OEI

Organización
de Estados
Iberoamericanos


Para la Educación,
la Ciencia
y la Cultura

Formación continuada del profesorado de Ciencias.
Una experiencia en Centroamérica y El Caribe

2.13. Conceptos de energía interna, calor y temperatura

Roberto Garrido (Panamá)

Índice

Introducción

Cuánto hemos progresado desde que el ser humano sintió la necesidad de proteger su cuerpo utilizando pieles de animales, considerando tal vez que era una forma de contrarrestar el frío , sin pensar, en realidad, que con ese mecanismo lo que verdaderamente hacía era aislar su cuerpo de las inclementes bajas temperaturas de su ambiente.

Hoy día observamos que los temas relacionados con conceptos cómo calor y temperatura son parte cotidiana de la vida moderna, se habla de ellos en diferentes medios de comunicación cuando se transmite información relacionada con el estado del tiempo, las mareas, el clima, la situación concerniente con la contaminación de la atmósfera y el daño que la capa de ozono sufre por efecto de esa contaminación, y aún más, se vinculan todos estos cambios en forma global y se explica al público que: “En los últimos 100 años la temperatura media del planeta ha ascendido algo más de 0’5°C”

Hemos de recordar que las anteriores fuentes de información no representan el único mecanismo por el cual, el público en general, los niños y los adolescentes en particular, reciben algún tipo de información vinculada a los conceptos de calor, temperatura y cambios de energía. El ser un observador crítico permite apreciar que estos conceptos se manifiestan, explican, o se ilustran con matices no muy claros y con desvirtualización de los auténticos significados científicos que esos conceptos tienen en el vocabulario, que la investigación científica ha logrado para éstos, en química, física, termodinámica y otras ciencias.

Todo lo anterior se hace evidente en las caricaturas animadas (cómicas), anuncios publicitarios, algunas telenovelas, películas de ciencia ficción; donde se habla o se utilizan tales conceptos y no se relacionan entre ellos y mucho menos, se deja claro el origen que el calor y la temperatura tienen en los cambios de energía en los sistemas materiales. Se dejan ver detalles relacionados con las diferencias macroscópicas que las transferencias y transformaciones de la energía tienen, mas no así, con las diferencias microscópicas que provocan.

El calor es la medida neta de la cantidad de energía que se transfieren de los sistemas puestos en contacto y que se encuentran a diferentes temperaturas; éste concepto (la temperatura) es una magnitud relacionada, mediante una proporcionalidad directa, con la energía cinética promedio que tienen las partículas de un material (átomos, moléculas, iones). Denominándose a la suma esa energía y la energía electromagnética de las partículas, como la energía interna de las partículas. Al disminuir la temperatura, la energía cinética microscópica de las partículas disminuye (y viceversa).

Para algunos estudiantes, el calor es lo que se siente o se percibe de un ambiente a altas temperaturas (que ellos denominan sofocante o caluroso). También piensan que el calor es la energía de los procesos a altas temperaturas y que ellos denominan como calientes, muy calientes, donde algo se quema; o lo que sentimos al acercarnos a un foco calorífico. Para la temperatura, indican que es lo que mide el estado del tiempo en un ambiente; lo que mide cuánto calor hace o tiene un cuerpo; lo que medimos en las personas que tienen fiebre; o lo que sentimos cuando hacemos ejercicio o practicamos algún deporte.

Todo lo anterior coincide con lo que expresan algunos investigadores que han estudiado el tema y de los que he podido consultar tenemos a la Doctora Driver (1988), quien explica que los estudiantes adolescentes consideran el calor como algo material, que se acumula en los cuerpos, hasta que por falta de espacio tiene que desplazarse a otro lugar del material que lo está acumulando. Que el frío es lo contrario del calor, y que el frío puede transferirse al igual que el calor. Otros autores como Vázquez Díaz (1987) y aquellos citados en su investigación, manifiestan algunas concepciones espontáneas de los estudiantes, los cuales explican que el calor no tiene magnitud física o esa magnitud es la temperatura; el calor está contenido en los cuerpos; calor y temperatura son conceptos no diferenciados; el frío es la ausencia de calor, o lo contrario de éste. Este mismo autor explica que el tema del calor es un concepto complejo, por lo que se espera que su aprendizaje “resulte bastante difícil”.

Objetivos específicos de esta unidad didáctica:

1. Cambios y transformaciones en fenómenos naturales

En la naturaleza se realizan una serie de transformaciones que involucran cambios en los sistemas materiales, seres vivos y materia inerte. Algunos de estos cambios pueden ser apreciados de forma inmediata, otros son más prolongados. En otros casos, los cambios no son visibles, sin embargo, muchas personas han inventado aparatos con los cuales medir esos cambios. A diario vemos en los noticieros de televisión, en la información de la prensa o en documentales que los cambios que ocurren en la naturaleza provocan transformaciones que afectan a los seres vivos y a la materia inerte, variando las condiciones geográficas de una región, lo que afecta en algunas ocasiones el clima, la disponibilidad de alimentos, etc.. Estos cambios o transformaciones pueden ser de tal magnitud que varíen las condiciones de la superficie terrestre; los mares; ríos y lagos.

Actividad 1. De forma individual y escrita, sírvase informar algunos ejemplos de esos cambios.

