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CALOR Y TEMPERATURA

José Manuel Domínguez Castiñeiras

Para citar: Domínguez Castiñeiras, J.M. (2007). “Calor y Temperatura”. En: Domínguez Castiñeiras, J.M. (editor). Actividades para la Enseñanza en el Aula de Ciencias. Fundamentos y Planificación. Santa Fe (Argentina): Ediciones Universidad Nacional del Litoral, pp. 119-130.

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Se presenta a continuación la secuencia de enseñanza “Calor y Temperatura”.

El diseño, planificación y desarrollo de la misma se realiza según el modelo propuesto (Domínguez, 2000, 2001a) que, como habíamos indicado, consta de cinco tareas: determinación del contenido académico, determinación de la problemática del aprendizaje, selección, formulación y secuenciación de objetivos, estrategias de instrucción y secuencia de actividades, y selección de estrategias de evaluación.

TAREA 1. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ACADÉMICO .

Nuestra propuesta tiene como objetivo la enseñanza de determinados conocimientos sobre Calor y Temperatura. Este tema se considera troncal en los programas de Ciencias de todos los países desde los primeros niveles. Dicho objetivo nos obliga a tomar decisiones sobre qué contenidos concretos se deben seleccionar y cuál ha de ser su secuencia en el momento de planificar nuestra propuesta didáctica (Sánchez y Valcárcel, 1993; Domínguez, 2000, 2000b).

Para ello, en primer lugar, se ha analizado el currículo oficial y se ha considerado que la diferenciación de los contenidos en conceptos, procedimientos y actitudes tiene un carácter pedagógico (Coll et al., 1992). El conocimiento científico integra los tres tipos de contenidos y su enseñanza no debe centrarse sólo en uno de ellos, pues se daría una imagen incompleta y distorsionada de la ciencia y, sobre todo, desperdiciaríamos muchos de los valores formativos que justifican su inclusión en los conocimientos básicos y obligatorios para cualquier ciudadano. Dicho análisis nos ha permitido seleccionar los contenidos objeto de aprendizaje propuestos para este nivel educativo por los diseñadores del currículo:

Conceptos

- Estados de agregación. - Propiedades de los sólidos, líquidos y gases. - Dilatación y cambios de estado. - Teoría cinética. - Calor y temperatura. - Equilibrio térmico.

Procedimientos

- Selección de fenómenos observables y formulación de hipótesis explicativas. - Diseño y realización de experiencias sencillas que pongan de manifiesto el

comportamiento de los sistemas. - Técnicas de observación y toma de datos de fenómenos observados y experiencias

realizadas. - Formulación de un modelo teórico que permita explicar las propiedades principales

de los estados de agregación de la materia. - Interpretación por medio de la teoría cinética de fenómenos que ocurran

habitualmente. - Utilización adecuada del instrumental y aparatos de laboratorio, teniendo en cuenta

los errores que se puedan cometer. - Elaboración e interpretación de tablas, esquemas, gráficos, etc. - Consulta de fuentes de información escrita. - Elaboración de informes sobre los trabajos elaborados y realización de debates en

pequeño y gran grupo.

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Actitudes

- Valoración de la investigación científica como medio de conocimiento, su carácter no dogmático e y su provisionalidad.

- Interés por la observación de fenómenos naturales. - Interés en la realización correcta de las experiencias, recogida de datos, confección

de informes, etc. - Interés en la utilización de modelos, y en su confrontación con los hechos

empíricos. - Cuidado y respeto por el material e instrumentos de laboratorio. - Valoración de la necesidad de la pulcritud en la realización de los trabajos. - Respeto por la opinión de los demás.

Criterios de evaluación

- Aplicar la teoría cinética para explicar fenómenos: transferencia de energía, incremento de temperatura, cambios de estado, dilatación …

- Se trata de evaluar si los alumnos, mediante la teoría cinética, son capaces de interpretar fenómenos como la transferencia de energía, el incremento de temperatura, los cambios de estado, la dilatación, etc., y sus posibles relaciones.

- Se comprobará que han conceptualizado que el calor es un proceso de transferencia de energía, siendo la temperatura el indicador del nivel energético del sistema.

En segundo lugar, y dado que el campo de conocimiento sobre Calor y Temperatura ha sido muy debatido, detectándose connotaciones problemáticas que aumentan la complejidad de su enseñanza, hemos revisado algunos de los conceptos implicados para obtener su significado desde el punto de vista de la comunidad científica.

Calor y Energía

Existe una predisposición a pensar en el calor como algo sustancial o como una sensación, lo que constituye una de las barreras conceptuales más difíciles de salvar en el aprendizaje (Erickson y Tiberghien, 1989). Es necesario clarificar dicho concepto sobre cuyo significado está viva la controversia en la propia comunidad científica. Heath (1976) nos alerta acerca de que uno de los problemas que hay que superar es el uso de la palabra calor, pues incluso termodinámicos experimentados meten calor en los cuerpos. Propone que la solución podría ser suprimir la palabra calor como sustantivo y usarla como verbo.

Por su parte Hierrezuelo et al. (1987) no están de acuerdo, desde un punto de vista didáctico, con la desaparición de la palabra calor y proponen que lo mejor es la reinterpretación de su significado −calor y trabajo son energías lo mismo que la energía interna, pero los dos primeros son energía en tránsito− por eso proponen que se utilicen ambos conceptos para deshacer el equívoco sobre el calor. Esto dificulta aún más las cosas, pues afirman que calor y trabajo son formas de energía, lo que aleja el significado de ambos términos del que le confiere la ciencia.

Levine (1995) arroja luz sobre la discusión definiendo el concepto de calor: es una transferencia de energía entre el sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura. Calor y trabajo son formas de transferencia de energía. Calor y trabajo no son funciones de estado, luego no tiene sentido hablar de formas de energía ni preguntarse cuánto calor (o trabajo) tiene un sistema. El calor y el trabajo están definidos en términos de procesos. Antes y después del proceso de transferencia de energía entre el sistema y su entorno, el calor y el trabajo no existen.

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Además, el mencionado autor clarifica dichos procesos desde un punto de vista mecanicista con ayuda de la teoría cinético molecular. El trabajo es una transferencia de energía debida a la acción de fuerzas desde el punto de vista macroscópico. El calor es una transferencia de energía debida a la acción de fuerzas a nivel molecular. Cuando cuerpos de temperatura diferente se ponen en contacto, las colisiones entre sus moléculas provocan una transferencia de energía desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor; el calor es trabajo realizado desde el punto de vista molecular.

Esta polisemia induce a la confusión entre la energía que tiene el sistema (energía interna) y la forma de transferirla entre sistemas a diferentes temperaturas (calor). Erickson y Tiberghien (1989) resuelven el problema proponiendo la expresión energía térmica que incluye los aspectos de la energía interna relacionados con la traslación, vibración y rotación de las moléculas.

Temperatura

Respecto al concepto de temperatura parece existir una mayor unanimidad. Macroscópicamente es un parámetro intensivo que se utiliza para describir el estado de un sistema; además, condiciona el sentido de la transferencia de energía entre sistemas hasta alcanzar el equilibrio térmico (Weast y Astle, 1982-83; Valcárcel et al. 1990).

Desde el punto de vista microscópico está relacionada directamente con la energía cinética molecular media de las moléculas (Levine, 1995). Esta definición será utilizada para interpretar fenómenos como el incremento de temperatura, la dilatación y los cambios de estado.

TAREA 2. DETERMINACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA DEL APRENDIZAJE

Es incuestionable la importancia del que aprende en el proceso de enseñanza y aprendizaje. Queremos hacer aquello que tantas veces se dice y pocas se hace: adaptar la enseñanza a las capacidades de los alumnos a los cuales va dirigida. En consecuencia, a la hora de diseñar nuestra propuesta didáctica, debemos tener en cuenta las características de los estudiantes, en nuestro caso, alumnas y alumnos de 15-16 años. A este respecto se hacen explícitos: el conocimiento de los estudiantes antes de la intervención, las exigencias cognitivas que demandan los contenidos objeto de aprendizaje y las dificultades relacionadas con las actitudes respecto al aprendizaje.

2.1. Las concepciones y modelos de los estudiantes antes de la intervención

Es ingente la investigación sobre las dificultades de aprendizaje de los estudiantes relacionadas con la descripción macro y microscópica de los sistemas cuando interaccionan termodinámicamente.

La descripción macroscópica del sistema y sus cambios

Muchos trabajos confirman la persistencia de ideas alejadas de la ciencia escolar cuando los alumnos interpretan el comportamiento termodinámico de los sistemas. Aunque existen revisiones exhaustivas (Brook et al., 1984; Cervantes, 1987; Jara-Guerrero, 1993, Valcárcel et al., 1990, Erickson y Tiberghien, 1989, Lewis y Linn, 1994; Domínguez, 2000, 2001a…), hemos considerado necesario realizar una síntesis de aquellas que juzgamos más representativas

Temperatura

Sinónimo de calor, o la relacionan con niveles o grados de calor.

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Como una cualidad del material: por ejemplo, los objetos de metal son fríos por naturaleza, mientras que los de madera son calientes.

Algunas sustancias tienen una temperatura característica: por ejemplo, el hielo tiene siempre 0°C.

No se considera la temperatura como un parámetro intensivo. Al resolver el problema cuantitativamente, se percibe como un parámetro extensivo: por ejemplo, cuando se mezcla un litro de agua a 20°C con igual volumen de agua a la misma temperatura, se considera que la temperatura final de la mezcla es la suma de las temperaturas iniciales, 40°C.

Existen dificultades con el uso del termómetro

Equilibrio térmico

Cuando tocan objetos de la habitación en la que se encuentran, no son conscientes de que están en equilibrio térmico. La explicación que dan a sus sensaciones son del tipo: los metales atraen el frío o pierden su calor en contacto con el aire que los rodea, o los metales son fríos por naturaleza.

No hacen explícito el término equilibrio térmico. Así, por ejemplo, en el caso de dos cubitos de hielo de diferente masa sacados del congelador, manifiestan que sus temperaturas serán iguales porque la masa no influye y la temperatura del hielo es de 0°C.

