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“PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE FÍSICA PARA DOCENTES DE
BACHILLERATO: CALOR”
MONOGRAFÍA
PRESENTADA POR
ORVILLE HELOÍN TRUJILLO NARVÁEZ RIVERA.
COMO REQUISITO PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
LICENCIADO EN FÍSICA.
ASESOR: DRA. PATRICIA PADILLA SOSA.
XALAPA-ENRÍQUEZ, VERACRUZ. JUNIO, 2013
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE FÍSICA E INTELIGENCIA ARTIFICIAL
DEDICATORIA
A toda mi familia. Especialmente a mi madre María Fátima y a mis hermanos Bruma Ivanovitch y
Wilbur Sócrates, por ser ejemplos de superación personal y espíritu altruista. A mi esposa Ariadna Esmeralda, por mantener las metas fijas en nuestros tiempos de crecimiento y
cambio. A mis hijas Jacqueline Esmeralda y Paula Sophie, por comprender mis ausencias y ser las más
interesadas al momento de realizar los experimentos propuestos.
AGRADECIMIENTOS
A mis maestros, por ser parte de mi andar a través del largo camino de la física. Principalmente a mi
asesora Dra. Patricia Padilla Sosa y a Dr. Héctor Hugo Cerecedo Núñez, quienes confiaron en este trabajo desde que era una idea.
A mis sinodales M. C. Juan Narváez Ramírez, M. C. Rubén de la Mora Basañez y Dr. Manuel
Enrique Rodríguez Achach, por la experiencia y el conocimiento con el que precisaron sus observaciones. A mis amigos, quienes destinaron parte de su tiempo en las redes sociales para platicar sobre los
temas tratados. Especialmente a Mario de Jesús Hernández Pulido, Juan Eloy Rivera Velázquez, Isaac Martínez Velis, Rodrigo Cid Molina, Felipe Pacheco Vázquez, Joel Molina Palau, Claudia Ávila García y María Cecilia García Uriarte, porque su hospitalidad facilitó mi estancia en las distintas ciudades transitadas durante la redacción de esta monografía.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN. 1
Bibliografía…………………………………………………………………………………………………… 4
CAPÍTULO I. IMPLEMENTACIÓN DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO 5
1.1 Importancia de la implementación de prácticas de laboratorio en la enseñanza.......……………. 5
1.2 Diseño y planificación de las prácticas de laboratorio..……………………………………………… 7
1.3 Clasificación de las prácticas de laboratorio………………………………………………………...... 8
Bibliografía.…………………………………………………………………………………………………... 14
CAPÍTULO II. CRONOLOGÍA DEL ESTUDIO DEL CALOR 15
Bibliografía…………………………………………………………………………………………….…….. 24
CAPÍTULO III. PRÁCTICAS DE LABORATORIO TEMA: CALOR 26
3.1 Propuesta de prácticas de laboratorio tema: Calor………….………………………………….… 26
3.2 Práctica 1. EL CALOR Y LA TEMPERATURA……………………………………………………... 27
3.2.1 Versión para el estudiante…………………………………………………………..……… 27
3.2.2 Versión para el docente…………………………………………………………………….. 29
3.3 Práctica 2. LA DILATACIÓN TÉRMICA……………………………………………………………… 31
3.3.1 Versión para el estudiante………………………………………………………………….. 31
3.3.2 Versión para el docente…………………………………………………………………….. 34
3.4 Práctica 3. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR………………………………..... 36
3.4.1 Versión para el estudiante………………………………………………………………….. 36
3.4.2 Versión para el docente……………….……………………………………………………. 40
3.5 Práctica 4. EL CALOR ESPECÍFICO……………………………………………………………..….. 42
3.5.1 Versión para el estudiante………………………………………………………………….. 42
3.5.2 Versión para el docente…………………………………………………………………….. 46
3.6 Práctica 5. PROCESOS TERMODINÁMICOS…………………………………………………..….. 48
3.6.1 Versión para el estudiante………………………………………………………………….. 48
3.6.2 Versión para el docente…………………………………………………………………….. 51
Bibliografía..………………………………………………………………………………………………….. 54
CAPÍTULO IV. CONCLUSIONES 55
ANEXO A. Tabla de coeficientes de expansión volumétrica y de densidad del agua. 56
ANEXO B. Calores Específicos de Varias Sustancias a 20º C 57
Et primum faciunt ignem se vortere en auras
Aëris; hinc imbrem gigni terramque creari
Ex imbri; retroque a terrâ cuncta revorti,
Humorem primum, post aëra deinde calorem;
Nec cessare hæc inter se mutare, meare,
De cœlo ad terram de terrâ ad sidera mundi.
LUCRETIUS, i. 783.
Al principio el fuego se vuelve brisa
de aire; en la brisa de aire se crea la tierra
cuando cae la lluvia; regresa de nuevo a la tierra
y la cubre como al principio, después el aire se vuelve calor;
Y este cambio no se detiene, en los mares,
del cielo a la tierra y de la tierra a los cielos.
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INTRODUCCIÓN
El presente trabajo monográfico tiene como objetivo general proponer 5 prácticas para el laboratorio de calor apegadas al programa de la Dirección General del Bachillerato (DGB). De manera específica, abordar a través de experimentos, formas alternativas de la presentación de los conceptos de calor y temperatura.
Actualmente, el programa de estudios de la DGB contiene, en su Componente de Formación Básico de 4º Semestre, a la asignatura de Física II, conformada por cuatro bloques temáticos, estos son:
I. Describe los fluidos en reposo y movimiento.
II. Distingue entre calor y temperatura.
III. Comprende las leyes de la electricidad.
IV. Relaciona la electricidad y el magnetismo.
El bloque II, que es el que se tratará en este documento, se imparte en 20 sesiones de 50 minutos cada una, centrando su estudio en el tema Diferencia entre calor y temperatura que, a su vez, se divide en los subtemas (Dirección General de Bachillerato, Física II DGB/DCA/2011, 2011):
1) El calor y la temperatura.
2) La dilatación térmica.
3) El calor específico.
4) Procesos termodinámicos.
Hoy en día los manuales de prácticas de laboratorio, que sirven como soporte medular a las clases teóricas, son creados en cada Entidad Federativa de la República Mexicana por sus Jefes del Área Técnica de la DGB, por lo que las vivencias experimentales que tienen los estudiantes de bachillerato apegados a este programa educativo varían en cantidad, contenido y forma según el Estado donde estudien. Por este motivo y con la finalidad de homogeneizar estas experiencias, la DGB en coordinación con la Secretaria de Educación Pública (SEP) lanzó una convocatoria de Actualización de Prácticas de Laboratorio para Física I y Física II para todos los docentes encargados de estas materias (Dirección General de Bachillerato, Dirección General de Bachillerato, 2007), sin que los resultados hayan sido difundidos. Dentro de la convocatoria se solicitaron prácticas de laboratorio apegadas al programa educativo y que tuvieran una duración máxima de 40 minutos.
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A su vez, el 12 y 13 de diciembre de 2008 un grupo de profesores de Física de varias instituciones de México de todos los niveles educativos se dieron cita en la primera Reunión Anual de la AAPT-MX, la American Association of Physics Teachers, sección México en el Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey, Nuevo León. En esta reunión, algunos físicos presentaron carteles e impartieron conferencias plenarias y talleres para beneficio de los docentes responsables de facilitar el aprendizaje de la física. Uno de los talleres-conferencia con mayor aceptación fue el titulado “¡Demostraciones en Clase Tienen Poco Costo! (o ¡Ve Cuántos Recursos Hay!)” impartido por Sam Sampere de la Universidad de Syracuse, Syracuse, E.U.A. quien discutió sobre el bajo costo de las demostraciones en clase, habló sobre fuentes de fácil acceso para la obtención de demostraciones ya probadas y describió los diferentes roles que las demostraciones juegan en las clases de física (Zavala & Marín, 2009). Dando como resultado una mejor comprensión de los conceptos entre los docentes asistentes, en los cuales también se observó un gran interés.
El material contenido en esta monografía se espera que se sume a los múltiples esfuerzos que la comunidad científica mexicana está realizando para apoyar a los docentes a educar con ciencia a nuestros jóvenes, los futuros investigadores. Para ello se aborda de la siguiente manera:
El capítulo primero “Importancia, estructura y clasificación de las prácticas de laboratorio” habla sobre la importancia que tiene la experimentación en la actividad científica, y como es que las prácticas de laboratorio en la educación, ayudan a desarrollar competencias entre los involucrados, competencias que las clases teóricas no contemplan. En seguida muestra los aspectos más relevantes que hay que considerar en el momento de diseñar y planear prácticas de laboratorio para el programa escolar. Por último expone dos clasificaciones referentes a prácticas de laboratorio de física en la educación. La primera de ellas las agrupa con base a los conocimientos necesarios que necesita el estudiante al momento de realizarla. La segunda clasificación considera cuatro criterios específicos de agrupación: carácter metodológico, objetivos didácticos, carácter de realización y carácter organizativo docente. Esto se hace con la finalidad de ayudar al docente al momento de decidir los tipos de prácticas que programará durante el curso escolar, reiterando la invitación a implementar experiencias didácticas y científicas, para evitar que el alumno permanezca pasivo y receptivo, ya que de este modo el conocimiento que adquiere el estudiante se limita al dominio del tema por parte de su profesor.
En el capítulo segundo “Cronología del estudio del calor” se presenta una recopilación de los eventos más relevantes que han dado las bases para el estudio y el análisis del calor a nivel científico, en forma de recorrido cronológico. En parte por considerar necesario generar más literatura en español de este tipo, pero sobre todo porque que la física es una ciencia vertical: los resultados se construyen apoyándose en anteriores resultados, los cuales, a su vez, fueron construidos sobre otros resultados y es preciso conocer sus orígenes para apreciar los conceptos y fenómenos que se estudian.
En el capítulo tercero “Propuesta de prácticas de laboratorio tema: Calor” se proponen novedosos planteamientos y actualizaciones a prácticas que permiten comprender los conceptos del calor y sus efectos. Están diseñadas para realizarse con el uso de materiales fáciles de conseguir, ya que no todas las instituciones de bachillerato incorporadas a la DGB cuentan con edificio y equipo completo de laboratorio. Además se ha adecuaron para desarrollarse en un tiempo no mayor de 40 minutos.
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En el capítulo cuarto “Conclusiones” se evalúa el contenido ofrecido en esta monografía, sus alcances y limitaciones.
El apartado de “Anexos” contiene dos tablas, una con los valores de los coeficientes de expansión volumétrica del agua y la otra con los valores de calor específico de varias sustancias.
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BIBLIOGRAFÍA Dirección General de Bachillerato. (2007). Dirección General de Bachillerato. Recuperado el 8 de
septiembre de 2007, de Dirección General de Bachillerato: www.dgb.sep.gob.mx/informacion_academica/convocatorias/convocatoria_fisica.pdf
Dirección General de Bachillerato. (2011). Dirección General de Bachillerato. Recuperado el 21 de enero de 2013, de Dirección General de Bachillerato: http://www.dgb.sep.gob.mx/informacion_academica/programasdeestudio/cfb_4osem/Fisica-II.pdf
Zavala, G., & Marín, T. (2009). Reporte de conferencia: Reunión Anual de la AAPT-MX 2008. (L. A. Physics, Ed.) Latin American Journal of Physics Education., 3(1), 181-183.
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CAPÍTULO I. IMPLEMENTACIÓN DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO.
1.1 Importancia de la implementación de prácticas de laboratorio en la enseñanza.
Los fenómenos, tal como se presentan en la Naturaleza, son demasiado complejos para que podamos analizarlos y aprehenderlos; esto se debe a que están compuestos por muchas variables que, aunque tienen una aportación escasa o nula al evento, son difíciles de eliminar y nos conducen a conclusiones erróneas. Por ello, una actividad primordial en la investigación científica es la creación del hecho puro, el hecho científico; situación que consiste en aislar los factores que se cree que son esenciales para que el fenómeno ocurra. Se hace esto con la finalidad de facilitar su análisis y su entendimiento; para lograrlo, los investigadores se apoyan en la recreación controlada del fenómeno que, por lo general, se realiza en el laboratorio. Por tal motivo, como el objetivo de la Física es el de encontrar las leyes que rigen el universo, los físicos aprenden del mundo que los rodea a través de observaciones cuidadosas que, a menudo, incluyen mediciones, de las cuales, después de analizarlas, generan sus conclusiones (Galindo, 2007).
Se vuelve, pues, incuestionable que, además de la teoría, la experimentación debe estar en la base de la enseñanza de la Física. Esta experimentación, ya sea llevada a cabo por el alumno, por grupos de alumnos, o por el profesor, tiene características especiales, que la hacen distinta de la experimentación que con el mismo objeto realizó en su momento el investigador. No es posible pretender que se realice en cada caso el largo proceso inductivo que condujo al sabio a la formulación de una ley, y que muchas veces le ocupó la vida entera (Loedel, 1957).
Es entonces, quizás, por el trabajo que conlleva diseñar, recrear y analizar un experimento que algunos docentes prefieren la experiencia a la experimentación, entendiendo por aquella los resultados que puedan obtenerse de la simple observación de los fenómenos que suceden en la naturaleza y sin intervención de nuestra voluntad, eventos llamados hechos brutos. Sin embargo, debemos recordar que, de esa simple observación muy poco es lo que puede obtenerse (Loedel, 1957).
Actualmente, el método experimental es mostrado, de manera básica, a los estudiantes durante sus estudios de tercero y cuarto semestre de nivel Medio Superior, esto es, en los dos años anteriores inmediatos a su ingreso a un Tecnológico o a una Universidad. Para subsanar este breve contacto con el método experimental, las nuevas reformas educativas nacionales proponen que los estudiantes tengan una intervención directa en los experimentos propuestos por el instructor del laboratorio debido a que consideran que, los alumnos, primero necesitan reconocer sus propias creencias actuales para, después, construir un nuevo entendimiento. Como lo menciona el Físico Enrique Loedel (1957), en su libro Enseñanza de la Física,
“los experimentos realizados con fines didácticos tienen siempre el carácter de una verificación, de una comprobación. Si se prescindiera de toda comprobación experimental, lo que se enseñaría no
sería ciencia, sino dogma.”
