Exploración de la capacidad de conducción del calor de distintos materiales utilizando un termómetro.
Uno de los modos de interacción que tienen dos cuerpos es la transferencia de calor. El calor es una propiedad de los cuerpos, pero a diferencia de otras de sus propiedades ésta puede aumentar, disminuir e intercambiarse de un cuerpo a otro. A continuación, le proponemos que explore junto con sus alumnos algunas formas de propagación del calor, para ir construyendo con ellos la noción del calor como forma de energía.
El calor se propaga por conducción, por convección o por radiación.
El calor puede pasar de un objeto a otro de tres formas. En la primera, que llamaremos conducción, el calor se propaga a través de un material que "diremos" que lo conduce. Distintos materiales conducen el calor a diferentes velocidades
Una segunda forma consiste en el movimiento de un material ya caliente que lleva consigo el calor, y a este proceso se llama convección. Este mecanismo es común en materiales que pueden moverse fácilmente, como los gases y los líquidos; algunos ejemplos de convección son la calefacción a través de aire o agua caliente, las corrientes oceánicas y la lava de los volcanes.
Temperatura y calor son conceptos distintos.
Por último, la tercera forma en la que un objeto puede acumular más calor está vinculada con la absorción de radiación. Cuando los objetos absorben luz (radiación electromagnética), por ejemplo los objetos oscuros, expuestos al sol, transforman la energía de esa radiación en calor.
Mediante la siguiente actividad exploraremos uno de los mecanismos de transmisión del calor: la conducción. Para introducir a sus alumnos en este tema, puede comenzar por preguntarles cómo harían para mantenerse frescos durante un día caluroso. Algunas de las respuestas estarán orientadas a alejarse de los rayos del sol, estrategia que se vincula con la radiación. Otras estarán orientadas a aislarse del aire caliente (aquí esta funcionando el fenómeno de convección). Y otra posible respuesta será ponerse en contacto con algún material que les permita disipar el calor, por ejemplo, sumergirse en agua fría. Luego de discutir estas posibilidades, será apropiado que usted introduzca el problema de cómo la gente conserva fríos el agua o los alimentos, cuando éstos ya han sido retirados de la heladera. Y, entonces, muy posiblemente, sus alumnos mencionarán materiales como el telgopor o dispositivos como el termo.
Una vez que hayan establecido que algunos materiales mantienen por un tiempo prolongado la baja temperatura de algunas cosas (o de los alimentos), propóngales a sus alumnos que averigüen cuáles serán los mejores materiales para ese propósito. Con este objetivo pueden, mediante un termómetro, indagar la propiedad de los distintos materiales para conducir el calor. El termómetro mide la temperatura, es decir que indica una medida del estado térmico de un sistema. Cuando un mismo sistema pasa de un estado térmico a otro intercambia calor. De este modo, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre los estados de un sistema, mayor será la cantidad de calor intercambiada. Como conclusión de esta experiencia, los alumnos accederán al concepto de que: todo material que presente una mayor variación de temperatura será un mejor conductor del calor.
Una experiencia similar puede realizarse introduciendo el termómetro en agua a 50 ºC, y observando a qué temperatura se enfría luego de treinta segundos, manteniéndolo rodeado por distintos materiales. Esta experiencia les permitirá concluir que ciertos materiales transmiten fácilmente el calor, mientras que otros son buenos aislantes y sirven tanto para mantener el frío como el calor.
Si desea trabajar las otras dos formas de conducción del calor, puede mostrar a los chicos algún ejemplo de la dilatación de los gases por efecto del calor y los movimientos de aire que esto origina (convección). Por otro lado, el ejemplo de cómo se aprovecha la luz solar para calentar agua le permitirá trabajar el mecanismo de calentamiento por radiación.
El trabajo con las ideas previas de los alumnos permite detectar la profundidad con que deben ser tratados los aspectos asociados al tema. En particular, la exploración de las diferentes formas de propagación del calor permite comenzar a asociar el calor con la noción de energía.
Como actividad adicional sobre la transmisión por conducción, se puede proponer una experiencia cuyos resultados complementarán y orientarán la secuencia presentada en la Propuesta.
Al recibir el calor, algunas varillas lo conducirán hacia los respectivos extremos que se hallan fuera del recipiente, a diferente velocidad, de acuerdo con su material; en algunas varillas, la cera de vela endurecida volverá a fundirse.
Se demostrará entonces que:
La convección puede observarse a través de varios experimentos clásicos, tales como los que aparecen en el Manual para la enseñanza de las ciencias de Unesco (Buenos Aires, Sudamericana, 1997) u otros textos de actividades experimentales.
