Este documento analiza las dificultades del concepto de energía y propone una revisión de cómo se enseña este tema en los planes de estudio de secundaria. Sugiere incorporar algunos conceptos de termodinámica para dar un contexto más amplio al concepto de energía y mejorar su comprensión por parte de los estudiantes, en lugar de limitarlo solo a la mecánica. También aboga por prestar más atención a la degradación de la energía en lugar de solo a su conservación.

1. OTROS TRABATOS
REFLEXIONES EN TORNO AL CONCEPTO
DE ENERGIA. IMPLICACIONES CURRICULARES
SEVILLA SEGURA, C.
IB ((Isabel de Villena)), Valencia
SUMMARY
After an analysis of the difficulty of the energy concept, the paper proposes a review of this subject in the tradi-
tional way. in secondary school curricula, in favor of the incorporation of some Thermodynamics concepts. Wit-
hout these, the energy concept is limited and in this manner conditions its incorporation to the student's cognitive
structure by losing a large part of its explanatory power.
INTRODUCCION
En estos momentos, en que la Reforma de las Ense- Esta reflexión viene motivada por dos tipos de razo-
fianzas Medias promueven el análisis y la reflexión so- nes. Por una parte, en los actuales libros de texto se
bre nuestra tantas veces rutinaria tarea, cobran actua- introduce el concepto de energía de forma incomple-
lidad en nuestro país temas a los que desde ya hace al- ta, parcial, limitándolo -sin advertirlo- a alguno de
gunos afios dedican atención frecuente las publicacio- sus significados, sin relación entre unas manifestacio-
nes especializadas extranjeras. Uno de estos temas, que nes y otras, por ejemplo, energia en Mecánica y en Elee
probablemente se verá potenciado, es el relacionado tricidad. Por otra parte, un tema, como el de la ener-
con la energía y su tratamiento curricular. gía, con fuertes implicaciones económicas y repercusie
ENSERANZA DE LAS CIENCIAS, 1986, 4 (3), 247-252

2. OTROS TRABAJOS
nes en la vida cotidiana presenta peculiaridades distin- al interactuar con él; 4) la energía como actividad, por
tas a aquellos otros cuyo primer contacto se establece ejemplo, el movimiento es energía; 5) la energía como
en la escuela y desarrolla, por tanto, actitudes inicia- producto de la actividad; 6) energia funcional, por
les en los alumnos distintas. La planificación del estu- ejemplo gasolina o cualquier otro tipo de combustible;
dio escolar de estos temas no puede pasar por alto es- 7) la energía es un «fluido» que se transfiere de un sis-
to, y si se pretende realizar un tratamiento riguroso será tema a otro.
necesario clarificar aquellos aspectos que en el uso ex- La c(definición» de energía como capacidad para rea-
traescolar puedan aparecer confusos evitando agudi- lizar trabajo es frecuentemente contestada por consi-
zar contradicciones entre la acepción cotidiana del tér- derar que está limitada al campo de la Mecánica y que
mino y la interpretación escolar del mismo. entra en contradicción con las leyes de la Termodiná-
El problema plantea una doble vertiente, la introduc- mica. Pero, además, resulta ser contradictoria con las
ción de los conceptos físicos relacionados con la ener- mismas explicaciones presuntamente clarificadoras que
gía y la necesidad de tomar en consideración las impli- acompañan a la definición. Asi, un cuerpo situado a
caciones derivadas de su repercusión social. El alum- una altura tiene una cierta energía potencial (capaci-
no empieza el estudio del tema de energía con bastan- dad para realizar trabajo). Esta energía se va transfor-
tes ideas formadas y con inquietudes, con necesidad mando a medida que el cuerpo en su descenso gana ve-
de encontrar respuestas a cuestiones relacionadas con locidad. Cuando el cuerpo llega al suelo la energia ci-
aspectos de su vida, lo cual no sucede con la mayona nética se convierte en calor y sonido, con lo cual se con-
de los otros temas estudiados. serva la energía pero no la capacidad para realizar tra-
bajo (Hicks, 1983).