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Loedel además señala,
“En la enseñanza no basta con instruir; lo fundamental es educar. Y educar, en este caso, es hacer que la personalidad del alumno no se sienta absorbida por la del maestro; que el motivo de la aceptación de las afirmaciones no sea la autoridad de éste ni la de los textos escritos; que en cada caso adquiera conciencia de que por sí mismo hubiera podido llegar a tales o cuales resultados; que conserve la independencia de su mente, y hasta una honrada rebeldía intelectual. Que aprenda a utilizar sus manos y su mente; que sepa del fracaso aleccionador y que sienta en
sí mismo la alegría que proporciona la aprehensión del fruto tras un prolongado esfuerzo.”
Desde el punto de vista de la didáctica, con las prácticas de laboratorio de Física se ayuda al alumno a manejar conceptos de esta ciencia, además de desarrollar destrezas y herramientas de la Física Experimental, como lo son: la observación del fenómeno, la obtención de datos experimentales, su tratamiento, el análisis de los resultados y las conclusiones.
Las prácticas de laboratorio también le permiten al educando entender el papel de la observación directa en Física y a distinguir entre las inferencias que se realizan a partir de la teoría de las que se generan a partir de la práctica. Por estos motivos deben planificarse y estructurarse correctamente; teniendo la opción de desarrollarlas de manera que el alumno esté en contacto físico y pueda manipular los elementos, dispositivos e instrumental requeridos para el experimento, llamado laboratorio real, o utilizando simulaciones interactivas programadas con el empleo de las computadoras personales (PC, por sus siglas en inglés), llamado laboratorio virtual. Ambas formas requieren la auto-preparación por parte de los estudiantes, a través de materiales impresos (textos o folletos), o en formato electrónico. Como lo menciona Stollberg (1983), en su libro Laboratorio de Física,
“Un científico sabe sobre lo que piensa investigar antes de empezar, así deberá hacerlo usted. Su profesor debe decirle con anticipación la investigación que va a realizar y lo que debe leer antes de llegar al laboratorio. A menudo no entenderá por completo lo que lea, pero tendrá algún
conocimiento básico que lo guíe en su trabajo.”
Si hablamos de la relevancia de implementar prácticas de laboratorio dentro del curso escolar, una metodología que me ha resultado útil como Profesor de Bachillerato y de Universidad, es el Método de Proyectos (Trujiilo Narváez-Rivera, Padilla Sosa, & Cerecedo Núñez, 2007). Este Método se desarrolla de manera longitudinal dentro del plan programático de la asignatura, lo que permite que cada tema se relacione con el resto, ya sea en aprendizaje conceptual, procedimental y/o actitudinal. Durante el desarrollo de los proyectos los estudiantes se enfrentan a situaciones que los llevan a rescatar, comprender y aplicar todo aquello que van aprendiendo en las asignaturas para resolver problemas o proponer mejoras en el entorno en donde se desenvuelven. Además, se estimulan las competencias más fuertes de cada estudiante y llegan a desarrollar algunas nuevas. Se motiva en ellos un sentido de responsabilidad, esfuerzo y un entendimiento del rol tan importante que tienen en sus comunidades.
Otro beneficio de trabajar con Proyectos es que, generalmente, mejora las relaciones entre los maestros y los estudiantes. Puede reducir la competencia entre los alumnos y permitir a los estudiantes
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colaborar, más que trabajar unos contra otros. Igualmente, los proyectos pueden cambiar el enfoque del aprendizaje, lo puede llevar de la simple memorización de hechos a la exploración de ideas.
Un primer análisis estadístico (Trujillo Narváez Rivera, Padilla Sosa, & Cerecedo Núñez, 2008) aplicando la t de Student de los conocimientos adquiridos por los estudiantes a mediano plazo con el Método de Proyectos arrojó resultados muy interesantes. Este análisis consistió en la comparación de los resultados obtenidos, en el área de física de una prueba EXANI-II, entre dos grupos de 20 estudiantes cada uno, tres meses después de que concluyeron su curso; uno de ellos, aprendió a través de la Enseñanza Tradicional y el otro con el Método de Proyectos. Los resultados mostraron que el promedio de los puntajes era más elevado en el grupo del Método de Proyectos, además de que las calificaciones estaban menos dispersas, por lo que se concluyó que el aprendizaje de la Física tiene un mayor impacto y el conocimiento adquirido permanece mayor tiempo, cuando los estudiantes se saben involucrados.
1.2 Diseño y planificación de las prácticas de laboratorio.
En el apartado anterior, se puntualizó la importancia que tiene la experimentación en el desarrollo de la Física y también se señalaron algunos beneficios que se aportan al aprendizaje de los estudiantes al implementar prácticas de laboratorio en los cursos. Ahora, se abordará el tema del diseño y de la planeación de las mismas. Para ello, hay que recordar que la mayoría de los estudiantes del nivel Medio Superior se encuentran en la etapa de la adolescencia, por lo que buscan independencia pero al mismo tiempo comienzan sus intereses futuros e incrementan su capacidad de abstracción y de trabajo (Enplenitud, ¿Cómo es un adolescente?, 2009). Así, el diseño y la planificación de las prácticas de laboratorio, dentro de un programa escolar, depende de muchos aspectos.
Para el caso del diseño de prácticas de laboratorio, los factores que se consideran más relevantes son los que a continuación se citan:
- Objetivos que se persiguen con cada práctica. Para elegir una práctica que se desarrollará en clase, es necesario asegurarse de que su finalidad está acorde con el tema que se está estudiando. También es importante sopesar las competencias disciplinares contempladas en el programa de estudios de la DGB que se reforzarán en los estudiantes debido a la elaboración de ellas.
- Viabilidad y posibilidad de realizarlas. Es necesario que nos aseguremos de contar con todos los elementos indispensables, tanto técnicos como cognitivos y procedimentales, para llevarlas a cabo.
Para cubrir los aspectos técnicos, debemos cerciorarnos de tener el espacio, los materiales y las sustancias necesarias para desarrollarlas. Un ejemplo de ello es: si vamos a medir la temperatura de algunos materiales, es indispensable disponer de un termómetro que, cuando menos, cubra el rango de temperatura que se observará. Si no se tiene acceso a los materiales o sustancias, aún podemos realizar la experimentación haciendo uso de laboratorios virtuales.
En este mismo sentido, debemos considerar el tiempo del que se dispondrá para su ejecución, partiendo desde la presentación de la práctica ante el grupo hasta la conclusión del análisis de los resultados. En muchas ocasiones, habrá que adecuar los experimentos de gran valor educativo para poder realizarlos.
En cuanto a los elementos cognitivos y procedimentales, es indispensable que los involucrados posean las habilidades y destrezas adecuadas para realizar los procedimientos del experimento, así como que tengan
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cierto dominio, aunque sea básico, de las herramientas necesarias para analizar los datos experimentales. No debemos suponer que el implementar prácticas de laboratorio de nivel Superior causará el mismo impacto educativo en los alumnos de nivel Medio Superior. Recordemos que la ciencia, como el aprendizaje, se construye de manera vertical, es decir nuestras conclusiones se apoyan en conocimientos anteriores.
A lo largo de mi experiencia en la educación, como estudiante y como profesor, he observado que algunos docentes emplean la experimentación como herramienta introductoria a los temas de estudio; otros, presentan las prácticas en el clímax de los bloques temáticos; y, lamentablemente, la mayoría prefiere “terminar” con la teoría del curso y de sobrar sesiones, entonces las utilizan para realizar las prácticas. Pareciera, pues, que cualquier acción tomada, de las antes mencionadas, fuera correcta. Por ello, considero que el factor de mayor importancia a considerar en la planificación de las prácticas de laboratorio es:
- Momento en que deben efectuarse las prácticas o los experimentos. De acuerdo al Ciclo de Aprendizaje, el mejor momento para efectuar las prácticas de laboratorio es en la etapa introductoria del tema central, ya que motiva al alumno para que formule preguntas sobre el fenómeno, despierta su curiosidad y promueve una actitud indagatoria. Por ser un tema por demás extenso, no se contempla en el desarrollo de este trabajo. Si se desea conocer más acerca del Ciclo de Aprendizaje, se sugiere consultar el artículo de Robert Karplus (1981), titulado “Science teaching and the development of reasoning”, publicado en la revista Journal of Research in Science Teaching, volumen 14, páginas 169-175.
1.3 Clasificación de las prácticas de laboratorio.
Son muchas las formas de diseñar, planear y realizar las prácticas de laboratorio en las instituciones pertenecientes a la DGB en México, tantas como docentes de Física hay; aun así es posible encontrar similitudes entre ellas, sin importar la separación geográfica, económica o cultural que haya entre los instructores, puesto que la experimentación didáctica es siempre, por su naturaleza, una verificación. Por ello, aun cuando existen diversas maneras de llevar a cabo estas, podemos apoyarnos en la clasificación de cuatro grupos que Loedel (1957) propuso en su libro Enseñanza de la Física y que en síntesis son los siguientes:
a) Redescubrimiento. En las prácticas de esta categoría, el alumno no conoce de antemano la ley, que debe descubrir por sí mismo. Con los elementos de medida adecuados, anota los datos de sus observaciones, y de esos datos, efectuando gráficos y tanteos, llegará, con más o menos esfuerzo, a la ley buscada. Con este procedimiento, el alumno aprende el método seguido en las investigaciones científicas y se acostumbra a superar los inevitables errores de observación. Realiza un esfuerzo provechoso, compensado luego por la alegría de un buen resultado. Para que este método sea realmente educativo, es necesario se dé al estudiante un mínimo de indicaciones posibles, por lo cual, dado el tiempo que requiere, sólo es factible llevarlo a cabo a lo largo del curso en contadas oportunidades.
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b) Semiinductivo. Al igual que en la categoría de redescubrimiento, la ley no se da a conocer de antemano a los alumnos, pero los experimentos son conducidos de tal manera, que el alumno llega por sí mismo, formulándole preguntas adecuadas, al enunciado de la ley. Este método se presta particularmente para los experimentos de cátedra realizados por el mismo profesor, teniendo la ventaja de necesitar poco tiempo durante la clase misma, si se ha tenido la precaución de preparar de antemano el material experimental. La desventaja del método es que se produce en él un verdadero escamoteo de los errores de observación. Los resultados que se obtienen de esta manera son siempre demasiado exactos.
c) Comprobación simple. En esta categoría se consideran las prácticas en las cuales se miden directamente las magnitudes que intervienen en la ley cuya comprobación se busca, sin elegir de antemano valores particulares para dichas magnitudes. Tiene la ventaja de que, por el hecho de ser elegidos los datos al azar, bastan una o dos comprobaciones, a lo sumo, para llevar al estudiante al convencimiento de que la ley en cuestión se verifica realmente. Este método es recomendable especialmente para aquellas leyes que han sido deducidas teóricamente, a partir de otras ya establecidas, sobre todo si se le complementa realizando una predicción de los resultados.
d) Predicción. Las prácticas de este grupo, señala Loedel, son las más espectaculares, y mostradas con arte, producen en los alumnos intensas emociones. Muestran, además, en forma explícita, que el poder de la ciencia radica en su facultad de predecir. Con ellas, los alumnos podrán, con sólo un reloj, calcular la longitud de un péndulo, prever anticipadamente en qué posición deberán colocar una pantalla para recoger en ella la imagen nítida del filamento de un foco dada por un espejo, un lente o un sistema de lentes; decir de antemano cuánto indicará un amperímetro si se efectúa tal o cual conexión, o quizás, conocer la lectura que dará un termómetro después de mezclar ciertas cantidades de sustancias a diferente temperatura, etcétera.
La clasificación de Loedel, aunque es de gran ayuda como texto introductorio al tema de la selección de prácticas, resulta ser muy elemental para los profesores con más experiencia. Por tal motivo, a continuación se presenta una de las clasificaciones más completas y detalladas que se han generado en los últimos años referentes a las prácticas de laboratorio de física. Ésta clasificación se publicó en la Revista Pedagogía Universitaria, Revista Electrónica de la Dirección de Formación de Profesionales del Ministerio de Educación Superior de la República de Cuba dirigida a publicar el quehacer científico en el área de Pedagogía, pero por el área de estudio de la investigación, los autores basaron su investigación en el trabajo de profesores de Física Preuniversitarios y Universitarios (CRESPO MADERA, 2001).
En la tabla 1.1 se muestran los cuatro criterios de clasificación que se consideraron en la investigación antes mencionada, así como las prácticas que agrupan.
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Criterios de clasificación Clasificación
Por su carácter metodológico.
Abiertos.
Cerrados (“Tipo Receta”).
Semi-abiertos o Semi-cerrados.
Por sus objetivos didácticos.
De habilidades o destrezas.
De verificación.
De predicción.
Inductivos.
De investigación (integraría a los anteriores dentro de una estrategia general de trabajo.
Por su carácter de realización.
Frontales.
Por ciclos.
Personalizadas.
Por su carácter organizativo docente.
Temporales.
Semi-temporales / Semi-espaciales.
Espaciales.
Tabla 1.1 Clasificación de las prácticas de laboratorio de Física.
Fuente: Crespo M., E., Álvarez V., T., Revista Pedagogía Universitaria (2001) Vol. 6 No. 2 pág. 41.
En las líneas siguientes se presenta, a modo de resumen, cada clasificación de acuerdo a lo que los autores especificaron en su artículo original.
Criterio 1. Por su carácter metodológico. Este criterio cataloga a las prácticas de acuerdo a los procedimientos lógicos que se siguen para conseguir el aprendizaje. Se divide en tres grupos.
