CALOR Y TEMPERATURA Actividad Nº 1

El enfoque metodológico del cambio conceptual plantea la necesidad de que los docentes conozcan las ideas previas de los alumnos y a su vez las empleen para favorecer la creación de conflictos cognitivos entre las ideas espontáneas y las científicas. Algunas preguntas sobre la aplicación de ideas previas de calor y temperatura pueden ser: ¿Qué es necesario para que exista calor?: a) Un solo cuerpo b) Por lo menos dos cuerpos a diferentes temperaturas c) Un solo cuerpo que tiene que estar "caliente d) Ninguna de las proposiciones anteriores. Un alumno entra al laboratorio de ciencias que está a una temperatura ambiental de 25 0C donde se encuentra una mesa de hierro y otra de madera. Inmediatamente enciende el aire acondicionado .Pasada dos horas la temperatura ambiental está a 20 0C. La temperatura de la mesa de hierro será: a) Menor que en la mesa de madera b) mayor que en la mesa de madera c) Igual que en la mesa de madera d) ninguna De las proposiciones anteriores ¿Donde está presente el calor? : a) En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo posee calor b) Solamente en aquellos cuerpos que están calientes c) En cuerpos de diferente temperatura pero en contacto d) Todas las proposiciones anteriores. Un profesor en el laboratorio de Química hace la siguiente demostración: Muestra dos vasos precipitados de igual forma y tamaño. El vaso A tiene el doble volumen de agua que el vaso de precipitado B. Luego, somete a calentamiento las masas de agua hasta el punto de ebullición. Por lo tanto, la temperatura del agua en el envase A será: a) Mayor que la temperatura del agua del vaso B b) Igual que la temperatura del agua del vaso precipitado B c) Menor que la temperatura del agua del vaso precipitado Varios objetos de metal y de madera son colocados en el interior de un congelador que se encuentra a una temperatura de - 10 0C. Después de 24 horas se puede deducir que la temperatura de los objetos de madera es: a) Mayor que la temperatura de los objetos de metal b) Menor que la temperatura de los objetos de metal c) Igual que la temperatura de los objetos de metal. Para que se pueda admitir la existencia de calor en un cuerpo debe haber: a) una diferencia de temperatura

b) una diferencia de masa c) una diferencia de energía d) todas las proposiciones anteriores Calor es: a) energía cinética de las moléculas b) Energía transmitida solo por medio de una diferencia de temperaturas c) La energía contenida en un cuerpo. Dos esferas del mismo material pero cuyas masas son diferentes quedan durante mucho tiempo en un horno. Al retirarlas del horno, son inmediatamente puestas en contacto. En esa situación: a) Fluye calor de la esfera de mayor masa hacia la menor masa b) Fluye calor de la esfera de menor masa hacia la mayor masa c) Ninguna de las dos esferas cede calor a la otra. Las mismas esferas de la pregunta anterior son ahora dejadas durante mucho tiempo en un congelador. En esa situación, al retirarlas e inmediatamente ponerlas en contacto: a) ninguna de las esferas posee calor debido a su baja temperatura b) fluye calor de la esfera de mayor masa hacia la de menor masa c) ninguna de las esferas puede ceder calor a la otra.

Sería importante que ustedes como docentes o futuros docentes, también indaguen sus saberes previos acerca del tema antes de desarrollarlo, por lo tanto, los invitamos a que resuelvan los posibles interrogantes propuestos anteriormente para conocer sus ideas y poder así lograr el cambio conceptual. ¿Por qué los niños parecen tener tantas dificultades para captar algunos

aspectos de la concepción científica del calor y de la temperatura?

