El curso 2014-15 se termina, y con él, la celebración del Año Internacional de la Luz que hemos hecho desde la materia de Ciencias Aplicadas a la Actividad Profesional de 4º ESO del IES Sulayr. Diez meses de curso dan para mucho más de lo que creemos, y en ocasiones, no somos conscientes sobre lo que hemos trabajado y aprendido. Nuestro trabajo ha formado parte de la celebración oficial de la Sociedad Española de Óptica de este año internacional. Puedes vernos en el siguiente enlace (estamos al final porque fuimos de los primeros...): Año Internacional de la Luz. Si quieres ver todo el trabajo, en el menú de la derecha lo tienes desgranado por meses.
EL EQUIPO DE INVESTIGACIÓN
Línea superior: Manuel, Raúl, José Antonio, José Manuel y Daniel
Línea central: Natalia, Yanet, Marina, Ángela (casi escondida), Silvia, Adrián, Manuel, Diana, Antonio, Adrián, Jorge, Jesús y Raimundo
Primera línea: Jesús, Ilenia, Zoe-B, Bogdan, Javier y Manoli
Por último, mostrar mi agradecimiento a todo mi alumnado. En este blog no sólo se muestra un año de trabajo, sino que también es el colofón al interés por la Ciencia mostrado a lo largo de varios cursos. En 1º ESO, acabamos lanzando huevos desde el terrado del instituto (que llegaron más o menos intactos al suelo). 2º ESO, fue el año de los "fracasos" (bien lo saben Antonio, Adrián y José Antonio)... Ni funcionó el colector solar, ni funcionó el aerogenerador... En el curso anterior, ya en 3º ESO, nos fuimos a la Feria de Ciencias de Sevilla tras un trabajo realizado recreo tras recreo. Por todo ello, GRACIAS y suerte en vuestros nuevos proyectos. Recordad:
No se puede terminar el trabajo sobre el Año Internacional de la Luz y de las Tecnología basadas en la Luz, sin hablar de nuestra principal fuente de luz: el Sol.
El Sol es, con mucha diferencia, el objeto más masivo y grande de nuestro Sistema Solar. Él solo contiene más del 99,8% de la masa total del Sistema Solar. En cuanto a su composición, el Sol está formado por un 73% de hidrógeno y 25% de helio. También tiene otros elementos, pero representan únicamente menos de un 2% del total. El Sol, al estar compuesto de gases y no ser un cuerpo rígido, presenta una rotación diferencial. Esto significa que el ecuador rota más rápido (25.4 días) que otras latitudes solares, tales como sus polos, donde una rotación se completa después de 36 días.
El Sol, en datos, se puede describir de la siguiente manera:
Tipo espectral: G2
Edad: 4,6.109 años
Masa: 1,99.1030 kg
Radio: 6,96.108 m
Velocidad de escape en la fotosfera: 618 km/s
Temperatura del núcleo: 15.000.000 K
Temperatura superficial: 5800 K
Luminosidad: 3,86.1026 W
Magnitud absoluta: 4,74
Magnitud aparente: -26,7
Periodo de rotación ecuatorial: 25,4 días
Distancia media a la Tierra: 1,50.1011 m
Vamos a fijarnos en las denominadas Manchas Solares. Una Mancha Solar es una región solar que tiene una temperatura más baja que sus alrededores y con una intensa actividad magnética. En una Mancha Solar se diferencian dos zonas de forma clara: Umbra y Penumbra. La Umbra es la zona central de la mancha más oscura y la Penumbra es la zona periférica más clara. El tamaño de las Mancha Solares es muy variable y en muchas ocasiones pueden ser mayores que la propia Tierra. La Penumbra está constituida por una estructura de filamentos claros y oscuros que se extienden más o menos radialmente desde la Umbra. Umbra y Penumbra parecen oscuras por contraste con la Fotosfera, simplemente porque están más frías. Así la Umbra tiene una temperatura de 4000 K, mientras que la Penumbra alcanza los 5600 K, evidentemente inferiores a los aproximados 6000 K que tienen los gránulos de la Fotosfera.
En las Manchas Solares hay un campo magnético con una intensidad de 0,3 T. Aunque los detalles de la creación de las Manchas Solares todavía son cuestión de investigación, está bastante claro que las Manchas Solares son el aspecto visible del tubo de flujo magnético que se forma debajo de la Fotoesfera. En ellos la presión y densidad son menores y por esto se elevan y enfrían. Las observaciones realizadas por la sonda espacial SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), usando las ondas sonoras que viajan a través de la Fotosfera, permitieron formar una imagen detallada de la estructura interior de las Manchas Solares. Debajo cada Mancha Solar se forma un vórtice giratorio, esto hace que se concentren las líneas del campo magnético. Podemos decir que las Manchas Solares se comportan, en algunos aspectos, de modo similar a los huracanes terrestres.
