Evaluación integradora de la Unidad 4: energía, ambiente y análisis de datos

1. Cómo usar esta evaluación

Esta es la última evaluación de la materia, así que no se limita a la Unidad 4: incluye calorimetría, potencia eléctrica y tratamiento de datos. Tres pasadas, como siempre. Primero resuelve A, B, C y D sin abrir la ficha, con 25 minutos de reloj. Después corrige con la retroalimentación de cada reactivo y clasifica tus errores en concepto, procedimiento o unidades. Por último haz el caso de la sección E con la ficha abierta: su objetivo es que combines varias ideas a la vez, no que las recites.

2. Ficha de referencia rápida

Léela una sola vez y ciérrala. Podrás volver a abrirla en la sección E.

Las fuentes no renovables se agotan más rápido de lo que la naturaleza las repone. En México✦ la mayor parte de la electricidad se genera quemando gas natural. La electricidad no es una fuente de energía: es un vector energético que hay que producir. De cada 100 joules de gas, alrededor de 55 llegan al enchufe como electricidad. La energía facturada se mide en kilowatts hora. La huella de carbono se calcula multiplicando la energía consumida por el factor de emisión. El factor de planta es la fracción de tiempo en que una central produce a plena capacidad. Eficiencia es consumir menos energía manteniendo el mismo servicio. Si el aparato nuevo se usa muchas más horas, el consumo puede no bajar. Toda fuente ocupa terreno y construye infraestructura con su propio costo ambiental. El impacto local y el impacto global de una fuente no son lo mismo. La pobreza energética se mide también por la fracción del ingreso que se va en energía. Una hipótesis útil es la que puede quedar refutada por los datos. Un resultado que refuta la hipótesis es información, no un fracaso. La variable de control es la que se mantiene fija para que la comparación sea válida. El método declara las variables de control para que otro pueda repetir el experimento. Una medición se reporta con su incertidumbre. El error sistemático no se corrige promediando más ensayos. En una gráfica de dispersión se traza una línea de mejor ajuste y no se unen los puntos con segmentos. Un atípico se documenta con su causa antes de decidir si se excluye. Las cifras significativas del resultado quedan limitadas por el dato menos preciso.

3. Simulación de las tres opciones

Antes de dar tu dictamen, corre las cuatro simulaciones con los supuestos del caso: 1.20 pesos por kilowatt hora, 0.40 kilogramos de dióxido de carbono por kilowatt hora, 8 760 horas al año y 1 200 horas de encendido anuales para las luminarias. Cada tabla cambia una sola variable. Al terminar podrás sostener sin dudar las cuatro afirmaciones que el caso exige: el ahorro de un panel escala con su potencia instalada, el factor de planta es la variable que más mueve el resultado fotovoltaico, el tiempo de recuperación de la iluminación no depende de cuántas piezas cambies y una campaña de hábito solo gana si el porcentaje estimado de ahorro es real.

Si trabajas en hoja de cálculo, deja visibles las celdas de supuestos y cambia una a la vez. Un dictamen que no declara sus supuestos no es un dictamen: es una opinión con cifras. Para que puedas auditar cada tabla, ten a la mano estos valores: cada luminaria cambiada ahorra 26.4 kilowatt hora al año y cuesta 90 pesos instalada, el año tiene 8 760 horas y el plantel de ejemplo factura 22 200 kilowatt hora anuales. Guarda la última columna de cada tabla y compárala con la sección E: ahí está la diferencia entre una recomendación defendible y una corazonada.

Sección B. Cálculo (10 puntos)

Cada reactivo vale 2 puntos: 1 por el planteamiento y 1 por el resultado con sus unidades. Datos de referencia: factor de emisión del sistema eléctrico, 0.40 kg de CO₂ por kilowatt hora; costo supuesto, 1.20 pesos por kilowatt hora.

Sección E. Caso integrador: qué le conviene a la escuela (6 puntos)

La dirección de tu escuela tiene presupuesto para una sola de estas tres medidas y te pide un dictamen técnico. Opción 1, iluminación: sustituir 120 luminarias fluorescentes de 40 W por LED de 18 W, con un costo de 90 pesos por pieza instalada. Trabajan 6 horas diarias, 200 días al año. Opción 2, paneles: instalar un campo fotovoltaico de 5 kW de capacidad, con costo de 120 000 pesos, factor de planta de 22 % y 25 años de vida útil. Opción 3, nada de obra: una campaña para apagar luces y desconectar equipos al salir, con la que la dirección estima reducir 15 % el consumo eléctrico total del plantel, que hoy es de 1 850 kWh al mes. Usa 1.20 pesos por kilowatt hora y 0.40 kg de CO₂ por kilowatt hora. Responde: (1) ¿cuántos kilowatts hora ahorra cada opción al año?, (2) ¿cuánto dinero y cuántas toneladas de CO₂ representa cada ahorro anual?, (3) ¿en cuántos años se recupera la inversión en cada opción con obra?, (4) ¿qué opción recomiendas y qué dos limitaciones o supuestos de tu cálculo podrían cambiar la conclusión?, y (5) ¿qué medición piloto propondrías para verificar uno de esos supuestos, y qué variables controlarías?

