, no será un problema. Pero si hay más, deberá repetir el procedi-miento y quizás deba pedirle ayuda a alguien con dedos más peque-ños.

27. Tape el extremo del tubo con un dedo, ponga el tubo invertido y, manteniéndolo tapado, colóquelo debajo de la superficie del agua lo más rápido que pueda, tratando de evitar que entre aire en el tubo.

La prueba del hidrógeno



CONSEJO

Al quitar el tubo lleno de hidrógeno del depósito, manténgalo lo más cerca posible del fondo, con su dedo índice extendido. Al quitarlo, permitirá que los alumnos vean el resultado.

Es posible que quiera apagar la luz para que los alumnos vean el chispazo azul de la combustión.

No apunte el tubo hacia usted mismo ni hacia los alumnos.

28. Quite el dedo del extremo del tubo y colóquelo de tal manera que las burbujas de gas se junten en el tubo invertido.

29. Cuando el tubo esté lleno de hidrógeno, tape el extremo con el dedo, atrapando el gas, antes de sacar el tubo del agua.

Fig. 7-5 La prueba del hidrógeno

30. Con el tubo aún cerrado, inviértalo.

PRECAUCIÓN


Quemaduras en la piel, cortes causados por fragmentos de vidrio.

Realice la investigación con sumo cuidado ya que incluye el encendido de hidrógeno.

No apunte el tubo de ensayo hacia ninguna persona presen-te.

31. Mantenga la llama de una tablita encendida por encima del tubo y saque el dedo. Habrá una reacción visible y audible.



32. Haga que los alumnos miren con cuidado adentro del tubo in-mediatamente después y estimúlelos a expresar sus investigacio-nes.

Hubo un chispazo y una detonación. Parecía haber agua condensada dentro del tubo.

33. Cuando comiencen a escapar las burbujas de gas del otro cilin-dro, repita los pasos 26, 27 y 28 para el cilindro de oxígeno.

34. Cuando el tubo esté lleno de oxígeno, tape el extremo con el dedo, atrapando el gas, antes de sacar el tubo del agua.

Fig. 7-6 Prueba del oxígeno

35. Manteniendo el tubo cerrado, manténgalo en posición horizon-tal.

PRECAUCIÓN

¡Tubo de ensayo caliente!


Sostenga el tubo de tal manera que usted no se queme.

CONSEJO

Apenas se vuelve a encender la tablita y está en llamas, quítela del tubo para mostrarles a los alumnos que se volvió a encender. No vuelva a insertarla en el tubo de oxígeno. Los gases de las resinas vaporizadas con restos de oxígeno pueden producir una fuerte deto-nación. Aunque no es peligrosa, puede provocar que se le caiga el tubo.

36. Encienda una tablita de madera y cuando esté en llamas, apá-guela y deje el extremo incandescente a la vista.


Prueba del oxí-geno



37. Quite rápidamente el dedo e inserte la tablita incandescente has-ta la mitad del tubo.

38. Haga que los alumnos miren con cuidado adentro del tubo in-mediatamente después y estimúlelos a expresar sus investigacio-nes.

Cuando ingresó en el tubo, la tablita volvió a arder con más intensidad que cuando estaba al aire. No había agua dentro de la boca del tubo de ensayo.

39. Quite la tablita y no vuelva a insertarla.

40. Desmonte el equipo y guárdelo.


Puede estimular a los alumnos a responder las preguntas en la sec-ción PREGUNTAS, en la página 88, en silencio o de a dos. Eso de-pende de las aptitudes de los alumnos y de su método de enseñanza.

7.2.2.5 Tarea



1. ¿Por qué es importante asegurarse de que no queden grandes burbujas de aire al llenar los cilindros acumuladores de gas con agua?

Es importante asegurarse de que no queden grandes burbujas de aire al llenar los cilindros acumuladores de gas para poder obtener una medida exacta del gas acu-mulado.

2. Basándose en la información provista por las etiquetas de los cilindros acumuladores de gas, ¿qué electrodo se adhiere a qué cilindro?

El cilindro acumulador de gas con H2 se adhiere al cáto-do (negro, negativo) y el cilindro acumulador de gas con O2 se adhiere al ánodo (rojo, positivo).

3. ¿El gas se produce en cantidades similares en cada electrodo? ¿Qué evidencia tienes de esto?

Los gases no se producen en cantidades similares en ca-da electrodo. La tabla muestra que en seis minutos reco-gimos 7 ml en el cátodo y sólo 3,5 ml en el ánodo.

4. ¿Qué relación simple puedes usar para esta producción de gas?




La tabla muestra que para cada dos mililitros de gas re-cogido en el cátodo hay un mililitro en el ánodo. La rela-ción es 2:1.

5. ¿Por qué probamos el gas del cátodo primero?

Probamos el gas del cátodo primero porque es el gas que se produce más rápido y el tubo de ensayo se lle-nará primero.

6. ¿Tienes alguna evidencia de que las etiquetas en los cilindros están colocadas correctamente?

Creo que las etiquetas están colocadas correctamente porque hay dos veces más de gas en el cilindro acumu-lador de hidrógeno. La fórmula del agua, H2O, muestra que hay dos veces más de hidrógeno que de oxígeno.

7. Mirando la fórmula científica del agua, H2O, ¿qué crees que sucedió en esta investigación?

Cuando miro la fórmula del agua, H2O, creo que el agua se está dividiendo en oxígeno e hidrógeno con dos veces más de hidrógeno producido que oxígeno.

8. Utilice la información de la tabla para crear un gráfico simple. ¿Cuánto gas se produciría si hicieras funcionar el electrolizador durante una hora? ¿Cuánto tiempo tardarías en recoger un litro de gas en el cátodo? ¿En el ánodo?



Fig. 7-7 Posibles resultados del régimen de producción de hidrógeno (los valores son ejemplos y pueden variar)

Se recogieron 10 ml de hidrógeno en 8,5 minutos. Por lo tanto, se recogerían 71 ml en 60 minutos. El promedio de recolección es de 71 ml/h.

Recoger 1 litro de gas del cátodo (hidrógeno) llevaría 14 horas.

Recoger 1 litro de gas del ánodo (oxígeno) llevaría exac-tamente el doble, o sea, 28 horas.

9. A partir de los resultados que obtuviste de esta investigación: ¿Qué es un electrolizador y para qué sirve?

Un electrolizador es un dispositivo que nos permite dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante la electricidad. El electrolito sólido en la membrana entre los electrodos hace que funcione como el proceso de electrólisis simple que utilizaba un electrolito disuelto en sal.



10. En retrospectiva a la investigación de la electrólisis simple, ¿pue-des sacar alguna conclusión con respecto a los gases que se produjeron en cada electrodo? ¿Notaste alguna diferencia al ob-servar los gases que se producían en la electrólisis simple y con el electrolizador?

Creo que en la otra investigación de electrólisis, el hidró-geno se producía en el cátodo y el oxígeno, en el ánodo. Las burbujas de hidrógeno eran más pequeñas.

11. ¿Es "hidrógeno" un buen nombre para el gas recogido en el cátodo?

Como "hidrógeno" significa formador de agua, es un buen nombre para este gas que produce agua al que-marse con oxígeno.

Sólo después de haber realizado la inves-tigación de la electrólisis

simple



Secc

ión

para

el a

lum

no


En esta investigación, examinarás la electrólisis de forma cuantitativa. Esto significa que observarás de cerca qué sucede en el electroliza-dor y ofrecerás sugerencias acerca de ello.

7.3.1 ¿Qué es un electrolizador y para qué sirve?

Analizarás los productos de la electrólisis.


PRECAUCIÓN




No fumar.


PRECAUCIÓN



Realiza la investigación con sumo cuidado ya que incluye el encendido de hidrógeno.

PRECAUCIÓN



No trabes la parte superior de los compartimientos de de-rrame de los cilindros acumuladores de gas.

Usa siempre anteojos protectores.


Seguridad





CONSEJO



Pila de combustible reversible utilizada como electrolizador


Agua destilada


2 tubos de ensayo pequeños, de 1 cm por 10 cm

Fósforos

Tablitas de madera (finas, de aproximadamente 2 mm por 6–10 cm)

Bandeja para colocar bajo la pila de combustible o toallitas de papel

Reloj


2. Coloca la pila de combustible hacia abajo (con los números hacia abajo) sobre la superficie plana.

3. Quita los tapones.




Secc

ión

para

el a

lum

no

AVISO

¡Utiliza sólo agua destilada!


4. Echa agua destilada en los dos cilindros acumuladores hasta que el agua llegue al tope de los tubos pequeños en el centro de los cilindros.

5. Golpea suavemente la pila de combustible para hacer que el agua corra hacia el área alrededor de la membrana y las placas metálicas recolectoras de corriente.

6. Agrega más agua hasta que comience a desbordar hacia los tubos de los cilindros.

7. Vuelve a colocar los tapones en los cilindros. Asegúrate de que no quede aire atrapado dentro del cilindro.

CONSEJO


8. Coloca la pila de combustible hacia abajo.





CONSEJO

Coloca la pila de combustible sobre una bandeja o toallas de papel dobladas para atrapar el agua que se derramará en los siguientes pasos de la investigación.

9. Observa la parte superior de los tubos de ensayo por medio mi-nuto. ¿Sale agua? Escribe tus observaciones.

10. Conecta la terminal roja (positiva) del panel solar (1) a la termi-nal roja (positiva) del amperímetro (3).

11. Conecta la terminal negra (negativa) del panel solar (2) a la ter-minal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (10).

12. Conecta la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (11) a la terminal negra (negativa) del amperímetro (5).

13. Conecta la terminal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (9) a la terminal negra (negativa) (7) del voltímetro.

14. Conecta la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (12) a la terminal roja (positiva) del voltímetro (6).

15. Gira la perilla de LOAD (4) a SHORT CIRCUIT.

16. Presiona el botón de encendido y apagado (8).

AVISO






17. Alinea el panel solar con la fuente luminosa, manteniendo una distancia mínima de 20 cm.




Secc

ión

para

el a

lum

no

PRECAUCIÓN





18. Enciende la luz.

19. Coloca el panel solar y la luz en tal posición que la corriente sea de 150 mA o más pero que no estén a menos de 20 cm de dis-tancia.

20. Vuelve a observar la parte superior de los tubos de ensayo por medio minuto ¿Sale agua? ¿Qué crees que empuja el agua hacia afuera? Escribe tus sugerencias.

21. Sigue observando y, cada dos minutos, registra la cantidad de gas recogido en cada cilindro acumulador en TABLA 7-4.

Tiempo desde el inicio [minutos]

Volumen [ml] de gas del cátodo (negro)

Volumen [ml] de gas del ánodo (rojo)

0

2

4

Tabla 7-4 Volúmenes de gas

22. Cuando se junten 10 ml de gas en un cilindro, mide el tiempo y la cantidad de gas en el otro cilindro.

Esto completa la tabla.

23. Deja que el otro electrolizador siga funcionando hasta que toda el agua se haya corrido a la parte superior de uno de los cilin-dros. (Con una iluminación óptima, tomará de 5 a 10 minutos llevar toda el agua hasta el cilindro de hidrógeno superior.)

24. Si es necesario, agrega más agua destilada a la parte superior del cilindro para que se derrame.





25. Lávate y enjuágate las manos con cuidado. No utilices jabón.

Fig. 7-10 Llenado de los tubos de ensayo con hidrógeno

26. Llena por completo uno de los tubos de ensayo con agua desti-lada.

PRECAUCIÓN


Explosión.

Para que la explosión de esta investigación sea lo más pe-queña posible, asegúrate de que la cantidad de aire en el tu-bo de ensayo sea menor a 0,5 ml.

Realiza la investigación con sumo cuidado ya que incluye una explosión.

CONSEJO

Una pequeña cantidad de aire, menor a 0,5 ml, en el tubo de ensa-yo, no será un problema. Pero si hay más, deberás repetir el proce-dimiento y quizás debas pedirle ayuda a alguien con dedos más pe-queños.

27. Tapa el extremo del tubo con un dedo, coloca el tubo invertido y, manteniéndolo tapado, colócalo debajo de la superficie del agua lo más rápido que puedas, tratando de evitar que entre aire en el tubo.

La prueba del hidrógeno



Secc

ión

para

el a

lum

no

28. Quita el dedo del extremo del tubo y colócalo de tal manera que las burbujas de gas se junten en el tubo invertido.

29. Cuando el tubo esté lleno de hidrógeno, tapa el extremo con el dedo, atrapando el gas, antes de sacar el tubo del agua.

Fig. 7-11 La prueba del hidrógeno

CONSEJO

Al quitar el tubo lleno de hidrógeno del depósito, mantenlo lo más cerca posible del fondo, con tu dedo índice extendido. No apuntes el tubo hacia ti mismo ni hacia ninguna otra persona.

PRECAUCIÓN




30. Con el tubo aún cerrado, inviértelo.




PRECAUCIÓN


Quemaduras en la piel, cortes causados por fragmentos de vidrio.


No apuntes el tubo de ensayo hacia ninguna persona presen-te.

31. Mantén la llama de una tablita encendida por encima del tubo y saca el dedo. Habrá una reacción visible y audible.

32. Mira dentro de la boca del tubo inmediatamente después: ¿qué ves? Escribe tus observaciones.

33. Cuando comiencen a escapar las burbujas de gas del otro cilin-dro, repita los pasos 26, 27 y 28 para el cilindro de oxígeno.

34. Cuando el tubo esté lleno de oxígeno, tapa el extremo con el dedo, atrapando el gas, antes de sacar el tubo del agua.