Comentario 1. Esta actividad permite al docente conocer las ideas previas de los estudiantes relacionados con los conceptos de transformación y transferencia de energía. Se recomienda iniciar con una exploración individual que permita determinar en qué nivel se encuentran esos preconceptos: Si se refieren a sensación de lo caliente; a la energía de las cosas calientes o su medida. De igual forma se puede determinar en qué nivel están sus preconceptos de temperatura: Es la medida del calor; lo que determina el tiempo meteorológico; lo que va de frío a caliente, etc.
Recomendamos a los y las docentes no hacer cuestionamientos como: “Mencionen cambios o transformaciones relacionadas con el calor”. Este tipo de pregunta induce al estudiantado a reforzar sus propios errores conceptuales, cosa que se manifiestan en sus ejemplos, donde los cambios se relacionan con manifestaciones de altas temperaturas, olvidando que a bajas temperaturas ocurren también transferencias y transformaciones de energía donde se mide valores neto de CALOR y no su condición caliente. Es posible que los estudiantes informen de cambios visibles; que manifiesten variaciones de temperatura provocados por algún tipo de foco calorífico; relacionados con catástrofes naturales (terremotos, huracanes, erupciones volcánicas, etc.). Es posible también que no aparezcan cambios relacionados con procesos de transformación de alimentos mediante la digestión en seres heterótrofos; o, producción de alimentos en los autótrofos. Otros procesos como la oxidación celular, fotosíntesis, circulación sanguínea pueden no ser considerados como cambios o transformaciones, y que pueden incorporarse después. Luego que los estudiantes han copiado todos estos cambios, se les puede solicitar que realicen un análisis de sus respuestas organizándose en pequeños grupos.

A.2. Analizar sus respuestas, organizados en pequeños grupos

C.2. El retomar la actividad en forma grupal permite dar opciones importantes: Iniciar un trabajo colectivo de análisis de sus propios preconceptos, que representan en este curso, y para este tema, el primer intento de formular una posible respuesta (hipótesis) a un planteamiento de una situación problemática determinada. Esta dinámica aproxima a los estudiantes al mecanismo como los científicos buscan solucionar situaciones similares de acuerdo al conocimiento previo. Los estudiantes poseen un listado de los cambios y transformaciones que ocurren en la naturaleza de manera espontánea. Valdría la pena inducir al alumnado a considerar que ciertas formas de energías están relacionadas con el origen de las fuerzas que mueven los vientos de una brisa de verano o los de un fuerte huracán.

A.3. ¿Cuál es el origen de las fuerzas que mueven los vientos huracanados; que hacen correr las aguas de un río inundado por las lluvias; o que provocan una avalancha de lodo o de nieve en las montañas?

C.3. En esta oportunidad se puede introducir el concepto de energía vinculado a cada uno de estos fenómenos naturales como la fuente que provee las fuerzas necesarias para que ocurran dichas transformaciones.

2. Cambios y transformaciones provocados por los seres vivos

En forma natural ocurren otras series de transformaciones que están relacionadas a diversas formas de energías que le dan origen. Por ejemplo: Las plantas con clorofila reciben la energía radiante del sol, la cual es utilizada por estos seres vivos para realizar la fotosíntesis, transformando la energía radiante del sol en energía química que se almacena en los frutos, tallos y hojas de estas plantas. Cuando otros seres vivos se alimentan de plantas o de los frutos y semillas que éstas producen, obtienen parte de esa energía química almacenada en los tejidos vegetales; es el caso de los seres herbívoros, que a su vez sirven de alimento a seres vivos carnívoros, por lo que la energía química original, almacenada en las plantas (cuyo origen primario es la energía radiante del sol) llega a ser almacenada en forma de energía química en las células, tejidos, órganos y sistemas de esos seres vivos herbívoros y carnívoros.

Los seres vivos hacen uso de alguna forma específica de energía para producir cambios o transformaciones en su ambiente natural. Los seres humanos descubrieron desde épocas muy remotas la forma de aprovechar cierto tipo de energía. Por ejemplo: Utilizaban la combustión del carbón o de la madera para preparar alimentos o calentar sus viviendas. Las corrientes de los ríos para navegar o mover molinos, igual se aprovechaba la energía del viento, conocida como eólica.

A.4.¿Es posible que en nuestro cuerpo ocurran cambios que se relacionan con algún tipo de energía?

A.5. ¿De ser así, cuál es el origen de esa o esas formas de energías que mantienen nuestras funciones vitales; y de los fenómenos naturales que discutieron con anterioridad?

C.4. y C.5. En esta oportunidad hacemos una relación entre las diversas formas de energías y las fuentes de las que se originan. Se puede pedir a los estudiantes que realicen una investigación en los textos de ciencias naturales u otros libros recomendados.

3. Cambios que requieren energía o proporcionan energía

Algunas de las transformaciones o cambios que ocurren en forma natural, o que son provocados por los seres vivos, proporcionan energía. Tales son los casos del viento que proporciona energía eólica, que en realidad es energía cinética del aire, que a su vez hace mover a los molinos y los barcos o botes de vela. Otro ejemplo, es la corriente de un río que se mueve gracias a la energía cinética de movimientos de las masas de agua, que a su vez provocan el movimiento de otros cuerpos materiales dentro de los ríos, o de molinos construidos en sus orillas.

En otros casos, los cambios o transformaciones que ocurren sobre los sistemas materiales requieren que se aplique energía para que ocurran. Por ejemplo, si se quiere lanzar una piedra o una pelota, una cierta distancia, la persona que lanza el objeto utiliza la fuerza de sus músculos, que le es posible, gracias a la energía cinética y potencial de los mismos, que a su vez se origina de la energía química almacenada en los tejidos.

A.6. ¿Es posible que algún tipo de transformaciones y transferencias de energías provoquen estos cambios? Investigue qué tipo de energías se relacionan con estos cambios y de qué fuente se originan esas energías

A.7. ¿Qué significados tienen los conceptos energía, transformaciones y transferencias de energías? Mediante una investigación bibliográfica desarrolle el siguiente vocabulario de conceptos:
Energía, energía potencial gravitatoria, energía cinética, energía elástica, energía electromagnética, energía radiante, energía química, energía muscular, cambios de estado, fusión, evaporación, condensación, solidificación o congelación, sublimación, fricción, percusión, compresión, combustible, combustión, oxígeno, oxidación celular, fotosíntesis, partículas, átomos, moléculas, fisión nuclear, fusión nuclear.