Abiertos: Se le plantea un problema al estudiante, el cual debe conducirlo a la experimentación, en la que le sirven sus conocimientos hábitos y habilidades, pero no le son suficientes, y deberá ir a un proceso de auto-completamiento (construcción) de los otros que necesite, con los debidos niveles de ayuda del docente u otros especialistas.
Cerrados “Tipo Receta”: Se ofrecen a los estudiantes todos los conocimientos bien elaborados y estructurados, solamente tienen que estudiar el contenido preparado y posteriormente realizar cada una de las operaciones que se le orienten en la guía.
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Semi-cerrados / Semi-abiertos: Resulta de una combinación de los dos anteriores, no se le facilitan a los estudiantes todos los conocimientos elaborados y con el empleo de situaciones problémicas 1 se le motiva a indagar, suponer y hasta de emitir alguna hipótesis, que tendrá que constatar a través de la experimentación. En estas prácticas de laboratorio aún se establecen las operaciones que deben realizar.
Criterio 2. Por sus objetivos didácticos. En esta sección, se agrupan las prácticas con similitudes en el tipo y grado de aprendizaje que adquirirán los estudiantes después de realizarlas. De ella resultan cinco categorías.
De Habilidades o destrezas: Está dirigido a desarrollar en los estudiantes hábitos y habilidades o destrezas de manipulación y medición con los instrumentos y equipos, así como con los métodos de procesamientos estadísticos de los datos experimentales.
De Verificación: Dirigido a la verificación o corroboración experimental de los contenidos teóricos de la asignatura, de leyes y principios, del comportamiento de magnitudes o del análisis de un fenómeno estudiado.
De Predicción: Se dirige la atención del estudiante hacia un hecho, manifestación u ocurrencia en un montaje experimental dado, de forma que sea capaz de predecir el comportamiento de las magnitudes físicas involucradas, así como identificar la teoría en que se fundamenta tal hecho, lo que conllevaría a una verificación posterior para darle continuidad lógica a la experimentación.
Inductivos: A través de tareas bien estructuradas se le orienta al estudiante paso a paso el desarrollo de un experimento hasta la obtención de un resultado que desconoce.
De Investigación: Es un tipo de actividad muy completa, precedida de una situación problémica y en la que muy bien se pueden integrar las demás asignaturas. Se desarrolla como una pequeña investigación ya que los estudiantes se enfrentan a una serie de etapas de la labor científica, mismas que van desde la exploración de la realidad hasta la comunicación de los resultados en la discusión del informe técnico como parte del sistema de evaluación.
Criterio 3. Por su carácter de realización. Este criterio se centra en las similitudes de cómo y cuándo se llevarán a cabo las prácticas. Se separan en tres tipos.
Frontales: En las que todos los estudiantes realizan la práctica de laboratorio con el mismo diseño experimental e instrucciones para su desarrollo. Casi siempre se realizan al concluir un ciclo de
1 Situación problémica: Espacio de interrogantes que posibilita, tanto la conceptualización como la simbolización y aplicación significativa de los conceptos para plantear y resolver problemas de tipo matemático.
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conferencias de un contenido teórico de determinado tema y se utiliza como complemento de la teoría o para desarrollar habilidades manipulativas, de medición y otras. Se supone que se disponga de todos los recursos materiales necesarios para equipar varios puestos de trabajo, que satisfagan la matrícula y se pueda lograr la independencia de los estudiantes en el trabajo de laboratorio, al formar equipos de trabajo de un número razonable de integrantes. Este tipo de actividad, le permite al profesor iniciarla con una introducción y culminarla con unas conclusiones, ambas de carácter generalizador.
Por Ciclos: El sistema de prácticas de laboratorio se fracciona en subsistemas según la estructura didáctica del curso, siguiendo como criterio las dimensiones del contenido, o sea, unidades conceptuales, procedimentales o actitudinales. Aventaja a las Frontales en que se necesita equipar menor cantidad de puestos de trabajo de un mismo diseño experimental y que las experiencias de los estudiantes pueden ser transmitidas de unos a otros, lográndose una mejor preparación para el desarrollo de la actividad. Como toda forma de organización docente, ésta también se estructura siguiendo los momentos introductorios, de desarrollo y conclusiones, pero como es obvio, el profesor no podrá hacerlo de forma generalizadora como en el caso de los frontales.
Personalizadas: A diferencia de las anteriores, los estudiantes se encuentran en el laboratorio ante una situación que requiere de un mayor esfuerzo en el estudio individual, respecto a su preparación para la práctica de laboratorio, y por tanto, una mayor independencia, pues van rotando por diferentes diseños experimentales relacionados con determinados contenidos de la asignatura que recibirán durante todo el curso y que puede ser que aún no lo hayan recibido en las clases teóricas. Por lo general se usa cuando no se cuenta con el equipamiento suficiente y sólo se puede diseñar un experimento de cierto contenido o tema. La introducción y las conclusiones de la actividad se particularizan a cada equipo de estudiantes en su puesto de trabajo.
Criterio 4. Por su carácter organizativo docente. Agrupa a las prácticas conforme a las acciones que coordina el profesor durante el curso de la asignatura. Ofrece tres posibilidades.
Temporales: Se llaman así a las prácticas de laboratorios que se planifican en el horario docente y que el profesor ubica, con el tiempo de duración correspondiente, para que sea de estricto cumplimiento por parte de los estudiantes. Estas se realizan casi siempre posteriores a la impartición en Conferencias y Clases Prácticas del contenido teórico de las mismas, de forma que se complete un ciclo de desarrollo y/o formación de conocimientos hábitos y habilidades en el proceso enseñanza-aprendizaje.
Espaciales: Se le informa a los estudiantes, al inicio del curso escolar, el sistema de prácticas de laboratorios que deben realizar en la asignatura para darle cumplimiento a los objetivos de su programa de estudio, y se le facilitan las orientaciones para su realización. Los alumnos deciden en qué momento (intervalo espacial) realizarán tales prácticas, de manera independiente. Algunos docentes prefieren llamar a este tipo de práctica de laboratorios como “libres”.
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Semi-temporales / Semi-espaciales: Se consideran un término intermedio entre las dos anteriores, debido a que se establece un límite espacio-temporal, en su planificación docente, para que los alumnos puedan y deban realizar las prácticas de laboratorios correspondientes a determinado ciclo de los contenidos teóricos. Los estudiantes deciden el orden y frecuencia de realización de las prácticas, teniendo en cuenta que deben haber cumplido el ciclo en un límite de tiempo fijado para poder pasar a un próximo subsistema de prácticas. Estas dos últimas clasificaciones requieren un mayor sentido de la responsabilidad en los estudiantes.
Si bien es cierto que las clasificaciones antes expuestas facilitan la elección de las prácticas que se pueden implementar en el aula, el simple conocimiento de ellas no aventaja al profesor en el aprovechamiento del uso de la experimentación didáctica de otros educadores que, por desconocimiento, no las utilizan. Hace falta, pues, la labor del docente, como mediador entre el conocimiento y el aprendizaje, el análisis y diagnóstico de sus grupos escolares con la finalidad de seleccionar, adecuar y desarrollar de la mejor forma posible sus prácticas de laboratorio.
Otro aspecto que sin duda facilita el aprendizaje es que se revise el contexto científico en el cual se desarrollaron las ideas y conceptos de los temas que se vayan a estudiar; por este motivo, en el capítulo II, se ofrece un recorrido cronológico de los avances científicos que condujeron a la creación y mejora de los conceptos actuales del tema de calor.
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BIBLIOGRAFÍA
Enplenitud, ¿Cómo es un adolescente? (25 de mayo de 2009). Recuperado el 25 de mayo de 2009, de
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15
CAPÍTULO II. CRONOLOGÍA DEL ESTUDIO DEL CALOR.
En los párrafos siguientes se presenta una breve recopilación de la evolución de las ideas y de los
conceptos inherentes al estudio del calor. Se ha procurado además, despertar la inquietud del lector para
descubrir los cuestionamientos que han surgido en épocas anteriores a la nuestra y cómo es que los
científicos, a través de la experimentación, han dado respuesta a ellos.
Desde los tiempos de la prehistoria, el ser humano ha tratado de controlar la manifestación más
tangible del calor: el fuego. No es de sorprender que tiempo después, Aristóteles (384 - 322 a.C.)
considerara al fuego como el más misterioso de los cuatro elementos terrestres (Guillén, 2007).
Fue hasta el año de 1623 d.C. que Galileo Galilei (1564-1642) hace público su libro “el ensayador”
y que, por la metodología que expone en él, se da inicio al Método Científico y con ello, al desarrollo de las
ciencias (Bravo, 1991). Así, teniendo como base dicho método de estudio, en el año de 1701, Isaac
Newton (1643-1727) publica en la revista Philosophical Transactions de la Royal Society el primer artículo
científico que trata, específicamente, el tema del calor. En ese documento titulado “Tabula quantitatum et
graduum Caloris”, Newton reconoce la necesidad de tener un intervalo comparable de temperatura I y
detalla la primera escala, además describe cómo utilizó la dilatación del aceite de lino ocasionada por la
fusión del hielo a partir de una pequeña pieza de leña caliente (Brewster, 1833). A esta investigación se le
considera como iniciadora en el establecimiento de las leyes que describen las diferentes formas de
transferencia de calor. Newton también propone su “ley de enfriamiento”, cuya forma solución es
(Ec. 1)
Donde es la temperatura del cuerpo en el tiempo , es la temperatura del medio ambiente, es la
temperatura inicial del cuerpo y es una constante de proporcionalidad que, años después se
demostró que relaciona al coeficiente de intercambio de calor α, la superficie S, la masa y el calor
específico del cuerpo.
En general, el desarrollo de la termometría, la termostática y la termodinámica se da durante el
periodo histórico conocido como Revolución Industrial, periodo que comprende la segunda mitad del siglo
XVIII y el inicio del siglo XIX. En él se construye uno de los más grandes avances tecnológicos de la
humanidad, la máquina de vapor. Estos avances en el estudio del calor se dan, en parte, por la invención
I Como se aprecia en el título del artículo, todavía se hablaba de “grado de calor” en lugar de temperatura.
16
del termómetro de mercurio, obra de Daniel Gabriel Fahrenheit II (1686-1736), en 1714 y también por la
creación de escalas de temperatura con puntos de referencia fijos, como la propuesta por el mismo
Fahrenheit en 1724 y la propuesta por Anders Celsius (1701-1744) en 1742. En la primera escala se
marcó el grado cero en la temperatura más baja que se obtuvo mezclando sal con hielo, en tanto que en la
segunda escala, se señaló en la temperatura de congelación del agua a la presión normal de 1 atmósfera.
Estas aportaciones ayudaron a los científicos a cuantificar lo que, hasta esa época, sólo era una
percepción de frío o caliente, además de permitirles reproducir las mediciones de sus experimentos o de
cualquier otro científico en cualquier parte del mundo (Schlager & Lauer, 2000).
Los conceptos acerca del calor que se tenían en el siglo XVIII se basaban en los artículos médicos
de Galeno (130-200), quien creía que los cuerpos tenían diferentes cantidades de calor y que éste era una
sustancia material muy parecida a un fluido, fluido al que Antoine Lavoisier (1743-1794) le nombró
calórico. Además, se consideraba que la cantidad de fluido era proporcional al volumen medido. Esta
creencia fue modificada por Joseph Black (1728-1799) apoyándose en los trabajos de Fahrenheit y de
George Martine (1700-1741). Fahrenheit había demostrado que la temperatura de la mezcla de tres partes
de agua y dos partes de mercurio se equilibraba a la mitad de las dos temperaturas iniciales – resultado
que sólo sería posible si los volúmenes iniciales fueran iguales. Adicionalmente, Martine demostró
experimentalmente que cuando se calientan volúmenes iguales de agua y mercurio, la temperatura del
mercurio aumenta más rápido (1739) – resultado que no es posible si sólo el volumen determina la cantidad
de calor que un objeto puede absorber (Schlager & Lauer, 2000).
Black estableció en 1760 que la cantidad de calor en cualquier cuerpo es proporcional a su
temperatura, masa y capacidad calorífica, definiendo “capacidad calorífica” como la cantidad de calor
requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia dada en un grado. Johann
Carl Wilcke (1732-1796), independientemente de Black, llegó a la misma conclusión en 1781, refiriendo al
calor de una sustancia como “calor específico” (Schlager & Lauer, 2000).
Otro logro de la habilidad de Black, de concebir al calor como una cantidad física medible diferente a
la temperatura, fue formular el concepto de “calor latente”, concepto que años después ayudaría a los
científicos a desechar la teoría del calórico. Black mostró que cuando las sustancias pasan por un cambio
de fase (p. ej. de sólido a líquido) absorben calor sin cambiar su temperatura; y de acuerdo a la teoría del
calórico, lo interpretó como un calor oculto que aún podía afectar potencialmente al termómetro de
medición, por lo cual le llamó “calor latente” (Schlager & Lauer, 2000).
II A Galileo Galilei (1564-1642) se le considera como el constructor del primer termómetro (1592), pero este dispositivo
no tenía una escala numérica que permitiese medir la temperatura.
17
Para el año de 1784, Pierre Simon LaplaceIII (1749-1827) inventó un instrumento conocido como
calorímetro de hielo. Este calorímetro mide la cantidad de hielo fundido debido al peso de una sustancia
caliente cuya temperatura se conoce, con ello se calcula matemáticamente el calor específico de la
sustancia.
Con estas investigaciones previas, en 1787 Benjamin ThompsonIV (1753-1814), mejor conocido en
la historia como Conde de Rumford, repitió cuidadosamente un experimento propuesto por George Fordyce
(1736-1802), el cual consistía en medir el peso de una sustancia durante su cambio de fase con intención
de calcular el peso del calórico que se acumularía debido al calor latente; como Thompson, a diferencia de
Fordyce, no encontró variación en el peso de la sustancia concluyó que el calor debía de ser una forma de
movimiento y no una sustancia (Schlager & Lauer, 2000).