Cuando se trata de un mismo material al que no se puede atribuir una temperatura límite, por ejemplo dos clavos de hierro de diferente masa que se introducen en un recipiente con agua hirviendo, consideran que la temperatura será mayor para el tornillo de mayor masa. En el caso de materiales diferentes, la temperatura dependerá del tipo de material. Indican, por ejemplo, que los objetos de metal están más fríos que los de madera.

Encuentran que a partir de los 11 o 12 años, cuando se estudia lo que sucede al sumergir una bola de acero caliente en agua fría, se pone de manifiesto que el calor pasa de un cuerpo al otro y se acepta que la bola acabará a la misma temperatura que el agua.

Calor y variación de la temperatura Establecen una relación causal entre la fuente calorífica y el objeto afectado; es decir,

reconocen el proceso de calentar y enfriar. El calor se asocia con el estado de un cuerpo; se habla del grado de calor en un

continuo que va desde el frío al calor pasando por la tibieza. Para justificar por qué los cuerpos están calientes o fríos piensan en el sustantivo,

calor, como algo contenido en el cuerpo (sistema) y que se puede almacenar: cuanto más calor tiene el cuerpo más caliente estará. La entidad calor tiene la propiedad de calentar el material y, en su ausencia, estará frío. A menudo el frío es también otra entidad que tiene la de enfriar: el calor calienta y el frío enfría.

La mayoría de los alumnos y alumnas que almacenan el calor o el frío no consideran que tengan masa.

Para describir la transferencia de calor de un objeto a otro, o en el interior de un objeto, se atribuye al calor la propiedad de moverse y se justifica dicho movimiento: lo dotan de una fuerza motriz inherente o la propiedad de desplazarse por sí mismo.

Para explicar por qué unos objetos se calientan más que otros en contacto con la misma fuente, se le atribuyen propiedades como fuerte/débil: si el calor es fuerte, penetra en el objeto y, si es débil, no es capaz de penetrar; en otros casos, las características fuerte/débil se atribuyen al objeto a través del cual se mueve el calor.

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En ocasiones se relaciona calor con la fuente calorífica; otras, se identifica con la temperatura como si fueran sinónimos; o se hace referencia a que es una forma de energía o cantidad de energía que poseen los cuerpos, confundiendo calor con energía interna

Tres puntos de vista: - El modelo infantil, por el que se relaciona el calor con la temperatura, forma y tipo

de sustancia del cuerpo. Por ejemplo, los cuerpos grandes son más fríos y contienen menos calor, o que los metales son fríos por naturaleza.

- El modelo calórico sostiene que el calor es una sustancia, comparable a un fluido o a un gas, que pasa de un cuerpo a otro.

- El modelo cinético que considera que el calor es el grado de agitación molecular de un cuerpo y que, durante la transferencia de calor por contacto, esta agitación se transfiere de un cuerpo a otro.

En el dominio conceptual que nos ocupa, las palabras calor, calentar, enfriar, caliente, frío, etc., forman parte del vocabulario de los niños desde las edades más tempranas. Son usadas en la descripción de situaciones familiares y muchos estudiantes construyen una serie de concepciones sobre la naturaleza y comportamiento de los objetos fríos y calientes que los rodean. Así, elaboran con el verbo calentar y sus derivados expresiones ambivalentes, para indicar no sólo que el mechero da calor al sistema, sino también para manifestar que éste incrementa su temperatura. De esta manera, calor adquiere, para el alumnado, diferentes significados: es sensación, es temperatura, es un fluido, etc.

Por otra parte, la evidencia de la sensación, el tacto, dificulta la conceptualización de la temperatura y, sobre todo, el reconocimiento del equilibrio térmico si los objetos son de diferente naturaleza (por ejemplo, madera y metal).

Dilatación

Parece que no existen dificultades para relacionar la dilatación con el incremento del volumen del sistema. Pero sí surgen cuando interpretan la dilatación al calentar un cuerpo: en unas ocasiones por la adición del calor, entendido como calórico, en otras por el aumento de la cantidad de sustancia que constituye el sistema.

Cambio de estado

No se acepta que la temperatura del agua se mantenga constante durante el cambio de estado.

Aunque se sabe que el hielo funde a 0°C y que el agua hierve a 100°C, esto no significa que esa temperatura no pueda ser mayor o subir durante el proceso: se considera que sería superior a 100°C si se incrementa el número de mecheros; y que a menos agua corresponde mayor temperatura de ebullición.

Son frecuentes los alumnos que se refieren a que la temperatura de cambio de estado es la más alta que puede alcanzar la sustancia. Ello conduce a la creencia de que por encima de dicha temperatura (100º C en el agua) se estropea y lo que hay después ya no es agua.

Se considera el cambio de estado como un proceso en el que no se mantiene la naturaleza de la sustancia.

Hemos analizado dificultades relacionadas con la descripción macroscópica del sistema y de sus cambios termodinámicos. Podemos quedarnos aquí y el docente puede hacerlo; pero, ¿por qué privar a los estudiantes de la posibilidad de alcanzar cuotas superiores de elaboración de pensamiento físico?

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El modelo cinético de partículas y su capacidad interpretativa

Son muchos los trabajos (entre otros los de Mitchell y Kellington, 1982; Driver et al., 1984; Posada, 1993; Benarroch, 1998; Nussbaum, 1989; Domínguez, 1998, 2000...) que han identificado las dificultades que tienen los estudiantes para asimilar y aplicar un modelo cinético de partículas deseable desde la perspectiva de la ciencia escolar. A continuación se indican aquellas que hemos considerado fundamentales para el diseño de la secuencia de enseñanza:

Se atribuyen a las partículas comportamientos macroscópicos. Existe la creencia de que en los cuerpos fríos las partículas están en reposo y que dejan de moverse al llegar a 0°C. En algunos casos llegan a pensar que en los cuerpos fríos las partículas están juntas en el centro del cuerpo y que, cuando se calientan, se dispersan hacia la periferia, como si de un gas se tratase.

Asimilan aspectos del modelo cinético con matices. Por ejemplo, en la dilatación, consideran que las partículas aumentan de tamaño. Para los gases hay quienes creen que un globo lleno de aire incrementa su volumen al elevar su temperatura porque entra aire que aumenta el número de partículas. En los cambios de estado son las partículas las que se funden o evaporan.

Algunas dificultades se originan por la dependencia de lo perceptivo y por un razonamiento que iguala las causas a los efectos.

Encuentran la existencia de cinco niveles en los modelos explicativos, que van desde lo continuo hasta los que incorporan cuatro componentes (partículas, vacío, movimiento e interacciones). Para ellos, los esquemas evolucionan unidimensionalmente desde lo macroscópico a lo microscópico

Los estudiantes muestran desde una edad temprana bastante familiaridad con ideas corpusculares. Se ponen de manifiesto esquemas preatomísticos o atomísticos en los niños, ya que aluden de forma natural a granos, polvo, partículas o trozos para justificar la mayoría de sus explicaciones.

Alumnos que habían estudiado la teoría corpuscular pensaban que el gas se componía de partículas invisibles, sabían que existe espacio vacío entre éstas, que su estado intrínseco era de movimiento y explicaron la licuefacción del aire como consecuencia de la deceleración y unión de partículas.

Pueden usar la teoría cinética para explicar fenómenos en una correspondencia simple con el modelo. Por ejemplo, relacionar la separación de las partículas con una mayor vibración de ellas, lo que supone que ocupen más espacio.

Aceptan que el movimiento de las partículas crece con la temperatura; más difícil es asimilar que el movimiento disminuye cuando baja la temperatura.

Cuando aplican el modelo a gases, se incluye la componente cinética. Pero en los sólidos o líquidos, se utiliza un modelo estático: a baja temperatura, las partículas están en reposo y en el centro del sistema; cuando se incrementa, se desplazan hacia la periferia, mas, una vez allí, vuelven a estar en reposo.

Se puede inferir de lo anterior que con la introducción del modelo cinético de partículas, aparecen nuevas dificultades de aprendizaje que los estudiantes habrán de superar. No obstante, en esta propuesta didáctica hemos aceptado el reto de introducir el modelo cinético de partículas en el tratamiento del tema de calor y temperatura. No lo hemos hecho sin fundamento; la investigación en didáctica de las ciencias experimentales así parece

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recomendarlo.

Los estudiantes aprenden y usan modelos desde una edad temprana y se ha promovido su aprendizaje en la educación primaria y secundaria, porque tienen poder explicativo y ayudan a comprender cómo funcionan las cosas (National Research Council, 1996).

Nussbaum (1989) declara que uno de los principales objetivos educativos de la mayor parte de los currículos de ciencias de los cursos superiores de la enseñanza básica consiste en que los estudiantes logren entender el modelo de partículas de la materia pues, en la ciencia actual, la noción fundamental de que toda materia está compuesta por partículas y no es continua es de primordial importancia para toda explicación causal de cualquier tipo de cambio material.

Missoni (1985) coincide en señalar las dificultades que en el aprendizaje de la Termodinámica, como en otras áreas, originan los preconceptos y las generalizaciones; pero manifiesta que el estudio del calor y de la temperatura a partir de experimentos calorimétricos es muy pobre y que la ayuda de un modelo microscópico puede mejorar la construcción de significados.

2.2. Las exigencias cognitivas de los contenidos objeto de aprendizaje.

Además de los problemas que generan las ideas de los alumnos, no es menos importante considerar las exigencias cognitivas de los contenidos implicados. A este respecto, hemos tenido en cuenta los estudios de Shayer y Adey (1986), que nos han permitido adecuar la demanda cognitiva de dichos contenidos a las características psicoevolutivas de los estudiantes.

Se analiza a continuación dicha adecuación, presuponiendo que los estudiantes a los que va dirigida nuestra propuesta están comprendidos entre los estadios concreto-avanzado y formal- inicial de desarrollo evolutivo. No obstante, hemos de indicar que, respecto a tal adecuación, compartimos las ideas de Hodson (1994) y Dusch (1995) de que no se trata de desposeer de contenidos una determinada propuesta, sino de adaptarlos desde el punto de vista cognitivo, ya que no se debe olvidar que la intención educativa es que los estudiantes aprendan ciencias.

