Màquines tèrmiques, corrent elèctric i revolució científica: resums clau

A.39. Què és una màquina tèrmica?

Una màquina tèrmica és un dispositiu que fa un treball mitjançant un procés de pas d'energia des d'un focus calent a un focus fred. Una màquina tèrmica té tres parts principals: la font de calor (on es produeix l'energia tèrmica), el sistema que transforma aquesta energia en treball (W) i el radiador o condensador que allibera la calor residual.

Al focus calent es produeix una quantitat de calor Q1; part d'aquesta energia es transforma en treball W i la part restant Q2 es rep al radiador. S'ha de complir l'equació bàsica d'energia:

Q1 = W + Q2

Exemple: central nuclear

En una central nuclear, el reactor escalfà un fluid (aigua) que es transforma en vapor i fa girar una turbina. La turbina acciona un generador (dinamo o alternador) que produeix corrent elèctric altern. L'aigua escalfada ha de refredar-se; per això s'utilitzen rieres, rius o grans estructures anomenades torres de refrigeració per on surt vapor (calor Q2).

El rendiment d'una central tèrmica típica pot ser d'aproximadament el 30% perquè el rendiment se sol definir com el quocient W / Q1. Això vol dir que una bona part de l'energia s'allibera en forma de calor i no es converteix en treball útil.

Per comparar: un motor elèctric (que es ressent menys de pèrdues tèrmiques) pot tenir un rendiment molt més elevat (de l'ordre del 90% en molts casos) perquè les pèrdues Q2 són molt petites. Una bicicleta té també un rendiment pràcticament alt (al voltant del 90%). En general, totes les màquines tèrmiques perden més energia en forma de calor que la que entreguen com a treball útil.

A.40 Corrent continu, electroimant i motor elèctric

Corrent continu (CC): es pot obtenir amb piles, bateries i dinamos.

Experiment casolà (pila amb patata): Materials: paper d'alumini, pol·límetre, patata i moneda. El més important són els metalls que creen la diferència de potencial. Aquest tipus d'experiment sol produir al voltant de mig volt; una pila normal produeix aproximadament 1,5 V.

Electroimant

Materials: pila, cable, bobina, clau i clips o imperdibles.

• Enrotlleu el cable per fer la bobina i conecteu-la a la pila amb el clau fixat a la bobina.
• Com més voltes tingui la bobina, més forta serà la imantació.
• El clau es tornarà un imant temporal i podrà atreure clips o altres objectes de ferro.

Motor elèctric

Un motor elèctric és un dispositiu que converteix energia elèctrica en energia mecànica mitjançant la interacció entre corrent i camps magnètics.

Materials d'un motor casolà: pila, imant de neodimi, cable, dos clips, cinta adhesiva. Es crea una bobina de cable i es connecta a la pila mitjançant els clips. En passar corrent per la bobina aquesta es comporta com un imant i, interaccionant amb un altre imant, pot provocar un moviment de rotació. Així, l'energia elèctrica es converteix en energia mecànica (moviment giratori).

Generador de corrent altern (CA)

A diferència dels motors (que converteixen energia elèctrica en mecànica), els generadors, alternadors o dinamos transformen energia mecànica en elèctrica per mitjà d'efectes electromagnètics (Llei de Faraday).

Objectiu: produir corrent sense piles. Materials: bobina de coure, pol·límetre, imant de neodimi.

A.41 Per què s'utilitza la CA (Tesla) en lloc de la CC (Edison)?

La corrent alterna (CA) es produeix fent girar bobines en camps magnètics (Faraday). Les electrificacions tèrmiques tenen rendiments d'uns ~30%, mentre que fonts com hidràuliques o eòliques poden arribar al 70–90% depenent de la tecnologia.

Hi ha pèrdues en el transport per efecte Joule; la potència transportada és P = V · I. Si augmentem el voltatge i disminuïm la intensitat, les pèrdues per l'efecte Joule (proporcionals a I²R) es redueixen. Això fa que la CA sigui més eficient per al transport d'energia a llargues distàncies, ja que es pot transformar fàcilment a alts voltatges amb transformadors.

Per això Edison (partidari de la CC) i Tesla (partidari de la CA) tenien propostes diferents: la CA permet transmissió a alts volts i minimitza les pèrdues de transport.

A.42 Debat sobre la producció d'energia elèctrica a Espanya

En la factura elèctrica sovint es diu que un 48% correspon a impostos. Això es pot matisar: d'aquest percentatge, una part significativa és IVA i impostos especials (al voltant d'un 22% cap a l'Estat segons el text), mentre que altres càrrecs van destinats a les centrals i conceptes regulats. Alguns imposts o càrrecs poden semblar poc justificats i cal desglossar-los per entendre-los millor.

Quan existeix excés d'oferta, el preu al qual s'ofereix el producte és superior al preu d'equilibri; la quantitat oferida excedeix la quantitat demandada i els oferents baixaran els preus per augmentar les vendes. A l'inrevés, quan hi ha escassetat, la quantitat demandada supera l'oferta i els oferents pujaran el preu fins a establir el punt d'equilibri. El punt on s'intersequen oferta i demanda és l'equilibri de mercat.

