SECUENCIA II: CAMBIOS DE TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO

 

Objetivos de la secuencia

  • Constatar las modificaciones de temperatura cuando se ponen en contacto dos o más cuerpos con diferentes temperaturas iniciales.
  • Comprobar que cuando dos cuerpos que están a diferentes temperaturas se ponen en contacto, las temperaturas de ambos se igualan al transcurrir un cierto tiempo.
  • Relacionar estos cambios con la idea de transferencia del calor.
  •  Reconocer que el ambiente puede ser una fuente de calor.

Actividades

Actividad 1

 Aproximación a fenómenos que implican transferencia de calor.

Como presentación del tema se propone a los alumnos una serie de preguntas para promover la reflexión sobre situaciones relacionadas con la transferencia de calor.

Consigna: pensemos en las siguientes preguntas.

¿Qué pasará con la temperatura de una gaseosa bien helada si la dejo una hora sobre la mesa de la cocina? ¿Por qué pasará esto?

¿Y si pusiera la lata de gaseosa fría dentro de un recipiente con agua caliente? ¿Qué pasaría con la temperatura de la gaseosa?

¿Qué pasará con la temperatura de una taza de té bien caliente si la dejo una hora sobre la mesa de la cocina?

¿Cuántas maneras conocen de enfriar un huevo duro? ¿Cuáles son?

Si coloco una pava bien caliente sobre la mesa, ¿qué sucederá con la temperatura de la mesa en el lugar donde estuvo apoyada la pava?

¿Qué pasó con la temperatura del té, de la gaseosa, del huevo duro, de la tabla de la mesa? ¿Qué hizo que cambiara la temperatura en cada caso?

Esta parte del trabajo podrá realizarse en pequeños grupos o con el grupo total. En el primer caso, el docente propondrá las preguntas y luego se comentarán las respuestas en el grupo general. En el segundo caso, el docente prestará atención a que todos los niños tengan oportunidad de formular respuestas.

 Como ésta es una actividad de iniciación, no se espera que los niños den respuestas absolutamente acertadas, ni tampoco que estén de acuerdo entre sí. En esta actividad se trata de utilizar, en casos concretos, las ideas relacionadas con fenómenos de transferencia de calor. Estas ideas serán trabajadas a lo largo de esta secuencia y la siguiente. Por ello, es importante tener en cuenta la diversidad de opiniones, dejando marcado que se van a discutir durante el trabajo con este tema.

Actividad 2

 Realización de una experiencia para estudiar la variación de temperatura de un volumen de agua en contacto con otro volumen distinto de agua a mayor temperatura.

En esta actividad se procura registrar sistemáticamente las variaciones de temperatura en un mismo cuerpo cuando éste entra en contacto con otro a mayor temperatura.

Serán necesarios los siguientes materiales:

Dos recipientes (un jarro de 1/4 litro y una cacerola de 3 litros). –Termómetros de laboratorio.

Termos con agua fría (más o menos 8ºC) y caliente (más o menos 40ºC).

Reloj.

Consigna: En el recipiente pequeño colocaremos agua a unos 8ºC y en el otro recipiente más grande, agua a 40ºC. Introduciremos el recipiente más pequeño dentro del más grande.

¿Qué creen que sucederá con la temperatura del agua del recipiente pequeño? ¿Aumentará o disminuirá?

¿Qué temperatura piensan que tendrá después de 10 minutos?

Una vez que los alumnos han enunciado y compartido sus opiniones, se les plantea que en primer lugar se medirá la temperatura inicial del agua en el recipiente pequeño, antes de sumergirlo en el más grande. Luego se colocará el recipiente más pequeño dentro del más grande y se medirá la temperatura del agua del recipiente pequeño cada 5 minutos, registrando los valores medidos.

Es importante que al realizar la experiencia se tenga cuidado de revolver suavemente el agua antes de medir. Se puede preguntar: "¿para qué habrá que revolver cada vez?".