Fig. 7-12 Prueba del oxígeno

35. Manteniendo el tubo cerrado, mantenlo en posición horizontal.

PRECAUCIÓN

¡Tubo de ensayo caliente!


Sostén el tubo de tal manera que no te quemes.


Prueba del oxí-geno



Secc

ión

para

el a

lum

no

CONSEJO

En cuanto la tablita se vuelva a encender y esté en llamas, quítala de la mesa. No vuelvas a insertarla en el tubo de oxígeno. Los gases de las resinas vaporizadas con restos de oxígeno pueden producir una fuerte detonación. Aunque no es peligrosa, puede provocar que se te caiga el tubo.

36. Enciende una tablita de madera y cuando esté en llamas, apága-la y deja el extremo incandescente a la vista.

37. Quita rápidamente el dedo e inserta la tablita incandescente has-ta la mitad del tubo.

38. Mira dentro de la boca del tubo inmediatamente después: ¿qué ves?

39. Quita la tablita y no vuelvas a insertarla.

40. Escribe tus observaciones.




1. ¿Por qué es importante asegurarse de que no queden grandes burbujas de aire al llenar los cilindros acumuladores de gas con agua?

2. Basándose en la información provista por las etiquetas de los cilindros acumuladores de gas, ¿qué electrodo se adhiere a qué cilindro?

3. ¿El gas se produce en cantidades similares en cada electrodo? ¿Qué evidencia tienes de esto?

4. ¿Qué relación simple puedes usar para esta producción de gas?

5. ¿Por qué probamos el gas del cátodo primero?

6. ¿Tienes alguna evidencia de que las etiquetas en los cilindros están colocadas correctamente?





7. Mirando la fórmula científica del agua, H2O, ¿qué crees que sucedió en esta investigación?

8. Utiliza la información de la tabla para crear un gráfico simple. ¿Cuánto gas se produciría si hicieras funcionar el electrolizador durante una hora? ¿Cuánto tiempo tardarías en recoger un litro de gas en el cátodo? ¿En el ánodo?

Fig. 7-13 Régimen de producción de hidrógeno

9. A partir de los resultados que obtuviste de esta investigación: ¿Qué es un electrolizador y para qué sirve?

10. ¿Es "hidrógeno" un buen nombre para el gas recogido en el cátodo?

11. En retrospectiva a la investigación de la electrólisis simple, ¿pue-des sacar alguna conclusión con respecto a los gases que se produjeron en cada electrodo? ¿Notaste alguna diferencia al ob-servar los gases que se producían en la electrólisis simple y con el electrolizador?

Sólo después de haber realizado la inves-tigación de la electrólisis

simple


8 ¡La energía del hidró-geno!

En esta investigación, los alumnos aprenderán cómo obtener poten-cia eléctrica al combinar oxígeno e hidrógeno.

Esta investigación es una continuación de las anteriores pero no es esencial que los alumnos las hayan realizado.


8.1.1 Objetivos


• La descomposición de compuestos químicos

• La reacción redox

• Las baterías

• La prueba del hidrógeno

• La linealidad y la extrapolación


• A obtener electricidad a partir de la combinación de oxígeno e hidrógeno

• A convertir energía

• Que la energía es producto de la corriente y el voltaje

• La primera Ley de Faraday de la electrólisis

• La necesidad de capacidad de reproducción de las investiga-ciones científicas

• Que el hidrógeno es energía química almacenada


• El concepto de los catalizadores


• Las industrias de energía

• El efecto invernadero

Requisitos


Panorama

¡La energía del hidrógeno!


• La constante de Avogadro

8.1.2 Horario


Tarea Tiempo




35 minutos



Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva







En el electrolizador que utilizamos en los experimentos anteriores, tenemos una fuente de hidrógeno y una manera de almacenarlo en el cilindro acumulador de gas. También tenemos una fuente de oxí-geno, aunque podríamos utilizar aire, ya que contiene 21% de oxí-geno. Ahora necesitamos una manera de cambiar el hidrógeno y el oxígeno a electricidad nuevamente, para que accione el motor eléc-trico que pone en marcha el coche.

En la maqueta de coche se proporciona un dispositivo que transfor-ma el hidrógeno y el oxígeno nuevamente en agua. En la investiga-ción EXPLICACIÓN DE LA ELECTRÓLISIS, utilizamos el com-ponente principal de este kit, la pila de combustible reversible, como electrolizador. Pero si suministra hidrógeno de un lado de la pila de combustible y oxígeno del otro, la pila produce corriente eléctrica. El hidrógeno se une con el oxígeno para volver a producir agua, el ma-terial con el cual comenzamos. Podría escribirlo de la siguiente ma-nera:

Electricidad + Agua Hidrógeno + Oxígeno

Hidrógeno + Oxígeno Agua + Electricidad

Ésta podría ser una gran solución al problema de la contaminación del aire ya que la energía de la pila de combustible de hidrógeno soltaría solamente vapor de agua hacia la atmósfera, utilizando agua y electricidad como fuente del hidrógeno que se necesita para accio-nar la pila de combustible.

Los astronautas ya utilizan esta tecnología en las estaciones espacia-les. Con las células solares, los electrolizadores, las pilas de combus-tible y un suministro inicial de agua, los astronautas tienen una fuente de electricidad y oxígeno, así como un abundante suministro de hidrógeno. Como el hidrógeno se utiliza como combustible para producir electricidad, también produce agua.

Recuerde la reacción dentro de una pila de combustible:

2 H2 + O2 2 H2O

¿Se puede ac-cionar un coche con

hidrógeno?

Pila de combus-tible



Fig. 8-1 Principio pila de combustible

1 Ánodo 4 Capa de carbón

2 Membrana de electrolito polimérico (Nafion)

5 Catalizador de platino-iridio

3 Cátodo 6 Catalizador de platino

El flujo de electrones puede utilizarse para la carga del consumidor.

Con la maqueta de coche podemos utilizar el hidrógeno almacena-do para producir la electricidad que encienda el motor. Como el motor eléctrico gira con mucha rapidez, tiene un engranaje para reducir la velocidad del eje del motor y transportar la energía a las ruedas traseras del coche.

Al describir sucesos eléctricos, la potencia (en vatios) que entra o sale de un dispositivo puede determinarse multiplicando la corriente (en amperios) que pasa a través del dispositivo, por el voltaje (en voltios) que existe en ese dispositivo. La potencia describe la fuerza de un proceso. Podemos escribir:

I × V = P (amperios × voltios = vatios)

Cuando utilizamos la pila de combustible reversible como electroli-zador, observamos la polaridad: negativo (negro) = hidrógeno = cátodo, y positivo (rojo) = oxígeno = ánodo. Ahora que estamos utilizando la pila de combustible reversible como pila de combustible, es conveniente que la polaridad sea casi la misma. El lado del hidró-geno (negro) produce un voltaje negativo; el lado del hidrógeno (ro-jo) produce un voltaje positivo. Sin embargo, de acuerdo a la defini-ción de ánodo / cátodo (los electrones se pierden en el ánodo), el lado del hidrógeno se denomina ahora ánodo y el lado del oxígeno se denomina cátodo.

Potencia

Ánodo / Cátodo



8.2 Las investigaciones – profesores

8.2.1 Preparación


8.2.2 En clase




PRECAUCIÓN





PRECAUCIÓN




No fumar.


Seguridad



CONSEJO

Los alumnos pueden notar que el motor se detiene antes de que se utilice todo el hidrógeno o, por el contrario, que el motor continúa en marcha después de que el hidrógeno parece desaparecer. Puede darles las siguientes explicaciones:

• El motor se detiene antes de que se utilice todo el hidrógeno:

− Esto puede ser a causa del aire que queda en el siste-ma cuando se llenó con agua. Lo que queda del lado del hidrógeno no es todo hidrógeno.

• El motor sigue en marcha después de que desaparece el hidrógeno:

− Aunque no hay hidrógeno a la vista en el cilindro acu-mulador, aún puede haber alrededor de la membrana.




Para este tipo de clase sólo se necesita una maqueta de coche.

Para presentar la investigación, necesitará lo siguiente:



CONSEJO


2 o 5 cables de conexión (5 si desea investigar cuánta energ-ía puede producir la pila de combustible)


Coche con motor

Caja del medidor de carga (si desea investigar cuánta energ-ía puede producir la pila de combustible)

Investigación



Agua destilada


Un bloque de madera u otro tipo de cuña para el coche

Reloj con segundero o función de cronómetro





AVISO







Llenado de la pila de combustible re-

versible con agua desti-lada



CONSEJO



Fig. 8-3 Conexión del panel solar y la pila de combustible

9. Enchufe las clavijas de punta cónica del cable de conexión rojo en las terminales rojas de la clavija (positivas) del panel solar (1) y la pila de combustible (3).

AVISO




10. Repita el paso 9 con el cable de conexión negro y las terminales negativas (2, 4).

AVISO










PRECAUCIÓN






La pila de combustible comienza a producir hidrógeno.

13. Cuando el cilindro acumulador de hidrógeno se llena un poco más de 12 ml:

− Apague la luz.

− Desconecte los cables de conexión de la pila de com-bustible reversible.





Fig. 8-5 Colocación de la maqueta de coche en el bloque de madera

15. Coloque el bloque de madera debajo de la base del coche de tal manera que las ruedas queden libres para poder girar.

16. Conecte la clavija de punta cónica roja (positiva) con la terminal roja (positiva) y la clavija de punta cónica negra (negativa) con la terminal negra (negativa).

17. Haga que los alumnos observen el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno y cuando el nivel llegue a exactamente 12 ml, dígales que pongan en marcha un cronómetro (ó regis-tren el tiempo al segundo más cercano).

18. Haga que registren el tiempo después de que se haya consumido cada mililitro.

19. Haga que un alumno anote el registro en una tabla, en el pi-zarrón.





Hidróge-no con-sumido [ml]

Tiempo transcurri-do [s] Prueba 1



Promedio de tiempo transcurri-do de todas las pruebas

0 0 0 0 0

1 60 60 60 60

2 120 110 120 117

3 170 160 170 167

4 220 210 210 213

5 270 260 260 263

6 320 310 300 310

7 370 360 350 360

8 420 410 400 410

9 470 460 450 460

10 520 510 490 507

11 570 550 550 557

12 – – – –

Cuando se detienen las ruedas

580 550 550 560

Tabla 8-3 Ejemplos del consumo de hidrógeno (los valores son ejemplos y pueden variar)

20. Continúe hasta que se detenga el motor.

21. Desconecte la pila de combustible y el coche, y conecte la pila al panel solar para volver a producir hidrógeno.


23. Repita la producción de hidrógeno y el consumo del coche tantas veces como lo crea lógico (por lo menos, una vez).

24. Haga que un alumno dibuje, en el pizarrón, un gráfico que muestre el volumen de hidrógeno utilizado en función de la can-tidad de tiempo que giran las ruedas.



Fig. 8-6 Volumen de hidrógeno en función del tiempo en el que giran las ruedas (los valores son ejemplos y pueden variar)

Puede detener la investigación en este momento si no tiene tiempo o si desea continuar de otra manera. Pero también puede continuar con la investigación sobre cuánta energía puede producir una pila de combustible:

1. Llene la pila de combustible reversible con agua destilada (si es necesario) y produzca hidrógeno, consulte los pasos 2. -13., en las páginas 97-98.

Cuánta energía puede producir la pila

de combustible



Fig. 8-7 Conexión de la pila de combustible reversible y la caja del medidor de carga

2. Gire la perilla de LOAD (3) a OPEN.

3. Conecte la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (1) a la terminal roja (positiva) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (2).

4. Conecte la terminal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (10) a la terminal negra (negativa) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (4).

5. Conecte la terminal roja (positiva) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (9) con la terminal roja (positiva) del voltímetro (5) que está en la caja del medidor de carga.

6. Conecte la terminal negra (negativa) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (8) con la terminal negra (nega-tiva) del voltímetro que está en la caja del medidor de carga (6).


8. Gire la perilla de LOAD (3) a 10 Ω.

9. Observe la corriente y el voltaje por unos segundos.

Medición de co-rriente y voltaje



CONSEJO

Quizás vea que el voltaje comienza en un valor incluso mayor a 1,23 V (la teoría dice que ése es el voltaje máximo posible de una pila de combustible de oxígeno-hidrógeno) y luego va cayendo len-tamente. Esto sucede por las capas de superficie que quedan en el catalizador tras la electrólisis.

10. Cuando, aparentemente, la corriente y el voltaje se han asenta-do, haga que los alumnos los escriban en la siguiente tabla (aquí con los resultados típicos).

Carga [Ω] Corriente [A]

Voltaje [V] Energía [W] (calculado)

10 0,080 0,840 0,067

5 0,145 0,780 0,113

3 0,237 0,750 0,178

1 0,497 0,640 0,318

Tabla 8-4 Resultados típicos de producción de energía de una pila de combustible (los valores con ejemplos y pueden variar)

11. Cambie la configuración de la carga a 5 Ω, 3 Ω y luego a 1 Ω y en cada punto, haga que los alumnos registren la corriente y el voltaje.

12. Haga que los alumnos calculen la producción de energía de la pila de combustible.

13. Desconecte la caja del medidor de carga y apáguela.



Puede estimular a los alumnos a responder las preguntas en PREGUNTAS – ALUMNOS, en la página 115, en silencio o de a dos. Eso depende de las aptitudes de los alumnos y de su método de en-señanza.

8.2.2.5 Tarea

Las preguntas provistas en la sección PREGUNTAS – ALUMNOS, en la página 115, también pueden darse como tarea si los alumnos no necesitan la ayuda del profesor para responderlas.