C.6. y C.7. Con todos los contenidos que el alumnado ha discutido hasta el momento, es posible confeccionar un esquema o cuadro en el que se resuman los conceptos más importantes relacionados con los tipos de energías, el origen o fuente de la cual se origina cada una de las diversas formas de energías, los procesos por los cuales son liberadas y los mecanismos de transformación que dan origen a otras formas de energías. Es de suma importancia que la resolución de la información que se requiere para completar el cuadro se someta al mayor debate posible entre el estudiantado. Salvo en que éstos no pueden llenar la información, el profesor actuará como moderador. Al completar la información el cuadro incorporará palabras nuevas al vocabulario científico del alumnado, razón por la cual debe, cada grupo ha de resumir y copiar el cuadro final, al tiempo que se resuelve el vocabulario.

A.8. De acuerdo con la información obtenida, completar un cuadro como el siguiente:

Tipo de energía Fuente u origen Proceso de liberación Se transforma en Cambios producidos
Química Combustibles Combustión Energía cinética de partículas Dilatación. Cambios de estado. Cambio térmico (frío, caliente)
Potencial gravitatoria
Cinética de movimiento macroscópico.
Muscular
Potencial electromagnética de las partículas
...
...

4. Origen de la energía

La energía es una propiedad inherente a los cuerpos materiales, los cuales al transformarse por medio de reacciones químicas, o por cambios de tipo físico, pueden liberar parte de su energía en nuevas formas de energías. Como en los ejemplos anteriores de energía cinética de las masas de agua que recorren la vertiente de un río, tiene su origen en la energía potencial gravitatoria del agua situada en la parte alta de las montañas. Debido a la fuerza peso, desde el momento que se precipitan los millones de gotas de lluvia que caen en sitios elevados se producen masas de agua (en lugares fríos en forma de nieve y hielo) que acumulan energía potencial gravitatoria.

El movimiento de nuestro cuerpo es posible gracias a la liberación de la energía química que nos proporcionan los alimentos de origen vegetal y animal, lo que nos permite transferir esa energía a un objeto que lanzamos, el cual adquiere energía cinética macroscópica debido a su movimiento en el espacio. Esa misma energía química de los alimentos, que se libera mediante el mecanismo de la oxidación celular, produce una serie de procesos vitales que mantienen nuestro cuerpo caliente, calor que podemos transferir a otros cuerpos con los que entramos en contacto, siempre que los mismos estén a menor temperatura que la que es característica de los seres humanos, (aproximadamente unos 37 grados centígrados).

A.9. ¿Cuál es el origen de la energía que se libera durante el proceso de combustión, o el de un objeto que cae desde un quinto piso de un edificio, o de una flecha disparada con un arco?

C.9. Esta será una oportunidad importante para la recapitulación de los temas discutidos durante el desarrollo del cuadro y del vocabulario. Se ha de enfatizar, en el origen de cada una de las formas de energías que se estudiaron hasta el momento.

5. Formas de energía

Cada forma de energía se identifica, de acuerdo con su uso o los efectos que causa en los cuerpos materiales. Si colocamos un objeto a cierta altura se sabe que debido a la atracción gravitatoria se ejerce una fuerza peso sobre el mismo. Debido a la existencia de esa fuerza peso, el sistema formado por el objeto y la Tierra posee una energía potencial, que se libera y se puede transformar en cinética, cuando se deja dicho sistema en libertad, es decir cuando se deja el objeto sometido únicamente a la fuerza peso. Conforme el objeto cae su altura disminuye pero aumenta su velocidad. En consecuencia disminuye la energía potencial (asociada a la posición) y aumenta la energía cinética (asociada al movimiento).

Cada vez que observamos un material que arde sabemos que el mismo contiene energía química que se está liberando y que se manifiesta por la percepción de incandescencia, elevación de la temperatura. De igual forma podemos conocer si es de día o de noche, aunque tuviéramos los ojos vendados, puesto que sentiríamos en nuestra piel el efecto de la energía radiante del sol, que llega hasta el planeta por medio de la radiación solar.

A.10. Mencionen todas las formas de energías estudiadas hasta el momento, y aquellas que no se han considerado.

C.10. Cabe la posibilidad de que el estudiantado mencione la energía calórica, como una forma de energía no considerada en las discusiones previas a esta actividad, oportunidad que permitirá a los docentes cuestionar si realmente existe la energía calórica o térmica según como la definan los textos que utilizan los estudiantes.

6. Conservación de la energía y la materia

La materia y la energía ni se crean ni se destruyen; solamente sufren transformaciones: Es importante que comprendamos que este enunciado se cumple, si los sistemas que cambian se encuentran totalmente aislados de otros sistemas. En el caso de la combustión como ejemplo más tradicional, junto con el cambio de estado o fase del agua, permiten demostrar que la materia y la energía se conservan transformándose en nueva materia y nuevas formas de energías en el caso de los cambios químicos como la combustión. En el caso de los cambios físicos, como la variación de estados del agua, demostramos que a pesar del cambio, se conserva la condición química del agua, que alcanza a ser agua sólida (hielo), agua líquida, y agua gaseosa (vapor de agua).

Se han construido y diseñado instrumentos de medición y mecanismos de cálculo con los cuales obtenemos valores de energía netas transferibles de un sistema a otro. El termómetro surge como uno de los instrumentos que vino a facilitar el estudio de las transformaciones y transferencias de energías, acompañadas de variaciones de temperaturas. Surge la llamada ciencia del calor y sobresalen algunos trabajos de investigación, por la vinculación que se logró del calor con el trabajo realizado sobre un sistema en el que se producen cambios de temperatura, indicativo de que había una relación entre el trabajo realizado y la energía interna de las partículas de una sustancia material.