En 1798, Rumford aportó una prueba más contundente de la inexistencia del calórico cuando
observó que se genera calor a partir de la acción mecánica de friccionar una broca en un cañón mientras
está siendo taladrado. De acuerdo a la teoría del calórico, el taladro rompía en pedazos el metal, dejando
que el calórico contenido fluyera hacia afuera, como lo hace el agua de un recipiente roto. Para mejorar sus
observaciones, Rumford utilizó un cañón desgastado, el cual no pudo ser perforado y sin embargo, produjo
mayor calentamiento con la fricción de la broca. A partir de esta observación, formuló la hipótesis mecánica
sobre la naturaleza del calor haciendo a un lado la tesis del calórico de Lavoisier que supone la
conservación del calor.
Empezó el siglo XIX con esta revolución de ideas sobre el entendimiento del calor y con ello, el
interés por estudiar sus formas de transferencia. Fue Jean Baptiste Biot (1774-1862) el iniciador principal
del análisis de la conducción de calor y en 1804, después de realizar el primer ascenso científico en un
globo aerostáticoV, formula la ley básica de la conducción del calor en medios discretosVI a partir de
observaciones experimentales (Enciclopædia Britannica, 2009). En esta ley, Biot establece que la
transferencia de calor por conducción en un sólido se da cuando las partículas que primero se calientan, al
no poder mudar de sitio, comunican el exceso de su temperatura a las que los rodean, y sólo de este modo,
y de una en otra, se transmite este exceso a las partículas más separadas (Biot, 1817).
En 1807 Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830) presenta, ante la Academia de Ciencias de
Paris, su Memoria sobre la conducción del calor pero debido a la falta de rigor matemático no es publicada.
III A Laplace se le considera como el científico que puso los cimientos de la ciencia moderna de la termodinámica.
IV Es muy interesante la historia personal de Thompson pues paso de ser espía, a ser el esposo de la viuda de
Lavoisier para terminar donando su riqueza a la creación del primer centro de investigación científica, en Harvard. V El ascenso lo realizó junto con Gay-Lussac y se efectuó para analizar las propiedades físicas y químicas de la
atmósfera, esto le ayudo a Lussac a formular su ley de los gases. VI
Conocida con el nombre de ecuación de Fourier, ya que él fue el primero en aplicarla en su Teoría Analítica del Calor.
18
Transcurrieron 15 años desde el primer intento de publicar su Memoria del calor, mismos que Fourier
aprovechó para perfeccionarla y convertirla en su obra maestra Theorie analytique de la Chaleur (Teoría
Analítica del calor), obra que, finalmente se publica en 1822 (O'Connor & Robertson, Jean Baptiste Joseph
Fourier, 1997). Este trabajo es considerado como uno de los libros más importantes publicados en el siglo
XIX por haber marcado una época en la historia de las matemáticas puras y aplicadas. En ella, Fourier
desarrolla la serie conocida por su nombre y lo aplica a la solución de problemas de valor límite en
ecuaciones diferenciales parciales. Como se mencionó anteriormente, Fourier fue el primero en lograr
construir una teoría matemática del calor (Greiner, Neise, & Stöker, 1997), a continuación se presenta esta
Ley en su forma unidimensional
(Ec. 2)
Donde es la razón de cambio del calor respecto al tiempo, es el área de conducción del calor normal
a la dirección , es la conductividad térmica del material, que es una medida de la capacidad del material
para conducir el calor y es el gradiente de temperatura en una dimensión, es decir, nos señala la
dirección en la que la temperatura crece. El signo negativo de la ecuación indica que el calor fluye de lo
caliente a lo frío en la dirección positiva de .
Una obra con menor suerte que la de Fourier y que pasó casi inadvertida entre sus contemporá-
neos, fue la publicada por Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) en el año de 1824. Este documento
es el único trabajo científico de su autoría y lleva por título Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur
les machines propres à développer cette puissance (Carnot, 1824). En esta obra, Carnot expresa el
siguiente enunciado:
“La producción de potencia motriz en las máquinas de vapor se debe no a un auténtico consumo de
calóricoVII
, sino a su transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío”.
Tiempo después, esas líneas sirvieron como fundamento para establecer la Primera Ley de la
Termodinámica que ahora conocemos: en la transformación de cualquier tipo de energía en energía
térmica, o viceversa, la energía térmica producida equivale, exactamente, a la energía transformada.
Además, Carnot menciona lo que más adelante se interpretaría como la Segunda Ley de la
Termodinámica:
“La potencia motriz del calor depende de la cantidad de calórico empleado y de lo que se podría
denominar, y que efectivamente nosotros lo llamaremos así, la altura de su caída, la diferencia de
temperatura de los cuerpos entre los que se realiza el cambio de calórico”.
VII Cabe recordar que, a inicios del siglo XIX, en la comunidad científica coexistían la teoría del calórico y la teoría del
calor como una forma de movimiento. Aun no se acuñaba el término de energía.
19
El escrito, como no contenía análisis matemático y no aportaba nuevos datos experimentales, fue
considerado más un tratado de filosofía natural que un libro científico. Sin embargo, Carnot logró establecer
las condiciones para la máxima eficacia de las máquinas térmicas y consideró, por primera vez, la
transformación de calor en trabajo y viceversa (O'Connor & Robertson, Sadi Nicolas Léonard Carnot, 1998).
Diez años después, en 1834, Benoit Paul Émile Clapeyron (1799-1864) retomó el tratado de
Carnot expresándolo analíticamente y añadiéndole representaciones gráficas. Esto permitió que el trabajo
de Carnot dejara de ser virtualmente desconocido y se iniciara el estudio del Ciclo de Carnot a través de
fórmulas matemáticas, convirtiéndole en la fuente fundamental de inspiración de la termodinámica moderna
(O'Connor & Robertson, Benoit Paul Émile Clapeyron, 1998).
A mediados del siglo XIX, casi veinte años después de la publicación de Fourier, en el año de
1840, James Prescott Joule (1818-1889) formuló la ley que lleva su nombre y que relaciona
matemáticamente la cantidad de calor ( ), el cuadrado de la intensidad de la corriente eléctrica ( ), la
resistencia ( ) y el tiempo ( ) en los conductores por los que circula una corriente eléctrica (Asimov, 1999),
esto es
(Ec. 3)
Tres años después, en 1843 logra determinar el Equivalente Térmico del Trabajo Mecánico,
basando sus trabajos en la Ley de la Conservación de la EnergíaVIII descubierta por Julius Robert von
Mayer (1814-1878) un año antes (Lienhard, 1988). Joule demostró que para cualquier clase de trabajo
realizado, ya sea por una corriente eléctrica o por una rueda de paletas que agitan agua, se produce calor y
estableció la cantidad de energía mecánica necesaria para producir una unidad de energía térmica.
Actualmente, la unidad empleada para expresar la energía, el joule (J), se denomina así en su honor. Dicha
unidad se define como 1 N·m (Newton·metro) y equivale al Watt·segundo.
Todavía en ese tiempo, los científicos trabajaban con termómetros de diferentes sustanciasIX con
base a la temperatura que analizarían, ya que cada sustancia tiene una dilatación térmica diferente, esto
ocasionó numerosos problemas prácticos. La solución ideal sería utilizar una escala válida para cualquier
rango de temperatura e independiente de cualquier sustancia empleada. Fue en 1848 que William Lord
Kelvin, también conocido como Sir William Thomson (1824-1907), haciendo consideraciones de carácter
teórico, logra formular la teoría de la "muerte entrópica" a -273,15 ºC, es decir, establece el punto
VIII También se le atribuye la paternidad de esta idea a Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, quien la dio a
conocer en 1847 sin el conocimiento de los trabajos de Mayer (Asimov, 1999). Con estos escritos se inicia el uso del término energía, que significa movimiento. IX
El alcohol, el mercurio y el hidrógeno fueron las más comunes.
20
correspondiente a la temperatura del cero absoluto. Además, propuso la escala de temperatura que está
dividida de forma similar a la escala Celsius y que considera como punto cero al valor correspondiente al
cero absoluto. La unidad empleada por él fue el grado Kelvin (Schlager & Lauer, 2000), actualmente
simbolizado mediante K.
En 1856, Kelvin también formuló el efecto Thompson termoeléctrico, expresando la generación de
calor en los conductores por los que circula una corriente eléctrica. Independientemente de Rudolf Julius
Emanuel Clausius (1822-1888), Thompson descubrió el segundo principio de la termodinámica
(Encyclopædia Britannica, 2009) que expresó de la siguiente manera: es imposible para una máquina
autosuficiente, sin ayuda de ningún agente externo, transportar calor de un cuerpo a otro de mayor
temperatura.
En este periodo, el área instrumental también tuvo avances significativos, ejemplo de ello, es el
mechero inventado en 1855 por Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899), instrumento que lleva su nombre y
que le ha hecho muy conocido. Este instrumento logra la combustión completa del gas empleado al
mezclarlo con aire (Encyclopædia Britannica, 2009), lo que le permite alcanzar temperaturas de entre 300 y
1,500 ºC. En 1859, Bunsen, creó, en colaboración con Gustav Robert Kírchhoff (1824-1887), el análisis
espectral (Ridpath, y otros, 2004). Ellos se dieron cuenta que al calentar ciertas sustancias, el espectro de
luz comúnmente llamado arcoíris, es diferente para cada elemento.
En el mismo año, Kirchhoff formuló las leyes que llevan su nombre referidas a los circuitos eléctricos
e inventó un calorímetro de vapor para la medición del calor. Asimismo, su inquietud le llevó a estudiar la
energía radianteX y a formular la Ley de la Radiación que también lleva su nombre y que matemáticamente
se expresa como
(Ec. 4)
Esta relación afirma que la emisividadXI total de un cuerpo negroXII a la temperatura T es igual a su
absortividadXIII total a la misma temperatura (Longair, 2006).
X Energía que se transmite en forma de ondas electromagnéticas, mismas que no necesitan un medio material para
desplazarse. XI
Es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie debida a una diferencia de temperatura. XII
Objeto ideal que absorbe toda la energía radiante incidente sobre él. La radiación no se refleja ni pasa al objeto. XIII
Fracción de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta.
21
Después de la aparición de la ley de radiación de Kirchhoff, transcurren veinte años cuando en 1879
Josef Stefan (1835–1893) observa experimentalmente que la radiación de un radiador perfectoXIV emite
radiación de todas las longitudes de onda y es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta
(Encyclopædia Britannica, 2009), es decir,
(Ec. 5)
donde la constante de proporcionalidad σ es la constante de Stefan-Boltzmann cuyo valor es
.
En 1884, Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) demostró teóricamente la ley descubierta
experimentalmente por su maestro, Josef Stefan, por lo que ahora se le conoce como Ley de Stefan-
Boltzmann. Boltzmann, como defensor de la hipótesis atomista, basó la termodinámica en la mecánica de
las partículas materiales más pequeñas empleando para la descripción del comportamiento de dichas
partículas las leyes estadísticas (O'Connor & Robertson, Ludwig Boltzmann, 1998). De este modo,
estableció la teoría cinética de los gases, que explica el aumento de la temperatura mediante el incremento
de la velocidad de las moléculas que forman a un gas.
En 1899, mientras investigaba en el campo principal de su actividad científica, la teoría de las
radiaciones y la termodinámica, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) descubrió el cuanto de
acción, que es una constante de la naturaleza que desempeña un papel fundamental en el edificio teórico
de la Teoría Cuántica de la cual forma parte como fundador el propio Planck.
En el último año del siglo XIX, en 1900, Planck formuló la Ley de la Radiación de Planck, que se
expresa como
(Ec. 6)
Donde T es la temperatura absoluta de la superficie, es la longitud de onda de la radiación emitida y
es la constante de Boltzmann, es la velocidad de la luz y es la constante de
XIV Radiador que absorbe toda la radiación que cae sobre él y no la refleja.
22
Planck. Con ella se inicia una nueva era de la Física Teórica, siendo uno de los principios fundamentales
de la Física Cuántica, que es la teoría que predice, de forma implícita, que en la física subatómica no son
válidas las leyes de la mecánica clásica dado que éstas se concibieron para procesos continuos (Kuhn,
1987).
En el siglo XX, más de doscientos años después de la publicación de la Tabula quantitatum et
graduum Caloris de Newton, de las escalas de temperatura y de todas las ideas revolucionarias acerca del
calor, Wilhelm Nusselt (1882–1957) publica en 1915, “las leyes básicas de la transferencia de calor”, en
las que propone por primera vez los Números AdimensionalesXV que ahora son considerados como los
principales parámetros de la Teoría de Transferencia de Calor (Grigull, Sandner, Straud, & Winkler, Wilhelm
Nusselt, 1982).
Otro científico que mejoró las teorías sobre la transferencia de calor, en el siglo pasado, fue Ernst
Schmidt (1892-1975) que sobresalió en ingeniería termodinámica. Uno de sus primeros esfuerzos de
investigación fue la medición de las propiedades de radiación de los sólidos, que le llevó a proponer y
desarrollar el uso de papel aluminio como blindaje eficaz de la radiación. En 1925, es nombrado Profesor y
Director del Laboratorio de Ingeniería en la Universidad Técnica de Gdansk, Polonia. Aquí publica los
trabajos sobre el ahora conocido "Método Gráfico Diferencial para Conducción Inestable de Calor" y sobre
"Método de Schlieren y Método de sombras" para hacer visibles los límites térmicos y locales para obtener
coeficientes de transferencia de calor. Documento que señala la analogía entre calor y la transferencia de
masa causada por la cantidad adimensional llamada "Número Schmidt” (Grigull, Sandner, Straud, &
Winkler, Ernst Schmidt, 1982).
En la actualidad, por la etapa de especialización que viven las ciencias, las investigaciones se han
enfocado en profundizar la comprensión de las teorías que se tienen, más que en la búsqueda de nuevos
conceptos; con ello, el estudio del calor (termodinámica) también ha adquirido cierta madurez en cuanto a
su entendimiento.