1. ¿Por qué es importante tener el cilindro de gas de hidrógeno lleno con la misma cantidad cada vez que comenzamos a medir la longitud de tiempo que giran las ruedas por cada ml de gas?

Si queremos comparar la duración del movimiento de gi-ro de las ruedas para cada ml de hidrógeno utilizado, es importante comenzar a cronometrar con la misma canti-dad de hidrógeno cada vez.

2. ¿Qué sucede con el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno mientras giran las ruedas? ¿Por qué sucede esto?

El volumen de gas en el cilindro acumulador de hidróge-no disminuye porque, mientras las ruedas giran, utilizan energía para accionar el motor eléctrico y esta electrici-dad proviene del hidrógeno que se combina con el gas oxígeno para formar agua y producir electricidad.

3. ¿Se podría accionar el motor eléctrico con electricidad producida por el panel solar? ¿Cuál es la ventaja de accionar un coche con combustible de hidrógeno en lugar de un panel solar conectado directamente al motor eléctrico?

Sí, creo que se podría accionar el motor eléctrico con electricidad producida por el panel solar. Accionar un co-che con combustible de hidrógeno en lugar de un panel solar significaría que se podría conducir el coche en la oscuridad cuando no haya luz suficiente para permitir que funcione un panel solar.

4. ¿Cuál es la ventaja de que el hidrógeno se combine con el oxí-geno de esta manera en lugar de que se queme y explote como lo hace en la prueba del hidrógeno?

La ventaja de que el hidrógeno se combine con el oxí-geno de esta manera en lugar de que se queme y explo-te es que produce un flujo de energía mucho más contro-lado en forma de electricidad. Esta electricidad puede encenderse y apagarse para poder usarla de a poco. Con una explosión, se suelta un montón de energía en forma de calor y no puede ser utilizada fácilmente para accionar el coche.

5. Prediga cuánto tiempo rotarían las ruedas por 20 ml de hidróge-no. Refiérase al gráfico y transfiera una respuesta.

[los resultados individuales variarán]

Como las ruedas rotaron 507 segundos por 10 ml de hidrógeno, predije que rotarán dos veces 507 segundos (1014 segundos o 17 minutos) por 20 ml de hidrógeno. La relación entre el consumo de hidrógeno y la rotación de las ruedas es linear.



6. ¿Cuál es la respuesta a la pregunta del comienzo de esta investi-gación?: ¿Se puede utilizar hidrógeno almacenado para producir electricidad? Explique.

Sí, se puede utilizar hidrógeno almacenado para producir electricidad. Hemos visto que la pila de combustible pro-duce hidrógeno mientras hace potencia eléctrica.

7. Cuando disminuyó la resistencia de 10 a 1 Ω, ¿qué sucedió con la corriente? ¿Qué sucedió con el voltaje? ¿Cuál es la produc-ción máxima de energía de la pila de combustible que usted de-terminó?

[los resultados individuales variarán]

Cuando disminuí la resistencia, la corriente aumentó pero el voltaje disminuyó. La energía máxima que medí fue 0,318 vatios con el resistor de 1 Ω.

8. La dependencia de corriente y voltaje que determinó también es típica de las baterías. ¿Se puede decir que la pila de combustible es una batería? Realice un debate.

Sí, se puede decir que una pila de combustible es una batería porque fabrica electricidad a partir de una reac-ción química, que está separada en dos medias pilas que tienen un ánodo en el polo negativo y un cátodo en el polo positivo.

Las baterías muestran un comportamiento similar. Tienen un voltaje sin carga, que disminuye con la corriente acre-centada. Por ejemplo, el voltaje sin carga para una bater-ía NiCd es de 1,2 voltios.





En esta investigación, examinarás si se puede utilizar el hidrógeno como combustible.

8.3.1 ¿Se puede utilizar hidrógeno almacenado para producir electricidad?


PRECAUCIÓN




No fumar.


PRECAUCIÓN







Seguridad



Secc

ión

para

el a

lum

no

CONSEJO


2 o 4 cables de conexión


Coche con motor


Agua destilada


Un bloque de madera u otro tipo de apoyo para el coche









AVISO







CONSEJO



Fig. 8-9 Conexión del panel solar y la pila de combustible

9. Enchufa las clavijas de punta cónica del cable de conexión rojo en las terminales rojas de la clavija (positivas) del panel solar (1) y la pila de combustible (3).



Secc

ión

para

el a

lum

no

AVISO



No anules la pila de combustible reversible.

10. Repite el paso 9 con el cable de conexión negro y las terminales negativas (2,4).

AVISO







PRECAUCIÓN






13. Cuando el cilindro acumulador de hidrógeno se llena un poco más de 12ml:

− Apaga la luz.




− Desconecta los cables de conexión de la pila de com-bustible reversible.


14. Con las terminales roja y negra hacia la parte delantera del co-che, coloca la pila de combustible reversible en las ranuras de la maqueta de coche hasta que haga clic al insertarse.

Fig. 8-11 Coche sobre el bloque de madera

15. Coloca el bloque de madera debajo de la base del coche de tal manera que las ruedas queden libres para poder girar.

16. Conecta la clavija de punta cónica roja (positiva) con la terminal roja (positiva) y la clavija de punta cónica negra (negativa) con la terminal negra (negativa).

17. Observa el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno y cuando el nivel llegue a exactamente 12 ml, pon en marcha un cronómetro (o registra el tiempo al segundo más cercano).



Secc

ión

para

el a

lum

no

18. Registra el tiempo después de que cada mililitro se haya consu-mido, llevando el registro en la tabla de abajo.

Hidróge-no con-sumido [ml]




Promedio de tiempo transcurri-do de todas las pruebas [s]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Cuando se detienen las ruedas

Tabla 8-5 Volumen de hidrógeno y tiempo que funciona el coche

19. Continúa hasta que se detenga el motor.

20. Desconecta la pila de combustible y el coche, y conecta la pila al panel solar.

Para volver a producir hidrógeno:

21. enciende la luz.

22. Repite la producción de hidrógeno y el consumo del coche tantas veces como lo creas lógico (por lo menos, una vez).

23. Dibuja un gráfico en el cuadro de abajo, que muestre el volumen de hidrógeno utilizado en función de la cantidad de tiempo que giran las ruedas.




Fig. 8-12 Volumen de hidrógeno en función del tiempo que funcionan las ruedas

Ha finalizado la primera parte de la investigación. Comprueba con tu profesor si puedes continuar o no.

1. Llena la pila de combustible reversible con agua destilada (si es necesario) y produce hidrógeno, consulta los pasos 2.–13., en las páginas 108–110.


2. Gira la perilla de LOAD (3) a OPEN.

Cuánta energía puede producir una pila

de combustible



Secc

ión

para

el a

lum

no

3. Conecta la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (1) a la terminal roja (positiva) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (2).

4. Conecta la terminal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (10) a la terminal negra (negativa) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (4).

5. Conecta la terminal roja (positiva) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (9) con la terminal roja (positiva) del voltímetro (5) que está en la caja del medidor de carga.

6. Conecta la terminal negra (negativa) del amperímetro que está en la caja del medidor de carga (8) con la terminal negra (nega-tiva) del voltímetro que está en la caja del medidor de carga (6).


8. Gira la perilla de LOAD (3) a 10 Ω.

CONSEJO

Quizás veas que el voltaje comienza en un valor incluso mayor a 1,23 V (la teoría dice que ése es el voltaje máximo posible de una pila de combustible de oxígeno-hidrógeno) y luego va cayendo len-tamente. Esto sucede por las capas de superficie que quedan en el catalizador tras la electrólisis.

9. Cuando la corriente y el voltaje parecen haberse asentado, escrí-belos en la siguiente tabla.

Carga [Ω] Corriente [A]

Voltaje [V] Energía [W]

10

5

3

1

Tabla 8-6 Determinación de la producción de energía de la pila de combustible

10. Cambia la configuración de la carga a 5 Ω, 3 Ω y luego a 1 Ω y en cada punto y registra la corriente y el voltaje.

11. Calcula la producción de energía de la pila de combustible.

12. Desconecta la caja del medidor de carga y apágala.

13. Desmonta el equipo, guárdalo y quítate los anteojos protectores y regrésalos con cuidado.






1. ¿Por qué es importante tener el cilindro de gas de hidrógeno lleno con la misma cantidad cada vez que comenzamos a medir la longitud de tiempo que giran las ruedas por cada ml de gas?

2. ¿Qué sucede con el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno mientras giran las ruedas? ¿Por qué sucede esto?

3. ¿Se podría accionar el motor eléctrico con electricidad producida por el panel solar? ¿Cuál es la ventaja de accionar un coche con combustible de hidrógeno en lugar de un panel solar conectado directamente al motor eléctrico?

4. ¿Cuál es la ventaja de que el hidrógeno se combine con el oxí-geno de esta manera en lugar de que se queme y explote como lo hace en la prueba del hidrógeno?

5. Predice cuánto tiempo rotarían las ruedas por 20 ml de hidróge-no. Refiérete al gráfico y transfiere una respuesta.

6. Cuál es la respuesta a la pregunta del comienzo de esta investi-gación: ¿Se puede utilizar hidrógeno almacenado para producir electricidad? Explica.

7. Cuando disminuiste la resistencia de 10 a 1 Ω, ¿qué sucedió con la corriente? ¿Qué sucedió con el voltaje? ¿Cuál es la produc-ción máxima de energía de la pila de combustible que determi-naste?

8. La dependencia de corriente y voltaje que determinaste también es típica de las baterías. ¿Se puede decir que la pila de combus-tible es una batería? Realiza un debate.


9 La energía del hidró-geno en movimiento

Como las pilas de combustible pueden producir energía útil y libre de contaminación, son una fuente de energía ideal para el futuro.

En las décadas pasadas, las empresas automotrices investigaron dife-rentes alternativas para el uso de la gasolina. Según los informes, dentro de los próximos dos años, se producirán grandes cantidades de coches de pilas de combustible. Esta investigación se concentrará en el funcionamiento de un coche con hidrógeno, pero también en los problemas y las limitaciones de la energía del hidrógeno.


9.1.1 Objetivos


• La investigación ¡LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO!, consulte la página 91

• El cálculo de la circunferencia


• La fricción

• Funcionamiento, potencia, energía

• A formular hipótesis y justificarlas


• La energía del hidrógeno en la vida cotidiana

• Unidades de energía y calor combinados

• Coches híbridos

Requisitos


Panorama

La energía del hidrógeno en movimiento


9.1.2 Horario


Tarea Tiempo




25 minutos



Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva







Actualmente, la contaminación del aire causada por la emisión de los vehículos representa el 60 % del total de la contaminación del aire en las ciudades.

Las emisiones de la combustión de los combustibles a base de carbón están consideradas como las principales responsables del cambio climático. Las pilas de combustible ofrecen un ciclo ideal, que en principio no produce contaminación.

En el año 2006, se utilizaron aproximadamente 600 millones de co-ches en las rutas de todo el mundo y los pronósticos para el año 2050 dicen que habrá entre 1,4 y 2,7 mil millones de coches. En el año 2006, el tráfico vehicular fue el responsable de casi 4 mil millo-nes de toneladas de dióxido de carbono. No sólo hay que tener en cuenta los efectos en el clima causados por la emisión cada vez ma-yor de gases de efecto invernadero, sino también los peligros para la salud causados por la emisión de gases emitidos, como los óxidos de nitrógeno.

Por el contrario, la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno produce solamente agua (aún cuando las emisiones totales también depen-den de la fuente de hidrógeno). La necesidad de una fuente de energía alternativa y no contaminante es vital.

Desde principios de la década de 1960, las empresas automotrices han trabajado sobre coches de pilas de combustible, produciendo prototipos con funciones bastante increíbles, por ejemplo, distancias de recorridos de 200 Km. con un solo llenado de hidrógeno. Aunque no se hizo mucho en cuanto a la comercialización de los vehículos a hidrógeno, la reciente amenaza de la política de emisión cero de California provocó la respuesta de las empresas automotrices.

Hoy en día, estas empresas están a punto de producir pilas de com-bustible en grandes cantidades. Estos coches cubren todas las nece-sidades del cliente actual.

Varios departamentos de bomberos y policía en los estados Unidos cuentan con vehículos accionados por pilas de combustible. Algunas ciudades europeas cambiaron parte de sus transportes públicos y cuentan con autobuses accionados por pilas de combustible.

British Columbia, en Canadá, planea tener la primera flota de auto-buses a hidrógeno lista para usar como transporte público para las Olimpíadas de Invierno de 2010.




9.2.1 Preparación


9.2.2 En clase

Según el enfoque didáctico y la cantidad de paneles solares a mano, puede escoger dar la clase con una lección expositiva o con trabajo grupal.



PRECAUCIÓN





PRECAUCIÓN




No fumar.


Seguridad



CONSEJO

Los alumnos pueden notar que el motor se detiene antes de que se utilice todo el hidrógeno o, por el contrario, el motor continúa en marcha después de que el hidrógeno parece desaparecer. Puede darles las siguientes explicaciones:

• Si el motor se detiene antes de que se utilice todo el hidróge-no:

− esto puede ser a causa del aire que queda en el siste-ma cuando se llenó con agua. Lo que queda del lado del hidrógeno no es todo hidrógeno.

• Si el motor sigue en marcha después de que desaparece el hidrógeno:

− aunque no hay hidrógeno a la vista en el cilindro acu-mulador, aún puede haber alrededor de la membrana.