Mediante esta experiencia se trata de registrar los cambios en la temperatura de un solo cuerpo. Por eso la atención se concentra en los cambios ocurridos en el recipiente pequeño, aun a costa de dejar de lado otros factores intervinientes en la situación.

Por ejemplo, es probable que los alumnos piensen que el agua del recipiente pequeño alcanzará los 40°C, que es la temperatura del agua del recipiente grande. Si también se midiera la temperatura del recipiente más grande, se podría notar que esta previsión no se cumple. Esto es así porque, a medida que la temperatura del recipiente más pequeño asciende, va disminuyendo la temperatura del agua del recipiente grande.

Este descenso en la temperatura se explica por dos razones. La primera es el contacto con otro cuerpo más frío (el recipiente más pequeño). La otra razón es que la temperatura de la cacerola desciende por el contacto con el ambiente —el mismo caso que la taza de té caliente de la actividad 1.

Como se ve, si se continuara la experiencia, se incorporarían más variables. Por razones didácticas nos parece preferible reducir el número de variables en esta primera experiencia, y centrar la atención sólo en uno de los recipientes. En esta primera aproximación interesa que los alumnos comiencen a pensar en que hay algo que se transfiere.

Por esta razón, es que se propone realizar el control durante un tiempo corto que permita apreciar cambios en la temperatura del agua del recipiente pequeño, sin insistir en la medición de la temperatura del agua del recipiente mayor ni en el control durante un período largo que llevaría al equilibrio térmico.

Por el mismo motivo es necesario que el recipiente mayor contenga un volumen muy superior de agua. De ese modo, su influencia sobre el recipiente pequeño será claramente perceptible.

El docente puede ofrecer un cuadro para completar con el registro de temperaturas. Por ejemplo: 

 

 Tiempo en minutos

 Temperatura del agua del recipiente pequeño

 0

 

 5

 

 10

 

 15

 

 20

 

Finalizada la experiencia se proponen algunas preguntas para obtener las primeras conclusiones.

¿Varió la temperatura del agua del recipiente más pequeño?

¿Cuál fue la temperatura del agua del recipiente pequeño en la última medición? ¿Era lo que esperaban?

¿Por qué creen que varió la temperatura del agua en el recipiente pequeño?

Las preguntas pueden ser propuestas a cada grupo o puede realizarse una conversación con el grupo total.

 

Actividad 3

Realización de una experiencia que permite analizar las relaciones entre las variaciones de temperatura de un volumen de agua y del ambiente.

En esta actividad se trata de estudiar simultáneamente las variaciones de temperatura en dos cuerpos (el agua del recipiente y el aire contenido en la caja de telgopor) que están en contacto y que se hallan en una situación inicial a temperaturas diferentes.

Se necesitarán los siguientes materiales:

  • Una caja de telgopor.
  • Un trozo pequeño de polietileno transparente.
  • Un recipiente pequeño.
  • Plastilina.
  • Dos termómetros de laboratorio.
  • Un termo con agua fría (más o menos 8ºC).
  • Un reloj.
  • Cinta de pintor para pegar el polietileno.

El docente presenta a los alumnos el siguiente dispositivo:

Una caja de telgopor con una ventana abierta en la tapa. La ventana está cubierta con plástico transparente grueso debidamente sellado con cinta de pintor y tiene sólo una función visual. Por dos perforaciones del telgopor salen dos termómetros de laboratorio. Uno tiene el bulbo dentro de un recipiente con agua a 8ºC y el otro mide la temperatura del aire dentro de la caja. Conviene que las perforaciones por las que salen los termómetros sean selladas con plastilina.

El dispositivo es sencillo, pero su construcción demanda cierto tiempo. El docente evaluará si es conveniente que cada grupo de alumnos lo prepare o prefiere presentarlos ya fabricados por él. Esta segunda opción ofrece a los alumnos un dispositivo apto, que luego puede ser reproducido por ellos para futuras experiencias y no necesita un gran insumo de tiempo. Por otra parte, la propia actividad no requiere de una manipulación especial por parte de los alumnos.

