Ensenyar energia a secundària

1. Introducció

L'energia és un concepte físic molt abstracte i complex, associat als canvis que es produeixen en la natura i en els processos tecnològics. Des de fa segles, l’energia s’ha utilitzat com a model per donar una explicació formal que englobi i faci comparables molts fenòmens científics independents entre ells i que (en principi) no tenen res a veure els uns amb els altres: la caiguda lliure de l’aigua que permet moure una turbina, generar electricitat i fer funcionar aparells elèctrics; el trencament d’enllaços químics en una combustió que permet l’escalfament de l’aigua i fer moure un pistó; les reaccions de fissió nuclear al Sol que desprenen una radiació que arriba a la Terra i és aprofitada per algunes cèl•lules vegetals per realitzar la fotosíntesi, etc.
En part, és aquesta universalitat la que fa que el model d’energia aparegui de forma transversal en gairebé tots els cursos de ciències, tant per parlar del moviment com dels canvis químics, de l’electricitat, dels éssers vius, dels processos geològics, etc. Ara bé, ni existeix una definició única d’energia ni existeix un model científic socialitzat entre la comunitat educativa per ensenyar sobre energia a l’escola. En aquest article s’apunten algunes de les causes que fan que costi tant ensenyar i aprendre sobre energia i, tot seguit, es proposa un enfocament educatiu per ensenyar el model d’energia basat en la configuració dels sistemes i els canvis que aquests experimenten al llarg d’un procés físic. Aquest enfocament no es basa en equacions ni en llistes interminables de “formes” d’energia, sinó que se sustenta en tres idees claus: la conservació, la transferència i la degradació de l’energia.

2. Per què ensenyar energia és tan difícil?

Ensenyar bé el concepte d’energia i garantir que els estudiants l’aprenguin és molt i molt difícil. La mostra d’això és que la majoria d’alumnes acaben l’escolarització científica amb les mateixes concepcions espontànies entorn de l’energia que les que tenien quan van començar (Millar, 2005). A l’hora d’intentar explicar les causes que hi intervenen, apareixen diversos factors que resumeixo a continuació:

2.1. Ens costa definir l’energia

El primer element que cal tenir en compte a l’hora d’entendre les dificultats en l’ensenyament i aprenentatge de l’energia és l’extrema dificultat per definir-la adequadament. L’energia és un terme universal que tothom coneix i utilitza en la seva vida quotidiana. Tal com diu Mans (2008), “poques paraules trobaríem que usin alhora el científic i la persona del carrer, la publicitat i l’esotèric, el psicòleg i el polític, el dietista i l’artista de circ. I el més interessant del cas és que en la major part d’usos de la paraula els significats són força similars i homologables. Però potser caldria ser una mica més precisos quan la usem.”
Ara, si bé el terme energia té un ús generalitzat, aquest no en garanteix una definició correcta. Feynmann (1971) deia: "És important adonar-se que en la física actual no sabem què és l’energia. No tenim un model d’energia formada per petites gotes d’una mida definida. No és així. Tot i això, hi ha fórmules per calcular certes quantitats numèriques i quan les sumem totes sempre trobem el mateix nombre.”
Alhora, si busquem una definició d’energia, ens trobem que no existeix una única definició formal d’energia sinó diferents aproximacions que parteixen d’enfocaments diferents (Duit, 1985): l’energia definida com la capacitat de realitzar treball, l’energia definida com una substància quasi material que es transfereix, l’energia definida com una variable d’estat a la qual s’assigna una magnitud física, etc.
En qualsevol cas, en l’educació primària i secundària, esforçar-se excessivament a provar d’utilitzar qualsevol d’aquestes definicions formals no és gaire operatiu. Per tant, davant d’aquesta dificultat per definir l’energia, si bé no ens ha d’impedir poder tractar-la en les classes de ciències, sí que cal ser conscients que això provoca que sovint els materials educatius i el professorat tractin l’energia de forma ambigua i amb nombroses concepcions espontànies i alternatives
(Pintó, Couso, & Gutierrez, 2005).