Se recomienda hacer que los alumnos realicen esta investigación ellos mismos, consulte SECCIÓN PARA EL ALUMNO, en la página 131. Puede pedirles que formulen una hipótesis y luego la debatan.




CONSEJO




Coche con motor

Agua destilada

Lámpara PAR de 100–120 vatios o fuente luminosa equiva-lente (sólo cuando utiliza el panel solar)

Investigación








AVISO







Llenado de la pi-la de combustible rever-sible con agua destilada



CONSEJO



Fig. 9-2 Producción de hidrógeno

9. Enchufe las clavijas de punta cónica del cable de conexión rojo en las terminales rojas de la clavija (positivas) del panel solar (1) y la pila de combustible (3).

AVISO




10. Repita el paso 9 con el cable de conexión negro y las terminales negativas (2,4).




AVISO





No concentre la luz con un reflector.


PRECAUCIÓN







− Apague la luz.

− Desconecte los cables de conexión de la pila de com-bustible reversible.





15. Teniendo en cuenta el espacio que queda disponible, decida si quiere poner en marcha el coche en línea recta o en círculo. Si hará funcionar el coche en círculo:

− Coloque el coche sobre el piso y gire las ruedas delan-teras de tal manera que el coche marche en un círculo pequeño sin golpear contra nada.

Fig. 9-4 Conexión del coche

16. Haga que un alumno conecte la clavija de punta cónica (1) roja (positiva) con la terminal (2) roja (positiva) y la clavija de punta cónica (4) negra (negativa) con la terminal (3) negra (negativa).






17. Haga que el alumno ajuste las ruedas delanteras y la posición del coche hasta que el tamaño del círculo sea el adecuado.

18. Haga que otro alumno marque un punto en el círculo con tiza o un trozo de cinta adhesiva y otro punto exactamente enfrente. Haga que el alumno marque hacia donde viaja el centro del co-che, no las ruedas de adentro ni las de afuera.

19. Haga que otro alumno desconecte uno de los cables para que se detenga el motor.

Fig. 9-5 Diámetro del círculo del coche (los valores para el ejemplo de abajo: diá-metro del circuito (d) en m: 0,8 longitud del circuito en m: 2,51)



Prueba H2 en el comien-zo [ml]

H2 en el final [ml]

H2 utili-zada en 1 minu-to [ml]

H2 utili-zada en 2 minu-tos [ml]

Cantidad de circui-tos

Distancia recorrida [m]

1 12 9,0 3,0 – 6,00 15,1

2 9,0 5,5 3,5 – 6,75 17,0

3 5,5 2,5 3,0 – 6,5 16,3

4 12 8,0 4,0 – derecho 18,0

5 12 6,0 – 6,0 12,00 30,2

6 12 5,0 – 7,0 13,5 33,89

7 12 6,0 – 6,0 12,00 30,2

8 12 4,0 – 8,0 derecho 37

Tabla 9-3 Resultados típicos (los valores son ejemplos y pueden variar)

20. Haga que un alumno mida el diámetro del círculo y lo escriba en una tabla, en el pizarrón.

21. Haga que otro alumno se fije en la cantidad de hidrógeno en el cilindro acumulador y la registre en la tabla.

22. Haga que otro alumno coloque el coche sobre el suelo.

23. Tenga un cronómetro a mano.

24. Haga que un alumno conecte los cables rojo y negro del motor a la pila de combustible y haga funcionar el coche. Si el coche no se mueve de inmediato, déle un empujón para que supere la fric-ción inicial.

25. Haga que un alumno inicie el cronómetro o lleva la cuenta del tiempo.

26. Deje que el coche funcione exactamente un minuto y haga que los alumnos cuenten la cantidad de círculos que realiza el coche, o lleven la cuenta de la distancia recorrida en línea recta.

CONSEJO

Si el coche se va contra una pared, gírelo rápidamente, vuelva a po-nerlo en la posición correcta y deje que siga hasta que se complete el minuto.

27. Haga que otro alumno desconecte uno de los cables para que se detenga el motor.

28. Haga que un alumno se fije en la cantidad de hidrógeno del ci-lindro acumulador, la escriba en la tabla y calcule la cantidad utilizada en un minuto. Haga que los alumnos escriban la canti-



dad de circuitos y calculen la distancia, o escriban la distancia recorrida por el coche en línea recta.

29. Vuelva al paso 21 y repita el procedimiento; esta vez, dejando que el coche marche por dos minutos. Si es necesario, produzca más hidrógeno (consulte los pasos 9.–12.).

30. Si tiene tiempo, vuelva al paso 21 y repita el procedimiento va-rias veces. Si es necesario, produzca más hidrógeno (consulte los pasos 9.–12.).

31. Haga que os alumnos completen el gráfico.

Fig. 9-6 Resultados del consumo de hidrógeno con que indica que el coche está quieto (investigación de la energía del hidrógeno) y que indica que el coche está en movimiento (los valores son ejemplos y pueden variar)

32. Si tiene ¡los resultados de la investigación de la energía del hidrógeno! (cuando las ruedas giraban pero el coche no se mov-ía), haga que los alumnos saquen de allí el régimen de utiliza-ción de H2. Agregue esa información al gráfico de arriba ( ).

33. En el siguiente gráfico, haga que los alumnos marquen el punto que describe la distancia recorrida y el hidrógeno utilizado para cada prueba.

Repetición del experimento con interva-

los de 2 minutos



Fig. 9-7 Distancia recorrida en función del hidrógeno utilizado (los valores son ejemplos y pueden variar)

34. Desmonte el equipo, guárdelo y quítese los anteojos protectores.


Puede estimular a los alumnos a responder las preguntas en la pági-na 139 en silencio o de a dos. Eso depende de las aptitudes de los alumnos y de su método de enseñanza.

9.2.4 Tarea

Las preguntas provistas en la página 139 también pueden darse co-mo tarea si los alumnos no necesitan la ayuda del profesor para res-ponderlas.




1. ¿Qué descubriste al comparar el régimen de consumo de hidró-geno en esta investigación con la investigación de LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO?

Cuando el coche está en movimiento, el régimen de con-sumo de hidrógeno es mayor que cuando el coche no se mueve. O sea, cuando estaba en movimiento, el coche utilizó más hidrógeno en la misma cantidad de tiempo.

2. Si encontraste una diferencia, ¿qué crees que la provocó?

Encontramos un cambio y creemos que se debe a que el motor eléctrico no sólo debía mover las ruedas sino que también debía hacer que las ruedas muevan el coche sobre el piso. Esto requería más trabajo del motor y con-sumía el hidrógeno más rápido.

3. ¿Puedes pensar en otros ejemplos similares a partir de tu expe-riencia personal?

[Las respuestas individuales variarán; evalúelas según el sentido común.]

Cuando ando en bicicleta sobre una superficie plana es mucho más fácil que cuando subo una colina. Cuando la pongo boca arriba y giro las ruedas en el aire es, puedo mover los pedales muy fácilmente con la mano y la rue-da va a gran velocidad.

4. ¿Qué efecto crees que puede tener esto en los coches del futuro si anduvieran sobre superficies planas o en colinas? Este efecto, ¿es similar a lo que sucede con los coches que conducimos aho-ra?

Creo que los coches que se utilicen en colinas podrían consumir el hidrógeno con más rapidez que los coches que se utilicen sobre superficies planas. Creo que los co-ches en las colinas consumen la gasolina más rápido que los que andan en superficies planas. El principio es el mismo: más trabajo requiere más combustible.

5. Utilizando la información de la distancia que recorrió el coche, ¿qué distancia recorrió el coche con 4 ml de hidrógeno? ¿Cuán-to hidrógeno sería necesario para que el coche recorra exacta-mente un kilómetro? Muestra todos los cálculos.

[los resultados individuales variarán.]

El coche recorrió 21 m con 4 ml de hidrógeno. El régi-men de consumo de hidrógeno es:

4 ml / 21 m = 0,19 ml/m

Para recorrer 1 Km., se necesitarían:

distancia × régimen de consumo de hidrógeno = 1000 m × 0,19 ml/m = 190 ml

¡Sólo cuando an-tes se realizó la investi-

gación de la energía del hidrógeno!





Quizás ya tengas una idea de lo que verás en esta investigación pero piensa un poco más y propone algunos motivos para sustentar tus ideas. Esta reflexión sobre una investigación se denomina hipótesis en la ciencia y generalmente es una descripción escrita de lo que esperas que suceda y por qué. Al escribir una hipótesis y luego reali-zar las preguntas adecuadas en las investigaciones, los científicos obtienen respuestas que agregan a la información de la que ya dis-ponen. Incluso, hasta pueden revisar la información anterior o formar una nueva hipótesis y formular más preguntas.

9.3.1 ¿Las ruedas girarán por el mismo período de tiempo cuando se utilicen para accionar el coche en una superficie plana?


PRECAUCIÓN





PRECAUCIÓN




No fumar.




Seguridad



Secc

ión

para

el a

lum

no

CONSEJO




Coche con motor

Agua destilada

Lámpara PAR de 100–120 vatios o fuente luminosa equiva-lente (sólo cuando utiliza el panel solar)






AVISO











CONSEJO



Fig. 9-9 Producción de hidrógeno

9. Enchufa las clavijas de punta cónica del cable de conexión rojo en las terminales rojas de la clavija (positivas) del panel solar (1) y la pila de combustible (3).




Secc

ión

para

el a

lum

no

AVISO



No anules la pila de combustible reversible.

10. Repite el paso 9 con el cable de conexión negro y las terminales negativas (2,4).

AVISO





No concentres la luz con un reflector.


PRECAUCIÓN







− Apaga la luz.

− Desconecta los cables de conexión de la pila de com-bustible reversible.





14. Con las terminales roja y negra hacia la parte delantera del co-che, coloca la pila de combustible reversible en las ranuras de la maqueta de coche hasta que haga clic al insertarse.

15. Teniendo en cuenta el espacio que queda disponible, decide si quieres poner en marcha el coche en línea recta o en círculo. Si harás funcionar el coche en círculo:

− Coloca el coche sobre el piso y gira las ruedas delan-teras de tal manera que el coche marche en un círculo pequeño sin golpear contra nada.

Fig. 9-11 Conexión del coche

16. Conecta la clavija de punta cónica (1) roja (positiva) con la ter-minal (2) roja (positiva) y la clavija de punta cónica (4) negra (negativa) con la terminal (3) negra (negativa).




Secc

ión

para

el a

lum

no


17. Ajusta las ruedas delanteras y la posición del coche hasta que el tamaño del círculo sea el adecuado.

18. Marca un punto en el círculo con tiza o un trozo de cinta adhesi-va y otro punto exactamente enfrente. Marca hacia donde viaja el centro del coche, no las ruedas de adentro ni las de afuera.

19. Desconecta uno de los cables para que se detenga el motor.

Fig. 9-12 Diámetro del círculo

Prueba H2 en el comienzo [ml]

H2 en el fi-nal [ml]

H2 utili-zada en 1 minu-to [ml]

H2 utili-zada en 2 minu-tos [ml]

Cantidad de circui-tos

Distancia recorrida [m]

1 –

2 –

3 –

4 –

5 –

6 –

7 –

8 –

Tabla 9-4 Información

20. Mide el diámetro del círculo, escríbelo y calcula la longitud del circuito.

21. Fíjate en la cantidad de hidrógeno en el cilindro acumulador y regístrala en la tabla.

22. Coloca el coche en la posición correcta sobre el suelo.





23. Ten un cronómetro a mano.

24. Conecta los cables rojo y negro del motor a la pila de combusti-ble y haz funcionar el coche. Si el coche no se mueve de inme-diato, dale un empujón para que supere la fricción inicial.

25. Inicia el cronómetro o lleva la cuenta del tiempo.

26. Deja que el coche funcione exactamente un minuto y cuenta la cantidad de círculos que realiza el coche, o lleva la cuenta de la distancia recorrida en línea recta.

CONSEJO

Si el coche se va contra una pared, gíralo rápidamente, vuelve a po-nerlo en la posición correcta y deja que siga hasta que se complete el minuto.

27. Desconecta uno de los cables para que se detenga el motor.

28. Fíjate en la cantidad de hidrógeno del cilindro acumulador, escríbela en la tabla y calcula la cantidad utilizada en un minuto. Escribe la cantidad de circuitos y calcula la distancia, o escribe la distancia recorrida por el coche en línea recta.

29. Si tienes tiempo, vuelve al paso 3 y repite el procedimiento varias veces.

30. Marca los puntos de “H2 utilizada en 1 minuto” en el gráfico.

31. Vuelve al paso 26 y repite el procedimiento; esta vez, dejando que el coche marche por dos minutos. Si es necesario, produce más hidrógeno (consulta los pasos 9- 13).

32. Si tienes tiempo, vuelve al paso 31 y repite el procedimiento va-rias veces. Si es necesario, produce más hidrógeno (consulta los pasos 9- 13).

33. Marca los puntos de “H2 utilizada en 2 minutos” en el gráfico.


Repite el experi-mento con intervalos de

2 minutos



Secc

ión

para

el a

lum

no

Fig. 9-13 Consumo de hidrógeno

34. Si tienes ¡los resultados de la investigación de la energía del hidrógeno! (cuando las ruedas giraban pero el coche no se mov-ía), saca de allí el régimen de utilización de H2. Agrega esa in-formación al gráfico de arriba.

35. En el siguiente gráfico, marca el punto que describe la distancia recorrida y el hidrógeno utilizado para cada prueba.




Fig. 9-14 Distancia recorrida en función del hidrógeno utilizado




1. ¿Qué descubriste al comparar el régimen de consumo de hidró-geno en esta investigación con la investigación de LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO?