Esto se debe a que hay muchos aspectos de los fenómenos de calor y temperatura que son contra – intuitivos. Por ejemplo, los alumnos se sorprenden a menudo de que un termómetro marque una temperatura semejante en relación con todos los objetos de una habitación aunque ellos sientan que está mucho más fría una bandeja de metal que una fuente de plástico; o se admiran que un cubito de hielo envuelto en lana o en papel de diario “dure más” que otro colocado en papel de aluminio. Antes de analizar las ideas previas de los niños, es importante reconocer la confusión que presenta el uso de la palabra “calor”. Generalmente el término calor y sus derivados literales y metafóricos son utilizados como nombres, verbos, adjetivos y adverbios. Su empleo como nombre o sustantivo provoca la mayor parte de la confusión conceptual desde el punto de vista científico y, más específicamente, desde la perspectiva energética. Por ejemplo, oímos expresiones cotidianas

como “cierra la ventana y conserva el calor” o “cierra la ventana para que no entre frío” “ya llegó el frío”, “los rayos del sol están calientes”. También se puede oír decir en clase, “que un objeto gana o pierde calor” cuando llega al equilibrio térmico con cualquier otra sustancia, o que “el calor viaja a través de una barra metálica” cuando ésta se calienta con una llama por un extremo. ¿Por qué parece tan natural describir el calor como un tipo de sustancia

material que puede causar cambios predecibles en otros objetos, como el incremento de temperatura o de volumen?

Algunos piensan que puede ser una reminiscencia lingüística de la teoría del calórico de los siglos XVIII y XIX, según la cuál el calor se conceptuaba como un fluido sutil y sin peso, capaz de penetrar todos los cuerpos materiales. Otros afirman que hay una tendencia natural a describir nuestro mundo de sentido común en términos metafóricos en los que las relaciones de causa a efecto se consideran como interacciones entre tipos de materia. Independientemente del origen de este uso, parece que la predisposición a pensar en el calor como en algo sustancial, puede constituir unas de las barreras conceptuales más importantes que los niños deben superar para iniciarse en el pensamiento científico. A este respecto, es útil revisar brevemente los conceptos de temperatura, energía y calor, desde el punto de vista científico, para luego describir los estudios del pensamiento infantil sobre estas ideas.

TEMPERATURA

ENERGÍA CALOR

Es una propiedad macroscópica que expresa el estado de agitación o movimiento desordenado de las partículas; por lo tanto, está relacionada con la energía cinética de las partículas.

La energía de un sistema correspondiente al estado de agitación de las partículas que lo forman, hace referencia a una forma de energía interna de ese sistema, denominada a veces energía térmica.

Es un parámetro que describe las interacciones entre los sistemas; de manera más precisa es un proceso de transferencia de energía. La diferencia de temperaturas entre dos sistemas determina la transferencia de calor. Por ejemplo, cuando una llama de gas calienta una masa de agua, hay una diferencia de temperatura entre la llama (temperatura de combustión) y el agua. Así el calor se transfiere de un sistema (gas y aire) al otro (agua)

Es importante percatarse que la transferencia de calor es sólo un modo de alterar la energía interna de un sistema. Por ejemplo, una masa de agua puede variar su temperatura y energía interna, tanto al ser calentada (transferencia de calor) como al ser agitada por un molinillo (en el que está implicado el trabajo -experimento de Joule-) para no inducir a la confusión entre la energía que tiene un sistema (energía interna) y la forma de transferencia de energía entre sistemas (el calor).

También suele darse una confusión, debido a la diferencia de temperatura, en relación con el uso de la expresión energía térmica en la enseñanza. A veces se refiere a la cantidad de energía transferida entre sistemas, por ej. En forma de calor, más que, a la energía de agitación de partículas. Como gran parte de nuestra experiencia diaria implica alguna forma de transferencia de energía entre los objetos que están a diferentes temperaturas, el concepto físico del calor, desempeña un papel indispensable para interpretarlas. Por ejemplo como la temperatura del cuerpo es más elevada que la normal de una habitación, en el momento en que toquemos un objeto que esté a temperatura ambiente o más baja, la energía se transfiere desde nuestra mano al objeto. Del mismo modo, cuando encendemos un calefactor para elevar la temperatura de un ambiente, se produce una transferencia de energía. En estos contextos, nuestro lenguaje convencional tiende a sugerir que estos objetos contienen calor, mientras que desde la perspectiva física tienen el potencial (a causa de la diferencia de temperatura) para transferir energía a otro objeto que esté a temperatura más baja. REVISIÓN DE LAS IDEAS PREVIAS DE LOS ALUMNOS USO DEL TÉRMINO “CALOR” Los términos calor y caliente normalmente forman parte del vocabulario de los niños desde los 2 o 3 años en adelante, donde los usan para describir algunos aspectos de los muchos encuentros con objetos calientes.