Uno experimento simple consiste en introducir algún tipo de partículas no solubles en un recipiente transparente con agua, calentar el agua y observar el movimiento que adquieren las partículas al ser arrastradas por las corrientes convectivas.
La acción de estas corrientes en el aire se puede ilustrar arrojando partículas de ceniza sobre el fuego de una hornalla o mechero: las cenizas serán arrastradas por el aire caliente ascendente.
Armados de cierta paciencia, también puede realizarse una observación del vuelo de algunas aves que ascienden sin aletear, arrastradas por las corrientes convectivas.
Así como las aves emplean la convección para subir sin gastar energía, diversos tipos de aeronaves, como los planeadores y los parapentes, usan el mismo recurso para mantenerse en el aire sin emplear un motor.
A través de una animación se muestra cómo se forman las corrientes de aire ascendente en la
atmósfera.
Puede ver la animación en línea o descargarla a su computadora .
La radiación puede ser explorada a través de la siguiente actividad.
Resultados
Lo esperable es que la variación de temperatura del aire encerrado en la lata negra sea mayor que el de la blanca.
A partir de los resultados obtenidos puede proponerse el diseño de un dispositivo que aproveche la absorción de radiación para calentar agua.
a. Cuando algunas aves duermen, "inflan" su plumaje de modo que quede aire retenido entre su cuerpo y el medio externo. ¿Para qué lo harán?
Para resolver este problema debe tenerse en cuenta el comportamiento del aire frente a la conducción del calor, una cuestión presentada en la Propuesta.
b. El oso polar es, como se sabe, de color blanco. ¿Representa esto una ventaja para él en términos del mejor aprovechamiento del calor corporal?
Si en el experimento de las latas se ha comprendido la influencia del color en la absorción de la radiación, la respuesta debe ser: "No, ser blanco no es ventajoso". En efecto, desde esta perspectiva al oso polar le convendría ser negro. Pero seguramente algún alumno alertará sobre la desventaja energética que representa un color oscuro en medio de un paisaje predominantemente blanco. Se podría plantear, además, una investigación que provea mayores precisiones acerca del color de pelo de este animal.
c. Una persona desea saber si el hielo es o no es un buen conductor del calor. Se le ocurre que en estos dos hechos debe estar la respuesta: I) los esquimales usan hielo para construir sus iglúes; II) cuando hay hielo adherido a las paredes de la heladera, ésta no enfría. ¿Cuál es la respuesta correcta?
Los alumnos tendrán que diseñar alguna actividad para decidirlo.
d. Los lagos de zonas frías se congelan sólo en su parte superficial. ¿Qué beneficios representa esto para los seres vivos que habitan las profundidades del lago?
Para responder, los alumnos deben considerar la discusión anterior en relación con la capacidad del hielo para conducir el calor.
e. ¿Qué se puede hacer para estar fresco durante un día caluroso?
Los alumnos pueden plantear otras respuestas aparte de las mencionadas en la Propuesta, por ejemplo: "Me mojaría la piel para refrescarme." Un comentario como éste admite un análisis de lo que ocurre al mojarse.
Un fenómeno bastante conocido es que al contacto con la piel, el alcohol se evapora rápidamente. La evaporación requiere del suministro de energía (calor); parte de esa energía proviene precisamente de la piel. Al "quitarnos" calor, la sensación es de frescura.
Puede ser interesante realizar una experiencia que muestre la relación entre la frescura sentida y la velocidad de evaporación del agua y del alcohol. Con líquidos más volátiles, como por ejemplo el éter, el efecto será bien evidente. Puede observarse, además, que si se sopla la zona mojada, la evaporación es más intensa y, por lo tanto, la sensación de frío aumenta.
Estos planteos conducen naturalmente a pensar en una de las funciones de la transpiración. El fenómeno también puede relacionarse con otras situaciones de la vida cotidiana.
f. Entre los amantes del cámping, se sabe que el momento en que se siente más frío no tiene lugar durante el rocío nocturno, sino después del mismo, durante la madrugada, cuando aparece el sol. ¿Por qué será?
Hace unos ciento cincuenta años, un impresor australiano advirtió que, al limpiar con éter los tipos de su imprenta, éstos se enfriaban. De este descubrimiento a la concreción de una heladera a éter pasó poco tiempo. Más tarde se encontraron líquidos más apropiados para cumplir esa función, pero el principio no varió.
Se puede profundizar la discusión con el estudio de otros objetos de uso doméstico, con el termo, las camperas infladas con aire o las ventanas de doble vidrio que se utilizan en lugares con climas fríos.
Otras sugerencias