2. Si encontraste una diferencia, ¿qué crees que la provocó?

3. ¿Puedes pensar en otros ejemplos similares a partir de tu expe-riencia personal?

4. ¿Qué efecto crees que puede tener esto en los coches del futuro si anduvieran sobre superficies planas o en colinas? Este efecto, ¿es similar a lo que sucede con los coches que conducimos aho-ra?

Sólo cuando an-tes se realizó la investi-

gación de la energía del hidrógeno



Secc

ión

para

el a

lum

no

5. Utilizando la información de la distancia que recorrió el coche, ¿qué distancia recorrió el coche con 4 ml de hidrógeno? ¿Cuán-to hidrógeno sería necesario para que el coche recorra exacta-mente un kilómetro? Muestra todos los cálculos.


10 Eficacia de la energía

La electricidad puede utilizarse para producir hidrógeno y, a su vez, el hidrógeno puede volver a convertirse en electricidad. Esto propor-ciona una manera de "almacenar" electricidad. Pero no toda la elec-tricidad que se utiliza para producir hidrógeno puede recuperarse cuando se ha consumido el hidrógeno en la pila de combustible. En esta investigación, se examinará cuánta electricidad se recupera y cuánta se pierde.


10.1.1 Objetivos


• La potencia, el trabajo, la energía

• El conocimiento de cómo calcular volúmenes (l, ml, m3, etc.)


• Eficacia

• La transformación de la energía


• La termodinámica

• La energía libre de Gibbs

• El voltaje ideal

• Joule

• Sistemas ideales

Requisitos


Panorama

Eficacia de la energía


10.1.2 Horario


Tarea Tiempo




35 minutos

Tabla 10-1: cronograma


Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva







En la escritura no científica, las palabras "potencia" y "energía" gene-ralmente se utilizan con el mismo significado. Pero, de hecho, descri-ben conceptos bastante distintos.

Al describir sucesos eléctricos, la potencia (en vatios) que entra o sale de un dispositivo puede determinarse multiplicando la corriente (en amperios) que pasa a través del dispositivo, por el voltaje (en voltios) que existe en ese dispositivo. Puede escribirse:

I × V = P (amperios × voltios = vatios)

Muchos ejemplos resultan familiares: una estufa eléctrica de 1000 vatios, un amplificador de 200 vatios, una lámpara fluorescente de 15 vatios.

La potencia describe la fuerza de un proceso; no dice nada acerca de la cantidad de trabajo realizado.

La energía es una medida de potencia que continúa por un cierto período de tiempo. Un ejemplo cotidiano sería el uso de kilova-tios/hora en la factura de electricidad de un hogar. La energía que utilizan varios dispositivos no está determinada solamente por su po-tencia. Una lámpara fluorescente de 15 vatios que se deja en funcio-namiento todo un fin de semana habrá consumido más energía que una estufa eléctrica de 1000 vatios que se utiliza media hora.

Una medida común de la energía es el joule (o julio), equivalente a un vatio-segundo (un vatio de potencia producido o consumido en un segundo). La cantidad de energía que se utiliza o suministra a un dispositivo puede ser determinada multiplicando la potencia (en va-tios) por el tiempo (en segundos) en que se utiliza esa potencia. Po-demos escribir:

P × t = E (vatios × segundos = joules = W)

Como medida, W (joule) se utiliza no sólo para la potencia eléctrica. Por ejemplo, la composición exacta del gas que suministran las em-presas a sus clientes varía de mes a mes. Por lo tanto, las empresas de suministro de gas a menudo calculan las facturas de sus clientes en "joules" o calor (vaya a la página 144) del gas consumido. La empresa cobra por la cantidad de energía que se consumió en gas ese mes. Si realmente se obtuvo esa energía (calor) o no, depende del sistema de calefacción y de cómo se utilizó el gas.

Si se recupera toda la energía en el gas, diríamos que el horno es 100 % eficaz. En realidad, eso no sucede. Los tipos de horno que se instalan en los hogares tienen generalmente una eficacia de entre el 80 % y el 96 %. O sea, se pierde entre el 20 % y el 4 % de la energía en el gas. En algunos hornos más viejos, o entre los que no están bien mantenidos, la eficacia puede disminuir al 50 %.

En esta investigación, cuando producimos una cantidad conocida de hidrógeno, podemos medir el voltaje y la corriente que se aplicó al electrolizador y la duración de tiempo en que fue aplicada. A partir

Potencia

Energía

W (joule)

Eficacia



de eso, podemos calcular la energía que se utilizó para producir ese hidrógeno.

Luego, en una pila de combustible, podemos utilizar la misma canti-dad de hidrógeno para enviar corriente a través de una carga electrónica simulada, teniendo en cuenta la energía que se aplicó a esa carga.

Es posible que no se recupere toda la energía utilizada para producir el hidrógeno. De hecho, es importante preguntar: ¿qué proporción se recupera?

Podemos calcular la fracción:

η=Energía eléctrica producida de hidrógeno por la pila de combustible

Energía utilizada por el electrolizador para producir hidrógeno

Luego, podemos escribir esa fracción como un porcentaje: Ésta es la eficacia general del sistema de la pila de combustible-electrolizador.

La eficacia general calcula la relación salida de energía / entrada de energía. Para determinar dónde se pierde la mayor parte de la energía, debe investigarse cada paso del proceso.

Es útil saber la cantidad de energía química que contiene el hidróge-no, comúnmente se la llama densidad de energía, o calor. O sea, la cantidad máxima supuesta de energía que puede obtenerse de una cantidad de hidrógeno en un convertidor perfecto. El concepto es similar al de las facturas de una empresa de suministro de gas para sus clientes, donde se cobra la cantidad de calor que puede llegar a obtenerse con una estufa perfecta.

La eficacia eléctrica del electrolizador, salida de energía / entrada de energía, puede escribirse:

η=Contenido de energía del hidrógeno producido

Contenido de energía utilizada por el electrolizador

La eficacia eléctrica de la pila de combustible, salida de energía / entrada de energía, puede escribirse:

η=Energía producida por la pila de combustibleContenido de energía del hidrógeno utilizado

Obtiene la eficacia general de las dos etapas multiplicando las dos eficacias mencionadas. Los dos valores de "contenido de energía en el hidrógeno" se anulan, dejando como antes:

η=Energía producida por la pila de combustible

Contenido de energía utilizada por el electrolizador

Las pilas de combustible no convierten toda la energía del hidrógeno en electricidad.

Calor

Eficacia eléctrica



Entonces, ¿qué sucede con la energía restante?

Como es de esperarse, un gran parte se pierde como calor. Pero, ¿qué sucedería si pudiéramos utilizar ese calor con un fin práctico?

La manera convencional de producir electricidad hoy en día es que-mando combustible para producir calor en un motor de combustión o turbina, y luego utilizando un generador para producir electricidad.

Sin embargo, una pila de combustible utiliza hidrógeno para produ-cir potencia eléctrica mediante un proceso directo. Si puede utilizarse el calor secundario en una pila de combustible, podemos incluirlo en un cálculo de "eficacia total".

Eficacia total = eficacia eléctrica + eficacia térmica

η= Energía producida por la pila de combustible + calor por la pila de combustible

Contenido de energía del hidrógeno

Los sistemas generadores de electricidad que utilizan calor residual, ya sean pilas de combustible, vapor convencional o turbinas de gas, se denominan sistemas combinados de calor y potencia (o CHP por sus siglas en inglés). La mayoría de los generadores eléctricos con-vierten sólo un tercio de la energía del combustible en electricidad. Cuando se necesita calor además de electricidad, un sistema CHP es 30-35 % más eficaz que los sistemas individuales de calor y de po-tencia, ya que convierten hasta un 85 % del combustible en energía útil. Los sistemas CHP ahorran energía, contaminan menos y son muy confiables.

Los sistemas CHP en pilas de combustibles pueden proporcionar ca-lor, agua caliente, vapor y refrigeración, según la clase de calor ge-nerado y necesario. Algunos sistemas de pilas de combustible produ-cen calor de baja temperatura y sólo pueden recuperar aire o agua caliente. Otros sistemas producen calor de alta temperatura, enton-ces puede generarse vapor. El calor de alta temperatura es necesario para producir un efecto refrigerante, utilizando refrigeradores por absorción y otros equipos especializados.

Los sistemas CHP en las pilas de combustible pueden llegar a una eficacia del 85 %, con aproximadamente el 45 % de eficacia eléctri-ca y el 40 % de eficacia térmica.

Calor residual



10.2 Las investigaciones – profesores

10.2.1 Preparación


10.2.2 En clase




AVISO






PRECAUCIÓN





Seguridad



PRECAUCIÓN




No fumar.


PRECAUCIÓN







Se recomienda hacer que los alumnos realicen esta investigación ellos mismos.


Se recomienda realizar esta investigación en grupos. Sin embargo, si tiene sólo una maqueta de coche a mano, le recomendamos que lo ayude un pequeño grupo de alumnos al realizar la primera parte de la investigación y otro grupo al realizar la segunda parte.

Es necesario realizar esta investigación en dos partes:

• Determinación de la potencia eléctrica utilizada al producir hidrógeno

• Determinación de la potencia eléctrica producida al consumir hidrógeno como combustible



Investigación



CONSEJO





Agua destilada

Lámpara PAR de 100–120 vatios






AVISO










CONSEJO


8. Coloque la pila de combustible hacia abajo.


9. Conecte la terminal roja (positiva) del panel solar (1) a la termi-nal roja (positiva) del amperímetro (3).



10. Conecte la terminal negra (negativa) del panel solar (2) a la ter-minal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (10).

11. Conecte la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (11) a la terminal negra (negativa) del amperímetro (5).

12. Conecte la terminal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (9) a la terminal negra (negativa) (7) del voltímetro.

13. Conecte la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (12) a la terminal roja (positiva) del voltímetro (6).

Ahora la instalación está lista para las investigaciones.

En esta parte de la investigación, la pila de combustible reversible se utilizará como electrolizador y se especificará la energía necesaria para producir hidrógeno.

Tenga el cronómetro a mano


2. Gire la perilla de LOAD (4) a SHORT CIRCUIT.

AVISO






PRECAUCIÓN





3. Encienda la luz.

PARTE 1: Deter-minación de la potencia eléctrica utilizada al pro-

ducir hidrógeno



4. Coloque el panel solar y la luz en tal posición que la corriente sea de 150 mA–200 mA, pero que no estén a menos de 20 cm de distancia.

La pila de combustible (electrolizador) comienza a producir hidróge-no.

5. Cuando el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno llegue a 4 ml, haga que un alumno inicie el cronómetro.

6. Haga que los alumnos observen y escriban la corriente y el volta-je.

Por ejemplo: Corriente: 0,150 A

Voltaje: 1,630 V

7. Cuando el nivel de hidrógeno haya llegado a 10 ml, haga que el alumno detenga el cronómetro y que la clase escriba el tiempo transcurrido.

Por ejemplo: tiempo transcurrido: 300 s

8. Deje que el electrolizador siga funcionando hasta que el nivel de gas llegue a los 12 ml.

9. Apague la luz y desconecte los cables.

10. Haga que los alumnos multipliquen la corriente y el voltaje y ob-tengan la potencia (en vatios) consumida por el electrolizador.

Potencia: 0,245 W

11. Haga que los alumnos multipliquen la potencia y el tiempo trans-currido y obtengan la energía utilizada para producir 6 ml de hidrógeno.

Energía: 73,4 W s

En esta parte de la investigación, la pila de combustible reversible se utiliza como pila de combustible y se mide la producción de energía.

CONSEJO

En la parte 2, se espera que los valores de la corriente y el voltaje varíen de célula en célula.

También podría suceder que la corriente y el voltaje disminuyan gra-dualmente desde el inicio de la medición hasta el final. Si los alum-nos notan esta disminución, pueden registrar, en el paso 6, la co-rriente y el voltaje al final (4 ml) y al principio (10 ml). Luego, en el paso 11, pueden calcular el promedio de potencia producida duran-te el tiempo en que se consumieron los 6 ml de hidrógeno.

Si esta disminución es excesiva (más del 20 %), intente purgar la pila, como se describe en el Manual de instrucciones.


Evaluación de datos

Parte 2: Deter-minación de la potencia

eléctrica producida al consumir hidrógeno co-

mo combustible



Fig. 10-3 Conexión de la pila de combustible con la caja del medidor de carga

Para conectar la pila de combustible con la caja del medidor de car-ga:

AVISO


Manchas de luz en la membrana.

No ajuste la perilla de LOAD a SHORT CIRCUIT.

Gire la perilla de LOAD a OPEN.

1. Ajuste perilla de LOAD(3) de la caja del medidor de carga a OPEN y presione el botón de encendido y apagado (7).

2. Enchufe la clavija (1) de punta cónica roja (positiva) en la termi-nal roja (positiva) de la pila de combustible y el otro extremo en la terminal (2) roja (positiva) del amperímetro.

3. Repita el paso 2 para las terminales (10, 4) negras (negativas).

4. Enchufe la clavija de punta cónica roja (positiva) en la terminal (9) del amperímetro y enchúfela en la terminal (5) roja (positiva) del voltímetro.



5. Haga lo mismo con el cable de conexión negro y las terminales (8, 6) negras (negativas).

6. Gire la perilla de LOAD (3) a 3 Ω.

La pila de combustible comienza a consumir oxígeno e hidrógeno.

7. Cuando el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno llegue exactamente a 10 ml, haga que un alumno inicie el cronómetro.