Destrezas de investigación

Resulta más adecuado plantear actividades en las que los estudiantes elijan una hipótesis explicativa de un acontecimiento, entre varias propuestas y justificar su elección, que pedirles una sin ayuda alguna.

Se deben explicitar los criterios para elaborar tablas y gráficas. Se debe dirigir a los estudiantes a percibir las regularidades en sus representaciones y ayudarles a hacer las inferencias correspondientes; por ejemplo, a que relacionen la línea de pendiente positiva con el incremento de temperatura frente al tiempo; y la de pendiente cero con el valor constante de la temperatura en el cambio de estado.

Relación entre variables

Debemos utilizar preferentemente relaciones directas entre dos variables o relaciones de causa-efecto sencillas (energía transferida/incremento de temperatura, dilatación sistema/separación de partículas…)

Control y exclusión de variables

No van a relacionar el incremento de temperatura con las variables energía transferida, masa y naturaleza de la sustancia, (Q = m ce ∆T). Les resultará más fácil relacionar el ∆T con cada una de las variables por separado, con experiencias independientes; incluso llegarán a conceptualizar, cualitativamente, el calor específico como una característica de la sustancia.

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Destrezas para la medida

Los estudiantes pueden aprender a usar el termómetro y a interpretar gráficas tiempo/temperatura, pero la ayuda del docente será imprescindible.

Equilibrio de los sistemas

Pueden llegar a interpretar el equilibrio térmico entre sistemas debido a un intercambio de energía entre ellos. Esto les permitirá entender el funcionamiento del termómetro y aceptar el intercambio de energía con la fuente. Al mismo tiempo, podrán aceptar el carácter intensivo de la temperatura (invarianza de la misma cuando se mezclan cantidades en equilibrio térmico).

Cálculos matemáticos

Pueden trabajar con operaciones elementales −suma, resta, multiplicación y división− aunque condicionados por el tipo de número. Pueden usar relaciones funcionales sencillas, aunque no sean capaces de deducirlas; podrían realizar cálculos en calorimetrías.

Conservación

Aunque es posible que comprendan la igualdad de temperaturas tras la transferencia de energía, les resulta muy complicado descubrir que la cantidad total de energía en un sistema cerrado permanece constante.

Profundidad de interpretación, de pasajes descriptivos

Los estudiantes pueden percibir una información secuenciada. Por ejemplo:

Transferencia de energía => ∆T => cambio de estado => T = cte.

Sin embargo les resulta más fácil trabajar los pares separadamente. Por ejemplo:

Transferencia de energía => ∆T.

∆T => aumento de volumen.

Aumento de volumen => dilatación

Uso de modelos

Los estudiantes no descubrirán el modelo; es el docente el que se lo ha de proporcionar, enseñarles a trabajar con él y demostrar su utilidad. Son capaces de aplicarlo para razonar sobre lo real; pero debe ser uno solo, en el que se usen relaciones 1:1 entre variables:

Partículas con masa.

Partículas con volumen.

Partículas en continuo movimiento.

Movimiento con energía cinética.

Temperatura con energía cinética de las partículas.

Incremento de temperatura con incremento de la Ec de las partículas.

Incremento de volumen con aumento de la distancia entre partículas.

Cambio de estado con separación de las partículas.

Además se nos advierte que suelen considerar el modelo como algo verdadero y no hipotético, por lo que hemos de insistir continuamente en el aspecto funcional del mismo.

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TAREA 3. SELECCIÓN , FORMULACIÓN Y SECUENCIA DE OBJETIVOS DE APRENDIZAJE .

De la integración de los análisis anteriores se derivan criterios que afectan a la selección formulación y secuenciación de los objetivos que deben considerarse en la secuencia de actividades. Consecuentemente, consideramos que los alumnos deben:

- Identificar la temperatura como un parámetro intensivo y útil para diferenciar cuerpos calientes y fríos.

- Usar adecuadamente el termómetro, relacionar diferentes escalas de temperatura y reconocer distintos tipos de termómetros.

- Describir los procedimientos más utilizados para elevar la temperatura de los cuerpos.

- Relacionar el aumento/disminución de temperatura con la transferencia de energía.

- Dar significado al concepto de equilibrio térmico.

- Construir el significado de calor como proceso de transferencia de energía entre cuerpos a diferente temperatura.

- Relacionar el aumento/disminución de temperatura con la masa y la naturaleza de la sustancia.

- Dar significado al concepto de temperatura por medio de un modelo cinético de partículas.

- Justificar la variación de temperatura, la dilatación y los cambios de estado de agregación, mediante un razonamiento fundamentado en un modelo cinético de partículas.

- Adquirir destrezas relacionadas con el registro sistemático de datos por medio de la elaboración de la correspondiente tabla de datos t/T y la representación gráfica derivada.

De esta relación de objetivos, referidos a conceptos y procedimientos, pudiera inferirse que nuestra intención educativa se reduce a la enseñanza de los mismos. Nada más lejos de dicha intención, pues, tal como habíamos indicado, consideramos que nuestra propuesta ha de fomentar −cuando los alumnos practican la actividad científica− una educación estimuladora de todas sus capacidades y, de este modo, aquellas actitudes ya señaladas anteriormente.

TAREA 4. SELECCIÓN DE ESTRATEGIAS DE INSTRUCCIÓN : PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO

Y SECUENCIA DE ACTIVIDADES .

En estos materiales elaborados como sugerencias para el profesor se describen las diferentes actividades de aprendizaje cuyo conjunto constituye la secuencia de enseñanza que se aplicará en el aula.

Se parte de la hipótesis de que los estudiantes, por sí solos, no pueden construir todos los conocimientos que tanto tiempo y esfuerzo exigieron a los más eminentes científicos. Por ello se considera necesario que deben contar con las suficientes ayudas para que, a lo largo de su actividad en el aula, logren la construcción de su propio aprendizaje.

En consecuencia, se han elaborado los que hemos denominado guiones de trabajo del alumnado. Surgen de la necesidad de presentar a los estudiantes las actividades que se van a realizar, individualizadas. Se caracterizan por ser claros y disponer del espacio suficiente para que puedan escribir sus propias explicaciones y las del docente; así podrán contrastarlas e identificar las

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diferencias. Dichos guiones se convierten así en el cuaderno de trabajo del alumnado que irá construyendo día a día a lo largo de la aplicación de la secuencia, registrando en él todas las incidencias que ocurran en el aula: intervenciones del profesor, anotaciones personales, debates del grupo, puestas en común del gran grupo, consultas bibliográficas, hipótesis, diseños de experiencias. El libro de texto, u otros recursos que pueda recomendar el docente, se convertirán en materiales de consulta.

Además, dicho cuaderno de trabajo va a constituir el instrumento que el grupo de investigación empleará para evaluar el progreso del alumnado y el grado de consecución de los objetivos de la propuesta didáctica, por lo que será necesario que el docente encargado de aplicar la secuencia solicite a sus alumnos que le hagan entrega del mismo después de ser evaluados.

Se diferencian tres fases que se describen a continuación.

FASE I.- Identificación de la temperatura. Medida y escalas: A1, A2, A3, A4, A5 y A6

El conjunto de las seis primeras actividades constituye una primera fase de la secuencia de enseñanza en la que se pretende que el alumnado, mediante el uso del termómetro y a través de sencillas actividades, adquiera una descripción operacional de temperatura y una primera intuición de equilibrio térmico.

La propuesta se inicia con las actividades A1, A2, A3, A4, A5 y A6, que tienen como objetivo cuestionar el uso de los sentidos, y por lo tanto de las sensaciones, como criterio válido para diferenciar las distintas temperaturas de los cuerpos. Lo hacemos así pues los estudiantes, cuando establecen comparaciones entre cuerpos de diferente naturaleza que están a la misma temperatura, transforman sus sensaciones −noto más caliente este cuerpo que este otro, lo que sería correcto en el contexto de la vida diaria− en una cuantificación incorrecta para diferenciar cuál está a mayor o menor temperatura. Por lo tanto, su forma de expresarse está mucho más próxima al concepto de temperatura: los cuerpos más o menos calientes están a más o menos temperatura, lo que les hace pensar que cuerpos que se hallan en equilibrio térmico −tablero de madera de la mesa y su correspondiente soporte metálico, diferentes materiales presentes en el aula laboratorio, etc.− están a diferente temperatura.

Se trata de hacer sentir al alumnado la inquietud por buscar criterios más objetivos que les permitan establecer una escala independiente de la sensación. Surge así la necesidad del termómetro, y la temperatura se manifiesta en este primer momento como un parámetro útil que les permite diferenciar el lenguaje de la vida diaria del lenguaje deseable desde la ciencia escolar.

Una vez logrado dicho objetivo, mediante las actividades correspondientes se hará surgir entre los alumnos y el profesor un intercambio de ideas sobre usos del termómetro y posibles errores que se pueden cometer al medir la temperatura, así como de mostrar diferentes tipos de termómetros (mercurio, alcohol, clínico, máxima y mínima).

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Actividad 1: Análisis de expresiones de la vida diaria

¿Qué significado tienen para ti cada una de las siguientes expresiones?:

¡Qué frío está el helado! A.-_______________________________________________________________ B.-_______________________________________________________________

¡Qué caliente está el chocolate! A.-_______________________________________________________________ B.-_______________________________________________________________

¡Qué calor hace! A.-_______________________________________________________________ B.-_______________________________________________________________

¡Qué frío hace! A.-_______________________________________________________________ B.-_______________________________________________________________

¿Con cuál de los sentidos se relacionan las expresiones anteriores? ________________________________________________________________

Otras cosas que quieras anotar:

La intención educativa de esta primera actividad es que el alumnado adquiera conciencia de que determinadas expresiones de la vida diaria están relacionadas con el mundo de las sensaciones y que el criterio utilizado para justificar las afirmaciones sobre el conocimiento que aquellas representan está basado en el sentido del tacto.