2.2. Ens costa representar l’energia

Podríem pensar que una alternativa a la definició formal i verbal d’energia és la seva representació matemàtica, ja que l’energia apareix en un bon grapat d’equacions. Algunes, com ara o , s’acostumen a estudiar a 3r o 4t d’ESO, mentre que d’altres més complexes i profundes, com ara o , es veuen en cursos de física més avançats. Ara bé, tal com adverteix Ogborn (1986) , cal tenir en compte que no pel fet de donar una representació matemàtica de l’energia es resol la problemàtica d’ensenyar energia, sobretot tenint en compte que en alguns nivells elementals no poden utilitzar aquest formalisme. A més, tot i la gran utilitat de les equacions, hem de distingir entre memoritzar una equació i entendre’n realment el significat. Einstein deia que “cap científic pensa amb fórmules. Abans que el físic comenci a calcular, ha de tenir en ment el curs dels raonaments. Aquests, en la majoria dels casos, poden expressar-se amb paraules senzilles. Els càlculs i les fórmules són el següent pas.”
Una altra manera de representar conceptes físics són les imatges. Ara bé, mentre que altres magnituds i models físics permeten una representació mental força senzilla o assequible, l’energia és difícil de representar visualment. Les representacions visuals en cinemàtica —basada en la posició i el moviment— acostumen a basar-se en una percepció visual directa; la força i els camps es poden visualitzar a través d’una representació vectorial força intuïtiva; els diagrames elèctrics són molt útils per conceptualitzar els circuits elèctrics, etc. Però, com representem l’energia a través d’imatges? Existeixen representacions com poden ser els diagrames de les màquines tèrmiques, o bé els diagrames que representen cadenes energètiques, però sovint són imatges complexes que, si bé poden ajudar a la comprensió, també cal ajudar els estudiants a llegir-les
(Ametller & Pintó, 2002).

2.3. Confonem tipus d’energia amb processos físics o tecnològics

En tercer lloc, un altre problema molt comú associat a l’ensenyament de l’energia és la confusió entre tipus d’energia i processos o fenòmens als quals associem una energia en un moment determinat. Per evidenciar aquest problema, Mans (1989) va demanar als seus estudiants de química que escrivissin “quantes formes d’energia coneixes?” Després de fer una llarga llista, van arribar a identificar fins a 36 formes d’energia diferents! Aquesta tendència a fer llistes de formes d’energia és malauradament molt comuna a les classes de secundària (Chisholm, Kerr, & Jardine, 1992). Molts llibres presenten l’energia a través de llistats en què apareixen termes com ara “energia solar”, “cinètica”, “química”, “elèctrica”, “eòlica”, “gravitatòria”, “tèrmica”, “calorífica”, “interna”, etc. Fora de les classes de ciències (per exemple, en el món de la publicitat), el llistat d’adjectius s’engrosseix amb altres termes com ara “neta”, “verda”, “animal”, “corporal”, etc. Finalment, en altres contextos més esotèrics fins i tot es parla de “lunar”, “dels xacres”, “de les piràmides”, etc.

Plantejar l’estudi de l’energia sobre la base d’aquests llistats té molts inconvenients i sovint dificulta una conceptualització correcta de cap model d’energia:

2.4. Ens centrem en la idea de conservació

Una altra problemàtica que trobem en l’ensenyament de l’energia és que aquest molt sovint se centra en el principi de conservació. Un exemple d’aquest enfocament és l’expressió “l’energia ni es crea ni es destrueix, només es transforma”, molt utilitzada tant en les classes de ciències com en la vida quotidiana. Tot i que l’enunciat no és incorrecte, sí que és poc adequat per ajudar a conceptualitzar l’energia i, per tant, és poc correcte situar-lo com a eix central de l’ensenyament de l’energia.
El principi de conservació ens diu que l’energia es conserva, però només en sistemes aïllats, cosa que succeeix molt rarament en la percepció directa dels estudiants —ni tan sols al laboratori!. La majoria de fenòmens quotidians són no conservatius i la nostra percepció ens diu que l’energia no es conserva, sinó que es gasta:

Per tant, el principi de conservació està tan allunyat de la nostra percepció directa que, si no es va amb compte, es converteix en un enunciat buit de significat per a la majoria d’estudiants. A més, aquesta centralitat del principi de conservació de l’energia també pot portar a la concepció que la dissipació de l’energia és una mena “d’efecte secundari” poc rellevant des del punt de vista de la física, tal com succeeix en molts exercicis que apareixen en els llibres de text que només es basen en la relació .
És a dir, no és que no calgui ensenyar la conservació de l’energia, sinó que si no s’aborda de fons la qüestió de la degradació de l’energia, els alumnes no podran relacionar allò que han estudiat a classe amb les qüestions que es puguin plantejar fora d’aquesta, com ara “Què és la crisi energètica?”, “Com puc reduir el meu consum energètic domèstic?” o “Per què diem que la producció de vegetals per a l’alimentació és més rendible energèticament que la producció de carn?”.

2.5. Sovint presentem l’energia com la causa dels canvis

Finalment, una darrera problemàtica que ens trobem a l’hora d’ensenyar l’energia és que, en el llenguatge comú i en les concepcions espontànies i quotidianes, l’energia sovint es conceptualitza com una mena de força motriu que és la causa dels canvis i dels processos, o tal com ho anomena Ogborn (1986) “the go of the things”. Per exemple, en un context quotidià és comú escoltar expressions com “la meva filla avui es mou molt perquè té molta energia”; però en contextos més formals també és comú sentir que “un fruit caurà de l’arbre perquè té energia potencial gravitatòria”. Es tracta d’afirmacions incorrectes des d’un punt de vista rigorós: si bé parlar en termes d’energia ens permet donar una explicació formal d’un canvi o d’un procés, mai es pot atribuir a l’energia la causalitat del canvi. La causa dels canvis espontanis que es produeixen a la natura (ja sigui la caiguda d’un objecte, la descàrrega d’un condensador, el refredament d’una tassa de te, etc.) són les mateixes diferències que hi ha (la diferència d’altura, la diferència de càrrega, la diferència de temperatura, etc.) i no l’energia que hi associem. La natura tendeix de forma espontània i irreversible a homogeneïtzar les diferències, a evolucionar cap a estats físics en què la possibilitat de canvi és inferior i l'energia queda menys concentrada i més degradada. Per tant, els canvis no són més que una conseqüència d’aquesta tendència natural a l’equilibri i, en cap cas, no són la conseqüència de tenir una energia o una altra.

3. Quines idees caldria tenir presents a l’hora d’ensenyar sobre l’energia?

Arribats a aquest punt, ens toca preguntar-nos com podem superar totes aquestes problemàtiques i com podem acostar-nos a una aproximació didàctica que realment ajudi a entendre el concepte d’energia, que sigui útil per als estudiants i que els serveixi per interpretar el seu entorn immediat. En les darreres dècades s’han fet un munt de propostes educatives per tal de donar resposta a aquesta qüestió. En alguns casos, com succeeix en els currículums anglesos, s’opta per no començar donant cap definició d’energia sinó tractar-la com un terme conegut. Altrament, es pot donar una definició d’energia intrínsicament lligada a canvis, però, com hem dit abans, amb aquesta segona opció es corre el risc que l’alumnat entengui l’energia com la causa dels canvis i no com una manera d’estudiar-los. Finalment, es pot presentar l’energia des d’una idea més abstracta, amb el risc de dedicar força temps perquè l’alumnat en copsi bé el significat.
En qualsevol dels tres enfocaments possibles, és convenient que l’ensenyament de l’energia vagi lligat a un conjunt d’idees clau que resumim a continuació:

3.1. L’energia és una propietat de l’estat d’un sistema i només podem mesurar-ne els canvis

L'energia és una propietat de l’estat d’un sistema i només podem mesurar les variacions d’aquesta energia a partir dels canvis que experimenti el sistema (canvi de velocitat relativa d’un objecte respecte a un punt de referència, canvi de posició d’un objecte en un sistema gravitatori, canvi de nivell de compressió d’un sistema elàstic, canvi en els enllaços químics d’unes substàncies, canvis en la distribució de càrregues en un sistema elèctric, canvis en la temperatura de dos o més objectes en contacte, etc.). De fet, justament utilitzem l’energia per equiparar i comparar els canvis produïts entre sistemes diferents al llarg de processos diferents i establir una mesura universal per a tots. Per tant:

Partir d’aquest plantejament conceptual per ensenyar energia, evidentment, no és fàcil. Per treballar-ho adequadament a l’aula caldrà haver treballat amb profunditat i temps la idea de sistema, la idea de configuració del sistema i les idees de procés i de canvi abans d’aventurar-se a parlar en termes d'energia.

3.2. L’energia no és la causa dels canvis, sinó una manera de mesurar-los, fer-los equivalents, seguir-los-hi la pista i saber-ne el seu rendiment

Tal com hem dit abans, l’energia no és la causa dels canvis, sinó que la causa dels canvis és la mateixa tendència espontània de la natura a eliminar les diferències (d’altura, de pressió, de potencial elèctric, de velocitats, de temperatura, de concentració, etc.). Ara bé, gràcies al comportament de la mateixa natura i, sobretot, gràcies a l’enginy humà, les persones som capaces d’utilitzar aquesta tendència espontània i natural per poder generar noves diferències que produeixin nous canvis.
Per exemple, la diferència de pressió d’una massa d’aire entre dos punts d’un altiplà (diferència inicial) genera corrents d’aire (canvi de pressió) que podem utilitzar per generar noves diferències: gràcies a un aerogenerador, podem crear una diferència de potencial elèctric (nova diferència), que, alhora, generarà de forma espontània un corrent elèctric (canvi de potencial elèctric). Amb un forn elèctric, podem aprofitar aquest corrent per escalfar-ne l’interior (nova diferència, ara de temperatura), que per equilibri tèrmic escalfi el pollastre de l’interior del forn (canvi de temperatura), que alhora generi una diferència de potencial químic en les molècules de les proteïnes del pollastre (nova diferència, ara de potencial químic) que impliqui una reacció química —la cocció del pollastre— (nou canvi).
En cap dels casos de l’exemple anterior l’energia ha estat la causa del canvi, però en canvi, l’energia el que ens permet és associar un valor (en aquest cas, en joules) a tots i cadascun dels canvis que es produeixen en la configuració de cada sistema. Per tant, gràcies al model d’energia podem fer equivalents cadascun d’aquests fenòmens a mesura que es produeixen. Així doncs, per exemple, els milers de d’aire que es mouen a equivalen als que fan funcionar el forn i als als quals s’haurà escalfat el pollastre.
Per tant:

En canvi, de la mateixa manera que no és correcte parlar de l’energia com “la causa” del canvi, el que sí que es pot fer és parlar de l’energia com una condició necessària perquè un canvi s’esdevingui. És a dir, l’energia és també un model que ens permet predir si un canvi serà o no possible: una reacció química es produirà si se supera una certa energia d’activació i un satèl•lit podrà posar-se en òrbita si surt amb prou energia cinètica, etc.

3.3. Només hi ha dos tipus d’energia, la cinètica i la potencial

Com ja s’ha dit, l’energia és una propietat associada a l’estat d’un sistema. Quan parlem de l’estat d’un sistema ens estem referint a:

Això implica que totes les formes d’energia que s’han esmentat abans, o bé fan referència a l’energia cinètica o bé a l’energia potencial. Tot i així, sí que hi ha algun cas en què cal parar una especial atenció. Si parlem de sistemes que considerem compostos de moltes partícules, podem parlar de la seva energia interna, relacionant-la de nou amb l’energia cinètica i la potencial:

En resum, tot i que quotidianament es parla de molts tipus d’energia diferents, quan parlem amb rigor científic només podem identificar dos tipus d’energia qualitativament diferents: energia cinètica i energia potencial. Si fem referència explícita a l’interior de la matèria, parlem a més d’energia interna com la suma de l’energia potencial interna i l’energia cinètica interna.

