1. Planteamiento habitual de los conceptos de energía y trabajo.

El debate acerca de la forma de abordar en los primeros contactos con la Física el concepto de energía es ya muy viejo. En España, los autores del presente trabajo ya defendieron hace tiempo otra forma alternativa a la clásica en 1977 (Revista de Bachillerato, 5, 1978). Desde entonces han proliferado publicaciones que defienden también planteamientos distintos a los tradicionales. Habitualmente se presenta primero el concepto de energía mecánica y luego los de calor y temperatura.

En lo que respecta a la energía mecánica, se trata del clásico dilema de si es antes el huevo o la gallina. En este caso el dilema se traduce en si se define previamente el trabajo y a continuación se presenta la energía o por el contrario se parte de presentar la energía primero haciendo aparecer el concepto de trabajo después. En el momento actual todavía una parte muy apreciable  de los libros dedicados en España a presentar la energía en los niveles iniciales de enseñanza.

Tal método de estudio lleva aparejada la dificultad de relacionar el mundo que nos rodea con el concepto físico de trabajo mecánico, definido en casi todos los casos, más o menos, como el producto escalar de la fuerza por el desplazamiento. Aunque en muchos casos al  producto no se le designe con ese nombre. Por muchos ejemplos que se ponen, hablando de trabajo motor y de trabajo resistente, es difícil que el alumno pueda hacerse una idea asociada con su experiencia ordinaria acerca de lo que está calculando. Y si se le habla de los signos es muy probable que se pierda definitivamente. En algún texto puede leerse que el trabajo es el producto de la fuerza efectiva que se realiza sobre un cuerpo por el desplazamiento que experimenta su punto de aplicación. Generalmente el planteamiento se remata, como en el caso de la viñeta inicial, afirmando que la energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo. Nada tiene de particular que los alumnos reaccionen como el del dibujo inicial.

En cuanto a los textos que comienzan por presentar la energía de forma previa, la parte cualitativa inicial es perfectamente inteligible para los estudiantes, pero el problema aparece cuando se trata de cuantificarla. Y a ello no es ajeno el interés en mantener a toda costa que el trabajo es una energía, aunque sea en tránsito. Ejemplos de ello puede ser el afirmar que el trabajo es una forma de transferencia de energía o un proceso de transferencia de energía entre sistemas asociado a fuerzas de interacción que se desplazan.  En estos casos la misma palabra, el trabajo, se usa para representar cosas algo diferentes. La primera de estas es la manera utilizada para transferir o transformar energías, lo que lleva aparejado la forma de calcular esas energías. Por ejemplo cuando se habla del trabajo realizado por la fuerza peso, ya que solo habrá trabajo si el peso es capaz de desplazar a un objeto y la energía transformada se calcula multiplicando el peso por el desplazamiento. La segunda acepción es que la palabra trabajo sirve para denominar la cantidad de energía transformada o transferida, como por ejemplo cuando se pide calcular el trabajo que hemos realizado al comprimir un resorte. Con frecuencia no se habla de energía y menos aún de quién la pierde o quién la gana o de la forma en que se halla inicialmente y la que presenta después. 

Dos ejemplos clásicos. El primero, el de un cuerpo que se desplaza por la acción de una fuerza sobre una superficie, teniendo en cuenta el rozamiento. En él  hay que hallar el trabajo total de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y el realizado por las fuerzas de rozamiento. El segundo en el caso de un cuerpo que tropieza con un muelle al que comprime y en el que hay que hallar el trabajo realizado por la fuerza del muelle.  ¿Se percata el alumno del interés de lo que está calculando?

2. Planteamiento habitual de los conceptos de calor y temperatura.

El estudio de lo que la Termodinámica define como energía interna se ha presentado de forma semejante al resto de las energías. Quizá, con un inconveniente añadido. En el caso de la energía mecánica coexistieron las ideas de energía  y de trabajo mecánico simultáneamente, mientras que en este caso la palabra energía no fue usada durante mucho  tiempo a nivel elemental. Solo se hablaba de calor y temperatura.  Salvo en los estudios de Termodinámica, que apenas se han abordado en  la enseñanza a nivel medio, en casi todos los demás la palabra energía no aparecía para nada al estudiar los cambios de temperatura o los cambios de estado. Si acaso para hablar del equivalente mecánico del calor en la clásica experiencia de Joule.  Aún hoy se sigue hablando con frecuencia de Calorimetría para  designar a las alteraciones térmicas de los cuerpos y al estudio energético de sus cambios de estado. Este planteamiento induce fácilmente al alumno a pensar que energía y trabajo son una cosa y calor y temperatura otra distinta. En el fondo, la vieja idea del calórico continúa presente ayudada por las acepciones usuales de la palabra calor tales como tengo mucho calor u otras parecidas. Resulta curioso que aunque en la Termodinámica hace mucho tiempo que se utiliza la denominación de energía interna, tal término apenas tiene hueco en los libros dedicados a la enseñanza media.  La conclusión de todo esto es que si el concepto de energía es ya difícil de por sí, el hablar de energía, trabajo y calor lo hace más difícil aún.