Se da la oportunidad a los estudiantes de que hagan explícitos sus propios significados, que anotan en el apartado A. Posteriormente, leen en voz alta las respuestas para contrastar sus opiniones con las de los demás y con la del profesor, que va introduciendo el lenguaje deseable desde la ciencia escolar. Los alumnos anotan las posibles diferencias con sus formas de pensar en el apartado B.

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Actividad 2: La temperatura de los objetos de la clase y el tacto

Ordena de más frío a más caliente los siguientes objetos de la clase: calendario, pizarra, tabla y pata de tu mesa, plástico, etc. __________________________________________________________________________

El criterio que has seguido está relacionado con uno de los sentidos, ¿de qué sentido se trata? __________________________________________________________________________

Marca con una cruz la expresión con la que estés de acuerdo Los objetos están a diferente temperatura [___] Los objetos están a la misma temperatura [___] Otra respuesta __________________________________________________________

Piensa que los objetos anteriores llevan mucho tiempo en el laboratorio. ¿Esta idea hace variar en algo tu respuesta anterior? ¿Con qué respuesta estarías más de acuerdo ahora? _____________________

Si has cambiado de opinión, explica razonadamente por qué lo has hecho __________________________________________________________________________

En esta actividad se pretende cuestionar el sentido del tacto como criterio válido para medir la temperatura de los objetos. Las sensaciones pueden crear dificultades en el caso de objetos de distinta naturaleza o estado físico, que están en equilibrio térmico, y, en consecuencia, puede ocurrir que cuando los estudiantes los tocan, en un número elevado de casos, dirán que están a diferente temperatura.

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Actividad 3: Medir la temperatura del agua con el tacto

Mediante la experiencia que te proponemos a continuación trata de medir la temperatura del agua contenida en los recipientes A, B, C. Material por equipo: 3 vasos de precipitados, agua caliente, agua fría y agua templada. Prepara el vaso A con agua caliente, el vaso B con agua fría y un tercer vaso C con agua templada, que obtendrás al mezclar la misma cantidad de agua caliente y de agua fría. Introduce el dedo índice de la mano izquierda en el vaso con agua caliente y el dedo índice de la mano derecha en el vaso con agua fría. A continuación introduce ambos dedos en el recipiente con agua templada.

Al introducir los dedos en el recipiente con agua templada, ¿notas alguna sensación diferente? Indícala ______________________________________________________ ¿Qué explicación das a tus sensaciones? ________________________ ¿Coinciden o no tus explicaciones con las de otros compañeros? ¿Por qué? ______________________________________________________ ¿Es realmente el tacto un criterio fiable para distinguir cuerpos calientes y fríos? Marca con una cruz la respuesta con la que estés de acuerdo Si [___] No [___] Otra respuesta [___] Razona la respuesta elegida _____________________________________________

Con la presente actividad se pretende enfrentar al alumnado con la utilización de criterios subjetivos, el uso del tacto, que no conducen a la construcción de conocimiento científico.

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Actividad 4: La temperatura de los objetos y el termómetro

¿Qué instrumento te permitiría comprobar la temperatura del agua de una manera más fiable? _________________

Seguro que el instrumento que has indicado es el termómetro

(Figura 1). Tienes uno encima de la mesa. Vas a conocerlo y a aprender a utilizarlo.

Es un termómetro de mercurio en recipiente de vidrio. Es el más

común.

Consiste en un depósito de vidrio o bulbo, en comunicación con una

varilla del mismo material, hueca por dentro y en forma de capilar (varilla muy delgada):

El termómetro contiene mercurio, que llena el bulbo y parte del

capilar.

La escala del termómetro es la escala centígrada que se establece tomando dos puntos fijos: el cero y el cien.

La diferencia entre ambas temperaturas se divide en cien partes iguales, denominadas divisiones de la escala del termómetro. Cada

división equivale a un grado centígrado o grado Celsius (°C) en honor a su inventor.

¿Cómo se sujeta el termómetro?

El termómetro ha de asirse por la parte superior. No se debe tocar el bulbo que contiene el mercurio, pues falsearíamos la

medida de la temperatura. Observa la Figura 2.

¿Cómo se lee la temperatura que marca el termómetro?

Como el volumen del mercurio varía al variar la temperatura, la

columna de mercurio que llena parte del capilar alcanzará una altura mayor o menor, según sea la temperatura. Para la medida de temperaturas ligeramente inferiores a 0°C o superiores a 100 °C, se continúan trazando divisiones del mismo tamaño por debajo de la división cero y por encima de la división

100.

La temperatura que marca el termómetro debe leerse haciendo coincidir, en la misma horizontal, nuestros ojos con el extremo de

la columna de mercurio. Figura 3.

¡Nunca debe leerse la temperatura del termómetro mirando

desde arriba o desde abajo!, pues falsearía la lectura. Figura 4.

Compruébalo por ti mismo leyendo la temperatura de la clase y anota las medidas

mirando desde arriba [_____]

mirando desde la horizontal [_____]

mirando desde abajo [_____]

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Se considera que es el momento de presentar al alumnado el termómetro. Mediante esta actividad se da información sobre el termómetro de laboratorio con el objetivo de que conozcan sus partes, den significado a la escala centígrada y aprendan a utilizarlo adecuadamente. Se introduce la escala centígrada para dar significado al grado (°C). Se

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completa la información poniendo de manifiesto que el punto cero (0°C) es el punto correspondiente a la temperatura de fusión del hielo, y que el punto cien (100°C) corresponde a la temperatura de ebullición del agua pura a 1 at.

Actividad 5: Midiendo la temperatura con el termómetro

Veamos si el termómetro nos proporciona un método que se base en un criterio más objetivo para diferenciar entre cuerpos calientes y fríos.

Introduce el termómetro en el agua de los recipientes de la actividad anterior.

Anota los resultados: TA = [____]

TB = [____]

TC = [____]

El termómetro nos aporta un dato que llamaremos temperatura.

Ordena, de menor a mayor temperatura, los resultados obtenidos con el termómetro. _______________________________________________________

Ya no estamos utilizando el criterio del tacto. El disponer de un termómetro nos ha permitido utilizar un criterio más fiable.

¿Qué nuevo criterio estamos utilizando? _________________________

El termómetro es un instrumento para medir la temperatura de los cuerpos. La temperatura es un parámetro útil porque nos permite diferenciar objetivamente los cuerpos calientes (que nos parece que están a mayor temperatura que nuestro cuerpo) de los cuerpos fríos (que nos parece que están a menor temperatura que nuestro cuerpo).

Con esta actividad se busca la temperatura del objeto como criterio objetivo que permita establecer una escala independiente de la sensación.

Se introduce la necesidad del uso del termómetro y se presenta, en primera instancia, la temperatura como un parámetro útil, independiente del mundo de las sensaciones (frío, caliente). De esta manera se podrá diferenciar el lenguaje científico del coloquial, aunque se valorará éste por su importancia y condicionamiento de hábitos cotidianos: vestido, vivienda, alimentos…, defensa del organismo.

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Actividad 6: Escalas de temperatura

Vamos a hacer un “viaje al pasado” para informarnos sobre la historia del termómetro. Para ello lee atentamente el siguiente texto:

Alemania fabricó los primeros termómetros, al principio con alcohol, pero en seguida se sustituyó el alcohol por mercurio. Fahrenheit (1724) elaboró una escala de temperaturas tomando como puntos fijos la temperatura de solidificación del agua, a la que dio el valor 32, y la de ebullición del agua a la que dio el valor 212. Esta escala, con 32° en el punto de fusión del hielo y 212° en el punto de ebullición del agua, la dividió en 180 partes a cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit. El astrónomo sueco Celsius (1742) dividió por razones de conveniencia, el espacio entre los citados puntos fijos en 100 partes, asignando 0 al punto de solidificación y 100 grados al de ebullición.

En el texto, se observa inmediatamente que se utilizaban diferentes escalas de temperatura. Estas escalas se elaboraron por razones de conveniencia. Los políticos y científicos ya se han puesto de acuerdo en utilizar el Sistema Internacional (SI) de unidades (con la unidad que se propone en este sistema se trabajará más adelante). Dependiendo de la escala utilizada, si una persona tiene fiebre podemos leer u oír expresiones que pueden parecer tan dispares como:

tiene una temperatura de 40 °C (España) tiene una temperatura de 104 °F (Estados Unidos) tiene una temperatura de 32 °R (ya no se utiliza)

¿Crees que estos valores corresponden a la misma temperatura? Figura 1. Calcula la temperatura de tu chocolate 60°C en °R y °F.

¿Qué ventajas tiene utilizar una misma escala de

temperatura?

Figura 1

Es el momento de hacer surgir, en gran grupo, a partir de la lectura del texto propuesto en la actividad, un intercambio de ideas sobre las diferentes escalas de temperatura y sobre la conveniencia de ponerse de acuerdo en el uso de una sola escala.

Finaliza la actividad con distintos cálculos para transformar valores de temperatura a las diferentes escalas y se le muestran al alumnado diferentes tipos de termómetros (mercurio, alcohol, clínico, máxima y mínima).

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Actividad 7: la temperatura, ¡un parámetro intensivo!

Pon la misma cantidad de agua del grifo en cada uno de dos recipientes iguales. Utiliza la probeta.

Mide, con el termómetro, la temperatura del agua de los dos recipientes y anótala.

Temperatura del agua del recipiente A _______

Temperatura del agua del recipiente B _______

Echa el agua de los dos recipientes en un recipiente mayor y mide la temperatura del agua de la mezcla.

Temperatura del agua del recipiente C _______

A la vista de los resultados:

¿Dependerá la temperatura de la masa? Sí...[___] No...[___]

Explicadrazonadamente la respuesta elegida _____________________

Aunque la actividad pudiera parecer obvia, debemos tener en cuenta que una de las dificultades en la construcción del concepto de temperatura es que su carácter intensivo no es intuitivo. Por el contrario, existe la creencia de que la temperatura es una medida del calor y no debe extrañar que el alumnado sume las temperaturas del agua de los recipientes A y B (ejemplo 20 ºC + 20 ºC = 40 ºC), y haga la consiguiente inferencia de que la temperatura (en lugar de la variación de la temperatura) depende de la masa y/o del volumen.