Estas investigaciones fueron realizadas por James P. Joule y provocaron la desestimación de la teoría del calórico, que consideraba el calor constituido por pequeñas partículas invisibles y de poco peso o sin él, que al calentar un material penetraban en éste y se combinaban con las partículas del material calentado. Al enfriarse el mismo, era indicativo de que las partículas del calórico habían abandonado dicho material y se habían desplazado a su lugar natural. En el abandono de la Teoría del calórico también influyeron los trabajos de Robert Mayer y el desarrollo de la teoría atómica–molecular de la materia según la cual todos los cuerpos materiales (sólidos, líquidos, gaseosos) están formados por átomos, iones o moléculas que siempre están en constante movimiento (más o menos desordenado). En el caso de líquidos y sólidos las partículas están unidas entre sí mediante fuerzas de tipo electromagnético. Se habla así de energía cinética y potencial “microscópicas” o de las partículas que forman la materia o, abreviadamente de energía interna (suma de cinética y potencial microscópicas).

A.11. ¿Es posible la existencia de energías microscópicas relacionadas con el movimiento continuo de las partículas (átomos, iones, moléculas), y las fuerzas que mantienen unidas a estas partículas al formar las sustancias materiales?

C.11. Se abre un paréntesis para que el profesor introduzca y comente los conceptos de energías microscópicas, electromagnética y cinética, que están relacionadas con los movimientos de las partículas y las fuerzas que las mantienen unidas.

A.12. ¿Es posible medir la cantidad de energía que se transfiere durante los cambios o fenómenos que hemos estudiado? ¿Qué sucede a la materia cuando sufre cambios provocados por las transformaciones de energías? ¿Por qué existen materiales que liberan gran cantidad de energía y otros no? El agua caliente provoca cambios, ¿también los provoca el agua fría?

C.12. Los cuestionamientos propuestos a los estudiantes en torno a la relación materia–energía, deben orientarse a la comprensión de que una no podrá transformarse en la otra por mera providencia. El docente hará énfasis, en que los cambios y transformaciones de la materia liberan energías contenidas en ésta; pero que la materia no desaparece, sino que se transforma en nueva materia por sus combinaciones químicas, que en los productos encontraremos las partículas originales de los reaccionantes. Los cuales en sus nuevas presentan características específicas diferentes a las de las sustancias originales. Estos cambios deben ser identificados como cambios químicos, a la vez que se destaca la relación con las transformaciones y transferencias de energías que se dan en estos cambios. Otra serie de cambios en la materia ocurren sin que la misma pierda sus propiedades químicas originales; ésta cambia de estado o fase, pero requiere adquirir energía de otro sistema, o transferir la misma, para que dicho cambio se realice.

Factores que determinan la combustión

La combustión es una de las reacciones por medio de las cuales la materia sufre cambios importantes, además la energía química contenida en los combustibles se libera. Sin embargo la combustión no sería posible sin no están presentes tres factores fundamentales: El material combustible, la temperatura de ignición, y la presencia de oxígeno.

El profesor presentará al estudiantado una cajita de fósforos (cerillas) y un vidrio reloj, solicitando que intenten encender un fósforo, frotándole contra el vidrio. Al no lograrlo, solicitará que lo froten contra el papel lija de la cajita de fósforos.

A.13. ¿Se dio algún cambio notable al frotar el fósforo contra el vidrio?
¿Por qué no ocurre cambio alguno en esta oportunidad?
¿Por qué se produce cambio al frotar el fósforo contra el papel lija de la cajita?
¿Qué nombre recibe ese cambio y de que condiciones depende para que esto ocurra?

C.13. Se trata de permitir al estudiantado debatir respecto a los cambios que se han producido en la experiencia anterior, las conclusiones del grupo han de orientarse hacia la propuesta de que no fue suficiente el nivel de energía producido al frotar el fósforo contra el vidrio reloj; pero si lo fue al frotar el fósforo contra el papel lija de la cajetilla. El nivel de energía liberado por medio del proceso mecánico de fricción, permite elevar la temperatura del fósforo al grado requerido para la ignición.
El profesor colocará ahora una bolita de algodón en una cápsula de porcelana y agregará alcohol (2ml) sobre el algodón. En otra cápsula de porcelana con algodón, pondrá la misma cantidad de agua del grifo (2ml) solicitando a un estudiante que encienda un fósforo y lo acerque, durante unos segundos, lo más próximo posible al algodón con agua sin que se apague el fósforo. Luego pedirá que encienda otro fósforo y lo aproxime al algodón con alcohol y observe lo que sucede.

A.14. ¿Qué cambio se dio con el algodón con alcohol y por qué no ocurre el mismo cambio con el algodón con agua? ¿De qué depende que en un sistema ocurran cambios y en el otro no ocurran?

C.14. Las conclusiones del grupo han de orientarse ha considerar que el agua no es un combustible y que el alcohol si lo es. Para cerrar esta serie de experiencias, el profesor puede solicitar a los estudiantes que coloquen un vaso químico invertido cubriendo la cápsula que tiene el algodón con alcohol que está encendido. Al suspenderse la combustión se puede plantear la siguiente actividad.

A.15. ¿Por qué razón se ha suspendido el proceso de combustión?

C.15. La prueba anterior confirma que la presencia de oxígeno en el aire es indispensable para que ocurra la combustión. Con la experiencia a continuación, el alumnado confirmará, que la diferencia del volumen de aire en los recipientes con que se tapan las dos cápsulas de porcelanas determina el tiempo de duración de la combustión en ambos sistemas:
Se trata de realizar la prueba anterior utilizando dos cápsulas de porcelana con algodón y alcohol. Encender ambas. Luego tapar con sendos vasos químicos o frascos de vidrio de los cuales uno ha de contener el doble de volumen de aire que el otro. A continuación se plantea:

A.16. ¿Porqué se apaga uno primero y el otro después?

C.16. La combustión es una buena reacción química para demostrar que la materia libera energía, y que durante esa transformación y transferencia de la energía, la materia sufre de igual manera las transformaciones que la convierten, químicamente, en nueva materia, cosa que se evidencia por residuos tales como: hollín, ceniza, humo, etc. Otra posible experiencia consiste en:
Encender una vela y colocar sobre la llama un vaso químico o un vidrio reloj, esto provoca que se adhiera hollín, producto de la combustión incompleta de los carbonos que constituyen la parafina.
Se puede proponer entonces a los estudiantes la siguiente actividad:

A.17. ¿Qué es ese material oscuro que se adhiere al recipiente de vidrio? ¿Cuál es su procedencia y que relación tiene con el cambio ocurrido a la vela?