Manchas solares en la zona central cerca del tubo (21 de junio de 2015)
En el siguiente vídeo podemos observar manchas solares entre los meses de abril y junio. Se obtuvieron empleando un SolarScope:
El año internacional que estamos celebrando lleva por título Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz. Nuestro proyecto tecnológico para este curso ha sido la construcción del un Colector Solar. En general, un Colector Solar es un dispositivo que tiene la capacidad de transformar la luz emitida por el Sol en energía térmica. Estos dispositivos se clasifican en dos grandes grupos: Colectores de Baja Temperatura (en general, de uso doméstico) y Colectores de Alta Temperatura (para uso industrial).
En nuestro caso, hemos construido un Colector Solar Plano que pertenece al primer grupo. Este dispositivo consiste en una caja plana donde se aloja un serpentín de cobre para la circulación de agua, que se calienta a su paso por el panel. Además, se encuentra protegido con un vidrio que limita las pérdidas de calor y aumenta la captación por Efecto Invernadero (para conocer más sobre este efecto pincha en el siguiente enlace: EFECTO INVERNADERO).
Este es un experimento clásico pero no tan fácil como aparece en internet o en algún libro...
La dualidad Onda-Corpúsculo de la Luz nos permite tratar a esta magnitud física como una onda o como un corpúsculo en determinadas situaciones de estudio. En nuestro caso, vamos a emplear su naturaleza ondulatoria para intentar calcular la velocidad de la luz, los famosos 299792,458 km/s en el vacío. La velocidad de la luz viene determinada por dos factores: Frecuencia y Longitud de Onda. La Longitud de Onda es la distancia existe entre dos puntos de la onda que poseen igual amplitud. Por otro lado, la Frecuencia es un número longitudes de onda que pasan por un punto en la unidad de tiempo. La relación entre las tres magnitudes viene dado por:
c = ν . λ
ν = Frecuencia de la
onda (Hz)
λ = Longitud de onda
(m)
Si somos capaces de conocer la longitud de onda y la frecuencia de la luz, seremos capaces de determinar su velocidad.
La base de esta experiencia son la Radiación de Microondas. Se denomina Microondas a las ondas electromagnéticas con una frecuencia entre 300 MHz y 300 GHz y una longitud de onda entre 1 m a 1 mm.
Para realizar el cálculo emplearemos un aparato de microondas. Este dispositivo, que se encuentra en casi todas las casas, emite ondas microondas de frecuencia conocida (2450 MHz). En la busqueda de la velocidad de la luz solamente nos falta medir su longitud de onda. Aquí es donde entra en juego el queso en polvo. Este alimento nos ayudará a dejar constancia de la longitud de onda de las microondas. Veamos como hay que proceder:
1. Quitamos el elemento giratorio del microondas para que éstas no se repartan de forma uniforme y se concentren en un único punto.
2. Colocamos a lo largo del plato una línea de queso en polvo lo más regular posible.
Preparando la tira de queso en polvo
Otra tira de queso en polvo
Tira de queso en polvo preparada
3. Colocamos el plato dentro del microondas de forma que la tira de queso en polvo quede paralela a la puerta.
4. Colocamos la potencia del microondas a 600 w aproximadamente durante unos 30-45 segundos. Abrimos el microondas y extraemos nuestro plato.
Resultado obtenido
5. Las zonas quemadas en el queso en polvo nos determinan la zona de de máxima longitud de onda de la radiación. Medimos cada mancha y determinamos su punto central. A continuación, medimos la distancia entre los dos puntos centrales y determinamos su longitud de onda.
Midiendo
Midiendo
En esta experiencia hemos trabajo los grupos de 3º ESO del IES Sulayr. Los resultados obtenidos son:
3º ESO A trabajando
MICROONDAS 1
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad
de la luz (km/s)
2,45.109
1,4.10-4
343000
2,45.109
1,35.10-4
330750
2,45.109
1,65.10-4
404250 (descartado)
2,45.109
1,45.10-4
355250
c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 343000 km/s
MICROONDAS 2
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad
de la luz (km/s)
2,45.109
1,63.10-4
399350
2,45.109
1,59.10-4
389550
2,45.109
1,6.10-4
392000
2,45.109
14,2.10-4
347900 (descartado)
c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 393633,1 km/s
MICROONDAS 3
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad
de la luz (km/s)
2,45.109
0,88.10-4
215600 (descartado)
2,45.109
1,4.10-4
343000
2,45.109
1,4.10-4
343000
2,45.109
0,9.10-4
220500 (descartado)
c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 343000 km/s
3º ESO B trabajando (y comiendo queso...)