Algunos autores proponen introducir el concepto de
1. ALGUNAS DIFICULTADES DEL CON- energía en un contexto adecuado, no restringido a la
CEPTO DE ENERGIA Mecánica como suele hacerse, relacionando siempre el
concepto de energía con la conservación. De esta for-
La introducción rigurosa, clara y general de cualquier ma pretenden superar algunas confusiones frecuentes
concepto no suele ser fácil, normalmente. Si además en la mente del alumno con otros conceptos relaciona-
.ese concepto es abstracto como el de energía y se en- dos: trabajo, potencia, fuerza. Se sugiere también, de-
cuentra relacionado con otros conceptos también abs- dicar más tiempo a la degradación de la energia que
tractos y con diversidad de significados, la situación a la propia conservación (Duit, 1984).
se complica, tanto más si pretendemos acercarnos a si-
tuaciones reales, que obligan a tener en cuenta la de- El análisis de la contradicción entre el principio de con-
gradación de la energía, introduciéndonos en la servación de la energia, tal como habitualmente se
Termodinámica. enuncia, y las leyes de la Termodinámica pueden dar
respuesta a los problemas suscitados cuando el alum-
El tema recibe atención frecuente por parte de distin- no compara lo aprendido en clase -la energía se
tos investigadores en didáctica, por lo que intentare- conserva- con las noticias relativas a la crisis energé-
mos facilitar el camino comentwdo algunas aportacio- tica y ha levantado voces favorables a la incorporación
nes significativas. de la Termodinámica a los curricula escolares, desde
Desde el punto de vista didáctico los estudios relativos niveles elementales, proponiendo realizar estudios cua-
a los problemas de la energía se enmarcan en tres gran- litativos sencillos de la energía que tomen como punto
des líneas, relacionadas entre sí: de partida los procesos que suceden espontánearnen-
te, haciendo hincapié en que los procesos inversos re-
- Concepciones que mantienen los alumnos, forma- quieren del uso de dispositivos que consuman combus-
das previamente al proceso de instrucción escolar. In- tible, y por tanto, que gasten energía (Haber-Schaim,
troducción del concepto de energía. 1983).
- La conservación de la energía. Principio de conser- Por lo que respecta a la educación energética, que ha-
vación. Degradación de la energía.
ce referencia a todos los problemas relacionados con
- Educación energética. las distintas fuentes de energía, su utilización, racio-
En la línea sugerida por la primera corriente se inserta nalización del consumo energético, etc., y sin ánimo
un análisis de los conceptos de energia de alumnos de de exhaustividad, se proporciona una resefla bibliográ-
14 a 18 alios realizado por Watts (1983) que pone de fica de algunas de las publicaciones más recientes, in-
manifiesto la disparidad de nociones que evoca el tér- dicativa del nivel de interés con que en otros países se
mino de energía en los distintos alumnos. Watts pro- está abordando el tema.
pone una clasificación de respuestas en siete esquemas Las consideraciones anteriores permiten enunciar al-
conceptuales: 1) energía asociada a capacidades huma- gunas conclusiones:
nas; 2) energía como «depósito» que será origen de ac-
tividades; 3) la energía como ((ingrediente)),algo que 1. La complejidad y riqueza del concepto de energia,
no está «almacenado» en un sistema sino que aparece asi como la imprecisión cometida al definirlo relacio-
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DE

3. OTROS TRABAJOS
nado exclusivamente con transformaciones mecánicas. La estructura lógica en la introducción de los concep-
tos se podna articular en torno a los siguientes tópicos:
2. La necesidad de proporcionar un marco conceptual
suficientemente amplio para incorporar el concepto de - Concepto de energia
energía, de la que deriva la obligatoriedad de introdu- - Principio de conservación de la energía
cirlo en diversas situaciones en las que se manifieste de - La degradación de la energía. Aproximación al con-
formas distintas. cepto de entropía
- Algunos problemas energéticos. Fuentes de energía.
3. Las posibilidades del principio de conservación pa-
ra contribuir a la comprensión del concepto de ener- En un primer nivel, se realiza previamente una revisión
gía, sabiendo en qué condiciones varía, cuándo se trans- de la fenomenología del calor, sin ocuparse todavía del
forma pero permanece constante, etc. concepto de calor ni del de temperatura.