C.17. El alumnado debe interpretar integrando conocimientos previos ya discutidos anteriormente, que se requieren ciertas condiciones básicas para que la transformación de la materia permita la liberación de energía. En el caso del fósforo que al frotarlo con el vidrio no se enciende; sin embargo al hacerlo con el papel lija de la cajita de fósforo, si se logra. El profesor puede indicar que tal situación está relacionada con la energía que adquiere el fósforo en el segundo intento al cambiar la superficie de rozamiento. También puede poner un ejemplo análogo a los estudiantes, solicitándoles que froten las palmas de las manos una frente a otra. Que realicen esto variando la intensidad de frotamiento y hacer una relación entre intensidad de roce y la intensidad de energía liberada. Otro ejemplo pudiera ser frotar las manos secas y luego frotarlas enjabonadas, y considerar cómo la variación de condiciones permite variaciones en los niveles de energía liberada. Conviene evitar mencionar la palabra calor, con respecto a sentir cosas calientes y mantenerse con el concepto de cambios de niveles de energía.
Para los propósitos de este apartado se puede introducir el concepto de transferencia de energía, al indicar que en el roce del fósforo y el papel lija sí se transfiere suficiente energía en ese proceso por lo que se logra la combustión. Igual criterio se utiliza al encender el algodón, aparte de que en el proceso de combustión del alcohol (por ser combustible) debe discutirse el concepto de transformación de una energía (química) en otra forma de energía. Se recalca que el agua no sufrió dichos cambios por carecer de la propiedad química particular del alcohol y el fósforo, por lo que no le es posible liberar la energía interna de esa manera.

7. Cambios a bajas y altas temperaturas

Al realizar actividades comunes en las que cambiamos intencionadamente la temperatura de los sistemas, como agregar cubos de hielo al agua del grifo, pasa desapercibido que en ambos sistemas se han producido transformaciones y transferencias de energía en forma microscópica, que resultan imperceptibles, al igual que los cambios de volumen que sufre la sustancia material de ambos sistemas. Sin embargo estos cambios manifiestan transformaciones macroscópicas que nos permiten medir o calcular la proporción de dicho cambio.

Sin embargo, en los cambios a altas temperaturas, una de las consecuencias más significativas de dichos cambios, radica en la elevación de la temperatura, en otros casos, los procesos se acompañan de producción de luz. Por razones de trabajo, satisfacción de necesidades (alimentación, calefacción de casas, oficinas, etc.), procesos industriales, etc., son mayormente utilizados los procesos de transformación y transferencia de energía a altas temperaturas, lo que relaciona a las personas mucho más con este tipo de cambio.

De igual forma el concepto científico de calor entra en un conflicto de interpretación lingüística producto de la polisemia que sufre este término. En pocas palabras, la sociedad humana ha requerido mucho más las transformaciones y transferencias de la energía con manifestaciones de altas temperaturas, procesos que permiten mayores transformaciones de la materia, que en el caso de las transformaciones a bajas temperaturas.

A.18. Construya un instrumento que registre cambios con las variaciones de temperatura y que sustituya el termómetro.

C.18. Las razones son lograr que el estudiantado enfoque su atención en la transformación que la transferencia de energía provoca al nivel microscópico. Para que sus estudiantes o el docente (si éste o ésta lo consideran necesario) construyan un instrumento en el que se aprecien transformaciones al calentar, se pueden utilizar estos materiales: Un tubo de ensayo de 30 – 50 ml, alcohol al 95% (si no utilice el comercial) coloreado con azul de metileno (o colorantes de refresco), un tubo capilar de vidrio (en su lugar carrizo o pajilla de sorber bebidas), un tapón de goma con un agujero del diámetro indispensable para que se introduzca el capilar sin que se den fugas de aire; (de darse sellar con masilla). Se introduce el alcohol coloreado en el tubo y se tapa con el tapón de goma atravesado por el capilar cuyo extremo queda sumergido en el alcohol. Cuando este aparato se calienta (simplemente con las manos) se puede ver como, el aumento de la presión del aire contenido en el tubo (entre el alcohol y el tapón) provoca que el alcohol coloreado suba por el capilar o la pajilla.

A.19. ¿De qué manera el termómetro permitió que la ciencia del calor fuera lo que hoy día conocemos? ¿Qué medimos cuando se utiliza el termómetro, es posible que el termómetro permita comprobar que la energía contenida en la materia sufre cambios o transformaciones?

C.19. La oportunidad permitirá recapitular conocimientos adquiridos y discutidos en actividades anteriores. Un punto importante a destacar, es el hecho de que la invención del termómetro permitió obtener mediadas más confiables de temperatura que la que nuestros propios sentidos son capaces de determinar. El profesor puede orientar una discusión en torno a este hecho para ir induciendo al estudiantado hacia la realización de la siguientes experiencias prácticas. Análogamente se puede destacar de igual manera el papel que han jugado la ciencia y la tecnología cuando ambas trabajan en beneficio mutuo: El conocimiento que la ciencia adquiere permite que la tecnología produzca instrumentos de medición de mayor precisión. Estos instrumentos sirven a la ciencia para mejorar sus observaciones y la recopilación de datos más confiables, lo que ha permitido la evolución de la ciencia hacia formas avanzadas de recopilación de datos y observaciones que mejoran significativamente el trabajo científico.

A.20.¿Pueden nuestros sentidos darnos información acerca de la temperatura, con la misma precisión como la obtenemos al utilizar el termómetro?