8. Haga que los alumnos observen y escriban la corriente y el volta-je.

Corriente: 0,213 A

Voltaje: 0,648 V

9. Cuando el nivel de hidrógeno haya llegado a 4 ml, haga que el alumno detenga el cronómetro y escriba el tiempo transcurrido.

Tiempo transcurrido: 180 s

10. Desmonte el equipo, guárdelo y quítese los anteojos protectores.

11. Haga que los alumnos multipliquen la corriente y el voltaje y ob-tengan la potencia (en vatios) generada por la pila de combusti-ble.

Potencia: 0,138 W

12. Haga que los alumnos multipliquen la potencia y el tiempo trans-currido y obtengan la energía producida al consumir 6 ml de hidrógeno.

Energía: 24,8 W s

13. Con los resultados de la parte 1, haga que los alumnos calculen la eficacia general del sistema de pila de combustible-electrolizador.

Eficacia general: 33,8 %


Puede estimular a los alumnos a responder las preguntas en la sec-ción PREGUNTAS, en la página 164, en silencio o de a dos. Eso depende de las aptitudes de los alumnos y de su método de ense-ñanza.





10.2.4 Tarea





Los alumnos pueden necesitar una copia de la sección INFORMA-CIÓN GENERAL para poder responder las preguntas.

1. En esta investigación, utilizamos un resistor como carga simula-da. ¿Por qué utilizamos eso y no el motor del coche?

Utilizar un resistor en la caja de carga como carga simu-lada nos da más flexibilidad para elegir diferentes resis-tencias y corrientes.

2. Al producir hidrógeno, medimos la corriente con el electrolizador pero parte de esa corriente ¿no fluye también por el voltímetro? ¿Debemos considerar esa corriente?

La corriente que medimos al producir hidrógeno era la suma de la corriente que fluye por el electrolizador y la corriente que fluye por el voltímetro. Pero el voltímetro tiene una resistencia tan alta que el flujo de corriente es muy pequeño y puede no tenerse en cuenta.

3. Nuestros cálculos de entrada de energía / salida de energía se describieron en términos de la producción y utilización de hidró-geno. ¿Qué sucede con el oxígeno? ¿Es importante?

Se produce y se utiliza tanto el hidrógeno como el oxíge-no. Como comparamos la entrada total de energía y la salida total de energía, cualquier contribución del oxíge-no estaba incluida en la comparación final.

4. ¿Crees que la pila de combustible puede ser más o menos eficaz si la hacemos funcionar con una corriente diferente? Incrementar la resistencia de la carga simulada tendrá como resultado una corriente más baja y, por lo tanto, la pila de combustible tardará más en consumir la misma cantidad de hidrógeno. Pero ¿la energía total obtenida del hidrógeno será la misma? Si tienes tiempo, repite la investigación utilizando una carga de 5 o 10 Ω. Para completar los pasos con rapidez, puedes producir y utilizar un volumen menor de hidrógeno, menos de 6 ml.

Cuando la pila de combustible opera con una resistencia más alta (corriente más baja), es un poco más eficaz (más alta).

El volumen de hidrógeno producido y consumido no cambiará la eficacia, aunque realizar la investigación con un volumen menor incrementa el efecto del error experi-mental al leer los niveles de gas.

5. Entonces, ¿qué crees? ¿Adónde fue la energía?

Se utilizó más electricidad para producir hidrógeno que la que se recuperó con la pila de combustible. Es probable que un poco de la energía faltante se haya perdido como calor.



6. Las eficacias individuales del electrolizador y la pila de combusti-ble ¿son las mismas? Una tabla de constantes físicas nos dirá que la densidad de energía del hidrógeno es de 33,3 kWh/Kg. ¿Puedes determinar a eficacia de cada etapa del proceso de la pila de combustible-electrolizador? Así comienza. Sabiendo que la densidad del hidrógeno a tempe-ratura ambiente es de 12 m3/Kg, podemos usar la cancelación de unidades para convertir "kWh/Kg" en un término más conve-niente para nuestra investigación:

33,3 kWhkg

×kg

12m3 ×1000 W

1 kW×

1 m3

1000000 cm3 ×1cm3

1 ml×

3600 s1 hr

=9,99 Ws

ml

La eficacia es la relación de salida de energía / entrada de energía; por lo tanto, una relación sin dimensión.

La eficacia del electrolizador es de:

=Contenido de energía de 6 ml de hidrógeno producido

Energía utilizada por el electrolizador que produce 6 ml de hidrógeno

6 mL ×10 Ws/ml73.4 Ws

×100 %=81.7 %

La eficacia de la pila de combustible es de:

ηFC= Energía producida por la pila de combustible que consume 6 ml de hidrógeno.

Contenido de energía de 6 ml de hidrógeno.=

24,8 Ws6 ml 10 Ws/ml

×100 % =41,3 %

Entonces, las eficacias del electrolizador y la pila de combustible no son iguales; el electrolizador es aproxi-madamente dos veces más eficaz que la pila de combus-tible. La eficacia general del sistema de pila de combus-tible-electrolizador es producto de las eficacias individua-les.

ηtotal = ηEl×ηFC

(81,7 %)×(41,3 %) = 33,7 %

7. Una manera de calcular la cantidad de potencia "perdida" en una pila de combustible es tener en cuenta el voltaje teórico de una célula de oxígeno-hidrógeno. Este valor, 1,23 voltios, repre-senta el voltaje ideal de una pila de combustible perfecta (pero irrealizable). La diferencia entre este voltaje ideal y el voltaje real, el cual mediste en el paso 8, proporciona una forma de calcular la potencia perdida. Recuerda ese voltaje de × corriente = potencia. Con el voltaje teórico de la pila y las medidas del voltaje y la co-rriente del paso 8, calcula la pérdida de potencia dentro de la pi-la de combustible. ¿Qué sucede con esa potencia?

A partir de los valores observados de 0,213 A y 0,648 V:

corriente × pérdida de voltaje = pérdida de potencia



0,213 A × (1,23 – 0,648) V = 0,124 W = pérdida de potencia dentro de la pila de combustible

Esta pérdida de potencia está relacionada con la energía en la pila de combustible que no puede utilizarse para producir electricidad. Un poco de esta potencia perdida aparece como calor.

8. Gracias a la tecnología práctica, un poco pero no toda la poten-cia perdida puede recuperarse como calor. Quizás pueda recu-perarse y utilizarse el 70%. En la pila de combustible, esto es una pequeña cantidad de potencia y puede resultar difícil hacerse una idea de la real magnitud. Nuevamente, a partir de tus obser-vaciones en el paso 8, calcula la relación de "calor recuperable" para la potencia eléctrica producida.

No podemos recuperar 0,124 W pero podríamos llegar a recuperar el 70 %, o sea, 0,087 W.

La potencia eléctrica que está generando la pila de com-bustible: 0,138 W

La relación de "calor recuperable" para la potencia eléc-trica producida:

= 0,087 W / 0,138 W = 0,63

9. En una pila de combustible más grande, de unos 50 kW (típicos en un coche de pila de combustible), ¿cuánto calor secundario puede utilizarse? Suponte que esa unidad de potencia tiene la misma eficacia que la pila de combustible de nuestra investiga-ción.

Con la relación calculada, un coche de pila de combusti-ble de 50 Kw. podría proporcionar, en el punto máximo de producción, 50 kW adicionales × 0,63 = 32 kW en calor.



Secc

ión

para

el a

lum

no


10.3.1 La investigación


AVISO






PRECAUCIÓN





PRECAUCIÓN




No fumar.


Seguridad




PRECAUCIÓN





Es necesario realizar esta investigación en dos partes:

• Determinación de la potencia eléctrica utilizada al producir hidrógeno

• Determinación de la potencia eléctrica producida al consumir hidrógeno como combustible






Agua destilada









Secc

ión

para

el a

lum

no


AVISO







CONSEJO







9. Conecta la terminal roja (positiva) del panel solar (1) a la termi-nal roja (positiva) del amperímetro (3).

10. Conecta la terminal negra (negativa) del panel solar (2) a la ter-minal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (10).

11. Conecta la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (11) a la terminal negra (negativa) del amperímetro (5).

12. Conecta la terminal negra (negativa) de la pila de combustible reversible (9) a la terminal negra (negativa) (7) del voltímetro.

13. Conecta la terminal roja (positiva) de la pila de combustible re-versible (12) a la terminal roja (positiva) del voltímetro (6).

Ahora la instalación está lista para las investigaciones.

En esta parte de la investigación, la pila de combustible reversible se utilizará como electrolizador y se especificará la energía necesaria para producir hidrógeno.

Ten el cronómetro a mano


2. Gira la perilla de LOAD (4) a SHORT CIRCUIT.

PARTE 1: Deter-minación de la potencia eléctrica utilizada al pro-

ducir hidrógeno



Secc

ión

para

el a

lum

no

AVISO






PRECAUCIÓN





3. Enciende la luz.

4. Coloca el panel solar y la luz en tal posición que la corriente sea de 150 mA–200 mA, pero que no estén a menos de 20 cm de distancia.

La pila de combustible (electrolizador) comienza a producir hidróge-no.

5. Cuando el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno llegue a 4 ml, inicia el cronómetro.

6. Observa la corriente y el voltaje y escríbelos.

7. Cuando el nivel de hidrógeno haya llegado a 10 ml, detén el cronómetro y escribe el tiempo transcurrido.

8. Deja que el electrolizador siga funcionando hasta que el nivel de gas llegue a los 12 ml.

9. Apaga la luz y desconecta los cables.

10. Multiplica la corriente y el voltaje y obtén la potencia (en vatios) consumida por el electrolizador.

11. Multiplica la potencia y el tiempo transcurrido y obtén la energía utilizada para producir 6 ml de hidrógeno.






En esta parte de la investigación, la pila de combustible reversible se utiliza como pila de combustible y se mide la producción de energía.


Para conectar la pila de combustible con la caja del medidor de car-ga:

AVISO


Manchas de luz en la membrana.

No ajustes la perilla de LOAD a SHORT CIRCUIT.

Gira la perilla de LOAD a OPEN.

1. Ajusta la perilla de LOAD (3) de la caja del medidor de carga a OPEN y presiona el botón de encendido y apagado) (7).

2. Enchufa la clavija (1) de punta cónica roja (positiva) en la termi-nal roja (positiva) de la pila de combustible y el otro extremo en la terminal (2) roja (positiva) del amperímetro.

Parte 2: Deter-minación de la potencia

eléctrica producida al consumir hidrógeno co-

mo combustible



Secc

ión

para

el a

lum

no

3. Repite el paso 2 para las terminales (10, 4) negras (negativas).

4. Enchufa la clavija de punta cónica roja (positiva) en la terminal (9) del amperímetro y enchúfala en la terminal (5) roja (positiva) del voltímetro.

5. Haz lo mismo con el cable de conexión negro y las terminales (8, 6) negras (negativas).

6. Gira la perilla de LOAD a 3 Ω.

La pila de combustible comienza a consumir oxígeno e hidrógeno.

7. Cuando el nivel de gas en el cilindro acumulador de hidrógeno llegue exactamente a 10 ml, inicia el cronómetro.

8. Observa la corriente y el voltaje y escríbelos.

9. Cuando el nivel de hidrógeno haya llegado a 4 ml, detén el cronómetro y escribe el tiempo transcurrido.


11. Multiplica la corriente y el voltaje y obtén la potencia (en vatios) generada por la pila de combustible.

12. Multiplica la potencia y el tiempo transcurrido y obtén la energía producida al consumir 6 ml de hidrógeno.

13. Con los resultados de la parte 1, calcula la eficacia general del sistema de pila de combustible-electrolizador.



1. En esta investigación, utilizamos un resistor como carga simula-da. ¿Por qué utilizamos eso y no el motor del coche?

2. Al producir hidrógeno, medimos la corriente con el electrolizador pero parte de esa corriente ¿no fluye también por el voltímetro? ¿Debemos considerar esa corriente?

3. Nuestros cálculos de entrada de energía / salida de energía se describieron en términos de la producción y utilización de hidró-geno. ¿Qué sucede con el oxígeno? ¿Es importante?

4. ¿Crees que la pila de combustible puede ser más o menos eficaz si la hacemos funcionar con una corriente diferente? Incrementar la resistencia de la carga simulada tendrá como resultado una corriente más baja y, por lo tanto, la pila de combustible tardará más en consumir la misma cantidad de hidrógeno. Pero ¿la energía total obtenida del hidrógeno será la misma? Si tienes tiempo, repite la investigación utilizando una carga de 5 o 10 Ω.






Para completar los pasos con rapidez, puedes producir y utilizar un volumen menor de hidrógeno, menos de 6 ml.

5. Entonces, ¿qué crees? ¿Adónde fue la energía?

6. Las eficacias individuales del electrolizador y la pila de combusti-ble ¿son las mismas? Una tabla de constantes físicas nos dirá que la densidad de energía del hidrógeno es de 33,3 kWh/Kg. ¿Puedes determinar a eficacia de cada etapa del proceso de la pila de combustible-electrolizador?