Antes de concluir con este viaje a través de la historia científica, en la ilustración 1 se muestran, a
manera de resumen esquemático, los científicos más reconocidos en el estudio del calor; en el diagrama se
presentan los años y el área en que dedicaron su investigación para este fin. Los científicos que aparecen
en el recuadro central, hicieron aportaciones en dos o más áreas de la transmisión del calor.
XV Estos números no tienen dimensiones físicas que los definan y por lo tanto son números puros. Surgen como
productos o cocientes de cantidades que sí tienen unidades de tal forma que todas ellas se cancelan. Dependiendo de su valor, se les otorga un significado físico que caracteriza determinadas propiedades para algunos sistemas.
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Ilustración 1. Científicos que han contribuido con adelantos significativos en el estudio del Calor.
Este rápido recorrido por los acontecimientos científicos ha procurado resaltar a las personas y
científicos que más han destacado en el estudio del calor, esperando que se disculpen las omisiones en las
que, ya sea por desconocimiento o por la intención de brevedad, se hayan incurrido. Confío en que cada
institución guarde en sus historias a estos y muchos más hombres de ciencia que han contribuido con la
gran labor de la investigación científica referente al estudio del calor y que alienten a sus estudiantes a
continuar en esta búsqueda de la verdad, ya que aún faltan muchos nombres por escribir en la historia.
24
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26
CAPÍTULO III. PRÁCTICAS DE LABORATORIO TEMA: CALOR.
3.1 Propuesta de prácticas de laboratorio tema: Calor.
En capítulos anteriores se menciona la importancia que tiene la realización de experimentos tanto en la actividad científica como en el proceso enseñanza-aprendizaje; así mismo, se mostró el panorama histórico de los acontecimientos más relevantes que condujeron el establecimiento de las leyes del calor y de la temperatura. En este apartado corresponde apoyar en los esfuerzos para solventar la insuficiencia en la enseñanza y en la comprensión de los conceptos del calor y la temperatura en nuestro país; para ello, en este capítulo, se proponen cinco prácticas de laboratorio adecuadas a la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS) para el bloque II de la asignatura de física II, llamado Identificas diferencias entre calor y temperatura. Este bloque tiene asignadas 20 sesiones de 50 minutos y, de manera oficial, sólo se imparte de manera teórica.
Los experimentos, aquí propuestos tienen una duración estimada de 40 minutos (requisito que pide la DGB para poder implementar cualquier práctica de laboratorio). También se ha considerado para su desarrollo, material accesible en la mayoría de las comunidades del país. Las prácticas están apegadas al proceso del Método Científico pero, únicamente por brevedad, en algunas de ellas se omite el análisis de los datos por parte de los estudiantes; es decir, son de comprobación simple (ver sección 1.3).
A continuación se enlistan los cuatro subtemas en que la DGB divide al bloque del estudio del calor y la temperatura y que, por lo tanto, son los que se abordan en las prácticas:
1) El calor y la temperatura. 2) La dilatación térmica. 3) El calor específico. 4) Procesos termodinámicos.
Las prácticas propuestas se presentan en dos versiones, la primera de ellas para el alumno y la segunda para el docente. Los componentes de la versión del alumno son:
Introducción al tema de estudio.
Material sugerido.
Montaje del dispositivo.
Procedimiento para efectuar las observaciones.
Preguntas de reflexión como conclusiones.
La versión para el docente incluye:
Explicación del desarrollo experimental.
Análisis físico del experimento.
Posibles contratiempos que se pueden presentar durante su ejecución.
27
3.2 Práctica 1. EL CALOR Y LA TEMPERATURA.
3.2.1 Versión para el estudiante.
Introducción.-
El uso incorrecto en el lenguaje cotidiano de los términos “calor y temperatura” ha ocasionado que se dificulte la comprensión de éstos conceptos durante su estudio formal. Para evitar estas confusiones, los científicos emplean las siguientes definiciones a estos términos:
Temperatura.- Medida del promedio de la energía cinética de traslación de las partículas contenidas en una sustancia. Lo que se mide con ayuda de un termómetro, es el promedio del movimiento de las moléculas, por lo tanto, la temperatura es independiente de la cantidad de masa o naturaleza del objeto.
Calor.- Energía que se transfiere entre dos sistemas en virtud de una diferencia de temperatura. Pasa de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos.
Energía interna.- Resultado de la suma de las energías interiores de una sustancia. Estas son: su energía potencial debido a las fuerzas entre sus moléculas, la energía cinética de traslación y de rotación de sus moléculas.
Como ahora se sabe que el calor es una forma de energía, tiene como unidad el Joule (J); sin embargo, anteriormente se empleó una unidad basada directamente en métodos de medida térmicos, esta unidad es la caloría. La caloría se definió como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado Celsius (1 ºC) la temperatura de un gramo (1 g) de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión de una atmósfera (1 atm), presión denominada presión normal (Schlager & Lauer, 2000).
Experimento.-
Verter dos volúmenes diferentes de agua, en equilibrio térmicoi, sobre hielo para observar cuál de ellos funde mayor cantidad de éste.
i Estado en el cual todas las componentes de un sistema o cuerpo tienen igual temperatura.
Observar que dos masas distintas de un mismo cuerpo en equilibrio térmico poseen diferente energía térmica.
Agua.
Cubos de hielo.
2 recipientes de diferente tamaño (pueden ser vasos).
1 termómetro.
Cámara digital (opcional).
Báscula (opcional).
28
Este experimento es de suma facilidad ya que tiene un fin demostrativo, pero se requiere observar adecuadamente el fenómeno. Pasos a seguir:
1. Viertan agua de la misma fuente en los recipientes asignados
para ello. Las cantidades de agua deben ser notablemente diferentes para facilitar las observaciones.
2. Midan la temperatura que tiene el agua en cada recipiente
para verificar que su valor es el mismo.
3. Coloquen igual cantidad de cubos de hielo en cada recipiente con agua. Observen cuál de los dos volúmenes funde mayor cantidad de hielo en 4 minutos. Describan sus observaciones en la tabla 3.1.
4. Compartan sus observaciones y compárenlas con las obtenidas por otros equipos.
Sustancia (agua) Descripción
Volumen menor
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Volumen mayor
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Tabla 3.1. Observaciones efectuadas en el experimento El calor y la temperatura.
Para concluir.-
De acuerdo a sus observaciones, ¿la temperatura depende del volumen de los cuerpos? ____________ ¿El hielo o el agua es el que cede calor en este experimento? _________________________________
Los cuerpos bajo la sombra alcanzan un equilibrio térmico al cabo de unos minutos, lo mismo sucede con los materiales contenidos dentro de tu aula, ¿Es cierto que la mesa de trabajo, el suelo y las paredes tienen la misma energía térmica?________________ ¿Están a la misma temperatura? ________________
De manera grupal comenten y escriban qué tan eficaz es el sentido del tacto para determinar la temperatura. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Figura 1. Dos volúmenes diferentes
de una misma sustancia contienen hielo ocasionando que éste se funda.
29
3.2.2 Versión para el docente.
Desarrollo experimental.-
El experimento del tema El calor y la temperatura se ha diseñado con la finalidad de que los estudiantes observen que el calor es una forma de energía interna y que la temperatura es una medida promedio de la energía cinética de ésta.
Se inicia el procedimiento con la separación de una sustancia en dos recipientes. Se ha propuesto utilizar agua para este fin ya que es el líquido más conocido. Como el agua se obtiene de la misma fuente, permite suponer que está a la misma temperatura. En seguida se mide la temperatura en cada recipiente para verificar este supuesto. Es útil mencionar que el termómetro muestra su propia temperatura; esto se explica con la llamada Ley Cero de la Termodinámica, conocida también como Ley del Equilibrio Térmico. Efectivamente, cuando un termómetro está en contacto térmico con algo cuya temperatura se desea conocer, entre los dos se intercambiará energía hasta que sus temperaturas sean iguales y se establezca el equilibrio térmico.
Una vez que se establece que las dos cantidades de agua están a la misma temperatura, se agrega la misma cantidad de cubos de hielo en cada uno de los recipientes con el fin de observar cuál de los dos grupos se funde más. Se sugiere que los estudiantes utilicen volúmenes notablemente diferentes de agua (por ejemplo, medio vaso y un vaso) para que los efectos provocados en la masa de hielo se aprecien mejor.
Por último, se registran las observaciones en la tabla 3.1 y se les propone a los equipos que intercambien experiencias para fortalecer lo aprendido durante la práctica.
Análisis.-
La temperatura, tal como se define en la versión para el estudiante, es el promedio del movimiento de traslación de las moléculas de una sustancia. Ello nos permite afirmar que su valor es independiente de la cantidad de masa o de la naturaleza del objeto que se estudie. En física, a este tipo de propiedades se les llama propiedades intensivasii de la materia. En el experimento se puede verificar este hecho al momento de separar el agua en dos cantidades diferentes y medir su temperatura.
Por otra parte, al agregar los cubos de hielo en los recipientes podemos notar que el que contiene mayor volumen de agua es el que funde más cantidad de hielo, así como el de menor volumen funde menos hielo. Lo anterior es porque la energía interna que tienen los cuerpos depende de la temperatura y también de la cantidad de sustancia, pero en este caso por estar a la misma temperatura, tendrá mayor energía interna el que tiene mayor volumen. A decir verdad, todos los tipos de energía dependen del tamaño del sistema y son parte de las propiedades llamadas Extensivasiii.
ii Propiedades que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de los cuerpos, por lo que el valor
permanece inalterable al dividir el sistema inicial en varios subsistemas. Algunos ejemplos son la temperatura, la presión, la densidad, la velocidad, el punto de ebullición, el punto de fusión, la dureza, la viscosidad, la concentración, entre otras. iii
Propiedades físicas que sí dependen de la cantidad de sustancia de los cuerpos, como lo son: la masa, la energía, el volumen, el peso, la entropía, entre otras.
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Contratiempos frecuentes.-
Durante la ejecución previa de este experimento se observaron algunos contratiempos. Con la finalidad de evitarlos, a continuación se enlistan los más comunes:
Los recipientes empleados no tienen forma parecida lo que provoca confusión al momento de realizar las observaciones.
El termómetro disponible no cubre el rango necesario para medir la temperatura del agua de la llave
(aproximadamente entre 10º y 30º C).
Los volúmenes de agua son similares en ambos recipientes.
La cantidad de cubos de hielo son diferentes en ambos recipientes.
31
3.3 Práctica 2. LA DILATACIÓN TÉRMICA.
3.3.1 Versión para el estudiante.
Introducción.-
En la época actual, medir la temperatura de los cuerpos o del medio ambiente es una actividad común y relativamente sencilla; de hecho, los termómetros ya sean clínicos o ambientales, pueden ser adquiridos por cualquier persona en diferentes comercios. Sin embargo, esto no siempre fue así, en sus inicios, el uso y entendimiento de los termómetros estaba limitado a unos cuantos científicos en todo el mundo.
En el año de 1592 Galileo Galilei construyó un instrumento con el que se apreciaban las variaciones de temperatura; no obstante, como no tenía una escala con la cual cuantificar la temperatura, sus aportaciones al entendimiento de los fenómenos térmicos estaban limitadas al aspecto cualitativo. Este instrumento llamado termoscopio es considerado el antecesor del termómetro (Schlager & Lauer, 2000).
Para 1612 el fisiólogo Santorio Santorio (1561 - 1636), colega de Galileo en la Universidad de Padua, agregó una escala numérica al termoscopio construido por Galilei, construyendo así el primer termómetro que, por sus fines prácticos, fue un termómetro clínico (Schlager & Lauer, 2000).
Más de un siglo después del termómetro de Santorio, en 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit propuso utilizar una escala de temperatura con puntos de referencia fijos, estableciendo arbitrariamente dos puntos: cero grados (0 ºF) para la congelación de una mezcla de sal con hielo y 96 grados (96 ºF) para la temperatura normal del cuerpo humano. En la escala Fahrenheit, la fusión del hielo sucede a los 32 grados (32 ºF) y la ebullición del agua, a presión normal de 1 atmósfera, a los 212 grados (212 ºF).
Casi 20 años después de la escala de Fahrenheit, en 1742, el astrónomo Anders Celsius propuso una escala que tiene como punto de cero grados (0 ºC) a la fusión del hielo, y de 100 grados (100 ºC) al punto de ebullición del agua; debido a esta división de 100 grados, la escala Celsius es comúnmente conocida como escala centígrada.
Posterior a la escala Celsius, fue propuesta una nueva escala estable de temperatura. En esta ocasión, fue Lord Kelvin quien, en 1848, consideró al cero absolutoiv como el punto inicial para esta nueva escala, llamada escala absoluta de temperatura. El valor que, comúnmente, se le da al cero absoluto corresponde a -273.15 ºC, aproximadamente -460 ºF (Schlager & Lauer, 2000).
Experimento.-
Aprovechar la dilatación regular volumétrica que presenta el alcohol cuando es calentado para construir un termoscopio como el de la figura 2. Marcar algunas temperaturas de referencia comparándolas con un termómetro de mercurio y convertir estos grados a la escala Fahrenheit y a la escala absoluta de temperatura.
iv Si enfriamos progresivamente un gas manteniendo su volumen constante, notaremos que su presión desciende en
cantidades casi iguales por cada grado de descenso de la temperatura. La temperatura a la que ese gas hipotético dejaría de ejercer presión alguna, recibe el nombre de cero absoluto.
32
Montaje experimental.-
1. Viertan alcohol en el matraz, agregando un poco del colorante vegetal, hasta que se llene. 2. Peguen el rectángulo de papel en el tubo de cristal. Esto servirá para registrar las marcas de la escala. 3. Introduzcan cuidadosamente el tubo de cristal a través del hoyo que tiene el tapón monohoradado. Ajusten el tapón a la boca del matraz como se muestra en la figura 2.
4. Agreguen alcohol en la parte sobrante del tubo de cristal (es suficiente con un tercio de su altura saliente).
Toma de datos.-
1. Con el termoscopio de manera vertical y sin tocarlo (para evitar alterar la temperatura que registra), tracen una línea horizontal en el rectángulo de papel para indicar la altura correspondiente a la temperatura ambiente que hay al momento de hacer la graduación. Empleen la lectura del termómetro del laboratorio para conocer su valor y escríbanla en la tabla 3.2.