3. 4. L'energia es transfereix d'un sistema a un altre i ho fa a través de dos mecanismes, anomenats treball i calor

Tal com hem dit abans, és més convenient parlar de transferència d’energia entre sistemes associats als canvis que experimenten aquests sistemes que no pas de transformació entre tipus d’energia. I per explicar com l’energia es transfereix d’un sistema a un altre des de la ciència s’han definit dos mecanismes: el treball i la calor. Cal tenir clar que aquests dos mecanismes no són “tipus d’energia”, encara que es mesurin en les mateixes unitats que l’energia.

a) La calor () és el procés de transferència d’energia entre dos cossos que es troben a diferent temperatura i interaccionen, ja sigui directament o a través de la radiació.

b) El treball () és el procés de transferència d’energia en què intervenen forces i desplaçaments.

A partir d’aquestes dues definicions es desprenen algunes apreciacions importants:

Per acabar, cal tenir en compte que alguns enfocaments didàctics parlen de dos altres mecanismes per transferir energia: l’electricitat i les radiacions (la llum). Tot i això, entenem que no és necessari fer aquesta distinció. En el que anomenem electricitat (és a dir, el desplaçament de càrregues elèctriques), encara que no correspongui a l’exemple clàssic de treball “mecànic”, en qual s’aplica una força mecànica sobre un objecte que es desplaça, no deixa de ser treball, es transfereix energia via treball perquè les forces elèctriques fan un treball sobre les càrregues elèctriques en desplaçament. Paral·lelament, el que anomenem llum o radiació és un mecanisme de transferència d’energia que combina treball i calor.

3.5. L'energia es conserva en sistemes aïllats, però es degrada de forma irreversible en els processos espontanis

Tot i el paper clau i la importància històrica que ha tingut el principi de conservació de l’energia, aquest s’allunya força de la percepció quotidiana dels estudiants, que veuen com l’energia es “gasta” constantment al seu voltant (Chisholm et al., 1992). Per tant, l’ensenyament de l’energia no es pot quedar només en la conservació i cal posar al mateix nivell la idea de degradació de l’energia, per evitar aquest distanciament entre la percepció quotidiana dels estudiants i el model d’energia que volem que construeixin. És a dir, quan parlem de l’energia i de la seva conservació i degradació, cal deixar clar que:

a) L’energia es conserva només en sistemes aïllats. Ara bé, la majoria dels sistemes del nostre entorn (fins i tot en el laboratori de física) són sistemes oberts, i hi ha transferències d’energia constants cap a l’entorn. Això fa que constantment percebem que l’energia es perd, i aquesta pèrdua d’energia la podem anomenar dissipació.

b) Al llarg dels processos naturals, l’energia es degrada. Això vol dir que, al llarg d’una cadena energètica, la capacitat que tenen els sistemes de produir canvis en altres sistemes va decreixent al llarg dels processos espontanis. Dit d’una altra manera, l’energia, tot i que es conservi, és cada vegada menys útil. Per exemple, si tornem a l’exemple de la cadena energètica exposada en el punt 3.2, l’energia primer associada a les diferències de pressió dintre d’una massa d’aire, després associada a la diferència de potencial en la xarxa elèctrica, després associada a la diferència de temperatura entre el forn i el pollastre, etc., té cada vegada menys capacitat de fer treball. De fet, un cop el pollastre s’ha escalfat, s’ha cuinat i s’ha refredat, aquesta cadena energètica s’haurà acabat i “l’energia final” que associem a l’escalfament de l’aire i les parets, així com a les transformacions químiques del pollastre, està totalment degradada, ja que no possibilitarà nous canvis.