Sin embargo, no es en absoluto desaconsejable que cada grupo de niños prepare su caja y realice la experiencia y su registro por sí mismo.

En el caso de que la actividad se realice por pequeños grupos, cada uno puede hacer un registro progresivo de los cambios de temperatura. Si se utiliza un solo aparato con el grupo total, el docente evaluará la conveniencia de dejar el dispositivo bajo control de algunos alumnos mientras los demás desarrollan otra tarea y luego convocará al conjunto para discutir las conclusiones que se desprendan del análisis de la situación final.

Una vez que el docente ha presentado y explicado el funcionamiento del dispositivo, podrá preguntar:

¿Qué creen que pasará con la temperatura del agua al cabo de un tiempo? ¿Y con la temperatura del aire de la caja?

Cuando se armó el dispositivo, la temperatura del agua era de 8ºC y la del aire era de 24ºC. ¿Qué temperatura creen que tendrá cada uno al cabo de 10 minutos?

Consigna: Vamos a controlar la temperatura del agua y del aire dentro de la caja cada 2 minutos y registraremos los resultados en un cuadro como el que sigue:

 Tiempo (minutos)

 Temperatura del aire (ºC)

  Temperatura del agua (ºC)

 0

 

 

 2

 

 

 4

 

 

 8

 

 

 10

   

Una vez finalizado el período se analizan los resultados o la situación final mediante preguntas como las siguientes:

¿Qué sucedió con la temperatura del agua? ¿Qué sucedió con la temperatura del aire? ¿Por qué subió la temperatura del agua? ¿Por qué bajó la temperatura del aire?

¿Qué pasaría si hiciéramos la experiencia al revés: ponemos el agua a mayor temperatura que el aire?

Si el docente lo cree conveniente, podrán realizar una experiencia que ayude a responder la última pregunta (experiencia alternativa).

A modo de orientación para el docente, en los siguientes cuadros mostramos los resultados obtenidos por nuestro equipo al realizar ambas experiencias.

El aire a mayor temperatura inicial que el agua

 Tiempo (minutos)

 Temperatura del aire (ºC)

  Temperatura del agua (ºC)

 0

24 

 10

 2

18

 12

 4

16

 14

 6

14

 14

El agua a mayor temperatura inicial que el aire (experiencia alternativa)

 Tiempo (minutos)

 Temperatura del aire (ºC)

 Temperatura del agua (ºC)

 0

 24

 

 2

 

 

 4

 

 

 6

 

 

 8

   

Los resultados de esta experiencia podrían servir para comprender, por analogía, que el aire también modifica su temperatura en contacto con cuerpos que están a una temperatura diferente. Sin embargo, cuando nos hallamos en una habitación las variaciones en el ambiente son muy pequeñas y no pueden ser detectadas.

Al utilizar la caja aislante, es más sencillo apreciar que las pérdidas de temperatura de uno de los cuerpos van acompañadas por ganancias del otro. En la medida en que el dispositivo esté relativamente aislado, se puede concluir que, en el corto plazo, ha existido algún tipo de trasferencia de calor. Tanto en el caso en que el agua está a menor temperatura que el aire, como en el inverso, se puede prolongar la experiencia hasta que el agua y el aire de la caja alcancen la misma temperatura. Entonces, se puede analizar la situación mediante preguntas de este tipo: —¿Seguirá subiendo la temperatura del agua? ¿Seguirá bajando la del aire? (o, a la inversa, en caso de realizar la segunda experiencia). Estas preguntas introducen el tema del equilibrio térmico que se profundizará en la próxima actividad.

En todas estas experiencias es importante recalcar que se parte de situaciones en las cuales los cuerpos están a diferentes temperaturas, y que mientras uno pierde calor, el otro lo gana.