MICROONDAS 1
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad
de la luz (km/s)
2,45.109
1,45.10-4
355250
2,45.109
1,45.10-4
355250
2,45.109
1,5.10-4
367500
2,45.109
1,5.10-4
367500
c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 361375 km/s
MICROONDAS 2
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad
de la luz (km/s)
2,45.109
2.10-4
490000 (descartado)
2,45.109
1,1.10-4
269500
2,45.109
1,1.10-4
269500
2,45.109
1,1.10-4
269500
c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 269500 km/s
MICROONDAS 3
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad
de la luz (km/s)
2,45.109
1,3.10-4
318500
2,45.109
1,45.10-4
355250
(descartado)
2,45.109
1,25.10-4
306250
2,45.109
1,3.10-4
318500
c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 314416,6 km/s
De los seis grupos de trabajos, podemos destacar dos de los datos obtenidos por el grupo 3º ESO B:
Microondas 2: c = 269500 km/s (error del 10%)
Microondas 3: c = 314416,6 km/s (error del 5%)
A la hora de analizar los resultados, tenemos que tener en cuenta las siguientes ideas:
A. Los tres microondas empleados tienen más de 10 años, ¿podemos estar seguros que la frecuencia de emisión sigue siendo exactamente de 2450 MHz?
B. El método para medir la longitud de onda de la radiación, una regla graduada, es poco preciso:
B.1. Las manchas en el queso quemado no tienen los extremos marcados de forma precisa, ¿cómo determinar exactamente dónde empiezan y donde acaban?
B.2. Cada milímitero implica una modificación en la velocidad de 2500 km/s aproximadamente. Pequeñas modificaciones en la medición (2 - 3 mm) producen grandes desviaciones en el valor de la velocidad (5000 - 7500 km/s).
Cuando un sólido se calienta hasta el estado de incandescencia, emite radiación continua que depende más de la temperatura de la superficie emisora que del material del que está formado. La radiación de este tipo se denomina Radiación del Cuerpo Negro (un Cuerpo Negro es cualquier objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre él). Todo objeto por encima del cero absoluto de temperatura emite radiación en un rango de longitudes de onda que depende de su temperatura. La radiación producida es consecuencia de las innumerables oscilaciones atómicas y moleculares de las partículas condensadas que constituyen el cuerpo.
La temperatura de la superficie del Sol es de aproximadamente de 6000 oC y la energía emitida corresponde en su mayoría a la banda del espectro visible, entre 400 nm y 700 nm. Esta radiación y la infrarroja de pequeña longitud de onda pasa a través de la atmósfera terrestre sin ser absorbida (aunque una parte es reflejada al espacio por las nubes) y calienta la superficie de la Tierra (suelo y océanos). De la radiación ultravioleta por debajo de 400 nm, también emitida por el Sol, tan sólo una mínima parte alcanza la superficie terrestre al ser absorbida, por la cada vez más debilitada, capa de ozono que se encuentra en la estratosfera. La superficie de la Tierra calentada por la radiación solar emite una radiación correspondiente a la región del infrarrojo, entre 4000 y 100000 nm. Tanto el dióxido de carbono como el vapor de agua son capaces de absorber la energía emitida por la Tierra. El vapor de agua absorbe preferentemente la energía comprendida entre los 4000 y 7000 nm, mientras que el dióxido de carbono lo hace entre el rango de los 13000 y 19000 nm. Entre 7000 y 13000 nm, existe una "ventana" a través de la cual más del 70% de la radiación emitida por la superficie de la Tierra escapa al espacio. En la gráfica siguiente se muestra el efecto invernadero de algunos de los gases presentes en la atmósfera:
Gas
Eficacia relativa del efecto invernadero
por molécula
Concentración en la atmósfera (ppm)
Dióxido de carbono (CO2)
1
350
Metano (CH4)
30
1.7
Óxido de nitrógeno (I) (N2O)
160
0.31
Ozono (O3)
2000
0.06
CFC 11 (CCl3F)
21000
0,00026
CFC 12 (CCL2F2)
25000
0,00024
Se puede ver que el dióxido de
carbono es el más importante de los llamados gases de Efecto Invernadero porque a pesar de ser el de menor eficacia está
presente en la atmósfera en una gran proporción.