A.43 Quines obres de literatura: Jules Verne

Jules Verne va intentar fer la "novel·la de la ciència": una novel·la que inclogués els avenços científics i tècnics, els viatges, les exploracions i el domini dels elements (aire i aigua). Les seves obres anticipen molts avenços de la seva època i són útils per veure com idees que abans semblaven impossibles poden convertir-se en realitat.

A més, les obres de Verne conviden a reflexionar sobre els usos de la ciència i la tecnologia i les seves implicacions ètiques i socials.

A.46 Canvis en l'educació i la ciència al segle XIX

Al segle XIX comença a organitzar-se el sistema educatiu tal i com el coneixem avui. Des de la Revolució Francesa (1789) la universitat va patir canvis importants.

Canvis principals:

• A la universitat desapareix la prioritat de només ensenyar teologia i es creen titulacions noves com ciències i lletres; continuen medicina i dret.
• Es crea la primera escola de mestres (escola normal) a França durant la Revolució; això professionalitza la tasca d'ensenyar.
• Sorgeixen les primeres universitats politècniques (van arribar a Espanya amb Isabel II aproximadament).
• Es crea una xarxa extensa d'instituts de batxillerat públic: a mitjan segle XIX (per exemple, cap a 1850) es van obrir molts instituts (a València, Lluís Vives; a Alacant, Jorge Juan). Inicialment hi havia un institut per província; qui volia accedir a la universitat havia d'anar a l'institut.
• També es creen les primeres escoles de primària i els mestres es formen a les escoles normals; existia una normal superior (per exemple, a Madrid) per formar els professors de les normals provincials.
• L'escola primària en aquella època solia ser per a nens d'uns 6 a 9 anys. L'Estat es compromet a finançar l'educació primària.

A47. Les branques de la ciència protagonistes de l'evolució científica

Relativitat: Einstein va desenvolupar la teoria de la relativitat, una teoria revolucionària que va tenir un gran impacte tant en la ciència com en la cultura (percepció de l'espai i del temps, influències en l'art i l'arquitectura). Per als científics, la relativitat va suposar una crisi d'alguns supòsits fonamentals: Newton havia considerat espai i temps absoluts i Einstein va demostrar la necessitat de revisar aquests conceptes (a partir d'idees consolidades fins a principis del segle XX).

Quàntica: La física quàntica introdueix nivells d'energia per als electrons i descriu propietats noves i fonamentals de les partícules. Aquesta comprensió permet manipular electrons i és la base de l'electrònica moderna. Un descobriment clau és que l'àtom té un nucli i electrons al seu voltant, i que el nucli és molt més petit que el radi de l'àtom (el radi de l'àtom és de l'ordre de 100.000 vegades el radi del nucli).

ADN: Es va descobrir que l'estructura de la molècula de l'ADN té forma de doble hèlix. Poc després es va descriure la regulació genètica de la síntesi de proteïnes. L'ADN és un àcid nucleic que conté les instruccions genètiques usades en el desenvolupament i funcionament de tots els organismes vius i alguns virus.

L'àtom té dues parts: el nucli i els electrons. Protons i neutrons es troben en el nucli i els electrons órbiten al seu voltant. El radi de l'àtom és d'aproximadament 10⁵ vegades el radi del nucli.

A48. Impactes CTS: científics, tècnics i socials

La genètica ha portat organismes modificats genèticament (OGM) i debats ètics com l'eugenèsia: es parla d'eugenèsia positiva (selecció o modificació per a obtenir trets desitjats), eugenèsia negativa, i enfocaments més liberals relacionats amb la reproducció assistida. Hi ha exemples mediàtics, com el primer nadó amb alguna manipulació genètica, que obren qüestions ètiques i socials.

També hi ha una enginyeria dels electrons: l'electrònica i els ordinadors han sorgit a partir de les revolucions científiques del segle XX i han canviat la societat.

En l'economia, avui dia les empreses més importants tendeixen a ser empreses de software i tecnològiques (Amazon, Apple, Google...), mentre que en el passat eren dominants indústries com l'automòbil, el petroli i la banca, i només una gran empresa d'electrònica (per exemple, IBM).

A.50 Debat: què influeix la intel·ligència, herència o entorn?

Hi ha trets que s'hereten de manera directa (per exemple, certs grups sanguinis) i altres que presenten una heretabilitat expressada en percentatges. El debat sobre la intel·ligència discuteix quant depèn de l'herència genètica i quant de l'entorn (educació, cultura, nutrició, experiències).

Un exemple clàssic és el cas de Cyril Burt, un psicòleg que defensava que la intel·ligència s'heretava àmpliament; més tard es van posar en dubte algunes de les seves dades i metodologies. Això il·lustra la necessitat d'una evidència sòlida per a afirmacions sobre la heretabilitat del coeficient intel·lectual (CI).

En general, la majoria d'estudis indiquen que la intel·ligència està influïda tant per factors genètics com per l'entorn. El percentatge exacte és objecte de debat; el factor ambient és crucial perquè el CI mitjà ha anat augmentant en el temps (efecte Flynn) i perquè la simple mida del cervell no explica la intel·ligència (si fos així, les balenes serien les més intel·ligents).