Si bien, la adquisición evolutiva de la noción de calor revela que aún a los 2 años desarrollan una noción de cuerpo caliente, que es capaz de producir sensaciones de calor en uno mismo, pero no disocian estos objetos calientes de las sensaciones producidas en ellos mismos, ni distinguen las fuentes de calor y ni el objeto afectado por la fuente; recién a los 5 o 6 años son conscientes del movimiento que se produce desde la fuente al objeto. No obstante, éstos son los primeros principios de la noción de transferencia de calor y del reconocimiento de la cualidad del calor como propiedad de los objetos que pueden ser alterados.

A partir de los 8 o 9 años empiezan a hablar sobre el “calor” en relación con el estado de calidez de un cuerpo dentro de un continuo que va desde el frío al calor, pasando por un estado de tibieza. Es decir, que han construido, a partir de diversas interacciones con sus ambientes físicos y lingüísticos, un conjunto de creencias coherentes acerca de la naturaleza y de la conducta de los objetos calientes y fríos de su entorno inmediato.

Generalmente, cuando se les pregunta a los niños de edades comprendidas entre los 8 y los 12 años ¿Qué es el calor?, tienden a asociarlo

con los seres vivos, con las fuentes de calor, con el grado de calor de un objeto, como los cambios de fase, expansión, etc.

Cuando se le pidió a Juan Martín, de 8 años, que diera un ej. de calor, y luego a Antonia de 9 años, de dónde proviene el calor externo, respondieron respectivamente: Juan M - El calor se levanta, el sol lo tiene, Creo que lo tiene, lo tiene el sol… el calor levanta el gas y está caliente y el sol lo quema y brilla y vuelve hacia abajo y calienta la tierra. Antonia – No lo sé, el sol brilla (eleva sus manos), mira, y así (mueve sus manos) pasa del sol al aire. Asimismo, cuando se le preguntó a Pedro de 12 años qué significa para ella el calor, dijo: - El calor hace que todo se funda: plomo, oro, hierro, aluminio, zinc, también, creo. En un estudio realizado con un grupo de adolescentes entre 11 y 16 años, se les pidió que formaran frases en las que apareciese el calor, algunos de los más grandes describieron el calor en relación con la energía, pero la mayoría de los más jóvenes y un tercio de los mayores equipararon la idea de calor a la cualidad de caliente de un cuerpo o sustancia, o lo describieron como procediendo de una fuente de calor. Algunas de las respuestas fueron:

- El calor es energía, cuando algo se calienta, se transfiere energía calorífica a lo que se está calentando.

- El calor es aire caliente - El calor es calentar un fluido o sólido - Cuando lo tocas, lo sientes caliente, si algo le ha

suministrado calor. - Si calentamos un trozo de hierro por un extremo, el calor

se instala en una parte hasta que no aguanta más y se mueve entonces hacia todo el metal

Bacas (1997) publicó los resultados de estudios sobre preconceptos de calor y temperatura concluyendo que el uso incorrecto de la palabra calor en la vida cotidiana y las confusiones entre los conceptos calor y temperatura es lo que propicia en los estudiantes la formación de preconcepciones cuyo significados son diferentes a la los científicos. Asimismo, Domínguez (1998) presentan una compilación de investigaciones de ideas previas sobre calor y temperatura con estudiantes de 12 a 23 años, que determinó un número alto de concepciones previas erradas tales como “el cuerpo tiene Calor” y “temperatura es calor”. Concluye que persiste la influencia del lenguaje cotidiano en la utilización y verbalización de gran parte de las ideas referidas al calor y temperatura.