Así comienza. Sabiendo que la densidad del hidrógeno a temperatu-ra ambiente es de 12 m3/Kg, podemos usar la cancelación de uni-dades para convertir "kWh/Kg" en un término más conveniente para nuestra investigación:

33,3 kW hrkg

×kg

12m3 ×1000 W

1 kW×

1 m3

1000000 cm3 ×1cm3

1 ml×

3600 s1 hr

=9,99 Ws

ml

7. Una manera de calcular la cantidad de potencia "perdida" en una pila de combustible es tener en cuenta el voltaje teórico de una célula de oxígeno-hidrógeno. Este valor, 1,23 voltios, repre-senta el voltaje ideal de una pila de combustible perfecta (pero irrealizable). La diferencia entre este voltaje ideal y el voltaje real, el cual mediste en el paso 6, proporciona una forma de calcular la potencia perdida. Con el voltaje teórico de la pila y las medidas del voltaje y la co-rriente del paso 6, calcula la pérdida de potencia dentro de la pi-la de combustible. ¿Qué sucede con esa potencia? Recuerda ese voltaje de × corriente = potencia.

8. Gracias a la tecnología práctica, un poco pero no toda la poten-cia perdida puede recuperarse como calor. Quizás pueda recu-perarse y utilizarse el 70%. En la pila de combustible, esto es una pequeña cantidad de potencia y puede resultar difícil hacerse una idea de la real magnitud. Nuevamente, a partir de tus obser-vaciones en el paso 6, calcula la relación de "calor recuperable" para la potencia eléctrica producida.

9. En una pila de combustible más grande, de unos 50 Kw. (típicos en un coche de pila de combustible), ¿cuánto calor secundario puede utilizarse? Suponte que esa unidad de potencia tiene la misma eficacia que la pila de combustible de nuestra investiga-ción.


11 ¿Qué es un híbrido?

El objetivo principal de esta investigación es que cada equipo de alumnos produzca un informe que muestre que comprenden por qué el combustible sigue siendo necesario para el transporte. Como ob-jetivo adicional, se desea que los alumnos diseñen y realice investi-gaciones utilizando el kit de maqueta de coche para explorar los vehículos híbridos, en particular, utilizando la energía solar para asis-tir la pila de combustible.


Esta investigación difiere de los métodos didácticos utilizados en las investigaciones anteriores, ya que apunta únicamente al trabajo en equipo.

Colocar a los alumnos en un simulacro de situación de adultos pue-de tener como resultado un comportamiento más sofisticado, ya que comenzarán a pensar con más madurez.

11.1.1 Objetivos


• Los circuitos eléctricos

• La habilidad de escribir informes

• Las células solares

• Las pilas de combustible

• La electrólisis

Todos los alumnos deben llegar a este resultado deseado:

1. La energía solar tiene ventajas pero no es adecuada para hacer funcionar un coche directamente, por sí sola. Si no hay sol, no se produce energía. Investigando en la literatura, los alumnos tam-bién aprenderán que con la tecnología actual de los dispositivos solares, la cantidad de potencia producida por área de unidad (la densidad de la potencia) no es suficiente para accionar un coche con pasajeros que normalmente tiene un motor de 50 kW.

2. Una manera de solucionar este problema es utilizando energía solar para producir un combustible. Un gran dispositivo solar fijo puede accionar un electrolizador, generando hidrógeno. El hidrógeno se utilizará luego en un vehículo accionado por una pila de combustible. Esto es energía solar pero sin intermediarios.

Requisitos


¿Qué es un híbrido?


Un coche necesita combustible porque el conductor no puede depender de la luz del sol.

3. Varios vehículos híbridos, en desarrollo o en producción, combi-nan diferentes métodos de propulsión. Entre ellos está el Toyota Prius y los coches que tienen un panel fotoeléctrico para el aire acondicionado y los accesorios.


• La construcción de coches accionados por pila de combusti-ble

• Los coches híbridos y sus ventajas

• Tecnologías alternativas de propulsión

11.1.2 Horario


Tarea Tiempo


Investigación 2 × 50 minutos

Tiempo que necesitarán los alumnos para investigar en sus casas

25 minutos

Tabla 11-1: cronograma


Método Idoneidad

Trabajo grupal

Clase expositiva –




Panorama




11.2.1 Preparación

Es recomendable realizar esta investigación antes de la clase: sólo está diseñada para el trabajo grupal. Para prepararse correctamente, diríjase al Sección para el alumno en la página 181.

11.2.2 En clase

Esta investigación se presenta como un ejercicio de simulación con final abierto. Invita a los alumnos a tomar una actitud de investiga-ción donde combinarán la información que obtengan en Internet con sus propias averiguaciones.

En esta simulación, el presidente de una empresa pide informes so-bre la viabilidad del transporte accionado por energía solar. El direc-tor de Investigaciones de nuevos productos ordena a sus ingenieros (los alumnos) que investiguen mientras él se va de vacaciones.

Este enfoque puede llevarse a cabo de varias maneras, entre ellas:

• La clase organiza una investigación completa.

• Un grupo pequeño de alumnos motivados realiza la investi-gación y presenta el informe a la clase.

• Un equipo recoge información de la literatura e Internet mientras que otro grupo realiza pruebas con los componen-tes de la maqueta de coche. Escriben un informe en conjunto


Para esta investigación se requiere una explicación breve, según el nivel de la clase. Está diseñada para estimular a los alumnos a pen-sar un enfoque propio para resolver problemas formulando hipótesis y probándolas o refutándolas. En esta investigación, no se recomien-da dar una clase expositiva.


Algunas partes de esta investigación pueden realizarse en silencio, por ejemplo, entregando información adicional sobre los coches híbridos y temas relacionados o hacer que los alumnos investiguen en Internet.

11.2.2.3 Tarea

Se aplica el mismo criterio que para el trabajo escrito.

11.2.3 Enfoques posibles



Mientras sea posible, debe dejar que los alumnos diseñen su propia organización. Sin embargo, la siguiente tabla lo ayudará con la des-cripción de muchas posibles combinaciones que pueden elegir los alumnos para investigar.

Recalque a los alumnos que deben realizar la investigación de manera responsable y segura.

AVISO






PRECAUCIÓN





Seguridad



PRECAUCIÓN




No fumar.


PRECAUCIÓN





AVISO



AVISO




En realidad, algunas maneras de organizarse (S2, F2, H2) no tienen un buen resultado. Si tiene dos maquetas de coche a disposición, los alumnos pueden montar dos paneles solares con cinta adhesiva o dos pilas de combustible al chasis del coche. (Vea las siguientes ilus-



traciones.) Tenga cuidado de no utilizar cinta que deje residuos en los componentes.

Si sólo dispone de una maqueta de coche, las opciones S2, S3, F2 y F3 no son posibles.

La tabla describe varias combinaciones de artículos en el kit de la maqueta de coche, con advertencias según sea necesario. Si elige agregar otras cosas, como una fuente de alimentación de laboratorio o un panel solar distinto, no exceda los regimenes de entrada máxi-mos del electrolizador (1,8 voltios, 0,5 amperios) o el motor del co-che (3 voltios).

Las maneras de organizarse más útiles e informativas para esta inves-tigación son las S1, F1 y, especialmente, H1.

S1 Motor y panel solar

Observación Funciona, pero sólo con luz fuerte. Conclusión Un vehículo así necesita la luz del sol sin ningún obstáculo. Los alumnos se darán cuen-ta por qué esta no es una fuente de potencia satisfactoria para un vehículo.



S2 Dos paneles solares en serie con el motor

Observación Si ambos paneles solares están iluminados igualmente, funciona mejor que un solo panel solar. Como los paneles no están al mismo ángulo que la fuente luminosa, es difícil elegir la mejor iluminación. Si se ilumina un panel solo, el coche no se mueve. Conclusión Un voltaje más alto sin una corriente más alta no mejora el rendimiento del motor. Están los mismos problemas que hay en S1.

S3 Dos paneles solares en paralelo con el motor

Observación La corriente es la suma de las corrientes de ambos paneles. El coche se mueve si sólo un panel se ilumina. Conclusión La conexión en serie / en paralelo es impor-tante. Los dispositivos más grandes pueden rendir más corriente con el mismo voltaje (por lo tanto, más potencia) tiene los mismos pro-blemas que el S1.

Tabla 11-3 Configuraciones posibles de paneles solares



F1 Pila de combustible y motor

Observación Funciona por un tiempo mensurable pero pues, necesita más combustible de hidrógeno. Conclusión Este comportamiento es el mismo que el de los coches convencionales. El coche funciona mientras tenga combustible, independiente-mente del nivel de iluminación.

F2 Dos pilas de combustible en serie con el motor

Observación Funciona casi dos veces más rápido Esto no dañará el motor, que tolera hasta 3 voltios. Conclusión La conexión en serie de dos pilas de combus-tible rinde más voltaje de operación y, por lo tanto, mayor corriente que da un mejor ajuste con las características del motor. Si la polari-dad de una pila se revierte, el motor no fun-cionará pero no se ocasionarán daños.



F3 Dos pilas de combustible en para-lelo con el motor

Observación No es mejor que con una sola pila de com-bustible pero recorre el doble de la distancia. Conclusión Aunque la corriente disponible es doble, el motor no rinde más en este punto con su cur-va característica. Si la polaridad de una pila se reviertes, se produce un corto circuito en ambas y pueden dañarse. Además, el motor dejará de funcio-nar.

Tabla 11-4 Configuraciones posibles de la pila de combustible

H1 Panel solar, pila de combustible, motor en paralelo

Observación Los alumnos pueden medir el régimen de con-sumo de hidrógeno con y sin el panel solar conectado. Aún con luz baja, al panel solar ayudará a que el motor funcione más tiempo. Si desconecta el motor (simulando que esta-ciona el coche), el panel solar carga la pila con hidrógeno. La polaridad de las interco-nexiones es significante pero no peligrosa. Si se revierte la polaridad del motor, simplemen-te funcionará hacia atrás. Si el panel solar está conectado con la polaridad incorrecta, no pasará nada y el diodo protector en la pila de combustible prevendrá que se dañe la pila. Conclusión Un coche de pila de combustible asistida por energía solar híbrida, como éste, funciona más tiempo porque el motor toma parte de su energía del sol, ahorrando hidrógeno. Cuan-do el coche está estacionado, el panel solar carga la pila con hidrógeno. Un panel solar puede proporcionar a un coche como éste potencia auxiliar para el aire acondicionado o la carga de la batería.



H2 Panel solar, pila de combustible, motor en serie

Observación En la oscuridad, el panel solar funciona como un circuito abierto. No sucede nada. Con luz, tampoco funciona. Conclusión No es una manera útil de conectar los com-ponentes.

Los alumnos pueden pensar otras configuraciones...

Tabla 11-5 Configuraciones posibles híbrido

11.2.3.2 Preguntas y respuestas

1. Creo que primero deberías utilizar solamente energía solar. Fíjate cuáles son las ventajas y los problemas. ¿Puedes proponer solu-ciones?

Las configuraciones que utilizan solamente energía solar se describen en S1, S2 y S3, ver Tabla 11-5

Ventajas de uti-lizar solamente energía solar

Problemas de utilizar sola-mente energía solar

Solución de pro-blemas

• La fuente de energía (el sol) es gratuita

• Sostenible, no contamina

• No siempre hay sol

• La densidad de la potencia (po-tencia por área de superficie de unidad) de los dispositivos fo-toeléctricos es baja. Compara-da con la canti-dad de energía

• Almacena energía en una batería intermedia, como se usa en los vehículos solares livianos hoy en día.

• Vehículos muy livianos. Internet brindará ejem-plos



Ventajas de uti-lizar solamente energía solar

Problemas de utilizar sola-mente energía solar

Solución de pro-blemas

necesaria para hacer funcionar un vehículo de aplicación gene-ral, la cantidad de energía solar que cae sobre un panel solar del tamaño de un coche es muy pequeña. Además, la efi-cacia de las células solares típicas es del 15% o menos.

• Panales solares muy grandes. Los alumnos pueden calcular la densidad de la potencia máxima del panel solar. Consulte PREGUNTA y respuesta adi-cional en la página 179 • Tecnología solar mejorada. Más eficacia significa una mejor conversión de la energía solar en potencia eléctri-ca.

Tabla 11-6 Soluciones posibles a la pregunta 1

2. Luego intente hacer funcionar el coche con la potencia de la pila de combustible. ¿Qué diferencias hay?

Las configuraciones que utilizan solamente potencia de la pila de combustible se describen en F1, F2 y F3.

Una fuente de potencia de la pila de combustible funcio-na de manera más similar a un coche normal.

• La cantidad de combustible determina el rango.

• La cantidad de pilas (el tamaño del motor) de-termina la velocidad.

3. ¿Podría la energía solar recogida en una planta estacionaria ser una fuente de energía para el transporte?

Sí. Con electrolizadores más grandes, la energía solar puede convertirse en hidrógeno. Luego el hidrógeno puede utilizarse como combustible en un vehículo con pi-la de combustible.

4. Una idea frecuente combina la energía solar y la tecnología de la pila de combustible en un tipo de híbrido. Por ejemplo, si el co-che está estacionado, un poco de la energía solar que cae sobre él puede almacenarse como hidrógeno para ser utilizada al con-ducir en la oscuridad. Quizás también debas fijarte en eso.



La configuración F1 en la tabla demuestra eficazmente un híbrido con pila de combustible + energía solar.

• Cuando la maqueta de coche se mueve con la luz baja, la pila de combustible utiliza el hidróge-no para accionar el motor.

• Cuando el coche se mueve con la luz fuerte, el panel solar funciona como fuente de potencia complementaria para ayudar a la pila de com-bustible a accionar el motor.

• Cuando el coche está estacionado (el motor des-conectado de los otros dos componentes) en la luz fuerte, el panel solar y la pila de combustible producen hidrógeno que se almacena para ser utilizado más tarde.

En la práctica, las pilas de combustible que se utilizan como fuentes de potencia en vehículos no tienen la ca-pacidad de actuar como electrolizador y como pila de combustible. La necesidad de una alta eficacia hace que tales dispositivos reversibles de baja eficacia sean poco prácticos.