4. Las posibilidades que ofrece la incorporación de los 2.1. Concepto de energia
conceptos relativos a la crisis energética para mostrar Somos plenamente conscientes de la complejidad del
la capacidad explicativa del término energia aun cuan- concepto de energía pero ¿dónde reside esta compleji-
do para ello sea necesario introducir algunos concep- dad? ¿qué concepto de energía debemos ensefiar? El
tos termodinámicos. término energía ha pasado a formar parte del acervo
lingüístico de uso frecuente con lo cual lo encontramos
en distintos contextos, con acepciones diferentes, cosa
2. CUESTIONES A CONSIDERAR EN UNA que no siempre contribuye a mejorar la comprensión
PROPUESTA DIDACTICA del mismo. Sin embargo ello influye en el esquema con-
ceptual que forma el alumno y que habrá que conside-
Si tomamos como indicador del tratamiento que ma- rar a la hora de ensefiárselo en la clase de Fisica.
yoritariamente se da en las aulas al tema de la energía,
el contenido de los libros de texto en uso, podemos afir- Además, en un ámbito estrictamente físico su signifi-
mar que responde básicamente al esquema: trabajo- cado es muy general. Aparece en manifestaciones muy
potencia-energía-principio de conservación, todo ello diversas, asociadas a una amplia gama de fenómenos
sin ningún ejemplo extraño a la Mecánica y por supues- (desplazamientos, electricidad, reacciones químicas, ra-
to diferenciado de otro tema que es el de calor. diación. ..) y si bien considerada globalmente siempre
se conserva, en ocasiones se degrada.
Además, como los conceptos puestos en juego son com-
plejos, se adopta el camino más cómodo: simplificar. El concepto de energía es uno de los más abstractos
Se procede a definirlos de una manera concisa (y por de los estudiados en un curnculo de Física y Quimica.
tanto limitada), en muchas ocasiones mediante una Su definición por reducción a otros términos más sen-
ecuación simplemente,. cillos no es fácil ya que está relacionada con concep-
tos igualmente conflictivos y abstractos. Todo ello ha-
Bajo una presunta justificación didáctica, en estos plan- ce que estemos frente a un concepto de índole tal que
teamientos se ignora toda razón relacionada con el nos obligue a una introducción distinta a la tan frecuen-
aprendizaje. No se tiene en cuenta que los alumnos lle- te ((definición operativa».
gan al aula con ideas formadas que no cambiarán fá-
cilmente (Watts, 1983; Duit, 1984; Bliss y Ogborn, Las características del concepto de energía obligan a
1985). Se olvida también, que la formación de un nue- abordarlo desde diversas perspectivas, teniendo en
vo concepto, su incorporación a la estructura cognos- cuenta cuál es el punto de partida conceptual de los
citiva, es un largo proceso que requiere una planifica- alumnos e incluyendo el máximo número de situacio-
ción minuciosa en la que se debe considerar tanto la nes en las que se pueda poner de manifiesto su poten-
lógica interna del contenido como la forma de acceder cial explicativo. La incorporación de un concepto a la'
a él, y esto presenta rasgos distintos según la edad del estructura cognoscitiva está relacionada con su capa-
alumno, y su propio desarrollo intelectual (Flavell, cidad para explicar situaciones, tanto nuevas como
1984; Piaget, 1972). En ningún caso simplificar un con- aquellas que ya preocupan al alumno.
cepto contribuirá a su mejor comprensión. Si la mente
del alumno no ha alcanzado el grado de desarrollo ade- Podemos partir, por tanto, de una recopilación de ma-
cuado, el aprendizaje de ese concepto no será posible terial, aportado por los propios alumnos, consistente
y si el desarrollo es pertinente lo dificultará la desvir- en textos breves en los que se haga referencia a la ener-
tuación de la simplificación del contenido. Lo más que gía, obtenidos de la prensa, televisión, o inventados por
podremos lograr en estos casos es una memorización. ellos mismos pero que recojan sus propias ideas (posi-
blemente algunos recordarán la definición da energía
No vamos a presentar un modelo didáctico elaborado, como capacidad para realizar trabajo, en este caso, p e
sino algunas cuestiones, que pueden tener interés, de- dremos poner de manifiesto que esta definición no com-
rivadas de los análisis anteriores y de una reflexión so- porta ningún concepto, sino que se repite de forma mi-
bre nuestra propia práctica docente. mética). Esto permitirá abrir perspectivas respecto a la
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4. OTROS TRABAJOS
generalidad del término y por tanto a la riqueza del con- ma tradicional de identificación de la variación de ener-
cepto, a la vez que la imposibilidad de «comprimirlo» gía con el trabajo realizado para lograrlo, que ahora
en una definición breve y concisa. Algo parecido suce- los alumnos están en condiciones de entender. Tiene
de con el concepto de tiempo y en ninguno de los dos interés comentar que, los alumnos tienden a confun-
casos la dificultad de definición limita su validez. . dir el valor de la energía de un sistema en un instante
y situación con la variación de energía y, en nuestra
Intentemos caracterizar el concepto planteando diver- opinión, esto es indicativo de que el concepto de ener-
sas situaciones, ahora más ((tipicamente físicas)) (un gía, unido al de la forma de modificar su valor, no es-
cuerpo que cae, otro que se desplaza por una superfi- tán incorporados a la estructura cognoscitiva. La in-
cie horizontal y se para, un muelle que se estira, una troducción de la energía potencial asociada a las fuer-
bombilla encendida, etc.,) para cuestionar lo que su- zas conservativas no presenta dificultades especiales
cede a la energia en cada caso. Al final podremos lle- siempre que los alumnos estén familiarizados con la
gar a la idea de que la energía es una característica del fuerza peso (conservativa) y rozamiento (no con-
sistema, que tiene un valor en cada instante y que se servativa).