3. Propuesta de presentación de los conceptos de energía y trabajo.

Aún siendo un concepto francamente difícil de presentar, nosotros optamos desde hace tiempo por la segunda opción, presentar la energía primero y el trabajo después y ello por varias razones. 

De una parte porque el concepto de energía tiene que aparecer mucho antes de que los estudiantes aborden el estudio de la Física como tal, es decir en los niveles anteriores a la enseñanza secundaria o en los primeros cursos de esta. En esos niveles se presenta la necesidad de utilizar la energía no solo en el área de Ciencias de la Naturaleza (Biología o Geología), sino en otras como puede ser la Geografía y materias afines. Evidentemente en estos niveles solo se aborda de forma cualitativa, pero el alumno ya toma contacto con ella. En consecuencia, parece lógico apoyarse en un concepto ya conocido para introducir otro nuevo. Un segundo argumento se basa en que la definición de energía en la forma tradicional invita a limitar esta idea a la Mecánica, cuando los alumnos han contactado con la idea de energía de una forma más amplia. Se les ha hablado de la energía del carbón o del petróleo y quizá también de la energía nuclear y de la eléctrica. Pero hay un tercer argumento que contradice el presupuesto previo de que los alumnos deben ser capaces de intuir el concepto que van a utilizar. Porque mejor o peor son capaces de hacerse una idea de lo que es el tiempo, la distancia entre dos puntos, la masa e incluso la fuerza, pero son incapaces de identificar con algo conocido para ellos la idea de trabajo. Si se trata de buscar referencias como el esfuerzo, los alumnos lo asocian a fuerza solamente, por lo que trabajo y fuerza son la misma cosa. Si se intenta asociarlo con el cansancio muscular, no comprenden cómo el sostener un cuerpo pesado sin desplazarse no supone trabajo, cuando sí se está trabajando y existe un cansancio muscular. Finalmente, no se puede olvidar que el interés del estudio de la energía se centra básicamente en sus propiedades de transferencia y transformación, lo que lleva al principio general de conservación, por lo que esas ideas deben quedar claramente establecidas en la mente de los estudiantes. Entendemos que usar términos como se pierde energía como trabajo  o mandar calcular el trabajo mecánico o realizar trabajo son complejos de asimilar para un alumno de los primeros niveles. Igualmente la idea de energía en tránsito o la de forma de transferir energía tras haber hablado de formas de energía puede inducir a confusión. Ya que el concepto de energía es  el más complejo de la Física elemental y a la vez el más necesario, merece la pena concentrar todos los esfuerzos en su comprensión y análisis. Pero hay algo más. Y aquí radica la mayor novedad de la propuesta. Sugerimos limitar el término trabajo tan solo para describir el "operador matemático" que permite evaluar las energías transformadas o transferidas y utilizar en todo lo demás la palabra energía.  

Así en los ejemplos clásicos antes citados se sugiere:  Para el cuerpo que se desplaza por la acción de una fuerza sobre una superficie, teniendo en cuenta el rozamiento pedir hallar la energía perdida por la fuerza motriz o impulsora, así como la convertida en energía no mecánica debido al rozamiento y la convertida en cinética. De paso planteamos una vez más el principio de conservación de la energía. En el caso del cuerpo que tropieza con un muelle al que comprime se pide averiguar la energía perdida por el que comprime y la ganancia de energía potencial elástica del muelle. En el apartado de la página conteniendo una colección de problemas pueden verse algunos ejemplos.

En nuestro planteamiento, el acercamiento a la energía mecánica se presenta en dos fases. La primera correspondería al primer nivel de enseñanza del tema, en el que los alumnos solo conocen ecuaciones algebraicas de primer y segundo grado y la segunda a otro nivel en el que ya tienen alguna idea de vectores y de los rudimentos del cálculo diferencial. El abordar primero la energía mecánica no significa que no se haga referencia a otras formas de energía, sino que se trata de cuantificar inicialmente solo esta forma energética.

4. Propuesta acerca de los conceptos de calor y temperatura

El estudio de estos conceptos (dada la dificultad que el estudio de la Termodinámica genera a estos niveles) suele hacerse solo a un nivel relativamente elemental, es decir en los primeros cursos de estudio de la Física. En la misma línea que se ha hecho con la energía mecánica se propone aquí un acercamiento al de energía interna, partiendo del concepto que tiene el alumno de cuerpos calientes y fríos. Ambas cosas están asociadas a experiencias de la vida diaria y permiten presentar una nueva forma de energía llamada energía interna

En consonancia con lo dicho para el trabajo mecánico sugerimos sustituir el uso del término calor por el de energía interna transferida por varios motivos.  1) De una parte por el riesgo de considerar al calor algo diferente de la energía. 2) Por la tendencia de identificarlo con la temperatura, en función del uso ordinario de ambos vocablos.  3) Para evitar que se igualen, como se hace habitualmente, los calores ganados y perdidos cuando no queda más remedio que igualarlos ya que son lo mismo.

 

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