Al finalizar la experiencia, el docente podrá proponer comparar los resultados con los de la actividad anterior. Esto permitirá reconocer que, al igual que el agua del recipiente más grande de la actividad 2, el ambiente también puede ser una fuente de calor para un cuerpo que está a menor temperatura.

También podrá preguntar qué piensan que habrá sucedido con la temperatura del agua del recipiente más grande en la actividad 2. De esta manera, se trata de generalizar el hecho de que la variación de la temperatura de dos cuerpos en contacto se produce simultáneamente en ambos, y en sentidos contrarios.

Luego, el docente podrá retomar las preguntas formuladas en la actividad 1, preguntando esta vez qué fue lo que hizo que cambiara la temperatura del cuerpo en cada caso.

Si se realiza la segunda experiencia como experiencia alternativa, se podrán comparar sus resultados con las respuestas vinculadas con el té o con el huevo duro.

Actividad 4 

Realización de una experiencia que permite registrar el hecho de que dos o más cuerpos que inicialmente tienen una temperatura diferente igualan su temperatura al cabo de un tiempo.

Materiales:

  • Recipientes iguales de vidrio (frascos de tipo del tipo de los de mermelada) destapados conteniendo la misma cantidad (llenos hasta la mitad) de limaduras de hierro, aserrín, agua. Todos ellos a una temperatura de 8°C.
  • Un termómetro para cada recipiente.
  • Un termómetro más para controlar la temperatura ambiente.
  • Un reloj.
  • Tener a disposición una heladera o un recipiente que conserve fríos los materiales durante su traslado a la escuela.

Al igual que en las actividades anteriores, esta experiencia puede ser realizada con el grupo total o en pequeños grupos de alumnos que desarrollen la tarea autónomamente. En ese caso, se deberá contar con termómetros suficientes para cada grupo de trabajo.

Se colocan limaduras de hierro, aserrín y agua a una temperatura inicial de unos 8°C —la del gabinete principal de una heladera. Una vez retirados de la heladera se pone, en forma simultánea, un termómetro en cada recipiente. Todos los recipientes, con los termómetros colocados, se ubicarán sobre una mesa separados por unos 20 cm, formando un triángulo. El termómetro que controla la temperatura ambiente se apoyará también sobre la mesa.

Debemos tener en cuenta que para alcanzar unos 8°C es necesario que los frascos con los materiales estén en la heladera al menos durante todo un día. Si no se cuenta con heladera en la escuela, se los puede enfriar y trasladar en una caja o una heladerita de telgopor. En ese caso, es conveniente que el trayecto hasta la escuela sea breve y que la actividad comience en la primera hora de clase.

Una vez que el docente presentó el material a los alumnos e informó acerca de su preparación, podrá preguntar:

¿Qué pasará con la temperatura de cada material si lo dejamos sobre la mesa durante una hora? ¿A qué temperatura piensan que llegará cada uno, al cabo de ese tiempo?

Consigna: Vamos a controlar el cambio de temperatura de los distintos materiales. Para esto, mediremos la temperatura en la situación inicial, y volveremos a medirla cada 3 minutos las primeras tres veces y, después, cada 10 minutos.

Las primeras mediciones se tomarán cada 3 minutos y, luego, cada 10 minutos. La experiencia continúa hasta que luego de dos observaciones consecutivas no se produzcan más cambios en la temperatura de ninguno de los materiales. A medida que se hacen las mediciones se realizará un registro de las variaciones.

Para la realización de la experiencia, es necesario tener en cuenta que:

  • los termómetros elegidos deben ser tales que a iguales condiciones marquen la misma temperatura (esta cuestión se trata en "Orientaciones");
  • para efectuar las mediciones, no hay que levantar el termómetro del material;
  • hay que revolver los materiales suavemente con el bulbo del termómetro antes de efectuar cada medición;
  • es importante que la temperatura ambiente supere los 20°C para que la actividad tenga resultados apreciables en un tiempo prudencial.