Per abordar la qüestió de la degradació de l’energia, hi ha currículums que incorporen el concepte d’"energia lliure", és a dir, la fracció d'energia associada a la capacitat de fer treball. L’energia lliure s’acosta molt més a la percepció quotidiana que no pas l’energia “genèrica”, ja que, efectivament, aquesta sí que “es gasta” i tendeix a desaparèixer al llarg d’un procés. Per exemple, quan carreguem el dipòsit de combustible d’un cotxe per realitzar un trajecte de , al final del trajecte l’energia lliure s’haurà exhaurit completament, ja que en tots els canvis viscuts (l’escalfament del motor, el fregament entre els diferents engranatges amb el terra i l’aire, l’escalfament i el desgast del frens...) la fracció d’energia útil ha anat disminuint, mentre que la fracció d’energia degradada (no útil) ha anat augmentant. Encara que l’energia total es conservi.
En qualsevol cas, tant si es presenta el concepte d’energia lliure com si no, explicar l’energia sobre la base de la degradació pot ser molt útil per abordar qüestions de gran rellevància social com les formes d’obtenció d’energia, les formes d’emmagatzematge i transport d’energia, i, per tant, totes les qüestions vinculades a l’estalvi i el rendiment energètics.

4. Conclusions

Com hem argumentat al llarg del text, actualment la majoria d’estudiants acaben l’escolarització sense haver construït un model científic d'energia que els sigui útil per desenvolupar els propis raonaments científics i respondre a qüestions rellevants que els serveixin per interpretar el món. Potser molts hauran memoritzat noms i equacions, però, com hem vist, això no garanteix haver assolit una veritable comprensió de l’energia i dels conceptes que porta associats: la conservació, la transferència i la degradació. Per intentar millorar aquesta problemàtica tan arrelada en l’ensenyament de la física a secundària, cal que evitem alguns dels errors més comuns a l’hora d’ensenyar l’energia i que intentem centrar-nos a desenvolupar —en la mesura que sigui possible— les idees clau que s’han exposat aquí. Per fer-ho, existeix una gran varietat de recursos didàctics, que van des d’experiències al laboratori molt diverses fins a la lectures de textos que fomentin la discussió, el raonament, passant per la realització de jocs col•laboratius o l’ús d’animacions i simulacions. En tots els casos, l’important és que siguin els estudiants qui, a partir de les pròpies experiències i sobre la base dels raonaments que els puguem ajudar a fer, es construeixin un model d’energia que sigui útil per entendre i interpretar el seu entorn, que els ajudi a raonar, predir i prendre les decisions, cosa que contribuirà a la seva competència i alfabetització científica.

5. Bibliografia

Ametller, J., & Pintó, R. (2002). "Students’ reading of innovative images of Energy at secondary school level". International Journal of Science Education, 24(3), 285-312.

Chisholm, D., Kerr, R., & Jardine, P. (1992). "Some energetic thoughts". Physics Education, 27, 215-220.

Duit, R. (1985). "In search of an Energy Concept". Conference on teaching about Energy within the Secondary School Science Curriculum. Leeds.

Feynmann, R. (1971). "Lectures on Physics. Vol I, Mecánica, radiación y calor". Mexico: F.E.I.S.A.

Mans, C. (1989). "Una classe sobre l’Energia". Notícies per a Químics, 310, 5-8.

Mans, C. (2001). "La gasolina ens costarà un ronyó". Notícies per a Químics, 403, 26-27.

Mans, C. (2008). "La vaca esfèrica". Barcelona: Rubes Editorial.

Millar, R. (2005). "Teaching about energy" (pp. 1-21).

Ogborn, J. (1986). "Energy and Fuel: The Meaning of 'The Go of Things.'" School Science Review, 68(242), 30-35.

Pintó, R., Couso, D., & Gutierrez, R. (2005). "Using Research on Teachers’ Transformations of Innovations to Inform Teacher Education: The Case of Energy Degradation". Science Education, 89(1), 38-56.

ISSN: 1988-7930    Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Gemma Montanyà, Cristina Periago, Octavi Plana, Jaume Pont i Ramon Sala.
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona

Recursos de Física col·labora amb la baldufa i també amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)