Parte de la radiación solar que llega a la atmósfera es directamente reflejada de nuevo al espacio y nunca alcanza la superficie terrestre; de la porción de radiación no reflejada, una parte atraviesa la atmósfera y alcanza la superficie terrestre aumentando su temperatura, y una cierta cantidad es absorbida por gases como el vapor de agua y el dióxido de carbono. Aunque el oxígeno y el nitrógeno son los gases más abundantes de la atmósfera, son transparentes a las radiaciones al no interferir en ellas.
El resultado final es que parte de la energía emitida por el Sol aumenta la temperatura de la Tierra y ésta, a su vez, como cuerpo caliente que es, emite también radiaciones aunque en longitudes de onda más grandes que las que provienen del Sol por la razón obvia de que su temperatura es inferior. La energía que procede del Sol ,y alcanza la superficie de la Tierra, lo hace con una cierta longitud de onda; cuando esa energía pretende abandonar la Tierra, la nueva radiación posee una longitud de onda sensiblemente mayor y es esta diferencia de longitud de onda lo que hace que la energía tenga más dificultad para salir que para entrar en las capas bajas de la atmósfera; en definitiva, éste es el hecho que produce el Efecto Invernadero, llamado así porque el fenómeno recuerda al mismo que retiene el calor en un invernadero.
Así pues, y esto es de vital importancia, los llamados gases de efecto invernadero no sólo absorben sino que también emiten radiación infrarroja.
La Tierra es capaz de controlar el equilibrio térmico planetario a través de complejos mecanismos. El problema radica, como casi siempre, en la actividad humana. La ingente producción de gases de efecto invernadero (fundamentalmente dióxido de carbono) para sostener nuestra sociedad industrial y tecnológica ha roto el delicado equilibrio térmico. Como muestra, un botón:
- Entre 1850 y 1950 (primer siglo de la época industrial) que quemaron 60 Gt de combustible (60000 millones de toneladas).
- En la década de 1980, cada año se quemaban 5 Gt (5000 millones de toneladas).
- Siglo XXI, cada once años se quema una cantidad similar a la del primer siglo de la época industrial, 60 Gt.
¿Dónde está el límite?... Tal vez el propio planeta lo ponga de una manera drástica y sin solución...
En el estudio experimental del Efecto Invernadero, en primer lugar, se observó el diferente efecto térmico de las radiaciones. Se midió la temperatura de emisión de una bombilla de incandescencia y de una bombilla infrarroja. En el siguiente vídeo se observa el resultado:
En el estudio de la influencia del material en el aumento de la temperatura, partimos de cuatro situaciones: Aire, Plástico, Vídrio y Plástico pintado de negro. Para ello, se colocó un termómetro al aire y otros tres colocados en sendas botellas de plástico, vídrio y plástico pintado de negro. A cada termómetro se lo colocó una pequeña bandera de papel de aluminio para favorecer la absorción de radiación.
Termómetro y papel de aluminio
Termómetro con la "bandera"
Botella pintada de negro media sección
El montaje en sencillo. El foco luminoso (bombilla de 90 w) se coloca en el centro. Los cuatro termómetros se colocan en forma de cruz evitando que les de sombra y con la bandera de aluminio hacia la bombilla.
Montando el experimento
Montando el experimento
Inicialmente, los termómetros se montaron a unos 15 cm de la fuente luminosa pero las medidas no eran buenas. Esa distancia de 15 cm está pensada para una bombilla de 150 w. Al tener una bombilla de 90 w, colocamos los termómetros a unos 5 cm del foco luminoso.
Montaje
Funcionando
Se dejó el sistema unos cinco minutos hasta que alcanzara el equilibrio térmico y se encendió la bombilla. Por grupos, se fue tomando lectura de los diferentes termómetros cada minuto.