Conceptos Ideas Alternativas Calor

Algo material, contenido en el cuerpo (sistema); cuanto más calor tiene el cuerpo más caliente estará. En los cuerpos el calor puede pasar de unas partes a otras o de unos cuerpos a otros.

Calor / Frío

Son dos fluidos materiales y opuestos. La sensación calor/frío es consecuencia de la transferencia del calor/frío al cuerpo.

Calentar / Enfriar

Ganancia o pérdida de ese ente material llamado calor

Caliente / Frío

Son propiedades características de los cuerpos. Por ejemplo, los metales son fríos por naturaleza.

Temperatura Temperatura = calor. Temperatura y calor son sinónimos y aquélla, en todo caso, mide la cantidad de calor que tiene el sistema. La temperatura depende de la masa o del volumen.

Dilatación Paso de calor al interior del cuerpo haciéndolo más grande y, como consecuencia, más pesado.

Bañas, (2003) realizó un diagnóstico y análisis en estudiantes

universitarios sobre las concepciones calor y temperatura. Entre las principales ideas encontraron que los estudiantes no consideran constante la temperatura durante los cambios de estados, que la temperatura aumenta proporcionalmente con la masa, y la mayoría tienen la idea que el calor es una forma de energía y no interpretan el concepto como un proceso de transferencia de energía. Lo consideran como una propiedad de los cuerpos y no un mecanismo. Se otorga a la temperatura una propiedad extensiva y un pequeño porcentaje tiende a confundir calor con temperatura. Estos resultados concuerdan con lo reportado en la literatura con la presencia de las ideas previas. Los investigadores coinciden en la existencia de las ideas previas que tienen todos los individuos, pero no hay acuerdo sobre el origen de las mismas. Entre las causas de las ideas previas, (Pozo,1996) señala las experiencias y observaciones de la vida cotidiana, el profesorado, los libros de texto y otros materiales escolares, la interferencia del lenguaje cotidiano y el científico, los medios de comunicación, y la cultura propia de cada civilización.

Por otra parte, (2004) afirman que el origen de las preconcepciones está en:

(a) la enseñanza dentro y fuera de la escuela; (b) las experiencias diarias cotidianas, (c) el medio social y (d) la intuición. En cambio, Pozo (1991) clasifican las preconcepciones o ideas previas

de acuerdo con un origen sensorial, cultural y escolar. El sensorial origina las concepciones espontáneas como consecuencia

del intento de dar significado a las actividades cotidianas y serían motivadas por los procesos sensoriales y perceptivos. Ante toda situación nueva o

problemática se inicia la búsqueda de información que permita predecir y controlar ese suceso; esa búsqueda de información no es sistemática y rigurosa sino que se realiza de forma simplificada y cómoda. COMPRENSIÓN DEL CONCEPTO DE TEMPERATURA Como el término calor, temperatura es una palabra que reconocen los niños muy pequeños (5 años), dado que se la encuentra frecuentemente al hablar del tiempo y en las actividades culinarias. Pero a diferencia del calor, no suelen emplear espontáneamente el término en sus conversaciones, sino que tienden a hacer observaciones sobre la relativa “calidez” de los objetos desde un punto de vista cualitativo más que cuantitativo. Los niños entre los 8 y 9 años de edad han desarrollado una noción de temperatura relacionada con niveles o grados de calor expresados mediante una escala como la utilizada para informar sobre la temperatura del aire. Si bien, a partir de los 9 años pueden utilizar y leer un termómetro, tienden a hacer juicios sobre la temperatura de un objeto basándose más sobre la naturaleza del material que en la temperatura del medio ambiente que lo rodea. Algunos piensan que los objetos de materiales distintos en la misma habitación están a temperaturas diferentes (los objetos de metal están más fríos que los de madera). Por ejemplo, a Santiago se le preguntó si una cacerola llena de agua, dejada durante un buen rato en una habitación estaría más fría, más caliente o a la misma temperatura que el agua que contuviera, respondió: “la cacerola estará más fría que el agua… depende de lo que esté hecha la cacerola”. Por lo tanto, parece, que hasta los 12 o 13 años, los alumnos conocen el término “temperatura” y son capaces de utilizar el termómetro para comprobar la de los objetos, pero en la práctica tienen un concepto bastante limitado del término y raramente lo emplean de forma espontánea para describir la condición del objeto. COMPRENSIÓN DE LOS ALUMNOS DE LA NOCIÓN DE CAMBIOS DE TEMPERATURA.