puede modificar cuando el sistema se tranforma.
Podemos plantear ahora el problema de evaluar la can- ¿Y si consideramos las dos transformaciones simultá-
tidad de energía de que dispone un sistema en un ins- neamente? Al estudiar la caída libre, por ejemplo, po-
tante y situación y la forma en que esta energía se pue- demos deducir que los valores de la energia cinética y
de transferir. Es necesario clarificar términos de uso potencial varían en cada punto, pero su suma perma-
frecuente como: sistema, transformación, estado, pro- nece constante, mientras que si consideramos un cuer-
ceso, a los que se hace referencia constante y que, sin po desplazándose por un plano inclinado bajo la ac-
embargo, suelen permanecer enmascarados en muchas ción de una fuerza aplicada (o bien consideramos el ra-
ocasiones. zonamiento) varían los valores de la energía cinética,
potencial y de la suma de ambas, pero la igualdad en-
Los sistemas se transforman por interacción con otros tre variación de energía y trabajo realizado se mantiene.
sistemas. Siempre hay un agente dinámico de la trans-
formación y un cambio en la configuración del siste- La generalización de los resultados anteriores nos per-
ma. La interacción (fuerza) produce una modificación mitirá introducir el principio de conservación de la ener-
de la disposición inicial del sistema y la magnitud de gía, matizando las dos situaciones: sistemas ((conser-
la transformación se identifica con el trabajo, cuya de- vativos)) y «no conservativos».
finición operativa se puede introducir, asi como la idea
de que esta definición general es susceptible de a d a p Estarnos ya en condiciones de aproximarnos a otra nue-
tación a distintas situaciones (compresión de un gas, va situación, aquella en la que el sistema intercambia
electricidad.. .), para incluir magnitudes fisicas de uso calor. Hasta ahora nos hemos referido a modificacio-
más cómodo, adaptadas a los datos más habituales en nes del sistema que se detectan macroscópicamente sin
cada sistema. ocuparnos de lo que sucedía a nivel microscópico en
el sistema. Aceptemos que el sistema permanece en re-
Pero además, los sistemas pueden modificar su ener- poso en una determinada posición, por tanto que no
gía al interactuar con otro sistema que está a distinta varía su energía potencial ni cinética respecto de un sis-
temperatura. tema de referencia exterior. Si suponemos que el siste-
ma es un recipiente que contiene un gas, fácilmente
Así pues, la energía es una propiedad del sistema que aceptaremos que las moléculas del mismo se encuen-
se manifiesta de muchas formas y que puede variar por tran en un estado de agitación permanente al que po-
la intervención del trabajo y/o del calor. demos asociar una energía potencial y cinética. A la
La discusión de algunos ejemplos, a nivel cualitativo, suma de esta energía cinética y potencial le denomina-
en los que haya sistemas que transformen su energía remos energia interna y se modifica cuando el sistema
de una forma en otra, que varien su energia total por intercambia calor. Se introduce en este punto la inter-
la intervención de trabajo, calor, etc., pueden contri- pretación de la temperatura y el calor a escala micros-
buir a clarificar los conceptos. Así mismo se puede in- cópica. Pero la energía interna también puede variar
troducir la idea de potencia. si se realiza trabajo. Estas consideraciones conducen
al enunciado de la primera ley de la Termodinhica.