Utilizando agua recogida el día anterior, en equilibrio con el ambiente, se obvia la variación con el tiempo de la temperatura del agua y se evitan dificultades que puedan interferir en la aceptación del hecho (agua a una T + agua a la misma T = agua a igual T que las anteriores).

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Aplicación y revisión de ideas. A8 y A9

Mediante las dos siguientes actividades se pretende que el alumnado revise y reestructure las ideas que se hicieron explícitas durante esta primera fase de la intervención en el aula.

Actividad 8: El tacto, el termómetro y la temperatura

Elabora un resumen de las ideas estudiadas hasta el momento. Probablemente te ayude el plantearte algunas interrogantes:

¿Es el tacto un criterio adecuado para medir la temperatura? ¿Por qué?

_______________________________________________________

¿Tiene alguna utilidad el termómetro? Indica diferentes tipos de termómetros así como sus semejanzas y diferencias.

_______________________________________________________

¿Qué significa para ti la palabra temperatura?

_______________________________________________________

Cuando usas el termómetro, ¿cuáles crees que son las condiciones que debes tener en cuenta para que el dato de temperatura que mides sea un dato fiable?

_______________________________________________________Otras ideas que se te ocurran.

_______________________________________________________

Con la actividad octava se pretende que los estudiantes pongan de manifiesto su opinión sobre la validez del tacto como criterio adecuado para medir la temperatura, sobre el papel del termómetro y el significado del vocablo temperatura, y sobre las condiciones que se han de tener en cuenta para un uso correcto del termómetro.

Actividad 9: Mapa conceptual

Ahora vas a ordenar los conceptos y a tratar de relacionarlos entre sí, mediante la elaboración de un mapa conceptual.

Hazlo primero en borrador y, cuando estés satisfecho de tu mapa, pásalo a limpio en el espacio que aparece a continuación.

Mediante esta actividad se pide a los estudiantes que elaboren un mapa conceptual sobre lo estudiado que les ayude a ordenar sus ideas y a establecer relaciones entre los diferentes conceptos estudiados hasta el momento. El mapa conceptual podría ser el siguiente:

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FASE II.- Energía transferida e incremento de temperatura: A10, A11, A12, A13, A14, A15, A16.

La intención educativa, hasta ahora, ha sido que el alumnado desarrolle estrategias para medir la temperatura y que adquiera una definición operativa de temperatura que le permita hacer útil el parámetro.

Mediante las actividades A10, A11 y A12, se pretende que el alumnado pueda llegar a interpretar el incremento de temperatura del sistema y de los fenómenos de dilatación y de cambio de estado. No se ha introducido la palabra calor para no fijar más aún las ideas alternativas de los estudiantes, constatadas en la caracterización inicial. En adelante, se hará hincapié en que la variación de temperatura se debe al aporte/pérdida de energía del cuerpo.

Actividad 10: La transferencia de energía y la variación de temperatura

1. Echa agua del grifo en un vaso de precipitados. Mide su temperatura y anótala.

Temperatura del agua, T = ______

Toma un objeto del laboratorio, por ejemplo, una esfera de hierro, y échala en el vaso de precipitados anterior, mide su temperatura y anótala.

Temperatura del agua, T = ______

¿Has detectado alguna variación de temperatura?

Sí [__]

No [__]

¿A qué crees que es debido? __________________

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2. Con un paño, seca la esfera de hierro. Sujétala con una pinza, caliéntala a la llama del mechero e introduce la esfera lentamente en el agua. Mide de nuevo la temperatura del agua con el termómetro y anota su valor.

Temperatura del agua, T = _____

¿Ha variado la temperatura del agua? Sí [__] No [__]

¿Ha variado la temperatura de la esfera? Sí [__] No [__]

¿Cómo son ahora sus temperaturas?______________________________

Explica razonadamente tus respuestas anteriores

Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu razonamiento sobre las respuestas anteriores? ¿En qué?______________________________________________________

3. Pon más ejemplos en los que se observe elevación de la temperatura de un objeto.

Te damos pistas:

¿Cómo hacían los hombres primitivos para encender el fuego?

¿Qué notas cuando te pones al sol?

¿Cómo calientas la leche de tu desayuno?

¿Qué notas cuando tocas una bombilla que lleva un tiempo encendida?

Es de esperar que hayan salido diferentes ejemplos y procedimientos.

¿Qué hay en común entre ellos?

_____________________________________________________

Mediante la actividad número 10 se pretende que el alumnado acepte las siguientes ideas:

-La temperatura de un objeto aumenta o disminuye cuando, respectivamente, recibe o cede energía.

-Los objetos que están a mayor temperatura transfieren energía a los que se encuentran a menor temperatura hasta que ésta se iguala, es decir, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

-El proceso de transferencia de energía entre objetos a diferente temperatura se denomina calor.

A continuación, se proporciona al alumnado un resumen escrito de las ideas trabajadas, para reestructurarlas. Se introduce el concepto científico de CALOR

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Actividad 11: Reestructuración

Ordenemos las ideas que nos han servido para explicar los fenómenos observados en las experiencias:

La temperatura del agua aumenta mientras que la temperatura de la esfera disminuye, hasta alcanzar ambos el mismo valor.

Diremos que la temperatura de ambos cuerpos, agua y esfera, es la misma, han alcanzado el equilibrio térmico.

El cuerpo que tiene mayor temperatura (la esfera) ha dado energía al cuerpo que posee menor temperatura (el agua).

Los objetos, que llevan tanto tiempo en el mismo sitio, han tenido tiempo de intercambiar energía entre ellos y el entorno que les rodea hasta alcanzar la misma temperatura. Han alcanzado el equilibrio térmico.

Hemos visto que una esfera a elevada temperatura aumenta la temperatura del agua. Pero ahora sabemos que la temperatura de un cuerpo puede ser aumentada o disminuida de formas muy diferentes. Se puede aumentar la temperatura golpeando el objeto, frotándolo, doblándolo, exponiéndolo al sol …

La temperatura del objeto aumenta cuando recibe energía. La temperatura del objeto disminuye cuando pierde energía.

Los cuerpos que tienen mayor temperatura ceden energía a los cuerpos que tienen menor temperatura.

Al proceso por el que tiene lugar la transferencia de energía entre

cuerpos que se encuentran a distinta temperatura, los físicos le llaman

calor.

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Actividad 12: Incremento de temperatura, masa y naturaleza del sistema

Los alumnos se distribuirán en cuatro grupos

El primer grupo preparará un vaso de precipitados con 50 cm3

de agua, el segundo con 100 cm3, el tercero con 150 cm3 y el

cuarto con 200 cm3. A continuación calentarán durante el mismo tiempo, 5 min., el agua contenida en sus respectivos vasos (asegurándose de que los mecheros de los respectivos grupos tengan la misma llama). Al cabo de dicho tiempo procederán a medir la temperatura. En gran grupo vamos a construir una tabla en el encerado con los datos de los diferentes grupos, tal como la que se sugiere a continuación. Elaboraremos también una gráfica.

m (g) t1 (° C) t2 (° C) ∆T

50

100

150

200

20

20

20

20

100

84

70

59

80

64

50

39

1 cm3 ≈ 1 g t1 = antes de calentar t2 = después de calentar

∆T = t2 - t1

Para una misma cantidad de energía transferida por medio del proceso que hemos denominado calor, ¿qué relación existe entre la elevación de temperatura conseguida y la masa de agua calentada? _______________________________________________________

Ahora se calentará, durante el mismo tiempo, un trozo de hierro y una masa igual de agua.

¿Cuál de los dos (hierro, agua) alcanzará mayor temperatura? _______ ¿Por qué? ______________________________________________

La actividad duodécima ha sido diseñada para que, en primer lugar, el alumnado se enfrente por primera vez a la necesidad de registrar sistemáticamente los resultados para la búsqueda de regularidades. En segundo lugar, para que incorpore la idea de que la energía que hay que aportar a un cuerpo para que alcance una determinada temperatura depende de su masa y de su naturaleza (calor específico).

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A continuación, mediante las actividades 13, 14 y 15, se da información al alumnado y se pretende que la aplique y reestructure las ideas trabajadas.


Recordemos que al calentar durante el mismo tiempo un trozo de hierro y una misma masa de agua, el hierro alcanzaba una temperatura superior. Comprobamos que era superior porque al introducir el hierro en el agua, la temperatura de ésta se elevaba.

De este modo se pudo comprobar que la elevación de temperatura de una sustancia no sólo depende de su masa, sino también de su naturaleza. El factor que representa dicha naturaleza se denomina calor específico.

Para relacionar la energía transferida a una sustancia con el incremento de temperatura que se produce en la misma, utilizaremos la siguiente expresión:

Q = ce m ∆T

Recordemos que calor es el proceso por el que se transfiere energía entre cuerpos a diferente temperatura. Calor no es una forma de energía.

Consecuentemente, diremos que Q, en la expresión anterior, representa una medida de la energía transferida entre cuerpos a diferente temperatura.

El calor específico queda así definido (ce = Q/m∆T) como la energía que hay que suministrar a 1 g de una sustancia para incrementar 1 grado su temperatura. El calor específico es una propiedad característica de cada sustancia.

De nuevo aparece un parámetro intensivo, es decir, una magnitud que no depende de la masa sino de la naturaleza de la sustancia.

Si tomamos como ejemplo el agua, a un gramo de la misma hemos de suministrarle una determinada cantidad de energía para que su temperatura se eleve 1°C. A esta cantidad de energía la denominaremos caloría. En este caso, el valor del calor específico del agua es ce = 1cal/gºC.