Guía de resolución, para consultar después de intentarlo. (1) Iluminación: consumo actual 120 × 0.040 × 6 × 200 = 5 760 kWh; con LED, 120 × 0.018 × 6 × 200 = 2 592 kWh; ahorro 3 168 kWh al año. Paneles: 5 kW × 8 760 h × 0.22 = 9 636 kWh al año. Campaña: 1 850 × 12 × 0.15 = 3 330 kWh al año. (2) En pesos: 3 802, 11 563 y 3 996 anuales; en CO₂: 1.27, 3.85 y 1.33 toneladas. (3) Iluminación: 120 × 90 = 10 800 pesos, recuperación en 2.8 años, muy por debajo de la vida útil de los LED. Paneles: 120 000/11 563 = 10.4 años, dentro de su vida útil pero sensible al precio de la energía. Campaña: costo casi nulo, pero el 15 % es un supuesto sin evidencia. (4) La recomendación técnica es la iluminación: mejor tiempo de recuperación, ahorro verificable y sin depender de hábitos. Las dos limitaciones que podrían cambiarlo son el precio real de la energía, que si sube mucho acorta el plazo del campo solar, y el supuesto del 15 % de la campaña, que podría ser mayor a costo cero y desplazar todo lo demás. (5) Un piloto razonable: medir con pinza amperimétrica el consumo real de las luminarias durante una semana, controlando días lectivos, horas de encendido, luz natural disponible y temperatura, y compararlo con el cálculo teórico.

4. Reactivos de lectura de simulación

Estos seis reactivos se contestan con las tablas de la sección 3. Valen como práctica de lectura de datos y sirven para detectar si tu dificultad está en la física o en el manejo de las cifras.

5. Práctica guiada y práctica independiente

Práctica guiada. Reconstruyamos el inciso 3 del caso para la opción de iluminación. Paso 1: calcula el ahorro anual, 3 168 kilowatt hora. Paso 2: tradúcelo a pesos, 3 802. Paso 3: calcula la obra, 120 piezas por 90 pesos, 10 800. Paso 4: divide la obra entre el ahorro anual y obtén 2.8 años. Paso 5: compara ese número con la vida útil del LED y declara si conviene. Ahora repite los cinco pasos con los paneles y con la campaña: en la campaña el paso 3 da aproximadamente cero, y por eso su recuperación no se mide en años sino en cumplimiento.

Práctica independiente. Supón que la dirección te cambia los datos: las luminarias son 90 piezas, el costo de instalación sube a 140 pesos por pieza, y el plantel consume 2 300 kilowatt hora al mes. Vuelve a calcular el ahorro anual de cada opción, su recuperación y sus emisiones evitadas, y emite un dictamen de un párrafo que cambie o mantenga la recomendación original justificando con una sola cifra. Después diseña el piloto del inciso 5: qué mides, con qué instrumento, durante cuánto tiempo y qué variables mantienes fijas.

8. Práctica de autocorrección

Corrige con la clave y anota tu puntaje por sección. Si tu pérdida se concentró en la sección B, el problema es de unidades y conviene rehacer la actividad del recibo de luz. Si se concentró en la sección E, el problema no es numérico sino argumentativo: practica el párrafo de dictamen hasta que cada afirmación tenga su cifra y cada cifra su supuesto.

9. Fuentes y trazabilidad

Reactivos de elaboración original de Lumbre, alineados al programa vigente de la DGB para el campo disciplinar de Ciencias Experimentales en el primer semestre de bachillerato (SEP, México) y al marco curricular común MCCEMS con su eje de sostenibilidad. El precio de 1.20 pesos por kilowatt hora y el factor de emisión de 0.40 kg por kilowatt hora son supuestos didácticos redondeados; las potencias y factores de planta son órdenes de magnitud típicos. Para trabajar con cifras verificables, consulta el Balance Nacional de Energía y los reportes de la industria eléctrica nacional del año en curso.

10. Objetos de esta unidad y de la materia

Unidad 4: Fuentes y uso social de la energía (cnat2-u4-fuentes-y-uso-social-de-la-energia), Trabajo experimental: variables, datos e incertidumbre (cnat2-u4-trabajo-experimental) y esta evaluación. Con ella se cierra Ciencias Naturales, Experimentales y Tecnología II. Si fallaste A1, A5, B3, C o D3, tu repaso está en el objeto de trabajo experimental; si fallaste A2 a A4, A6, B1, B2, B4 o D1, está en el de fuentes y uso social de la energía.