Las diferentes mediciones se podrán ir registrando en un cuadro como el que sigue (en éste informamos nuestros propios resultados):

Material Tiempo en minutos

 

 Material

     Tiempo en minutos     

 

 0

 3

 6

 9

 19

 29

39 

49 

59 

69 

 Aserrín

 9 °C

15 °C 

17 °C 

19 °C 

21 °C 

 22° °C

22 °C 

 

 

 

 Hierro

 9 °C 

16 °C 

18 °C 

19 °C 

21 °C

22 °C

22 °C

 

 

 

 Agua

 7 °C

 8°C

9 °C 

 11 °C

14 °C 

 15 °C

 17 °C

 20 °C

 22 °C

 22 °C

 Aire

 22 °C

22 °C

 22 °C

 22 °C

22 °C

 22 °C

 22 °C

 22°C

 22°C

22 °C 

Una vez finalizadas las mediciones y el registro, se analiza la situación:

¿A qué temperatura están ahora los distintos materiales? ¿A qué temperatura está el ambiente? ¿Cómo explicarían lo que pasó?

Con la constatación de que las temperaturas se han igualado y tomando en cuenta las respuestas a estas preguntas, el docente podrá explicar que a este fenómeno se lo denomina "equilibrio térmico". A partir de este momento es posible enriquecer el trabajo mediante preguntas como:

¿A qué temperatura hubiesen llegado los distintos materiales en un día frío? Por ejemplo, ¿a qué temperatura hubiesen llegado si el ambiente hubiera estado a 15°C?

También es posible realizar la experiencia a la inversa:

¿Qué pasaría si los materiales estuvieran más calientes que el ambiente? ¿Hasta qué temperatura llegarían después de 30 minutos?

Existe además la alternativa de colocar un mismo material a dos temperaturas diferentes (por ejemplo 5°C y 30°C):

¿Llegará el material contenido en ambos recipientes a la misma temperatura?

Para ampliar este conocimiento a otros cuerpos que no han sido usados en la experiencia, se puede preguntar:

Si pudiéramos medir la temperatura de distintos objetos que hay en el aula (la mesa de madera, los tornillos de metal, el interior de la cartuchera, el pizarrón, una tiza, etc.), ¿qué temperatura piensan que mediríamos? ¿Por qué?

Una vez discutidas las respuestas, el docente podrá indicar que, a pesar de que algunos cuerpos los "sentimos más fríos o más calientes", todos tendrán la misma temperatura al estar en la misma habitación durante mucho tiempo.

Al realizar un control seriado de las variaciones de temperatura (medir la temperatura en intervalos cortos de tiempo), la actividad también permite constatar que, aunque se llegue a la misma temperatura final, la velocidad de variación de la temperatura es diferente en cada material. Esta diferencia puede apreciarse en el cuadro de valores presentado.

La diferente velocidad en la variación de temperatura de cada material se explica en parte por la diferente capacidad de conducción de cada uno de ellos. Los materiales más conductores entregan calor más rápido y, por lo tanto, muestran un descenso más veloz de la temperatura. Como se comenta en "Orientaciones", es posible relacionar estas actividades con las propuestas que plantea la secuencia para 4to grado de la conducción del calor.

Al finalizar esta secuencia, los alumnos habrán tenido oportunidad de aprender que:

  • Siempre que se ponen en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, cambia la temperatura de ambos.
  • Ese cambio de temperatura se debe a la transferencia de calor del cuerpo que está a mayor temperatura al que está a una temperatura menor.
  • Cualquier material puede producir esa transferencia siempre que esté a mayor temperatura.
  • Esos fenómenos de transferencia continúan hasta que ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura.

Como actividad complementaria, se podrá incluir la secuencia:  “Materiales aislantes”

 Además, si se quiere trabajar estos contenidos en forma articulada con informática, se puede consultar el documento de Aportes para el desarrollo curricular de ciencias naturales e informática “Termómetros, temperatura. Organización y representación de datos”

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