La temperatura como propiedad intensiva: la temperatura de un objeto está relacionada con su tamaño, ya que más del 50% de los niños entrevistados creen que “un cubo de hielo más grande tendría una temperatura más baja que un cubito pequeño”, y por lo tanto, el cubo más grande tardaría más en fundirse.

Estas predicciones surgen con bastante lógica de otra creencia aparente de los alumnos acerca de que la temperatura es simplemente la medida de la cantidad de calor (o, en algunos casos, de frío) que posee un objeto. Es razonable concluir, que los objetos más grandes contengan más calor (frío) y, consiguientemente, tengan una temperatura más caliente (más fría)

Actividad 2 SITUACIONES PROBLEMÁTICAS Plantear la siguiente situación antes y después de la enseñanza del tema: En el recipiente de Pedro hay poco agua y en el de Santiago hay mucha. Los dos calentadores tienen igual llama y los dos termómetros son iguales.

1- Cuando hierve el agua en cada recipiente, la temperatura que lee Pedro es:

(a) más elevada que la leída por Santiago; (b) igual que la leída por Santiago; (c) más baja que la leída por Santiago; (d) no lo sé. 2- ¿Qué temperatura lee Pedro? 3- ¿Qué temperatura lee Santiago?

Actividad Nº 3 SITUACIONES PROBLEMÁTICAS

a- En forma cualitativa: 1- Indicar la temperatura final de una mezcla de dos cantidades iguales de

agua a la misma temperatura.

2- Señalar la temperatura final de una mezcla de cantidades diferentes a

distintas temperaturas:

b- En forma cuantitativa: 1- Indicar la temperatura final de una mezcla de dos cantidades iguales de

agua a la misma temperatura:

2- Señalar la temperatura final de una mezcla de cantidades iguales a distintas temperaturas:

En estas actividades se demuestran, que las tareas cualitativas son más

fáciles que las cuantitativas y la mezcla de agua a temperaturas diferentes es más difícil que la de agua a la misma temperatura. Podrán categorizar las respuestas de sus alumnos según las estrategias utilizadas para resolver la última situación. Se descubrió que, mientras los niños más pequeños (entre 8 y 9 años) preferían una estrategia de adicción, los mayores (entre 10 y 13 años) tendían a optar por una estrategia de sustracción – estrategia que al menos reconoce que la temperatura final debe estar entre las temperaturas iniciales.

Actividad Nº 4: ¡AHORA, AL LABORATORIO! Experiencia extraída del libro de texto Ciencias Naturales 1 (para 7º grado). Editorial SM, 2011. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA MATERIALES:

• 6 vasos de precipitados. • Termómetro. • Trípode. • Tela metálica. • Mechero de Bunsen. • Reloj. • Agua.

PROCEDIMIENTO:

4- Colocar en 2 vasos igual cantidad de agua. Medir y anotar la temperatura.