Matraz de Erlenmeyer de 250 ml.
Tapón monohoradado.
Tubo de cristal (diámetro de 5 mm y 8 cm de longitud).
Agua.
Alcohol etílico.
Termómetro graduado. Rango: 0 a 100º C.
Fuente de calor.
Hielo.
Recipiente para calentar y enfriar al matraz.
Rectángulo de papel de 1x5 cm.
Cinta adhesiva transparente.
Colorante vegetal (para comida).
Cámara digital (opcional).
Utilizar la propiedad de dilatación que tiene la materia al variar su temperatura para construir un termoscopio. Graduarlo con base en las escalas Celcius y Fahrenheit.
Figura 2. Termoscopio construido en la práctica Escalas de temperaturas y sus unidades.
33
2. Introduzcan el termoscopio junto con el termómetro de laboratorio en un recipiente; agréguenle agua y un poco de hielo. Esperen a que la altura del líquido del termoscopio llegue a su nivel más bajo y hagan una marca horizontal (A) en esa altura, fijando el valor de la temperatura conforme a la lectura del termómetro. Regístrenlo en la tabla 3.2.
3. Agreguen más hielo al recipiente y esperen a que la altura del líquido del termoscopio nuevamente descienda. Una vez que el nivel del termoscopio llegue a su nivel más bajo, realicen la marca horizontal B en la nueva altura. Apóyense en la lectura del termómetro del laboratorio para asignar el nuevo valor de la temperatura y regístrenlo en la tabla 3.2.
4. Sin retirar los materiales del recipiente, sitúen éste sobre la fuente de calor y enciéndanla. Regulen el calefactor para que provoque incrementos lentos de temperatura. Cuando el termómetro de laboratorio rebase los 50 ºC, apaguen el calefactor. La nueva marca horizontal en el termoscopio será C. Observen la lectura del termómetro del laboratorio para conocer el valor de esta nueva temperatura. Regístrenlo en la tabla 3.2.
5. Para finalizar, conviertan los grados Celsius a grados Fahrenheit con la ecuación y a
grados Kelvin con la ecuación . Completen la tabla 3.2.
6. Al concluir con sus mediciones, desalojen la solución del termoscopio en algún recipiente que permita su reutilización con el fin de evitar al máximo la contaminación.
Temperatura ambiente Marca A Marca B Marca C
Tabla 3.2. Registro de temperaturas medidas en el experimento La dilatación térmica.
Para concluir.-
El termoscopio construido en este experimento, una vez que es calibrado, se conoce como termómetro de alcohol, ¿Qué otro tipo de termómetro conocen? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ¿Cómo pudieran mejorar la precisión del termómetro que construyeron?
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________ Además de la dilatación de las sustancias, cualquier cambio físico observable que se produzca al variar la temperatura de los cuerpos se puede utilizar para construir un termómetro. Mencionen 3 cambios físicos con los que pudieran crear otro termómetro.
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
34
3.3.2 Versión para el docente.
Desarrollo experimental.-
Cualquier efecto medible originado por el calentamiento de un cuerpo puede servir de base para construir un termómetro. Pero de los muchos cambios posibles originados por la variación de temperatura, solamente cinco reunen las condiciones de facilidad de observación necesarias para su empleo en la práctica. Estos cambios son:
de volumen,
de presión (en los gases),
de la resistencia eléctrica,
de la fuerza electromotriz y
de color cuando los cuerpos se calientan suficientemente para ser luminosos.
En el experimento propuesto únicamente se emplea la variación de volumen de los cuerpos, efecto que recibe el nombre de dilatación.
En la primera parte de la práctica “La dilatación térmica” se presentan los pasos a seguir para la construir un termoscopio de alcohol etílico. Se ha propuesto esta mezcla ya que tiene una dilatación regular en el rango de la temperatura ambiente.
En el apartado de toma de datos se le pide a los estudiantes que realicen el proceso más básico empleado para la calibración de aparatos científicos, esto es, la comparación del dispositivo de interés con un patrón seleccionado.
Análisis.-
En general, la dilatación de los cuerpos presenta una dependencia directa, es decir, al aumentar la temperatura tambien lo hace su volumen y al disminuir la temperatura lo hace de igual forma su volumen. Solamente el agua, en el intervalo de 0 a 4º C, presenta una dilatación anómala; lo que significa que mientras disminuye la temperatura del agua, su volumen aumenta.
Consideremos a una sustancia con volumen inicial, , temperatura inicial, , volumen final, , temperatura final, y como constante de proporcionalidad, entonces
Variación del volumen, (Ec. 7)
Volumen final, (Ec. 8)
La constante se denomina coeficiente de dilatación volumétrico y depende de la naturaleza del cuerpo.
Despejando algebraicamente de la expresión 7, se deduce que
(Ec. 9)
Por lo tanto, representa, físicamente, la variación del volumen por unidad de volumen y grado de temperatura.
35
Como se menciona en la introducción de esta práctica, en la versión del estudiante, hay diferentes escalas para medir la temperatura. Por ejemplo, la escala Celsius, al igual que la escala absoluta de temperatura, divide el intervalo entre el punto de fusión del hielo y ebullición del agua, en 100 partes iguales. En cambio, la escala Fahrenheit, los divide en 180 partes.
Cada parte representa un grado, grado Celsius ( ), grado Fahrenheit ( ) o grado Kelvin ( ), respectivamente. Así,
(Ec. 10)
(Ec. 11)
Además, a la temperatura del punto de fusión del agua pura (a presión de 1 atmósfera) la escala Celsius le asigna el valor 0, la Fahrenheit el valor de 32, y la escala absoluta de temperatura el valor de 273.15; es decir . En consecuencia, para convertir los grados a las diferentes escalas
(Ec. 12)
(Ec. 13)
(Ec. 14)
Puesto que la calibración en esta práctica se realiza directamente en la escala Celsius, las ecuaciones 13 y 14 pueden resultar de utilidad para los estudiantes al momento de completar los valores de la tabla 3.2.
Contratiempos frecuentes.-
Durante la ejecución previa de este experimento se observaron algunos contratiempos. Con la finalidad de evitarlos, a continuación se listan los más comunes:
El tubo de cristal no permanece vertical y ocasiona errores en la asignación del nivel al momento de marcar la temperatura.
La cantidad de hielo es poca y no permite apreciar cambios en el nivel del alcohol.
La lectura de la temperatura se realiza en diferentes ángulos de inclinación.
La llama del mechero es muy alta y ocasiona cambios muy rápidos en el nivel del alcohol.
36
3.4 Práctica 3. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
3.4.1 Versión para el estudiante.
Introducción.-
Como resultado de varios siglos de estudio, se sabe que el calor es una forma de energía en tránsito y que se transfiere de los cuerpos más calientes a los más fríos. Además, se ha descubierto que este tipo de energía se puede transmitir de tres maneras: conducción, convección y radiación. De hecho, la mayoría de los fenómenos térmicos de la naturaleza suceden, cuando menos, con dos de estos mecanismos de transferencia.
En los párrafos siguientes se explica brevemente cada uno de los mecanismos de transferencia de calor.
Conducción.-
Este tipo de propagación del calor es característico de los sólidos. Imagina que tienes una varilla de metal y que uno de sus extremos está más caliente que el resto de la barra. Los átomos del extremo caliente vibran con mayor amplitud que los demás átomos que conforman la barra de metal (ver figura 3). Estas amplitudes vibratorias pasan a lo largo de la barra, de átomo a átomo, debido a las interacciones con los átomos contiguos, regulando su energía cinética de vibración hasta llegar al equilibrio. Este proceso sucede, de igual forma, cuando se tienen en contacto dos o más cuerpos con diferente temperatura.
En el ámbito comercial, existen empresas que han utilizado la propiedad que tienen algunos materiales de cambiar su color en base a su temperatura para crear un sin número de objetos (vasos, juguetes, termómetros, etcétera). Sólo basta agregar algún líquido caliente o frío, para percibir que el color del recipiente e inclusive, en algunos casos, su diseño, se modifica.
Convección.-
Esta forma de transmitir calor es característica de los fluidos (líquidos y gases), en los cuales sus átomos y moléculas tienen libertad de moverse en el medio. Ejemplo de ello es la energía transportada hacia arriba por la llama de una vela o cerillo; donde la temperatura del aire que está en contacto con la fuente de calor aumenta, haciendo que el aire se dilate. Por ser menos denso que el aire más frío circundante, se eleva a causa de las fuerzas de flotación. El aire frío cae para ocupar el lugar del aire desplazado, y se establece una circulación por convección (ver figura 4a).
Figura 3. Calentamiento de una barra de metal por conducción.
a) b)
Figura 4. a) Calentamiento de un fluido por convección. Las flechas rojas representan al fluido caliente que sube y las flechas azules, al fluido frío que baja.
b) Imagen de una lámpara de lava.
37
Las lámparas de lava (ver figura 4b) aprovechan la circulación por convección para el funcionamiento de las mismas. Estas lámparas poseen en su interior cera translúcida especial que cuando se calienta, por contacto con un foco caliente, es menos densa que el agua que la rodea en un contenedor transparente. La diferencia de densidades y el hecho de que sean sustancias que no se mezclan entre sí, le permiten a la cera caliente que se eleve hasta el extremo de menor temperatura del contenedor. Cuando la cera, alejada del foco caliente, se enfría, baja nuevamente por acción de la gravedad, repitiendo el ciclo anterior.
Radiación.-
En principio, podemos decir que la propagación del calor por radiación consiste en que el calor pasa del cuerpo caliente al cuerpo frío sin que haya entre ellos ningún medio material. Es decir, dos cuerpos situados en el vacío y separados, se transmiten calor por radiación. Lo que sucede es que la energía que se desprende del cuerpo emisor se propaga en forma de ondas electromagnéticas hacía todas direcciones con velocidad igual a la de la luz; las cuales, al ser absorbidas por el cuerpo receptor, le ceden su energía y ésta se invierte en aumentar su temperatura (ver figura 5).
Fenómenos en apariencia distintos, como la radiotelefonía, el calor radiante, la luz, los rayos X y los rayos gamma, son esencialmente lo mismo, ondas electromagnéticas; diferenciándose unos de otros en su longitud de onda. Las ondas de radio son las más largas; le siguen en este aspecto las de calor radiante, y continúan las otras en el orden arriba enunciado.
Experimento.-
En esta práctica se abordan, de manera individual, los tres mecanismos de transmisión de calor. Cada uno de ellos tiene un procedimiento diferente y es necesario ejecutarlos de manera ordenada y con MUCHO CUIDADO debido a que los materiales empleados habrán de calentarse.
1 broche para archivo (tipo baco).
2 Pinzas de madera.
Cubitos de hielo teñido.
1 vaso de precipitado.
Fuente de calor (foco de 100 Watts).
Termómetro (rango aproximado de 0 a 60 ºC).
Agua.
Papel aluminio (opcional).
Cámara digital (opcional)
Figura 5. Calentamiento de un cuerpo por radiación.
Observar los diferentes mecanismos en que se transmite el calor y describir las características propias de cada uno de ellos.
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Experimento 1. Transmisión de calor por conducción.
Uno de los integrantes del equipo debe sujetar con las pinzas de madera una de las dos puntas del broche para archivo, previamente extendido, dejando el otro extremo en contacto con la fuente de calor, ver figura 6. Observen los cambios físicos que se presentan en el broche y registren sus anotaciones en la tabla 3.3 que se encuentra al final de esta sección.
Experimento 2. Transmisión de calor por convección.
Viertan agua cristalina en el vaso de precipitado y, después, introduzcan uno de los hielos previamente teñidos en el mismo (figura 7). Escriban sus observaciones en la tabla 3.3.
Experimento 3. Transmisión de calor por radiación.
Al inicio de esta experiencia midan la temperatura que indica el termómetro y en seguida sitúenlo de manera vertical a unos 10 cm de la fuente de calor (foco de 100 watts encendido). Esperen alrededor de 30 segundos y observen lo sucedido en el termómetro.
Acerquen el termómetro a unos 5 cm de su fuente de calor, nuevamente esperen unos 30 segundos y revisen el valor de la temperatura. Registren sus observaciones en la tabla 3.3.
Pueden incrementar el área de recepción de la energía térmica acoplando papel aluminio en el depósito contenedor de mercurio del termómetro de tal forma que quede como se muestra en la figura 8.
Figura 8. Calentamiento de un cuerpo por radiación. a) Papel aluminio alejado de la fuente de calor. b) Papel aluminio cerca de la fuente de calor.
Figura 7. Corrientes de convección producidas por la fusión de hielo en un líquido.
Figura 6. Calentamiento de un metal por contacto con una fuente de calor.
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Experimento 1
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Experimento 2
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Experimento 3
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Tabla 3.3. Observaciones efectuadas durante el experimento “Mecanismos de transferencia de calor”.
Para concluir.-
¿Cuáles son las formas conocidas en que se transfiere el calor?
______________________________________________________________________________________
¿En qué consiste la propagación de calor por convección?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Cuando se transfiere calor por conducción, ¿la zona más cercana a la fuente de calor registra una temperatura menor, igual o mayor que la zona más alejada?
______________________________________________________________________________________
¿Crees que se pueda comparar el comportamiento que muestra la intensidad de calor que reciben
los cuerpos cercanos a una fuente radiante con la intensidad de señal que reciben los aparatos celulares respecto a su cercanía con la antena de telefonía celular? ¿Por qué?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
40
3.4.2 Versión para el docente.
Todos los cuerpos con temperatura superior a los cero grados kelvin (0 K) emiten radiación térmica; por ello, podemos afirmar que los fenómenos térmicos presentan, cuando menos, dos formas de transferencia de calor. Sin embargo, alguna de las tres formas influirá más en el intercambio de calor efectuado.