Si el calor, en la expresión anterior, nos da una medida de la energía transferida entre cuerpos a diferente temperatura y la unidad de energía recomendada en el sistema internacional es el julio (J), utilizaremos esta unidad a partir de ahora. Joule estableció la equivalencia entre la caloría y el julio en lo que se denominó equivalente mecánico del calor

1cal = 4,18 J

El Sistema Internacional de Unidades recomienda utilizar para el calor específico el J/kg °C, de modo que el calor específico del agua expresado en

dichas unidades es: ce= 4.186 J/kg °C

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A continuación se presenta la tabla de calores específicos de algunas sustancias:

Explica qué sustancia necesita menos energía para incrementar en un mismo valor su temperatura. ___________________________________________________________________________ ¿Cuál será la que necesita más energía? ___________________________________________________________________________ Explica detalladamente tus respuestas mediante lo que has aprendido: ___________________________________________________________________________

A15: Aplicación y reestructuración de ideas

Haz un resumen de las ideas estudiadas hasta el momento. Quizás te ayuden algunas interrogantes: ¿En qué se diferencia un cuerpo que está a una determinada temperatura, del mismo cuerpo cuando está a mayor temperatura? ______________________________________________ ¿Qué ocurre si se ponen en contacto dos cuerpos que están a diferente temperatura? __________________________________________________________________________ ¿Cómo se denomina el proceso por el que se transfiere energía entre cuerpos que están a diferente temperatura? __________________________________________________________________________ Si aportamos la misma cantidad de energía a un cuerpo, ¿de qué depende la temperatura que alcanza? __________________________________________________________________________ De nuevo vas a ordenar los conceptos estudiados y a tratar de relacionarlos entre sí, mediante la elaboración de un mapa conceptual. Hazlo primero en borrador y, cuando estés satisfecho de tu mapa, pásalo a limpio en el espacio que aparece a continuación.

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Mediante las actividades 14 y 15, se propone al alumnado repasar las ideas trabajadas y relacionar los conceptos estudiados hasta el momento, completando el mapa conceptual que podría ser el siguiente:

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FASE III.- El modelo cinético de partículas y su aplicación: A16, A17, A 18, A19, A20.

Con la Actividad 16 se pretende ayudar a los alumnos a dar respuesta a la pregunta ¿cómo es y cómo está esa energía? Para ello se les proporciona información sobre un modelo cinético de partículas que, a partir de ahora, utilizarán para explicar e interpretar los demás fenómenos que se les plantean.

¿Cómo es y cómo está esa energía responsable del aumento de temperatura de los cuerpos?

Con lo que has estudiado hasta el momento, sabes que la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le suministra energía.

Es decir, que un cuerpo, por ejemplo agua a 18 °C, necesita recibir energía para elevar su temperatura, digamos que a 50°C. Luego, el agua a 50°C tiene más energía que el mismo volumen de agua a 18°C.

¿Cómo imaginas esa energía en el cuerpo?

La Ciencia y los científicos han propuesto una interpretación que puede ser útil para contestar nuestra pregunta.

Según los científicos, los cuerpos están formados por partículas (moléculas…). Estas partículas son muy pequeñas, tanto que no se pueden ver ni con el más potente microscopio.

Las partículas están en continuo movimiento, por consiguiente, diremos que las partículas tienen energía cinética.

Cuanto mayor sea la energía cinética de las partículas, mayor será su temperatura.

Diremos que la temperatura es una medida de la energía cinética de las partículas.

Representaremos estas partículas como pequeñas esferas.

A esta forma de representar los cuerpos la llamaremos modelo cinético de partículas.

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REPRESENTACIÓN DE UN SÓLIDO

Todo cuerpo está constituido por un enorme número de partículas que están en movimiento.

La figura siguiente representa un sólido, según el modelo de partículas.

Las partículas se atraen entre sí mediante fuerzas que llamamos fuerzas de cohesión. Estas fuerzas obligan a las partículas a ocupar posiciones fijas.

Estas partículas están en movimiento, pero sólo se mueven en torno a una posición determinada. La energía correspondiente al movimiento de las partículas la llamamos energía cinética.

Serán, por tanto, características de un cuerpo sólido: la conservación de su forma y volumen.

Si el sólido recibe energía

aumenta la energía cinética

de las partículas

aumenta la temperatura del

sólido

Si el sólido cede energía

disminuye la energía cinética de

las partículas

disminuye la temperatura del

sólido

La temperatura es la medida de la energía cinética de las partículas

.

30

REPRESENTACIÓN DE UN LÍQUIDO

La figura siguiente representa un líquido. También está constituido por un enorme número de partículas en movimiento.

Las partículas se atraen entre sí mediante fuerzas de cohesión.

Las fuerzas de cohesión no son suficientemente intensas para mantener las partículas moviéndose en torno a una determinada posición. Como consecuencia, se desplazan sobre sí mismas, cambiando de posición.

Luego, un líquido, no tiene forma definida.

Sin embargo, las fuerzas de cohesión son suficientemente intensas para impedir que el conjunto de partículas escape. Por lo tanto, un líquido tiene volumen definido.

Si el líquido recibe energía

aumenta la energía cinética de

las partículas

aumenta la temperatura del

líquido

Si el líquido cede energía

disminuye la energía cinética de

las partículas


líquido

La temperatura es la medida de la energía cinética de las partículas.

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REPRESENTACIÓN DE UN GAS

También está constituido por un enorme número de partículas. La figura siguiente representa un gas.

Las fuerzas de cohesión son muy débiles y, como consecuencia, las partículas están muy separadas, se desplazan a grandes velocidades, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que contiene el gas.

Por lo tanto, un gas no tiene ni forma ni volumen definidos.

Las partículas se desplazan libremente a gran velocidad.

Si el gas recibe energía

aumenta la energía cinética

de las partículas

aumenta la temperatura

del gas

Si el gas cede energía

aumenta la energía cinética de

las partículas


gas La temperatura es la medida de la energía cinética de las partículas.

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Con las actividades 17, 18, 19 y 20 se pretende que el alumnado utilice la idea de que los cuerpos están formados por partículas cuya energía cinética aumenta al elevarse la temperatura, como fundamento de la explicación de la dilatación de un sólido, de un líquido y de un gas, así como del cambio de estado de un líquido.

Se subraya la importancia de la relación entre el aporte de energía al cuerpo, el incremento de energía cinética de sus partículas, el incremento de temperatura del cuerpo, la separación de las partículas y el debilitamiento de las fuerzas de cohesión.

Actividad 17: La dilatación de los sólidos

Vamos a experimentar con el anillo de Gravesandre.

Comprueba que la esfera pasa por el anillo.

Calienta la esfera y hazla pasar de nuevo por el anillo.

1.- ¿Qué observas? _________________________

2.- Relaciona lo que has hecho en la experiencia, con los conceptos estudiados anteriormente _______________________________________________________

2´.- Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué? _______________________________________________________

3.- Explica lo observado mediante el modelo de partículas estudiado. _______________________________________________________

3´.- Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué? _______________________________________________________

La Actividad 17 es una actividad de aplicación del modelo cinético de partículas estudiado, para elaborar el razonamiento justificativo sobre la dilatación de un sólido. En este caso se trabaja con el anillo de Gravesandre para ver la utilidad del modelo en la explicación de por qué no pasa la bola por el anillo después de calentarla con el mechero.

La observación que realizará el alumno es que la esfera de hierro se dilata cuando se incrementa su temperatura, es decir, el volumen de la esfera aumenta y ésta no puede pasar a través del anillo. Se ayudará al alumno a interpretar este fenómeno mediante el modelo de partículas:

- La esfera metálica está formada por partículas (en este caso átomos de hierro).

- El mechero transfiere energía a las partículas de la esfera y se incrementa la energía cinética de las mismas.

- Al incrementar la energía cinética de las partículas, éstas se separan más, se incrementa el volumen de la esfera, es decir, se dilata y no pasa a través del anillo.

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Actividad 18: La dilatación de los líquidos

Llenamos un matraz Erlenmeyer con agua.

Lo tapamos mediante un tapón horadado al que se le ha introducido un tubo de vidrio.

Dibujamos una marca en el tubo de vidrio que coincida con la parte superior de la columna de agua.

Calentamos con un mechero el matraz Erlenmeyer.

1.- ¿Qué observas? _________________________

2.- Relaciona lo que has hecho en la experiencia, con los conceptos estudiados anteriormente

_______________________________________________________ 2´.- Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué?

_______________________________________________________

3.- Explica lo observado mediante el modelo de partículas estudiado.

_______________________________________________________

3´.- Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué?

_______________________________________________________

En esta actividad 18 se pretende que hagan útil el modelo cinético de partículas en la explicación e interpretación de la dilatación de un líquido, el agua.

La observación que ha de realizar el alumno es que el agua asciende por el tubo ocupando mayor volumen, es decir, se dilata.

Veamos cuáles son las ideas válidas del modelo que podemos utilizar en la explicación de lo observado en la experiencia:

- El agua está formada por partículas (en este caso moléculas de agua).

- El mechero aporta energía al agua con lo que aumenta la energía cinética de sus partículas.

- Una mayor energía cinética de las partículas supone que éstas se separan más, por lo que el agua ocupará mayor volumen o, lo que es lo mismo, el agua se dilata y asciende por el tubo.

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Actividad 19: La dilatación de los gases

Coloca un globo desinflado en el cuello de un matraz. A continuación calienta el matraz.

1.- ¿Qué observas?

_____________________________________________

2.- Relaciona lo que has hecho en la experiencia, con los conceptos estudiados anteriormente.

_________________________________________________________


_________________________________________________________

3.- Explica lo observado mediante el modelo de partículas estudiado.

_________________________________________________________


_________________________________________________________

Como en las actividades 17 y 18, con la Actividad 19, se pretende que hagan útil el modelo en la interpretación de la dilatación de un gas. Se trabaja con aire por mayor comodidad y significatividad. Se observa que el globo se dilata, ocupando el aire mayor volumen:

- El aire del matraz está constituido por partículas (en este caso las diferentes moléculas correspondientes a los distintos gases que componen el aire) que están separadas y prácticamente en total libertad.

- El mechero aporta energía al aire, por lo que se incrementa la energía cinética de sus partículas y, como consecuencia, aumenta la temperatura del mismo.

- Al aumentar la energía cinética de las partículas, éstas se desplazan con mayor velocidad separándose cada vez más y ocupando mayor volumen. Es decir, el aire se dilata cada vez más.