5- Encender y regular el mechero. Calentar uno de los recipientes

durante 1 minuto. Luego calentar el segundo durante 6 minutos. Registrar la temperatura en ambos casos.

a) ¿Cuál de los sistemas tiene mayor temperatura?

b) Si el calor es energía térmica en “tránsito”, ambos vasos ¿recibieron igual cantidad de calor? ¿Alguno de los 2 vasos tiene más energía térmica?

6- Poner en un vaso de precipitados 150 ml de agua y en otro 300

ml de agua. Medir la temperatura inicial de cada sistema. 7- Calentar por separado cada vaso y medir el tiempo que tardan en

alcanzar la misma temperatura, por ejemplo 80º C. a) Ambos vasos, ¿recibieron igual cantidad de calor? b) ¿Alguno de ellos tiene más energía térmica? 8- Repetir el paso nº 4 pero en este caso, calentar los vasos durante

el mismo tiempo. a) ¿Cuál de los sistemas tiene mayor temperatura? b) Si el calor es energía térmica en “tránsito”, ¿ambos

sistemas recibieron igual cantidad de calor? c) ¿Cuál posee mayor energía térmica?

PARA DISIPAR DUDAS… Como expusimos al comienzo de este módulo, el calor es una forma en

que se manifiesta la energía, se utiliza dicho término para referirse a la energía térmica, que es la energía asociada al movimiento molecular. Este punto debe quedar bien en claro antes de comenzar a desarrollar el tema: el calor es una forma de energía.

En alguna literatura puede encontrarse al calor como Energía en Tránsito, es decir, que toman al calor como la energía que fluye de un cuerpo a otro. En estos casos también aparecerá el concepto de energía interna, como la cantidad de calor que posee un cuerpo.

Para los fines de este módulo tomamos al término calor abarcando ambos conceptos, tanto desde el punto de vista de su transmisión (su flujo) como del contenido por un cuerpo sin referirnos al término de energía interna.

El calor se mide en caloría y kilocaloría. La caloría se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. La kilocaloría equivale a mil calorías.

Si analizamos la definición anterior: “… cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura…” podemos tomar dos palabras que están siempre íntimamente relacionadas pero que conceptualmente tienen diferencias significativas: el calor y la temperatura.

Como mencionamos anteriormente, el calor es una forma de energía, que normalmente se mide en calorías. La temperatura, generalmente la medimos en grados Celsius o centígrados que no son unidades de energía. Ésta es una de las diferencias entre ambos conceptos, ya que se miden en unidades distintas.

La temperatura es una medida del nivel térmico, significa una medida de la velocidad de vibración de las moléculas.

Por lo expuesto ambos términos se confunden:

CALOR es Energía, es la energía asociada al movimiento molecular. TEMPERATURA es una medida del movimiento de cada molécula. Para clarificar la diferenciación de conceptos analizaremos un ejemplo: Si calentamos a fuego medio en 2 frascos térmicos 2 cantidades

distintas de agua durante el mismo tiempo, el calor ganado por ambas masas de agua será el mismo (la cantidad de gas combustionado en cada mechero será la misma).

Pero la temperatura alcanzada será mayor en el frasco que contiene menor masa de agua. La misma posee menos cantidad de moléculas y cada una de éstas recibirá al repartirse una mayor cantidad de energía para sus movimientos de vibración y por lo tanto, dichos movimientos de vibración serán mayores.

Los efectos del calor Cuando se le suministra o se le quita calor a un cuerpo compuesto por

una determinada sustancia pueden varios efectos, los más importantes a analizar son los siguientes:

• Que el cuerpo varíe su temperatura. • Que cambie de estado de agregación. • Que entre en combustión.

Los dos primeros efectos son fenómenos físicos, es decir, no varía la

calidad de la materia. La combustión es un fenómeno químico en el que existe una reacción, variando las sustancias intervinientes que se convierten en otras sustancias.