5. Trata de buscar información en Internet. ¿Hay algún ejemplo de fuentes de energía combinada (suministros de energía híbridos)?

• Las baterías de almacenamiento pueden guardar energía de otras fuentes como: energía dinámica del frenado, energía solar en las superficies del ato, energía gravitacional al bajar una colina, in-cluso la energía eólica cuando el coche está es-tacionado.

• El panel solar puede utilizarse para hacer funcio-nar algunos accesorios (el aire acondicionado, los instrumentos, el audio-visual, el acumulador) y así reducir las demandas de combustible de una pila o un motor convencional.

Hay un gran mercado para los híbridos. La combinación de motor de gasolina + motor/generador + acumulador es muy común.

6. ¿Tiene el panel solar futuro en el accionamiento de vehículos o éstos continuarán utilizando combustible? Si se agregara un acumulador, ¿sería diferente? Generalmente, ¿cuál es el futuro de los combustibles con respecto al transporte y la movilidad?

La potencia solar acumulada en la superficie de un vehí-culo no es suficiente para accionar un coche de un ta-maño convencional. Aún si se utiliza un acumulador para juntar energía cuando el coche no se mueve, como las densidades de la potencia fotoeléctrica son bajas, la po-



tencia solar es suficiente sólo para coches especialmente livianos.

Las baterías se usan en muchos vehículos prototípicos pa-ra juntar energía de fuentes auxiliares (paneles solares, frenado dinámico) y asistir al sistema de potencia princi-pal, que puede ser una pila de combustible y un motor eléctrico.

En el futuro, los combustibles todavía serán necesarios para los vehículos de pasajeros porque necesitarán ser lo suficientemente pesados para brindar seguridad y espa-cio para cargar a más de una persona. El combustible tiene una alta densidad de potencia.

Sin embargo, el combustible que utilizamos en los coches puede producirse, cuando el coche no está en movimien-to, a partir de las fuentes de energía renovable como la solar, la eólica, la del agua, la geotérmica, la biomasa, etc. De esta manera, no consumiremos las reservas de nuestros combustibles fósiles. Simplemente, produciremos el combustible y lo consumiremos en un proceso sosteni-ble.

Convertir potencia solar en hidrógeno y usarla como combustible de un coche es un concepto importante por-que es sostenible.

11.2.3.3 Problemas en la iluminación del panel solar montado en el coche

• Hacer que el coche se mueva en círculo y luego seguirlo sos-teniendo una luz fuerte. Aparte de los peligros evidentes de tropezarse con el cable, tirar la lámpara, quemarse con la lámpara caliente y recalentar el panel solar, este método puede no tener resultados similares en las distintas pruebas.

• Coloque el coche en un bloque de madera para que no se mueva, bajo una luz fija.

• Hacer que el coche se mueva en círculo. Por el constante cambio del ángulo de incidencia, funciona mejor cuando el sol está bien alto.

• Haga que el coche se mueva en línea recta con el panel so-lar en la posición óptima.

11.2.3.4 Pregunta y respuesta adicional

¿Qué tamaño de dispositivo de células solares del tipo incluido en el kit es necesario para producir los 50 Kw. necesarios para las cargas máximas de un vehículo eléctrico típico?

Si se trabaja puertas adentro, los

alumnos pueden

Si se trabaja al aire libre, los alumnos

pueden

Pregunta



Con el panel solar y la caja del medidor de carga, los alumnos pue-den calcular la potencia producida por área de unidad del panel, o densidad de potencia. (La caja de carga es necesaria porque no se podrá medir el voltaje y la corriente en el motor.)

Bajo la luz fuerte, la superficie de 45 cm2 (=0.0045 m2) del panel solar puede producir 250 mA en 10 ohmios.

Por lo tanto, la densidad de la potencia es de:

Densidad de potencia = densidad

área=

I2×Rárea

= 0,25 A 2 ×10 Ω

0,0045m2 =139 Wm2

El tamaño adecuado del dispositivo, para que produzca 50 kW sería:

Potencia necesitada Densidad de potencia

= 50000 W

139 Wm2

=360 m2

Enfoque

Respuesta





Imagina que trabajas como miembro de un equipo de investigación de una empresa que fabrica componentes para coches. Ayer, tu jefe recibió la siguiente directiva:

De: la oficina del presidente

Para: todos los directores de los departamentos

En una reunión reciente, la junta de directores debatió el tema del uso general de los vehículos accionados por energía solar. Algunos pensaban que un vehículo totalmente accionado por energía solar no era factible y que eran necesarios otros combustibles y fuentes de potencia.

Para la planificación estratégica del próximo año, la junta necesita saber exactamente qué será posible. Actualmente, hay mucho de qué hablar acerca de los sistemas "híbridos" aunque no estamos muy seguros de su significado.

Recojan toda la información que puedan de sus respectivos departamentos y entreguen sus informes a fin de mes.

BR

Ian Smith

Hoy tu equipo recibió la siguiente nota:

De: Director de Investigaciones de nuevos productos Para: todo el personal de R & D

Estimados compañeros:

ayer recibí la directiva adjunta. Parece que la junta quiere muchas cosas en poco tiempo. Necesito que planifiquen una investigación, la realicen y escriban un informe al respecto.

Como algunos de ustedes sabrán, mañana parto hacia Australia por dos semanas. La-mento dejarlos solos con esta tarea. Pero estuve pensando y escribiré algunas ideas y pre-guntas para que puedan comenzar.

En el laboratorio está el Dr FuelCellTM Model Car. Pueden usarlo de cualquier manera. Vean estas imágenes: el panel solar puede adherirse al coche al menos de dos maneras distintas:



Secc

ión

para

el a

lum

no

Con cinta adhesiva, hasta pueden adherir dos paneles o dos pilas de combustible al cha-sis del coche. No sé si la mejor conexión es en serie o en paralelo.

Si trabajan adentro, quizás deban seguir al coche mientras se mueve, sosteniendo la luz sobre el panel solar. O pueden colocar el coche sobre un bloque de madera para que no se mueva. Diríjanse al Manual de instrucciones antes de comenzar a trabajar.

Hay muchas maneras de conectar las pilas de combustible, los paneles solares y el motor del coche para hacerlo funcionar. En el informe, dibujen diagramas de las conexiones que describan y observen de qué manera afectan las diferentes configuraciones al funciona-miento del coche.

Tareas del proyecto

1. Creo que primero deberían utilizar solamente energía solar. Fíjense cuáles son las ven-tajas y los problemas. ¿Pueden proponer soluciones?

2. Luego intenten hacer funcionar el coche con la potencia de la pila de combustible. ¿Qué diferencias hay?

3. ¿Podría la energía solar recogida en una planta estacionaria ser una fuente de energía para el transporte?

4. Una idea frecuente combina la energía solar y la tecnología de la pila de combustible en un tipo de híbrido. Por ejemplo, si el coche está estacionado, un poco de la energ-ía solar que cae sobre él puede almacenarse como hidrógeno para ser utilizada al conducir en la oscuridad. Quizás también deban fijarse en eso.

5. Traten de buscar información en Internet. ¿Hay algún ejemplo de fuentes de energía combinada (híbrida)?

6. ¿Tiene el panel solar futuro en el accionamiento de vehículos o éstos continuarán utili-zando combustible? Si se agregara un acumulador, ¿sería diferente? Generalmente, ¿cuál es el futuro de los combustibles con respecto al transporte y la movilidad?

Bueno, eso es todo. Mi vuelo sale esta noche. Volveré en dos semanas. Sé que la junta está ansiosa por leer los informes. Y yo también. ¡Podríamos revolucionar la industria co-chemotriz!

Adiós.

BR

John

Hay muchas maneras de conectar las pilas de combustible, los pane-les solares y el motor del coche para hacerlo funcionar. En el infor-me, dibujen diagramas de las conexiones que describan y observen

¿Qué hacer?




de qué manera afectan las diferentes configuraciones al funciona-miento del coche.

Cualquier enfoque que apliques adhiérete a las instrucciones de seguridad del Manual de instrucciones.

11.3.1.2 Pregunta adicional

¿Qué tamaño de dispositivo de células solares del tipo incluido en el kit es necesario para producir los 50 kW necesarios para las cargas máximas de un vehículo eléctrico típico?


12 Glosario

Término Explicación

Agua destilada agua que se transformó en vapor y luego se volvió a condensar como agua pura, abandonando cualquier sustancia disuelta o suspendida.

Amperímetro dispositivo que mide la corriente que fluye a través de un circuito.

Amperio (amp) la unidad de corriente eléctrica; su símbolo es A.

Ángulo de incidencia el número de grados por el cual una línea se desvía de la per-pendicular hacia un plano desig-nado.

Anión átomo o grupo de átomos con carga electrónica negativa.

Ánodo electrodo donde se lleva a cabo la reacción de oxidación; o sea, una reacción donde se hay pérdida de electrones.

Cable de conexión conductor eléctrico hecho de cable flexible y aislado con en-chufes o pinzas de sujeción en cada extremo, diseñado para conectar componentes tempo-ralmente.

Catalizador sustancia que reduce la energía de activación de una reacción pero no forma parte de la reac-ción neta y, por lo tanto, no cambia.

Catión átomo o grupo de átomos con carga electrónica positiva.

Cátodo electrodo donde se lleva a cabo la reacción de reducción; o sea, una reacción donde se hay au-mento de electrones.

Célula solar dispositivo que transforma la luz en corriente eléctrica. Las células solares generalmente se montan juntas para producir un panel solar.

Glosario



Circuito eléctrico cualquier trayecto cerrado segui-do o capaz de ser seguido por una corriente eléctrica.

Circunferencia distancia alrededor de un trayec-to u objeto. La circunferencia de un círculo se calcula al multipli-car el diámetro (o dos veces el radio) del círculo por π.

Compuesto químico sustancia compuesta por dos o más tipos diferentes de átomos.

Corriente eléctrica flujo de electrones que general-mente se mide en amperios y se designa con el símbolo l.

Cortocircuito situación en la cual un circuito está completo pero tiene poca o ninguna resistencia o carga.

Eficacia medida de la efectividad de la energía de un sistema, en la cual la unidad o 1 es el resultado perfecto. Las eficacias se expre-san generalmente como porcen-tajes donde la salida se divide por la entrada.

Electrólisis cambio químico, especialmente descomposición, que produce una corriente eléctrica en un electrolito.

Electrolito sustancia que, cuando se disuel-ve, se divide en iones, permitien-do que la solución resultante conduzca electricidad.

Electrolizador dispositivo que utiliza un flujo de electrones para dividir un com-puesto en los elementos que lo constituyen. El electrolizador de este kit divide el agua en hidró-geno y oxígeno.

Electrón partícula subatómica con carga negativa.

Entrada la cantidad de cualquier cosa que se mida cuando ingresa a un sistema.

Fórmula química expresión simbólica que describe la cantidad y tipo de átomos de-ntro de una molécula de una sustancia o compuesto iónico.

Glosario



Fotón un cuanto de energía electro-magnética generalmente asocia-da con la luz. Los fotones ex-hiben cualidades de ondas y de partículas.

Generador eléctrico dispositivo que produce un flujo de electrones.

Hipótesis explicación posible y sujeta a demostración que se utiliza como base para una investigación.

Joule (o Julio) la unidad de potencia eléctrica, representada por el símbolo J. Un joule es equivalente a un va-tio-segundo. (El joule también se usa como unidad de trabajo y calor.)

Lámpara PAR Parabólica de reflector alumini-zado.

Miliamperio un milésimo de amperio; lo re-presenta el símbolo mA.

Observación la utilización de todos los senti-dos para darse cuenta de algo. Las observaciones incluyen olo-res, cambios de calor, emisiones de luz, movimientos o sonidos.

Potencia eléctrica la energía (en joules) que genera o utiliza un dispositivo puede calcularse como el producto de su potencia (en vatios) y el tiem-po en el cual ocurre esa potencia (en segundos). Generalmente designada con el símbolo E.

Potencia eléctrica potencia (en vatios) que genera o utiliza un dispositivo puede cal-cularse al multiplicar la corriente (en amperios) por el voltaje de sus terminales (en voltios). Gene-ralmente designada con el símbolo P.

Predicción la acción de dar a conocer por adelantado lo que es muy posi-ble que suceda.

Preguntas pregunta que invita a ser respon-dida.

Reacción química transformación o cambio quími-co en el cual una sustancia se

Glosario


Término Explicación descompone, se combina con otras sustancias o intercambia constituyentes con otras sustan-cias.

Salida la cantidad de cualquier cosa que se mida cuando sale de un sistema.

Vatio la unidad de potencia eléctrica; su símbolo es W.

Voltaje medida del potencial eléctrico entre dos puntos, generalmente medida en voltios y designada con el símbolo V.

Voltímetro dispositivo que mide la diferencia de voltaje entre dos puntos de un circuito.

Voltio la unidad de diferencia del po-tencial eléctrico; su símbolo es V.

Tabla 12-1 Glosario

Heliocentris Energiesysteme GmbHRudower Chaussee 2912489 BerlínAlemania

Teléfono: ++49 (0)30 – 63 92 63 26Fax: ++49 (0)30 – 63 92 63 29

Heliocentris Energy Systems, Inc.902–610 Granville St.Vancouver BC V6C 3T3Canadá

Teléfono : 604 – 684-3546Fax: 604 – 648-9406

AméricaEn todo el mundo, excepto América

Vehículo pila combustible 1

Automotive

Transcript of Vehículo pila combustible 1