C.20. Este interrogatorio permitirá introducir la relación entre energía cinética interna y temperatura, refiriendo el cambio percibido a la presencia o ausencia de un tipo de energía particular, como es la transferencia de energía interna neta (calor). Es posible relacionar situaciones similares a la planteada en el interrogatorio, al dar otros ejemplos como: tomar agua del grifo y tomar agua a la que se le agregan cubos de hielo; la sensación que se percibe en una habitación sin aire acondicionado y con una numerosa cantidad de personas, con respecto a la sensación percibida al caminar de noche a la orilla del océano o en el campo en lugares elevados.

A.21. El profesor tomará 3 bandejas de vidrio o aluminio, añadirá agua tibia en una, agua del grifo en otra, y agua fría en la tercera, luego pedirá a un estudiante que introduzca la mano izquierda en la bandeja con agua tibia y la mano derecha en la bandeja con agua fría. Después de pasar unos minutos, solicitará que introduzca ambas manos en la bandeja con agua del grifo y le pedirá que describa sus sensaciones en cada mano.

C.21. Al realizar la experiencia se percibe el agua del grifo como fría en la mano que estuvo sumergida en la bandeja con agua caliente; y caliente, en la mano que estuvo sumergida en la bandeja con agua fría. Para verificar que no es una sensación particular, duda que podría pasar por el pensamiento de algunos del estudiantado, se puede pedir a tres alumnos más que realicen la misma prueba.

A.22. ¿Por qué todos los alumnos y alumnas han percibido las mismas sensaciones en sus manos al introducirlas en la bandeja con agua del grifo? ¿Por qué en una mamo percibimos el mismo sistema como frío y en la otra mano lo percibimos caliente?

C.22. Se trata de permitir que los estudiantes discutan lo ocurrido y que propongan soluciones a esa situación. El docente debe enfatizar, que ambas manos en el agua del grifo, debieron percibirse las mismas sensaciones, que no ocurrió de esa manera porque en el proceso están vinculados nuestros sentidos y éstos nos dan información que pueden no ser correctas. Análogamente puede utilizarse el ejemplo del cambio que sentimos en nuestros ojos al salir de un sitio oscuro hacia uno con fuerte iluminación.

A.23. Introduzcan el aparato construido en la A.18., en cada una de las bandejas conteniendo el agua caliente del grifo y fría ¿Qué cambios se producen dentro del tubo capilar (carrizo o pajilla) que contiene líquido coloreado?

C.23. Se trata de reflexionar sobre, por qué se da el cambio en el líquido del tubo capilar si no estamos utilizando energía adicional. Es el momento de introducir el concepto de energía interna y energía cinética interna de cada material y que la energía interna puede variar si el sistema entra en contacto con otro sistema a diferente temperatura. Sin embargo, debe discutirse e introducirse el concepto de partículas y su relación con la energía cinética interna.

A.24.¿Por qué si a los recipientes con agua fría, del grifo y tibia no se les aplica energía alguna provocan cambios de ascenso y descenso en el volumen del líquido en el tubo capilar?

8. Concepto de partícula (estructura microscópica de la materia: átomos, iones, moléculas), energía interna, energía cinética microscópica, energía potencial electromagnética microscópica

Toda materia ordinaria está constituida por partículas: Átomos, iones, moléculas. Todas las partículas que forman la materia se encuentran en constante movimiento (energía cinética). A la vez, las partículas pueden estar unidas, gracias a la acción de fuerzas de atracción electromagnéticas que permiten enlaces entre unas y otras (energía potencial electromagnética). A la suma de ambas energías se le denomina energía interna.

8.1. Átomos, moléculas e iones

Los griegos establecieron que toda materia podía dividirse en pequeños pedazos cada vez más y más pequeños, hasta que llegaría un momento en que no podría dividirse más; pero esa última partícula de esa sustancia guardaría inalterable todas las propiedades químicas y físicas del material de la cual se originó. Este grupo de filósofos griegos se organizaron en una escuela a la que nombraron como Atomista, debido a que su máximo exponente, Demócrito, le dio el nombre de átomo a dicha partícula, además de explicar que toda la materia del universo se formaba por la unión de sus partículas características.

La investigación científica desarrollada a finales del siglo XIX y principio del siglo XX, confirmó la existencia de dichas partículas y la posibilidad de que se unan entre sí dando agregados más o menos estables como, por ejemplo: las moléculas. En la actualidad se conocen 109 tipos diferentes de átomos. Presentes en la naturaleza hay 92, de esa cantidad 4 tienen existencia transitoria y 88 se encuentran en forma permanente. El resto de esos elementos (17) no existen en forma natural, han sido sintetizados en pequeñas cantidades en laboratorios de investigación.

8.2. Energías microscópicas de las partículas

Las partículas de una sustancia material, sea en estado sólido, líquido o gaseoso, se encuentran en constante movimientos vibratorio, oscilatorio o totalmente desordenado (gases), provocado por la energía cinética de cada partícula. Si esta energía aumenta las partículas tienden a alejarse unas de otras.

A.25. ¿Tendrán todos los cuerpos, objetos y sustancias esa energía propia, aunque estén en estado sólido, líquido o gaseoso?

A.26.. ¿Dónde la materia guarda esa energía interna, por qué aumenta en unos cambios y disminuye en otros?

A.27. ¿Es posible medir el nivel de energía interna que tiene un material en un momento determinado?

C.25-27. Los alumnos han de discutir las actividades anteriores guiados por el profesor, debe concluirse que cada uno de los recipientes con agua posee una energía cinética interna promedio o nivel de energía cinética interna diferente y que debido a eso, la energía de un sistema se transfiere del de mayor energía cinética interna promedio al de menor. Las partículas del sistema con mayor valor promedio de energía cinética interna interaccionan con las del otro sistema de modo que las primeras pierden energía y las segundas la ganan.
Algún alumno o alumna podrá hacer referencia a que el agua caliente sí se le aplicó energía que provenía de un foco calorífico y que ese sistema sí poseía energía y los otros no. Para aclarar el conflicto cognitivo que se produce en esta ocasión y reforzar la conclusión de que en todos los sistemas hay energía interna, y que la misma puede transferirse de un sistema a otro; el profesor puede proponer la siguiente experiencia:
Escribir en el tablero, Sistema A: agua del grifo (200 ml en un vaso químico de 600 ml). Sistema B: agua fría (100ml en un vaso químico de 200 ml). Presentar ambos sistemas en forma real a los estudiantes o permitir que ellos lo preparen. Una vez preparado esto, se les propone la siguiente actividad:

A.28. Introducir un termómetro en cada uno de los recipientes A y B ¿Cuál consideran ustedes que tiene mayor nivel de energía cinética interna?