Midiendo
El resultado obtenido se muestra en la siguientes tabla:
Temperatura (oC)
Tiempo
(minutos)
Aire
Botella de plástico
Botella de plástico pintada de negro
Botella de vidrio
0
27.5
27.5
27.5
27.5
1
28
28
28
28.5
2
28
29.5
28
29
3
28
30
29
30
4
28
30.5
29
31
5
29
31
30
31
6
29
32
30
31
7
29
32.5
31
31.5
8
29
33
31
32
9
29
33
32
32
10
29
33
32
32
11
30
33
33
32.5
12
30
33
33
32.5
13
30
33
34
33
14
30
33
34
33
15
30
33
35
33
Tras 15 minutos de medición, se puede observar fácilmente la influencia del material. El termómetro colocado al aire aumentó su temperatura en 2.5 grados centígrados mientras que el colocado en la botella de plástico pintada lo hizo en 7.5 grados. Plástico y vídrio parecen tener un comportamiento parecido, aumentando la temperatura en 5.5 grados.
A continuación, llevamos el experimento al terrado del centro para observarlo bajo la acción directa del Sol. La forma de operar es la misma. Se dejan los cuatro sistemas a la sombra durante cinco minutos para que alcancen el equilibrio térmico. A continuación, se sacan al Sol y se tumban en el suelo con la "bandera" de aluminio extendida al Sol.
Alcanzando el equilibrio térmico a la sombra
Botellas al Sol
Disfrutando del paisaje entre medida y medida
Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla:
Temperatura (oC)
Tiempo
(minutos)
Aire
Botella de plástico
Botella de plástico pintada de negro
Botella de vidrio
0
22
22
22
22
2
22
25
27
25
4
23
27
31
26
6
23
28
31
27
8
23
29
33
27
10
23
29
33
29
12
24
30
34
30
14
24
30
36
30
16
24
31
36
31
18
24
31
36
32
20
24
31
36
32
Los resultados obtenidos van en la misma línea que en el laboratorio. La botella de plástico pintada de negro consigue un incremento de la temperatura en su interior de 14 grados centígrados. Las botellas de vidrio y plástico casi no tienen diferencia entre sí (32 y 31 grados). Al aire, se consigue un ligero incremento de 2 grados centígrados.
Temperatura alcanzada en la botella pintada de negro
Por último, se estudió la influencia de un gas de efecto invernadero como el dióxido de carbono. Para ello se realiza un montaje como se muestra en las imágenes:
Montaje esquemático
Montaje real
Se cortan dos discos idénticos de
papel de aluminio que ajusten en la base de los vasos de precipitados. Estos
discos servirán para absorber y volver a emitir energía radiante simulando la
superficie de la Tierra. Se colocan los
vasos de precipitado uno al lado del otro con los discos dentro y se coloca la
lámpara incandescente en su portalámparas a unos 15 cm por encima de la base con el papel de alumnio. Los dos
vasos deben de estar iluminados por igual cuando la lámpara esté encendida. Se
afianzan cada termómetro con su bulbo a unos 2 cm por encima del disco metálico
que hay dentro de cada vaso. Se deben elegir termómetros que lean la misma
temperatura en las mismas circunstancias. Se enciende la luz y se espera, unos 5 minutos, hasta que los termómetros alcancen lecturas estables (equilibrio térmico). Si no tuvieran la misma
lectura, se mueve la lámpara hasta que sean idénticas. Ahora, se introduce el dióxido de carbono dentro
de uno de los vasos utilizando un tubo conectado a la fuente. Es importante que
el tubo no origine sombra en el termómetro. Se deja fluir el dióxido de carbono
hasta llenar el vaso y compensar la pérdida por difusión.
Para producir dióxido de carbono, inicialmente se empleó la reacción química entre el vinagre y el bicarbonato. Como producía un gran burbujeo que acababa manchando el vaso de precipitado se cambio por la reacción entre el ácido clorhídrico y trozos de mármol (carbonato de calcio).
En la siguiente imagen se muestra el experimento en desarrollo:
Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla:
Recipiente 1: Con dióxido de carbono.
Recipiente 2: Sin dióxido de carbono.
Temperatura (oC)
Tiempo
(minutos)
Recipiente 1
Recipiente 2
0
29
29
2
32
29
4
34
29
6
36
29
8
36
30
10
36
30
Recipiente sin dióxido de carbono
Recipiente con dióxido de carbono
En el recipiente con dióxido de carbono se consigue un incremento de 7 grados centígrados poniendo de manifiesto el efecto de gas invernadero que produce esta sustancia. En la reacción química, junto con el dióxido de carbono, también se produce agua. Como es una reacción exotérmica, parte de ese agua podría pasar a vapor de agua. ¿Participa ese vapor de agua en el efecto invernadero?... ¿En qué porcentaje?... Las respuestas habrá que buscarlas en otra ocasión.