- Como el globo está constituido por goma elástica, a medida que el aire se dilata también se dilata el globo. Es decir, el globo se hincha.

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Actividad 20: El cambio de estado y la representación gráfica de valores

Calienta agua y mide la temperatura a intervalos iguales de tiempo.

1.- Anota las medidas, ordénalas mediante una tabla de datos y representa los valores en una gráfica.

2.- ¿Qué observas? ________________________

3.- ¿Qué información nos dan los datos obtenidos? Ordénalos mediante la tabla y la gráfica.

3´.- Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué? _________________________________________________

4.- Relaciona lo que has hecho durante la experiencia con los conceptos estudiados anteriormente. ____________________________________

4´.- Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué? _________________________________________________

5.- Explica lo observado mediante el modelo de partículas estudiado. _____

5´. Después de la explicación, ¿ha variado en algo tu respuesta anterior? ¿En qué? _________________________________________________

En esta actividad (Actividad 20) se insiste en el aprendizaje de destrezas relacionadas con la comunicación de resultados y en el uso del modelo cinético de partículas para la elaboración del razonamiento justificativo de hechos y fenómenos, en este caso el incremento de temperatura del agua hasta que se produce la ebullición.

La observación hacia la que hay que guiar al alumno es que el agua hierve a 100ºC y que, mientras hierve, se estabiliza su temperatura. El agua pasa de líquido a vapor, es decir, se está produciendo un cambio de estado.

Se utilizará el modelo cinético de partículas para interpretar dicha observación:

- El agua está formada por partículas, pero en los líquidos las fuerzas de cohesión son suficientemente intensas para que las partículas se mantengan juntas.

- La energía que se transfiere del mechero al agua se utiliza en incrementar la energía cinética de las partículas, por lo que se incrementa la temperatura del agua.

- A partir de los 100ºC, la energía que aportamos al agua se invierte en vencer las fuerzas de cohesión que mantienen unidas las partículas y éstas se separan, por lo que el agua cambia de líquido a vapor.

- Por este motivo, cuando se alcanza la temperatura de ebullición, la temperatura se mantiene constante, aunque aportemos continuamente energía al sistema.

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TAREA 5. SELECCIÓN DE ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN :

Se han diseñado las siguientes actividades como aplicación de lo aprendido. Se pretende que el alumnado transfiera sus conocimientos a la explicación de otros hechos y fenómenos de la vida cotidiana, para que haga significativo el aprendizaje. Se pueden utilizar además como actividades de evaluación.

Actividad de aplicación

Imagínate que has introducido dos cucharas, una de madera y otra de metal, en chocolate caliente. Al cabo de un cierto tiempo quieres remover el chocolate y para ello agarras las cucharas de nuevo. Observarás que la de metal está más caliente que la de madera.

Si ambas cucharas están calientes en el extremo que está sumergido en el chocolate, ¿por qué la de metal está más caliente que la de madera en el extremo por donde las has

agarrado?

- Cuando cuerpos que tienen diferente temperatura (el chocolate y las cucharas) se ponen en contacto, la energía se transmite del cuerpo que tiene mayor temperatura (el chocolate) al cuerpo que tiene menos (las cucharas), al chocar las partículas del chocolate con las de las cucharas y estas con sus vecinas.

- La temperatura de las cucharas aumenta porque aumenta la energía cinética de sus partículas gracias al trabajo realizado por las partículas del chocolate, cuya energía disminuye y, consecuentemente, la temperatura del chocolate disminuye.

- La temperatura de la cuchara de metal aumenta rápidamente, mientras que la de madera lo hace tan lentamente que apenas se aprecia elevación de temperatura.

- Ello es debido a que las partículas del metal se mueven con mayor libertad que las de la madera. Por lo tanto, los choques entre partículas vecinas se producen más fácilmente en el metal, su trabajo se hace más efectivo y, como consecuencia, la energía se transfiere más rápidamente en el metal que en la madera.

- De esta manera podemos definir calor como el trabajo realizado por las partículas.

Cuando los técnicos hablan de buenos y malos conductores del calor se refieren a cuerpos con mayor o menor facilidad para transferir energía debido a una diferencia de temperatura. A los malos conductores se les denomina aislantes.

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La vía del tren está constituida por carriles entre los que se deja una separación denominada junta de dilatación (véase la figura).

Explica mediante lo que has aprendido, sin olvidarte de utilizar el modelo de partículas, cuál es la función de dicha junta de dilatación: _______________________________________________________________________

Utilizando el modelo de partículas se podría explicar el fenómeno como sigue:

- El Sol aporta energía a los raíles y sus partículas incrementan su energía cinética, aumentando la temperatura de los raíles.

- La energía aportada por el Sol se transmite por los raíles al chocar unas partículas con otras y estas con sus vecinas.

- Al mismo tiempo, las partículas se separan cada vez más y los raíles se dilatan incrementando su longitud.

- Si no existiesen las juntas de dilatación los raíles se combarían y las vías del tren quedarían inutilizadas.

La propia naturaleza de los materiales de construcción hace que se dilaten al incrementar la temperatura ambiente, o que se contraigan al disminuir la misma. Estos movimientos, que tienden a estirar y encoger los materiales, crean unas tensiones internas en el material, se producen fisuras y el material podría llegar a fracturarse. Hay que liberar de alguna forma las tensiones para evitar las lesiones del material.

Para ello, en primer lugar, debe tenerse en cuenta que esta tensión interna producida por la dilatación de los materiales nunca debe ser superior a la resistencia interna de los mismos, es decir, a su cohesión.

Además, en segundo lugar, se colocan en cada material o sistema constructivo juntas de dilatación, a una distancia que varía en función del coeficiente de dilatación de los materiales que los conforman. Por ejemplo, en los puentes o en los túneles se pueden ver dichas juntas de dilatación.

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Calienta, en un recipiente de vidrio, agua a la que has echado aserrín muy fino. Observarás que se producen en la parte inferior, más próxima a la fuente calorífica, unos torbellinos.

¿Cómo interpretas esto? ______________________________________________________

La energía se transfiere al agua a través del vidrio, por conducción. La temperatura del agua que está en contacto con el fondo del recipiente se eleva más rápidamente que el resto del agua del mismo, estableciéndose una diferencia de temperatura en el interior del líquido. Si el líquido se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende (véase figura).

Si aplicamos las ideas del modelo:

- El agua está constituida por partículas.

- El agua de la zona más próxima a la fuente calorífica está a mayor temperatura que la que se halla más lejos.

- Las partículas del agua caliente se agitan más que las del agua fría, ya que tienen más energía cinética, por lo tanto, están más separadas y ocupan mayor volumen. El agua caliente se hace menos densa y sube pasando a ocupar su lugar el agua más fría.

- Este movimiento de capas de agua a diferentes temperaturas da lugar a los torbellinos que veíamos.

Este tipo de movimiento debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, da lugar a una transferencia de energía que se denomina transferencia de energía por convección natural .

En el caso de que en vez de agua fuese aire, el movimiento de las capas del fluido dará lugar a las brisas y los vientos.

En la figura se ilustra cómo se producen las brisas marinas. Durante el día, la mayor temperatura de la tierra da lugar a ascendencias del aire calentado (A) que son rápidamente compensadas por la llegada de aire frío procedente del mar o grandes lagos. Al anochecer hay un período de calma cuando las temperaturas se igualan. Durante la noche (B) el mecanismo se revierte al estar el agua más caliente, aunque la velocidad del viento suele ser menor debido a que las diferencias no son tan acusadas.

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En ocasiones, en el cielo, se generan nubes que constituyen las nuevas células tormentosas y que adoptan forma de inmensas torres a modo de coliflor, antes de que sus topes comiencen a helarse y a adoptar la forma de yunque.

Explica mediante lo que has aprendido, sin olvidarte de utilizar el modelo cinético de partículas, a qué crees que es debido este fenómeno:

_______________________________________________________________________

La energía se transfiere desde la tierra al aire cargado de humedad. La capa de fluido que está en contacto con la tierra se halla a mayor temperatura que las capas de fluido superiores, estableciéndose una diferencia de temperatura en el interior del gas. Si el gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende (véase figura). Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

Si aplicamos las ideas del modelo:

- El aire está constituido por partículas.

- El aire de la capa más próxima a la tierra está a mayor temperatura que el de las capas más alejadas.

- Las partículas del aire caliente se agitan más que las del aire frío, ya que tienen más energía cinética, por lo tanto, están más separadas y ocupan mayor volumen. El aire caliente se hace menos denso y asciende y el aire frío desciende pasando a ocupar el lugar del primero.

- Este movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, da lugar a una transferencia de energía que se denomina transferencia de energía por convección natural .

La zona convectiva de una tormenta está dominada por intensas corrientes de aire cálido ascendente, que en su ascenso se enfría produciéndose la condensación de su contenido de vapor de agua, generándose nubes que constituyen las nuevas células tormentosas, y que adoptan forma de inmensas torres a modo de coliflor, antes de que sus topes comiencen a helarse y a adoptar la forma de yunque.

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Se ha calentado agua hasta la ebullición mediante un mechero y se han tomado datos de

temperatura y energía que se han representado mediante la gráfica de la figura.

Interpreta la gráfica mediante lo que has aprendido, sin olvidarte de utilizar el modelo

cinético de partículas:

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En esta actividad se insiste en el uso del modelo cinético de partículas para la elaboración del razonamiento justificativo del incremento de temperatura del agua hasta que se produce la fusión del hielo y, posteriormente, la ebullición del agua.

La observación hacia la que hay que guiar al alumno es que el hielo funde a 0ºC y el agua hierve a 100ºC y que, mientras se produce la fusión y la ebullición, se estabiliza la temperatura. El agua pasa de sólido a líquido y de líquido a vapor, es decir, se produce un cambio de estado.

Se utilizará el modelo cinético de partículas para interpretar dicha observación:

- El agua está formada por partículas, pero en los sólidos las fuerzas de cohesión son elevadas y en los líquidos suficientemente intensas para que las partículas se mantengan unidas.

- La energía que se transfiere del mechero al hielo y, posteriormente, al agua se utiliza en incrementar la energía cinética de las partículas por lo que se incrementa, respectivamente, la temperatura del hielo y del agua.