C.28. Luego de discutir y concluir que el agua de grifo posee mayor nivel de energía cinética interna, el profesor puede pedir a los alumnos que introduzcan el vaso de 200 ml (con toda el agua fría) dentro del vaso de 600 ml que contiene el agua del grifo. Si a continuación se introduce un termómetro en cada vaso se puede ver como la temperatura del sistema A baja y la del B sube hasta que finalmente se igualan.

9. Cambios en los sistemas materiales a nivel macroscópico: variación de energía interna de las partículas

A medida que la energía interna se incrementa en un sistema, el movimiento de sus partículas se incrementa debido al aumento de energía cinética microscópica, salvo en los cambios de estado en que la energía que se proporciona al sistema, se asume que se incorpora, microscópicamente al mismo, en forma de energía potencial interna, ya que se ha comprobado que la energía cinética microscópica del sistema no aumenta, y por lo tanto, no se registran cambios de temperatura durante los cambios de estado o fase.

Las moléculas permanecen iguales en tamaño y cantidad para la misma masa de una sustancia que cambia de estado o fase”. Un gramo de agua en cualquiera de estos tres estados tendrá siempre la misma cantidad de moléculas, son los espacios entre las partículas los que aumentan o disminuyen, según el estado en que se encuentre la sustancia. Ese aumento del espacio intermolecular se produce en general cuando se pasa de sólido a líquido y de líquido a gas. Que en el caso de que los cambios de estado o fase, ocurran en forma inversa (gaseosa a líquida y de líquido a sólido), el espacio intermolecular, disminuirá, acercando las partículas unas a otras. Existen algunas excepciones como, por ejemplo, el agua, que cuando se hiela aumenta de volumen .

Cambios en las energías microscópicas de las partículas durante la transformación y transferencia de energía interna de las sustancias materiales.

La energía interna de una sustancia material está determinada por la suma que, en un estado o fase, resulta de la energía cinética microscópica y la energía potencial electromagnética microscópica. Si el nivel de energía cinética se hace tan elevado que se logran vencer las fuerzas de adhesión y cohesión que mantienen unidas a las partículas materiales el sistema se convierte en un conjunto de partículas sin ningún tipo de fuerza de atracción entre ellas (como prácticamente ocurre con un gas).

En un proceso de combustión, la energía química de una determinada sustancia combustible, se transforma a energía interna de las partículas del combustible que aumentan su velocidad, producto del aumento de energía cinética microscópica, manifestándose un incremento proporcional de la temperatura. Esta energía interna incrementada en el sistema combustible se transferirá a otros sistemas que estén en contacto con aquel.

A.29. Si no existe energía proporcionada del exterior ¿Por qué el termómetro está registrando un cambio en la energía cinética interna del sistema? ¿Qué sistema le proporcionó esa energía al sistema B?

C.29. Conviene permitir el debate hasta que se confirme que la conclusión del alumnado indica que el sistema B recibe energía del sistema A; que al mismo tiempo el sistema A pierde energía.
La energía interna se transfiere de un sistema a otro, puestos en contacto; Esos sistemas deben estar a diferente nivel de energía interna y que la transferencia se realizará hasta que los sistemas estén en equilibrio, es decir, que ambos tengan el mismo nivel de energía cinética interna, por lo tanto, han alcanzado el equilibrio térmico, ambos sistemas tienen la misma temperatura.
Es una oportunidad para introducir la discusión respecto al concepto de CALOR, ya que en estos cambios se transfiere una cantidad de energía interna neta entre los sistemas involucrados.
El profesor puede proponer repetir este tipo de experiencias con sistemas a altas temperaturas. Para ello se puede remplazar el agua fría anterior por agua caliente y mantener el agua del grifo. Tendríamos así un sistema A con 200 ml de agua caliente y un sistema B con 100 ml del grifo y los estudiantes estudian el cambio en la energía interna de los sistemas involucrados, utilizando el termómetros. El vaso con los 200 ml de agua del grifo se puede introducir dentro del vaso con 600 ml de agua de grifo y seguidamente comprobar qué pasa con la temperatura de cada uno.

A.30. Resuman toda la experiencia y ofrezcan sus conclusiones al respecto en un informe de investigación.

C.30. Es conveniente brindar al estudiantado las siguientes recomendaciones para que realicen su informe de investigación con mayor orden y nitidez:
El solicitar el resumen de investigación, permitirá al o la docente evaluar la efectividad de todas las actividades, comprender la forma en que reconoce el concepto de energía. Previo a solicitar que se confeccione dicho resumen el o la docente deben utilizar, por lo menos, 2 períodos adicionales de clase donde discutan cada una de estas actividades de laboratorio y la experiencia lograda se integre con los conocimientos adquiridos previamente al discutir los temas de las diversas clases de energías y el origen de cada una.

Recordemos algunos detalles de las experiencias pasadas, cuando pusimos dos sistemas en contacto, que ahora sabemos que estaban a diferentes temperaturas. Recordemos lo que sucedió al utilizar agua del grifo como sistema A y agua fría como sistema B. Ahora en términos científicos expresamos que: "Se ponen en contacto un sistema A a mayor temperatura (agua de grifo), con un sistema B a menor temperatura (agua fría)".