Cabe aquí también, la introducción del equivalente me-
2.2. Profundizando en el estudio de las transfor- cánico del calor.
maciones
La introducción del concepto de calor en este contex-
Empezamos limitando nuestro estudio a las transfor- to contribuye a erradicar la concepción errónea, sus-
maciones que ya se han estudiado en temas anteriores: tentada por un amplio número de alumnos, del calor
cambios de posición y de velocidad. Realizamos un aná- como «fluido», como algo que los cuerpos tienen y pue-
lisis, referido a un cuerpo, de cada una de ellas, intro- den aumentar o disminuir según que «ganen» o «pier-
duciendo la energía cinética y potencial según el esque- dan» calor.
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5. OTROSTRABAJOS
2.3. Aproximación al concepto de entropia COMENTARIO FINAL
El esquema propuesto permite el desarrollo de curri-
Tras el análisis de algunos procesos espontáneos (ex- cula circulares, en los que se seleccionen los conteni-
pansión de un gas, aumento de temperatura de un cuer- dos según su complejidad (por ejemplo, se puede in-
po puesto en contacto con otro inicialmente a mayor troducir el concepto de entropía sólo en niveles supe-
temperatura, concentración-dilución de una disolución, riores), pero el esquema conceptual, propiamente di-
deslizamiento de un bloque sobre una superficie con cho, se empieza a construir desde el principio, de for-
rozamiento), conviene llamar la atención sobre el he- ma que otros conceptos se incorporen de manera na-
cho de que los procesos se producen de forma espon- tural. De este modo no se favorece la persistencia de
tánea siempre en un sentido y no en el contrario. Tan- errores conceptuales (concepto de calor) como sucede
to en sentido directo como inverso los sistemas cum- con otros planteamientos. El trabajo se completa con
plen la primera ley de la Termodinámica. ¿Por qué nun- la discusión de diferentes fuentes de energía, el nivel
ca observamos el proceso inverso? de profundidad que se desee, pudiendo incluso, reali-
zar una interesante actividad interdisciplinar. La incor-
El proceso en sentido contrario implicaría una orde- poración de problemas como el de la energía ofrece la
nación en el movimiento aleatorio de las moléculas, sig- posibilidad de relacionar la escuela con la problemáti-
nificaría la conversión de energía interna en trabajo. ca cotidiana de la sociedad en que vive el alumno.
Tomando el ejemplo del .bloque que desliza, significa-
ría que la energía empleada en aumentar la tempera- Se podría criticar la introducción de conceptos termo-
tura de la superficie de contacto al deslizar (que es el dinámicos argumentando que éstos son excesivamente
proceso al que nos referimos), se recupera, de forma complicados para los alumnos de ensefianza media. El
que a medida que la superficie alcanza su temperatura nivel de desarrollo de la estructura mental requerido
inicial, el bloque se mueve en sentido contrario, diri- para acceder a la comprensión de estos conceptos, o
giéndose a su posición primitiva. Evidentemente esto de la teoría cinética-molecular no es superior al nece-
no sucede en realidad. La explicación implica la intro- sario para entender los principios de Newton (Shayer
ducción de una magnitud característica del estado del y Adey, 1984), cuya incorporación al curriculum no se
sistema, denominada entropía, asociada al desorden del cuestiona. Corresponde al nivel operacional formal,
mismo y caracterizada porque en todos los procesos que es el nivel que debería poseer el alumno cuando
espontáneos la entropía del universo aumenta. La aso- menos al final de la ensefianza media.
ciación entre espontáneos y aumento de en- La modificación de estructura propuesta no significa
tropía es tan sólida que muchas veces se dice que el en realidad ampliación de temario. Aunque el proble-
aumento de entropía indica el sentido de la flecha del ma de la extensión del temario sólo se resolverá, desde
tiempo. nuestro punto de vista, cuando se realice una selección
racional de contenidos desde la ensefianza básica has-
En estos procesos se conserva la energía, pero el aumeIÍ- ta la Universidad, considerando no sólo la propia 16-
to de entropía que los acompafia explica que no se res- gica interna de la Ciencia que se pretende enseñar, si-
tablezca espontáneamente la situación inicial y por tan- no el nivel de desarrollo intelectual requerido para su
to que no pueda recuperar toda la energía. Parte de aprendizaje y el real de los alumnos a los que se dirige.
la energía se «invierte» en aumentar la entropía y esta Olvidar cualquiera de estos aspectos conducir& una vez
parte no es recuperable, no se podrá utilizar para rea- más, a la sensación de fracaso que con demasiada fre-
lizar trabajo. cuencia acompaíia nuestra tarea.
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