- A partir de los 0ºC, la energía que aportamos al hielo se invierte en debilitar las fuerzas de cohesión que mantienen unidas las partículas y estas se separan, por lo que el agua cambia de sólido a líquido. La temperatura del agua se estabiliza porque ahora la energía se utiliza en debilitar las fuerzas de cohesión y no en incrementar su energía cinética.

- Una vez que se ha fundido el hielo, la energía se emplea en incrementar la energía cinética de las partículas con lo que la temperatura se sigue incrementando hasta 100ºC, momento en el que se produce la ebullición. La temperatura del agua se estabiliza porque ahora la energía se utiliza en vencer las fuerzas de cohesión y las partículas se separan pasando el agua de líquido a vapor.

- Por este motivo, cuando se alcanza la temperatura de fusión o la de ebullición, la temperatura se mantiene constante, aunque aportemos continuamente energía al sistema.

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Como muestra la tabla, un cuerpo desnudo puede enfriarse en 1 minuto a una temperatura efectiva de -30°C moviéndose, por ejemplo, a 40 km/h en aire a -10°C (algo que puede ocurrir al esquiar, por ejemplo).

Tabla: Efecto del aire en movimiento sobre la temperatura

(tomada de Kame y Sternheim)

¿Cómo explicas este enfriamiento tan rápido por efecto del viento?:

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La convección desempeña un papel principal en muchos procesos de nuestra vida diaria. Así, existe un factor de enfriamiento por viento. El viento fuerza la convección y la temperatura efectiva disminuye rápidamente a medida que aumenta la celeridad del mismo, como se muestra en la tabla.

Como se observa en la tabla, un cuerpo desnudo puede enfriarse en 1 minuto a una temperatura efectiva de -30°C moviéndose, por ejemplo, a 40 km/h en aire a -10°C (algo que puede ocurrir al esquiar, por ejemplo). Las temperaturas menores a -60°C son extremadamente peligrosas, pues la congelación puede sobrevenir en segundos.

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Durante la primavera y el verano, se funde la nieve de las montañas.

Explica mediante lo que has aprendido, sin olvidarte de utilizar el modelo cinético de partículas, a qué crees que es debido este fenómeno:

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En esta actividad se insiste en el uso del modelo cinético de partículas para la elaboración del razonamiento justificativo de hechos y fenómenos, en este caso el incremento de temperatura de la nieve hasta que se funde. La nieve cambia de sólido a líquido, es decir, se produce un cambio de estado.

Se utilizará el modelo cinético de partículas para interpretar el fenómeno:

- La nieve está formada por partículas, pero en los sólidos las fuerzas de cohesión son intensas, de modo que las partículas se mantienen unidas.

- La energía que se transfiere del Sol a la nieve se utiliza en incrementar la energía cinética de sus partículas, por lo que se incrementa la temperatura de la nieve.

- A partir de los 0ºC, la energía que aportamos a la nieve se invierte en debilitar las fuerzas de cohesión que mantienen unidas las partículas y éstas se separan, por lo que el agua cambia de sólido a líquido. Recordemos que en los líquidos las fuerzas de cohesión son suficientemente intensas para que las partículas se mantengan unidas.

Cuando se alcanza la temperatura de fusión (0ºC), como la energía del Sol no se invierte en incrementar la energía cinética de las partículas, mientras coexistan la nieve y el agua, dicha temperatura se mantiene constante a 0ºC aunque el Sol aporte continuamente energía al sistema.

El hielo que forma los iceberg está formado por agua dulce y procede de los glaciares (Perito Moreno) que llegan a la costa o a las proximidades de los lagos (Lago Argentino). Al incrementarse la temperatura ambiente (verano) los glaciares se rompen en grandes bloques (iceberg) que son después arrastrados por las corrientes, a menudo hasta latitudes bastante bajas.

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¿Qué dirías si te asegurasen que tu abrigo no calienta en absoluto? Pensarías seguramente que están bromeando. Pero, ¿y si empezaran a demostrarte que es así, efectivamente?

¿Nos servirá lo que hemos aprendido hasta aquí para resolver nuestras dudas?

Se trata de que el alumno aplique las ideas del modelo:

- Entre el pelo de la piel se aloja gran cantidad de aire.

- El aire está constituido por partículas.

- Las partículas en los gases se encuentran mucho más separadas que en los sólidos y en los líquidos, por lo que tardarán más en chocar unas con las otras.

- En consecuencia, la pérdida de energía a través del abrigo es mucho más lenta que el aporte de energía que produce nuestro cuerpo, por lo que se produce un incremento de temperatura en el aire existente entre nuestro cuerpo y el abrigo.

Este modo de transferencia de energía a través del abrigo se denomina transferencia de energía por conducción. En este caso, la pérdida de energía se produce muy lentamente. Diremos que el abrigo es un buen aislante térmico.

Efectivamente, el abrigo no calienta, si es que por calentar entendemos transferir energía por medio del proceso que denominamos calor. Una lámpara calienta, la estufa calienta, el cuerpo humano calienta, porque todos estos cuerpos son fuentes de energía. El abrigo no da energía sino que se limita, simplemente, a impedir que nuestro cuerpo pierda energía por convección. De esta forma, cuando nos pregunten si calienta nuestro abrigo, deberemos responder que el abrigo sólo nos sirve para aislarnos. Lo más exacto sería decir que nosotros calentamos el abrigo, y no éste a nosotros.

En invierno, un local que no esté debidamente aislado no es confortable porque, aunque se gaste una enorme cantidad de combustible, las grandes pérdidas de energía que se producen por conducción ocasionan que las paredes de los locales estén siempre frías, lo que provoca una excesiva transferencia de calor del cuerpo humano con sensación desagradable. Esta pérdida de energía puede ocasionar resultados bastante perjudiciales ya que las pérdidas de rendimiento en el trabajo a causa del malestar producido alcanzan entre el 25% y el 30% del rendimiento inicial.

Durante la estación calurosa, un local sin aislamiento resulta altamente caldeado debido a la transmisión calorífica que se produce a través de paredes y cubiertas recalentadas por los rayos solares. La elevación de la temperatura interior de los locales puede sobrepasar fácilmente la del ambiente exterior a la sombra.

Hay una diferencia muy acusada de confort entre una casa aislada y otra sin aislar. El confort significa, en las viviendas, bienestar, alegría de vivir y salud, y en los lugares de trabajo salud y mejor rendimiento.

Pero sobre todo hemos de tener en cuenta el ahorro de energía que se produce cuando la vivienda está bien aislada, y la contribución que se hace al cuidado del medio ambiente.

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Calienta un clavo de hierro. Enciende una bombilla. Orienta una lupa de tal manera que puedas enfocar los rayos del Sol sobre un papel de seda. Cuando te expones al Sol, notas que te calienta.

Explica estos fenómenos mediante lo que has aprendido.

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Se debe guiar al alumnado hacia la inferencia de que la luz, al interaccionar con los cuerpos, eleva la temperatura de los mismos. Basta poner la mano al sol para comprobarlo.

Si concentramos la luz del Sol sobre un papel, con una lupa, se observa que el papel se oscurece y llega a arder. Si esto mismo lo hacemos sobre la piel de la mano notamos casi inmediatamente que nos quema.

La luz es energía radiante y aparece así una forma nueva de transferir energía que, a diferencia de la conducción y de la convección, no necesita soporte material para propagarse.

Lo mismo ocurre con un clavo de hierro, la resistencia de una estufa o el filamento de una bombilla cuando los calentamos y se ponen al rojo. Si acercamos la mano notamos que la temperatura es más alta en sus proximidades, lo que quiere decir que emiten energía radiante.

Pero ¿cómo es esta energía?, ¿cómo se desplaza?

La interpretación de la emisión de luz, supone complementar el modelo con nuevas partículas, los electrones, y la idea de su distribución en niveles energéticos. Esto posibilitaría la interpretación de hechos tan de actualidad como es el efecto invernadero, el enfriamiento nocturno de la Tierra…

Probablemente interesaría al alumnado interpretar las observaciones que hacen cuando encienden una vela, cuando prenden fuego a un papel o cuando ven arder combustibles de los que han oído hablar tan frecuentemente: gasolina, butano, carbón.

Es necesario adquirir nuevos conocimientos para poder dominar un modelo de mayor complejidad. Habría que incorporar al mismo la idea de interacción entre núcleos y electrones para que tuviera la necesaria capacidad predictiva e interpretativa. De esta manera se podría abordar el estudio de por qué cualquier estructura material se descompone al elevarse su temperatura e integrar la idea en la explicación de hechos tan familiares como la conservación de los alimentos a bajas temperaturas en los frigoríficos, el letargo invernal de los seres vivos y poner de manifiesto la relación entre la actividad químico-biológica y la temperatura.

El modelo de partículas propuesto es un modelo abierto a nuevas ideas, que lo dotarían de una mayor capacidad explicativa. Los científicos utilizan los modelos para explicar y predecir hechos y fenómenos. Cuando un modelo no explica algo, los científicos han de completarlo e incluso cambiarlo y para ello investigan cómo hacerlo.

Los modelos son provisionales y evolucionan continuamente a medida que se producen nuevos descubrimientos.

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En un recipiente echamos 100 g de agua a la temperatura de 50 ºC y 200 g de agua a

20ºC. Calcula la temperatura final de la mezcla.

Explica mediante lo que has estudiado el proceso que tiene lugar.

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Se trata de que el alumno haga significativo el concepto de equilibrio térmico. El agua que está a mayor temperatura intercambia energía con la que está a menor temperatura, hasta que la mezcla alcanza el equilibrio térmico.

Además, se trata de que tome conciencia, mediante sencillos cálculos, de que las diferentes masas de agua condicionan la temperatura final de la mezcla

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El mapa conceptual que podría ilustrar el conjunto de relaciones que el alumnado debería activar al final de la unidad, podría ser el que se indica a continuación. En el se observa el papel central que juega el modelo cinético-molecular en la interpretación del sistema y sus cambios.

Mapa conceptual

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