La experiencia de aprendizaje logradas hasta el momento, permiten concluir que: “El sistema A de mayor temperatura, posee una energía cinética interna promedio mayor; y el sistema B de menor temperatura, posee una energía cinética interna promedio menor”. Ello implica que al ponerlos en contacto, se transfiere energía del sistema A, de mayor temperatura, hacia el sistema B, de menor temperatura. En esa oportunidad comprobamos que la energía se transfería de A hacia B, porque en ambos sistemas había un gradiente de temperatura. Entonces una de las evidencias de que dos sistemas puestos en contacto, y que poseen diferentes temperaturas, transfieren energía interna entre éstos, hasta que la temperatura de ambos se iguala (equilibrio térmico).

A.31. De acuerdo con las experiencias y el conocimiento adquirido en los debates, discusiones e investigaciones, defina ¿qué es calor y qué es temperatura?

C.31. El debate del tema, debe llevar al alumnado al conocimiento de que el término (palabra) utilizado para identificar la medida neta de transferencia de energía interna entre los sistemas materiales a diferente temperatura, es CALOR. Para obtener valores de medida de transferencia de energía interna (calor) es necesario algo más que el termómetro como instrumento. Se requieren procedimientos matemáticos donde se manejan variables, en las que el CAMBIO DE TEMPERATURA, es una de esas variables; pero existen otras variables más.
El profesor puede informar a sus alumnos de que existen aparatos para medir con mayor precisión esas transferencias de energía interna entre los sistemas materiales, que el termómetro es parte de todo el equipo, que se utiliza para lograr el valor del cambio de temperatura (DT) y que dicho cambio se obtiene: al medir la temperatura final del sistema, que es la temperatura de equilibrio térmico después de la transferencia neta de energía; y al medir la temperatura inicial del sistema que se obtiene, de uno de los sistemas involucrados, antes de que ocurra la transferencia de energía.
Es posible que al utilizar el término calor existan confusiones relacionadas con sus ideas alternativas sobre este término, derivadas de la polisemia, errores conceptuales, confrontaciones conceptuales no resueltas, que es necesario tener en cuenta.
Para lograr un modelo visual macroscópico de los conceptos de transformación y transferencia de energía, así como del de equilibrio energético (equilibrio térmico), se puede desarrollar el siguiente juego didáctico con alumnos y alumnas.

A.32. Conseguir cajas vacías de fósforo, o bloques de madera de 2 x 2 x 4 pulgadas (preferiblemente la segunda opción). La cantidad recomendable serían 40 a 50 piezas.
Organizar 2 equipos de trabajo formados por tres personas cada uno. A cada una de las personas, en cada equipo, se le dan las siguientes responsabilidades:

C.32 Recomendamos, una caja con 50 piezas y que cada equipo trabaje por turnos. Si el profesor puede obtener material para dos cajas, los equipos pueden trabajar simultáneamente. La aplicación científica del juego es la siguiente:
  1. El tiempo energético: 10 segundos, 20 segundos, 30 segundos, siempre de diez en diez, representa una forma de energía que puede ser transformada en cantidad de bloques.
  2. La caja de cartón: Representa la fuente que proporciona la energía.
  3. La persona Nº 1: Representa el mecanismo de liberación de la energía.
  4. La persona Nº 2: Representa el mecanismo de transferencia de energía.
  5. La persona Nº 3: Representa el mecanismo de transformación de la energía.
  6. La columna de bloques: Representa la medida de la cantidad de energía que se transformó y se transfirió.
  7. Los bloques que no llegan a tiempo: Representan pérdida de energía que se fuga o se transfiere a otros sistemas.
Permitir que cada participante se coloque en su posición: Dos estudiantes al lado de la caja y un tercero o tercera en la mesa o pupitre donde levantará la columna de bloques. Indicar al grupo las reglas del juego e informe que tendrán tres tiempos energéticos en cada ocasión (10, 20, 30 segundos). Dar inicio al juego hasta que se construyan 3 columnas. Interrogar al grupo acerca del porqué las diferencias de tamaños de las columnas. Pedir que identifiquen o relacionen los elementos involucrados en el juego con los mecanismos que intervienen en los procesos reales de transformación y transferencia de energías. De no hacer la relación, ayudarles para que logren terminarla por sí mismos. Para que la relación de variables sea clara para los alumnos se puede construir un gráfico en el tablero, donde el eje de las (x) estará representado por el tiempo energético, el eje de las (y) por la cantidad de bloques. Al construir el gráfico solicitar al alumnado que comparen estos resultados con la medida que se hiciera con el termómetro al agua tibia, fría y del grifo. Por último cuestionar al grupo acerca de lo que habría que hacer, si cada columna fuera un sistema y se pusieran en contacto 2 de éstas, cómo se representaría el equilibrio de energía interna entre los sistemas involucrados, qué sistema transferirá energía al otro.

Referencias Bibliográficas

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GIL, D.; et. Al. (1998).”¡No a los tratamientos rápidos y superficiales!” Curso de Formación Continuada de Profesores de Ciencias. OEI (España), (Hojas policopiadas).

GIL, D.; et. Al. (1998)“¡Es necesario romper con la tradición de impulsar y valorar exclusivamente el trabajo de los estudiantes!” Panamá: Curso de Formación Continuada de Profesores de Ciencias. OEI (España), .(Hojas policopiadas).

GIL, D.; et. Al. (1995). “Comprender y orientar los cambios en la materia. Cambios en la energía en los sistemas materiales.” España: Ministerio de Educación y Ciencia; Universidad Autónoma de Barcelona; Universidad Nacional de Educación a Distancia, (Curso: FORCIENCIAS: Tomo I-2. p. 10, 13, 27, 31, 41, 43.).

NIEDA, J.y MACEDO, B . (1997). “Un curriculum científico para estudiantes de 11 a 14 años”. España: OEI-UNESCO (Chile).

VÁSQUEZ DÍAZ, J. (1987). “Algunos aspectos a considerar en la didáctica del calor.” España: Enseñanza de la ciencias., 5(3), (p. 235,236)

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