En esta práctica se han propuesto experimentos sencillos que facilitan la distinción de cada una de estas formas de transferencia térmica.
Desarrollo experimental.-
En el primer experimento se aprovecha que el acero electrolítico con el que están fabricados los broches para archivo, cuando se calienta, modifica sus características físicas, como lo son: el volumen, la dureza y el color; facilitándonos la observación de los cambios ocurridos durante la práctica de conducción de calor.
En el experimento de convección se utiliza hielo teñido, preferentemente con algún color oscuro, para mejorar la apreciación de lo que sucede durante la práctica. Este hielo es el resultado de congelar la mezcla de agua con algún colorante artificial. Estos colorantes se encuentran en los polvos saborizantes para preparar bebidas.
En el tercer experimento se propone que la fuente de calor empleada sea una lámpara incandescente (de las conocidas como foco). Esto es porque la resistencia de tungsteno se encuentra en el interior de un bulbo de vidrio al vacío que evita que el filamento entre en contacto con oxígeno; de no ser así, el tungsteno caliente hasta el rojo blanco se oxidaría rápidamente o en el peor de los casos, haría combustión. Esta condición de aislamiento nos permite considerar que en el interior del foco no existe transmisión de calor por conducción y convección, y que el calor cedido por la resistencia es únicamente por radiación.
Análisis.-
Experimento 1.
La zona del broche que está en contacto con la fuente de calor se oscurece y comienza a tomar diferentes tonalidades mientras se calienta; pasa por la coloración azul, la coloración verde, la coloración conocida como “rojo vivo”, hasta llegar a la coloración blanca. A su vez, los segmentos contiguos a esta zona comienzan lentamente este proceso de coloración, lo que nos muestra el proceso de calentamiento por conducción. Un ejemplo común de la transferencia por conducción es la manera en que se calienta el mango de un sartén.
Experimento 2.
Es posible separar el análisis de este experimento en dos etapas. En la primera de ellas se observa que al introducir el hielo teñido en el agua, una parte de éste permanece flotando sobre la superficie del líquido. Este fenómeno de flotación es ocasionado porque el agua presenta una dilatación
41
anómala en el rango de 0º a 4ºC. Dicha anomalía consiste en que, a diferencia de las demás sustancias, el agua se contrae al pasar de 0º a 4ºC y se dilata al superar los 4ºC; por lo que el hielo tiene una densidad menor que el agua líquida.
En la segunda etapa se ve que al fundirse el hielo, el agua teñida que se desprende de él, comienza a descender rápidamente en columna para en seguida de esto, ascender al mismo tiempo que comienza a mezclarse con el agua cristalina. Es decir, se forman corrientes de convección ocasionadas por la diferencia de densidad que existe entre el agua coloreada fría y el agua cristalina templada. Esta diferencia de densidad está directamente relacionada con la diferencia de temperatura existente. En ciencia, a este tipo de transferencia de masa, energía y momento, se le llama “fenómeno de transporte”. Paulatinamente estas corrientes disminuyen hasta llegar al equilibrio térmico.
Experimento 3.
Al iniciar el experimento la fuente de calor se encuentra apagada, por lo que la temperatura que indica el termómetro es la ambiental. Una vez que se ha encendido la fuente de calor, se observa que el mercurio contenido en el termómetro se dilata, indicando una temperatura más elevada a la inicial; esto sucede aun cuando no se ha puesto en contacto con la fuente de calor. Se puede considerar que el aire circundante al foco que se logra calentar, se eleva en columna (parecido a lo que sucede en el experimento 2), despreciando así la transmisión de calor por convección. También podemos despreciar el calentamiento por conducción debido a que los fluidos tienen una conductividad térmica muy baja, siendo
en el caso del aire de 0.024 en comparación con el del agua que es de 0.58 . Queda entonces la
posibilidad del calentamiento por radiación, que como ya se mencionó no necesita un medio material para transmitirse.
Al reducir la separación entre el termómetro y la fuente de calor se observa que la dilatación del mercurio es mayor que en la primera posición. En un experimento más especializado, en el que se tuvieran más variaciones de distancias, se podría apreciar que la intensidad de la radiación varía de acuerdo a la ley del inverso del cuadrado de la distancia.
Contratiempos frecuentes.-
Durante la ejecución previa de este experimento se observaron algunos contratiempos. Con la finalidad de evitarlos, a continuación se listan los más comunes:
Experimento 1.-
No se presentaron dificultades para ejecutar esta práctica.
Experimento 2.-
El colorante vegetal empleado es de color claro y se dificulta la observación de las corrientes de convección.
Experimento 3.-
La fuente de calor empleada irradia con poca potencia.
42
3. 5 Práctica 4. EL CALOR ESPECÍFICO
3.5.1 Versión para el estudiante.
Introducción.-
Es un hecho que unos objetos tardan más tiempo en calentarse que otros, y que los que tardan más en calentarse, también tardan más en enfriarse. Por ejemplo, una taza con agua (aproximadamente 200 ml) dura menos tiempo en calentarse que una olla llena con agua (aproximadamente 1,000 ml); y si calentamos aceite vegetal en vez de agua, esperaremos aún menos.
Algo similar fue lo que observó el físico Joseph Black a través de experimentos; estableciendo en el año de 1760 que la cantidad de calor ( ) en cualquier cuerpo es proporcional a su temperatura ( ),
masa ( ), y calor específico ( ). Black definió al calor específico como la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia dada en un grado (Schlager & Lauer, 2000). Lo anterior, expresado matemáticamente es
(Ec. 15)
Donde es el cambio de la temperatura inicial a la temperatura final .
En el Sistema Internacional de unidades (S.I.), el calor específico tiene las unidades
de sin embargo, aún se emplean los valores equivalentes para el Sistema Cegesimal
(C.G.S.), quedando esta unidades en .
Experimento.-
Determinar el material con el que está construido un objeto, obteniendo el valor de su calor específico a través de un método conocido como método de mezclas.
1 cilindro sólido de metal con masa conocida.
1 vaso de precipitado.
1 calorímetro de material conocido.
1 calefactor.
1 balanza granataria.
2 termómetros con rango de 0 a 100 ºC.
Agua.
Hilo.
Calibrar el calorímetro del laboratorio.
Obtener el valor del calor específico de un metal a través del método de mezclas.
Comparar el resultado con tablas técnicas.
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MONTAJE EXPERIMENTAL Y TOMA DE DATOS En los experimentos donde se estudia la variación de calor se hace uso de un calorímetro, el cual es
un recipiente que aísla el calor de su contenido con el medio que lo rodea; sin embargo, el interior del calorímetro intercambia calor con la sustancia contenida, aunque lo hace en proporción menor de lo que lo haría si no estuviese aislado. Por lo anterior, antes de iniciar la toma de datos en nuestro experimento se calcula el equivalente en agua del calorímetrov del laboratorio, con lo que se estima un error sistemático de nuestras mediciones.
Primera parte: Cálculo del equivalente en agua del calorímetro. Al final de la primera parte se encuentra la tabla 3.4 en la que pueden registrar sus mediciones. 1. Limpien cuidadosamente el calorímetro. Séquenlo interior y exteriormente.
2. Pesen el calorímetro vacío con todos sus accesorios. Registren este valor como .
3. Viertan agua templada hasta la mitad del calorímetro y pesen el dispositivo. A este valor lo
llamaremos .
4. Esperen a que se equilibre la temperatura, , mídanla y regístrenla.
5. Hiervan alrededor de 300ml de agua, midan la temperatura de ebullición, , y viertan cierta cantidad
de ésta hasta llenar el calorímetro. Tápenlo y midan el nuevo peso del dispositivo que será .
6. Después de que se estabilice el nivel del termómetro, midan la temperatura final de la mezcla,
7. El equivalente en agua del calorímetro, , se calcula con el siguiente razonamiento:
(Ec. 16)
La igualdad anterior puede ser reescrita utilizando un arreglo de la ecuación 16, esto es
(Ec. 17)
Y despejando la incógnita , se obtiene
(Ec. 18)
8. Repitan dos veces este procedimiento.
Las variables presentes en la ecuación 18 se sustituyen por los promedios obtenidos en la tabla 3.4, en la cual se coleccionan las mediciones efectuadas durante esta primera parte del experimento. En ella aparecen dos columnas para cada uno de los parámetros a medir con la finalidad de contrastar y aproximar de mejor manera los valores experimentales con los reales. En experimentos más especializados, se realizan como mínimo 10 mediciones para cada variable.
v Equivalente en agua: cantidad de agua cuyo comportamiento térmico es igual a la masa total del calorímetro.
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Medición 1 Medición 2 Promedio Error
(opcional)
Masa: calorímetro,
Masa: calorímetro con agua templada,
Masa: agua templada, -
Masa: calorímetro con agua hirviendo,
Masa: agua hirviendo, -
Temperatura: equilibrio del calorímetro con agua templada,
Temperatura: agua hirviendo,
Temperatura: equilibrio con agua hirviendo,
Masa: equivalente en agua del calorímetro,
Tabla 3.4. Valores medidos en la primera parte de la práctica 4 “El Calor específico”.
Segunda parte: Cálculo del calor específico de un cuerpo sólido.
Una vez que se conoce el equivalente en agua del calorímetro ( ), inicia la segunda etapa del
experimento en la que se calcula el calor específico del material que se está investigando. Para esta práctica se propone un cilindro sólido de metal, aunque el procedimiento es similar para otros cuerpos sólidos homogéneos.
Al final de la segunda parte se encuentra la tabla 3.5 en la que pueden registrar sus mediciones.
1. Limpien cuidadosamente el calorímetro. Séquenlo exterior e interiormente.
2. Pesen el cilindro de metal y escriban el valor de su masa, , en la tabla 3.5.
3. Viertan suficiente agua fría en el calorímetro para que al introducir el cilindro de metal, éste quede
completamente sumergido en el agua (aún no introduzcan el cilindro). Pesen el dispositivo. Esta masa
será en la tabla 3.5.
4. Midan la temperatura del interior del calorímetro. Escríbanla en el apartado de la tabla 3.5.
5. Hiervan agua en el vaso de precipitado y sumerjan el cilindro metálico en ella. Eviten que el cilindro
toque el fondo del vaso. Como sugerencia pueden amarrarlo con hilo y sujetar este con algún lápiz de madera. Manténganlo allí alrededor de 3 minutos, este tiempo es suficiente para considerar que el metal iguala su temperatura con la del agua.
6. Esperen a que hierva nuevamente el agua y midan su temperatura. Escríbanla en el apartado de la tabla 3.5.
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7. Rápidamente, pero con CUIDADO, introduzcan el cilindro caliente en el calorímetro y ciérrenlo con la tapadera aislante. PRECAUCIÓN: TOMEN EL CILINDRO CALIENTE CON LAS PINZAS DE AISLANTE TÉRMICO.
8. Agiten suavemente el agua del calorímetro hasta que observen que la temperatura se llega a su punto
más alto. Registren la temperatura como en la tabla 3.5.
9. Vacíen con cuidado el contenido del calorímetro y repitan, cuando menos, una vez más las
indicaciones de los incisos 4-9.
10. Para calcular el calor especifico del cilindro se emplea la siguiente relación
(Ec. 19)
Tabla 3.5. Mediciones tomadas en la segunda parte de la práctica 4 “El Calor específico”.
Para concluir.-
¿Por qué en el experimento se debe considerar el vaso interior y no así el vaso exterior del calorímetro que es también de aluminio?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
¿Por qué no es necesario conocer el valor de la ecuación 15?
__________________________________________________________________________________
Medición 1 Medición 2 Promedio Error
(opcional)
Masa equivalente: calorímetro,
Masa: calorímetro,
Masa: cilindro de metal,
Masa: calorímetro con agua,
Masa: agua fría, = -
Temperatura: calorímetro con agua fría,
Temperatura: agua hirviendo,
Temperatura: calorímetro con agua y metal,
Calor específico: agua,
Calor específico experimental: metal,
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3.5.2 Versión para el docente.
Desarrollo experimental.-
La práctica “El Calor específico” está diseñada para estudiar este concepto, el cual se define como la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia dada en un grado Kelvin o Celsius.
Se presenta en dos partes que pueden separarse en dos sesiones de 40 minutos cada una. La
primera de ellas consiste en medir experimentalmente el valor de la masa equivalente del calorímetro
( ). Mientras que en la segunda parte se calcula el calor específico de un cuerpo sólido.
En ambas partes se emplea el método de mezclas, el cual ayuda a determinar el calor específico de
una sustancia que no reacciona químicamente con el resto del sistema. En el caso de un sólido, este método consiste en introducir dicho sólido en una masa conocida de agua, la cual se encuentra a una temperatura diferente de la del sólido, para después medir la temperatura a la que alcanzan el equilibrio térmico.
Análisis.-
Se sabe que cuando dos o más sustancias con distintas temperaturas se ponen en contacto
térmico, al cabo de cierto tiempo, adquieren la misma temperatura. Si se prescinde del intercambio de calor con el ambiente, se tendrá que la mezcla sólido-agua-calorímetro alcanza una temperatura de equilibrio, de tal modo que el calor cedido por el sólido será igual al calor absorbido por el agua y por el calorímetro. Dicho de otra forma:
Ahora bien, el agua se encuentra en equilibrio térmico con el calorímetro, por lo que la expresión se representa como:
(Ec. 20) Donde
, es la masa del sólido. , es la masa del agua.
, es la masa del calorímetro. , es el calor específico del sólido.
, es el calor específico del agua.
, es el calor específico del calorímetro. , es la temperatura inicial del sólido.
, es la temperatura inicial del agua y el calorímetro. , es la temperatura final de la mezcla sólido-agua-calorímetro.
Como el calorímetro está compuesto de diversos materiales, se dificulta calcular teóricamente el calor que absorbe cada una de sus partes. Por ello resulta útil definir el equivalente en agua del calorímetro,
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como . Se puede pensar en , como la masa de agua que absorbería la misma cantidad
de energía térmica que el calorímetro. La ecuación 20 se convierte en
(Ec. 21)
Si se despeja el calor específico del sólido de la ecuación 21, se puede conocer su valor al determinar las otras variables.