En este módulo sólo analizaremos los fenómenos físicos. Efectos de calentamiento y enfriamiento sin reacción química 1- VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA. Siempre que se le ceda o se le quite calor a un cuerpo y el mismo no

experimente un cambio en su estado de agregación, habrá una variación de temperatura.

Sin embargo, la temperatura por sí misma no constituye más que la medida del nivel térmico de un cuerpo. En que un cuerpo esté a la misma temperatura que otro no significa que hayan recibido iguales cantidades de calor. Esto se debe a que para elevar la temperatura de distintas masas de sustancias iguales en igual cantidad de grados de temperatura, se precisan cantidades distintas de calor. De la misma forma masas iguales de sustancias distintas necesitan diferente cantidad de calor para elevar la misma temperatura. También de los proceso de calentamiento que experimentamos a diario, podemos decir que sólo masas iguales de la misma sustancia necesitan el mismo agregado de calor para elevar la misma temperatura.

Por lo expresado anteriormente, concluimos que siempre que no cambie el estado de agregación de la sustancia, la cantidad de calor ganada o cedida por un cuerpo depende de:

• La masa del cuerpo. • La sustancia por la que está compuesto el cuerpo. • La diferencia de temperatura entre el estado anterior y posterior al

calentamiento o enfriamiento.

2- CAMBIO DE ESTADO DE AGREGACIÓN

La temperatura y los cambios de fases: un ejercicio habitual de laboratorio, consiste en dibujar un gráfico que relacione tiempo y temperatura del agua al calentarla desde la temperatura de la habitación hasta su punto de ebullición.

Aunque los alumnos puedan observar enseguida que la temperatura del líquido en ebullición permanece relativamente constante, con independencia de la rapidez o el grado en que se caliente, esta observación parece anti – intuitiva para muchos estudiantes, haciendo surgir con frecuencia comentarios como “este termómetro no funciona”. Una investigación llevada a cabo con más de 400 alumnos suecos, puso de manifiesto que la mayoría de los niños de edades comprendidas entre los 12 y 15 años predecían que la temperatura del agua hirviendo permanecería a 100º C en la medida en que la fuente de calor se mantuviera constante. Si aumentase el calor proporcionado por la fuente de calor, el 65 % de los chicos hipotetizaron que la temperatura del agua hirviendo aumentaría. Parece que los alumnos pueden aprender fácilmente el “hecho” de que el agua tenga un punto de ebullición de 100º C y de que puede permanecer invariable en determinadas condiciones, por ejemplo en relación con el tiempo, no obstante, la mayoría no parece comprender claramente porqué la temperatura permanece sin variaciones durante un cambio de fase. Da la sensación de que esta comprensión exige alguna explicación de lo que ocurre en el líquido, en el nivel molecular, para que tenga sentido la permanencia de la temperatura. El fenómeno de ebullición se explica en la mayor parte de los libros de texto en relación con la teoría cinético-molecular de la materia, pero muchos estudiantes tienen dificultades para entender esta explicación.

Actividad 5 MATERIALES:

• 1 vaso de precipitados. • Termómetro. • Trípode. • Tela metálica. • Mechero de Bunsen. • Reloj. • Agua.

PROCEDIMIENTO: 1-Calentar agua a presión constante y medir la temperatura a intervalos regulares hasta llegar a los 100º C. 2- Registrar los datos. 3- Cuando la temperatura llegue a los 100º C, seguir midiendo la temperatura a intervalos regulares por 10 minutos. CONCLUSIÓN: En la primera etapa notaremos que la temperatura se eleva a una proporción prácticamente constante con el tiempo. Es lógico debido a que la energía suministrada es utilizada para aumentar el movimiento de vibración de las moléculas (es decir, su temperatura aumenta) Sin embargo, cuando llega a la temperatura de 100º C, observamos que por más que continuemos el calentamiento, la temperatura se mantiene constante en dicho valor. Esto es consecuencia de que las moléculas de agua alcanzaron su máxima velocidad de vibración en el estado líquido (en esta caso) y el calor (energía) que se continúa suministrando lo utilizan para acumular energía y cambiar de estado de agregación (en este caso, pasar a la fase gaseosa). En otras palabras, el calor no se utiliza para elevar el movimiento de las moléculas, sino para que éstas cambien de estado y por lo tanto, la temperatura permanece constante. Al mantenerse la temperatura constante, el calor ganado o cedido por el cuerpo que está cambiando de estado de agregación, ya no depende de la variación de temperatura (debido a que no hay variación) y por lo tanto, la cantidad de calor depende de:

• La masa del cuerpo.

• La sustancia por la que está compuesto el cuerpo.

• El cambio de estado de agregación. La dependencia de la masa es, por sentido común, muy lógica, como ejemplo podemos citar que calentados por mecheros iguales, para vaporizar 1

Kg. de agua se le debe suministrar más calor que para vaporizar 100 g de agua. En cuanto a dependencia de la sustancia y el tipo de cambio de estado que se experimenta, aparece un nuevo concepto que es ”el calor latente o calor de cambio de estado”, entre los más usados están:

• CALOR DE VAPORIZACIÓN: es la cantidad de energía necesaria para vaporizar (líquido-vapor) un gramo de sustancia.

• CALOR DE FUSIÓN: es la cantidad de energía necesaria para pasar del

estado sólido a líquido, un gramo de sustancia.

• CALOR DE CONDENSACIÓN: es la cantidad de energía que debe quitarse a un gramo de sustancia para que pase del estado gaseoso al líquido.

CAMBIO DE ESTADO La utilización de ideas referidas a las partículas para describir los tres estados de la materia ha sido investigada con 1000 alumnos escoceses de edades comprendidas entre los 11 y 13 años. Se les pidió que dibujaran diagramas en los que presentasen la forma, la disposición y distribución en el espacio de los átomos o moléculas de un sólido, un líquido y un gas. En la siguiente figura (8.1), obtenida del libro “Ideas científicas en la infancia y la adolescencia” de Rosalind Driver, muestra una selección de los dibujos realizados por los estudiantes. Alrededor de la mitad representaron las partículas de los estados líquido y gaseoso en un tamaño más pequeño que el correspondiente al estado sólido. Las entrevistas mantenidas con los alumnos manifestaron que no se trató de una simple cuestión de cambio de escala de los dibujos, sino que reflejaba el punto de vista subyacente de que el diámetro molecular disminuye progresivamente desde el estado sólido, al líquido y al gaseoso. También se estudió la distribución espacial de las partículas en los dibujos, observando que la mayoría representó las partículas en estado sólido de modo ordenado en comparación con la distribución desordenada que aparece en el estado líquido y en el gaseoso. Aunque la mayor parte de los estudiantes indicó que las partículas que se encuentran en cuerpos en estado líquido y gaseoso se mueven, alrededor de un tercio, no señaló movimiento alguno en el estado sólido.

Presentamos dos redes conceptuales integradas de Biología, Física y Química, permitiendo organizar de modo significativo (lógico) los conceptos que deseamos trabajar con nuestros alumnos, como un recurso útil para la planificación de la enseñanza. No poseen una estructuración jerárquica sino que representan de manera esquemática los conceptos centrales y las relaciones de significado, que a modo de principios o ideas básicas, lo vinculan entre sí. RED CONCEPTUAL Nº 1 tienen MOLÉCULAS pueden ser

MOVIMIENTO AGUA

Aumento por encontrada en pueden CALOR determinan cambiar SERES VIVOS VEGETALES ESTADOS SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO ANIMALES

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son SISTEMAS de los MATERIALES

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REACCIONES CAMBIOS define la

d QUÍMICAS DE ESTADO a es n son una forma

de disipar

FOTOSÍNTESIS absorben o producen CALOR TEMPERATURA

RESPIRACIÓN Produce variación de

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