Contratiempos frecuentes.-
Durante la ejecución previa de este experimento se observaron algunos contratiempos. Con la finalidad de evitarlos, a continuación se listan los más comunes:
El calorímetro queda entreabierto.
Al momento de hervir agua, la cantidad de ésta no cubre completamente el cilindro de metal.
Al sustituir los datos experimentales en la ecuación 19, no se emplean las unidades adecuadas.
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3.6 Práctica 5. PROCESOS TERMODINÁMICOS.
3.6.1 Versión para el estudiante.
Introducción.-
Un sistema cerrado está en equilibrio termodinámico cuando sus propiedades termodinámicas permanecen constantes en su interior, es decir, no existe flujo de calor, temperatura, presión y volumen con su entorno.
Cuando se produce un cambio en alguna o en todas las propiedades de un sistema se dice que se da un cambio de estado o proceso.
Así, los procesos termodinámicos pueden desarrollarse manteniendo algunas de las propiedades constantes. A continuación se presentan estos cambios de estado.
Proceso Adiabático: Sistema que no intercambia calor ( ) con su entorno. Esto es
(Ec. 22)
Donde es el cambio de la energía interna y es el trabajo que produce.
Proceso Isotérmico: Sistema que mantiene constante su temperatura. Esto es
(Ec. 23)
Proceso Isométrico: Sistema que mantiene constante su volumen. Esto es
(Ec. 24)
Proceso Isobárico: Sistema que no intercambia presión con su entorno. Ya que el sistema puede variar su volumen manteniendo su presión constante, permite realizar trabajo o que se realice trabajo sobre él
(Ec. 25)
Experimento.-
Agregar energía mecánica en un dispositivo adiabático; para provocar que los cuerpos en el interior del sistema incrementen su energía interna, manifestándose en un aumento de su temperatura. James Prescott Joule fue el primer físico en aproximar el valor de esta equivalencia, obteniendo el valor de 1 caloría = 4.186 Joules.
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Debido a que el dispositivo permanecerá cerrado, éste se tiene que construir a la par de que se
toman algunos datos. En seguida se presentan los pasos a seguir:
1. Corten dos círculos en el cartón corrugado con la superficie necesaria para cubrir la base interior de los vasos y fíjenlos allí.
2. Midan la altura que tienen los vasos y regístrenla en la tabla
3.6 que aparece al final de la práctica.
3. Para determinar el incremento de temperatura que obtienen las monedas debido al trabajo en el sistema, midan la temperatura de alguna de ellas (podemos suponer que todas están a la temperatura ambiente) y registren el valor en la tabla 3.6.
4. Sitúen todas las monedas de bronce dentro de uno de los vasos que tienen cartón y coloquen el otro vaso encima del anterior, de modo que las bocas queden juntas como se muestra en la figura 9.
5. Sellen la unión del borde de los vasos con la cinta adhesiva de tal manera que se mantengan bien
unidos.
6. Para terminar la construcción del sistema adiabático, encimen los vasos de unicel restantes sobre
Construir un recipiente de paredes adiabáticas.
Transformar la energía mecánica de los cuerpos en energía térmica (calor).
Medir la energía térmica ganada por los cuerpos en el proceso anterior (temperatura).
Calcular el valor de la constante de equivalencia mecánica del calor.
Monedas de bronce (las de 50 centavos
sirven). Se requieren al menos 20.
4 vasos de poliestireno (unicel) de igual medida.
1 termómetro ambiental.
1 escuadra graduada.
Cartón corrugado.
Cinta adhesiva para empaques.
Tijeras.
Cámara digital (opcional)
Figura 9. Sistema adiabático
empleado. Las bases de cartón evitan que los vasos de unicel se deformen con cada golpe de las monedas.
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los dos primeros. Con ello se mejora el aislamiento térmico y la resistencia del dispositivo. 7. Giren el dispositivo de manera vertical y constante, provocando que se inviertan sus extremos.
Esperen a que las monedas caigan de la parte superior a la base. Repitan esto al menos 200 veces. Es muy importante que no agiten el dispositivo porque se modifica el experimento.
8. En seguida perforen un orificio pequeño en el dispositivo e inserten el termómetro hasta que toque a
las monedas. Se tarda alrededor de 3 minutos para que se registre la temperatura máxima (considerada como la temperatura final de las monedas). Durante este tiempo, no dejen de observar la variación de la temperatura en el termómetro. Escriban en la tabla 3.6 la temperatura más alta que indicó el termómetro.
9. Compartan sus resultados y compárenlos con los obtenidos por otros equipos.
Equipo Repeticiones,
Profundidad de los vasos,
Temperatura inicial, ( ºC)
Temperatura final, ( ºC)
Valor experimento
( )
Tabla 3.6. Valores obtenidos y calculados en el experimento Procesos Termodinámicos.
Para concluir.-
¿Qué pasará con el valor calculado en el experimento si se incrementa la altura de los vasos?
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
¿Por qué creen que es necesario esperar un momento antes de que se registre la temperatura máxima en el termómetro?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
De manera grupal, comenten y escriban tres ejemplos donde se transforme la energía mecánica a energía térmica.
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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3.6.2 Versión para el docente.
Esta práctica está basada en el experimento 4.11 del libro: Experimentos con Hilos y Cinta adhesiva, de R. D. Edge publicado por la American Physical Society. Entre las modificaciones realizadas se encuentra el cambio de material de las monedas, la cantidad de monedas, el número de repeticiones,
Desarrollo experimental.-
El objetivo general del tema Procesos Termodinámicos, es que los estudiantes conozcan que existen diferentes formas de modificar un estado termodinámico. En particular, este apartado del programa escolar se enfoca en estudiar la primera ley de termodinámica.
Para facilitar el primer objetivo, en la introducción de la versión para el estudiante, se presentan las definiciones de cada proceso termodinámico, abordando el objetivo particular con el experimento.
Se inicia la experimentación con la construcción de un dispositivo adiabático (pasos 1 a 6). En seguida se les pide que inviertan un poco de su propia energía (paso 7) en el interior del dispositivo que ellos mismos construyeron. Es importante recordarles el primer principio de la termodinámica que, comúnmente, se expresa: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Una vez comprendido el proceso de la transformación de la energía mecánica a calor, el segundo objetivo se consigue al comparar las temperaturas iniciales y finales que adquieren las monedas (pasos 3 y 8).
Por último, con el paso 9, se espera que el intercambio de experiencias fortalezca lo aprendido durante la práctica. Así mismo, este paso ayuda a solventar el poco tiempo que se tiene para la sesión de laboratorio.
Análisis.-
Para desarrollar la matemática de este experimento partiremos del primer principio de la termodinámica que indica que en la transformación de cualquier tipo de energía en energía calorífica, o viceversa, la energía calorífica producida equivale, exactamente, a la energía transformada; esto es, en el proceso, la energía nunca se crea ni se destruye.
Imaginemos un sistema en el que se introduce una cierta cantidad de calor y produce un trabajo
exterior . Si es mayor que , la diferencia ( ) permanece en el sistema y se invierte en incrementar la energía interna, del mismo. Es decir, o bien, al despejar ,
(Ec. 26)
Consideremos ahora que el interior de nuestro dispositivo no intercambia calor con el exterior ( ) y que su volumen y presión permanecen constantes durante el experimento (proceso isocórico e isobárico), por lo que se tiene una transformación adiabática. Esto nos indica que el incremento de la energía interna del sistema se debe al trabajo externo que se introduce en el mismo .
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Por otra parte, el trabajo mecánico externo que se introduce al sistema en cada caída es producto
de la fuerza por la distancia , lo que expresado en ecuación es
, (Ec. 27)
Por ser un caso de caída libre, la fuerza es , y ya que cada vaso tiene m de profundidad,
las monedas caen dentro del dispositivo metro cada que se invierten sus extremos. Así, la distancia es . Además, el cambio de la energía interna se puede asociar al calor liberado por el material de
las monedas en cada caída, .
Haciendo los cálculos para repeticiones, se tiene que el trabajo externo total es .
Si se aplica la razón entre esta energía mecánica con la energía interna , se obtiene que
(Ec. 28)
lo que es igual a
(Ec. 29)
Para cancelar la masa debemos recordar que, en la energía mecánica, se considera la masa en
kilogramos mientras que la constante del calor específico ( ) tiene unidades para la
masa en gramos. Así la relación se expresa como
, (Ec. 30)
al simplificar la ecuación 30, obtenemos la siguiente igualdad
. (Ec. 31)
Esta última relación es la que emplearán los estudiantes para sustituir sus valores experimentales, anotando el resultado en la tabla 3.6.
Para conocer el grado de aproximación del experimento con lo que predice la teoría, se puede
comparar El valor de esta razón oscilará entre 0 y 1, siendo 1 la mejor aproximación.
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Contratiempos frecuentes.-
Durante la ejecución previa de este experimento se observaron algunos contratiempos. Con la finalidad de evitarlos, a continuación se listan los más comunes:
Los vasos empleados para construir el dispositivo adiabático no son del material requerido y/o están maltratados.
El cartón que se utiliza para cubrir el interior de los vasos no es del tipo corrugado.
Error de paralaje al medir la altura de los vasos.
La cinta adhesiva que se emplea para fijar la boca de los vasos es muy angosta y/o no se adhiere.
IMPORTANTE: Se agita el dispositivo en vez de invertir los extremos.
No se cuenta el número de repeticiones efectuadas o se olvida su valor.
La perforación que se hace en el dispositivo para introducir el termómetro es muy amplia.
Al sustituir los valores no se convierten las unidades para la masa. En la energía mecánica, la masa
se expresa en kilogramos mientras que en el calor específico ( ) tiene
unidades gramos.
Al sustituir los valores no se convierten las unidades para la altura de los vasos. Para calcular el trabajo W, los desplazamientos se expresan en metros.
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BIBLIOGRAFÍA
Dirección General de Bachillerato. (2010). Dirección General de Bachillerato. Recuperado el 21 de enero de 2013, de Dirección General de Bachillerato: http://www.dgb.sep.gob.mx/informacion_academica/programasdeestudio/cfb_4osem/fisica-ii.pdf
Schlager, N., & Lauer, J. (Edits.). (2000). Science and Its Time: Understanding the Social Significance of Scientific Discovery (Vol. 4). Canadá: Gale Group.
Schlager, N., & Lauer, J. (Edits.). (2000). Science and Its Time: Understanding the Social Significance of Scientific Discovery (Vol. 5). Canadá: Gale Group.
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CAPÍTULO IV. CONCLUSIONES.
Con lo expuesto en este trabajo monográfico, pero principalmente con mi experiencia docente frente a grupos de Nivel Medio Superior y Superior, me permito concluir que:
Efectuar prácticas de laboratorio durante los cursos de física complementa las habilidades y competencias que se generan entre los involucrados (estudiantes y profesores) que sólo estudian el contenido teórico o resuelven ejercicios.
Es posible catalogar las diferentes formas de plantear las prácticas de laboratorio y utilizar estas clasificaciones para facilitarnos el proceso de planeación y diseño de las mismas en nuestros cursos.
En lo que corresponde al estudio del calor, puedo decir que:
Es una de las áreas de la Física en las que se han involucrado mayor número de ingenieros y científicos para su establecimiento.
En el ámbito científico, ha sido una de las áreas que más se ha beneficiado con la creación del método científico ya que le ayudó a eliminar los resultados subjetivos. De hecho, en esta área de estudio es indispensable la experimentación para evitar los errores del sentido común.
Gracias a los aportes de Joule y Kelvin, sabemos que cualquier fenómeno que involucre movimiento, desde las partículas subatómicas, genera calor.
Para la civilización representó las bases de la Revolución Industrial, época histórica que años más tarde generó la etapa de globalización en la que vivimos actualmente.
Finalmente, considero que esta monografía cumple con su objetivo general de proponer cinco prácticas de laboratorio de física para docentes de bachillerato, en el bloque temático “Distingue entre calor y temperatura”. Porque:
Cubre experimentalmente los conceptos de los subtemas El calor y la temperatura, la dilatación térmica, el calor específico y procesos termodinámicos.
Las prácticas están diseñadas con materiales accesibles en las preparatorias adscritas a la Dirección General de Bachillerato (DGB).
La mayoría de ellas pueden concluirse en una sesión de 40 minutos. Sólo la que estudia el calor específico, es posible que requiera dos sesiones para efectuarse por la cantidad de sus mediciones.
Así, recuperando el pensamiento sofista de que todo es perfectible, hago la invitación a diseñar más y mejores prácticas con materiales de bajo costo, con las cuales se brinde la oportunidad de experimentar a cada uno de los estudiantes, motivándoles en el maravilloso mundo de las ciencias.
ANEXO A. Tabla de coeficientes de expansión volumétrica y de densidad del agua.
Coeficientes de expansión volumétrica.
Fuente: Rius de Riepen, M., Castro-Acuña, C. M., Calor y Movimiento. Fondo de Cultura Económica (1995)
Densidad del agua.
Fuente: Rius de Riepen, M., Castro-Acuña, C. M., Calor y Movimiento. Fondo de Cultura Económica (1995)
ANEXO B. Calores Específicos de Varias Sustancias a 20º C
Sustancia
Aluminio 0,900 0,215
Bismuto 0,123 0,0294
Cobre 0,386 0,0923
Latón 0,380 0,092
Oro 0,126 0,0301
Plomo 0,128 0,0305
Plata 0,233 0,0558
Tungsteno 0,134 0,0321
Cinc 0,387 0,0925
Mercurio 0,140 0,033
Alcohol(etílico) 2,4 0,58
Agua 4,186 1,00
Hielo (-10 C) 2,05 0,49
Granito 0,790 0,19
Vidrio 0,84 0,20
Fuente: Tipler, Paul A., Physics for Scientists and Engineers, 4th Ed., W.H. Freeman, (1999).