LOS MATERIALES Y EL CALOR - Los materiales

LOS MATERIALES Y EL CALOR


AUTORA: AGUILERA VALERIA
AÑO: 2015
GRADO: 5to. Grado
BLOQUE: Los Materiales
TEMA: Los materiales y el calor


Reseña conceptual
Calor: Es una forma de energía, a la que se la considera "en tránsito" pues se transmite de un cuerpo a otro. También se lo conoce como energía térmica. Esa transmisión se da sólo cuando entre los dos cuerpos hay una diferencia de temperatura, ya que el calor fluye del cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hacia el de menor temperatura. Este fenómeno se da aun dentro de un mismo cuerpo: el calor se propaga dentro de un mismo objeto, desde las zonas de mayor temperatura a las de menor temperatura.
Temperatura: medida de la energía cinética de traslación promedio, por molécula de una sustancia. Se mide en grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin.
Convección: Algunos materiales, como el aire y el agua, no son buenos conductores del calor por conducción. Sin embargo, conducen el calor mediante otro mecanismo, la convección. El fenómeno de convecciones típico de los materiales fluidos, como los líquidos o los gases. Al igual que el resto de los materiales, al calentarse los fluidos se dilatan. Esto provoca que las masas de aire o agua caliente asciendan, y las que están a menor temperatura, desciendan. Estas últimas, al ponerse en contacto con la fuente de calor, se dilatan y vuelven a ascender. Así, se produce una circulación de aire o agua, que se llama corriente de convección.
Conducción: Es el fenómeno por el cual las partículas de un cuerpo que están expuestas a la fuente de calor intensifican su movimiento y lo transmiten a las partículas "vecinas". De este modo, el movimiento se va transmitiendo de partícula en partícula, hasta afectar a todas. Por ejemplo, si calentamos el extremo de una varilla de metal, el movimiento de las partículas se irá transmitiendo a lo largo de la varilla hasta el otro extremo, aumentando la temperatura de toda la varilla.
En algunos materiales, como la plata, este fenómeno se produce a mayor velocidad que en otros; por ello, son buenos conductores térmicos. Algunos materiales son malos conductores térmicos; es decir, tienen poca capacidad de conducción. Se los llama aislantes térmicos.
Radiación: Algunos objetos tienen mayor capacidad para absorber la radiación electromagnética (luz, rayos ultravioletas, rayos infrarrojos, etc.) que otros. Esa absorción de energía genera un aumento de la temperatura.
La capacidad de absorción de energía está relacionada, entre otras cosas, con las características de la superficie del objeto: una superficie opaca absorbe más radiación que una brillante; una superficie negra absorbe más que una blanca.
Propósitos
  • Ofrecer variadas situaciones en las que los alumnos exploren y sistematicen diversas interacciones que ocurren en la transferencia de calor mediante análisis de datos, experimentaciones, comparación, generalización, manejo de información, etcétera.
  • Plantear actividades experimentales que incluyan la formulación de preguntas, la anticipación de resultados, la discusión de las variables involucradas, la manipulación instrumental, la observación, la utilización de registros y la discusión de resultados.
  • Promover la búsqueda de información, la lectura y producción de textos escritos que describan experiencias, brinden explicaciones e incorporen vocabulario específico sobre temas relacionados con los materiales y el calor.
  • Promover instancias de intercambio y discusión de ideas, procedimientos y resultados en todas aquellas situaciones en que sea pertinente.
  • Fomentar en los alumnos una actitud de cuidado y respeto por los demás y por ellos mismos.
Objetivos
  • Que puedan diferenciar los conceptos de calor y temperatura en las diferentes formas de propagación del calor.
  • Que reconozcan que hay un aumento de temperatura cuando se recibe calor, es decir un cambio de menor temperatura a mayor temperatura.
  • Que puedan reconocer que hay buenos y malos materiales de conducción.
  • Que puedan darse cuenta que las ondas electromagnéticas influyen en la absorción de energía.


Ideas básicas
Alcance de contenidos
Cuando dos o más cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, cambia la temperatura de ambos.
Se transfiere calor del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Esta transferencia continúa hasta que las temperaturas se igualan.
Realización de experiencias relacionadas con la transferencia de calor.
  • Discusión de las condiciones de las experiencias.
  • Utilización y elaboración de cuadros y tablas comparativas.


Primer Momento: El calor energía en tránsito
Para presentar el tema el docente les propondrá a los alumnos (en pequeños grupos) una serie de preguntas para promover la reflexión, es decir que expliquen cómo creen que se producen estas situaciones relacionadas con la transferencia de calor.
  • ¿Qué pasará con la temperatura de una gaseosa bien helada si la dejo 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?
El docente guiará y prestará atención de que todos los niños tengan la oportunidad de formular sus respuestas grupales.
Luego de las reflexiones anteriores, el docente les va a pedir que  observen los dibujos, discutan entre ellos y expliquen por qué cada personaje dice lo que dice.
Después reunidos en grupos, traten de explicar (el docente aclara que pueden ayudarse con gráficos o dibujos):
  • ¿Qué quiere decir "calentar"?
  • ¿Qué quiere decir "enfriar"?
A continuación se les presentará un breve texto que concluirá con lo trabajado en clase y que quede asentado en las carpetas de los alumnos.
Como actividad de cierre se les pedirá a los alumnos que lean la definición de calor y que la relacionen con lo visto en clase.


Segundo Momento: El calor y sus formas de propagación
Retomaremos lo hecho durante el primer momento y el docente le comenta a los alumnos que van a realizar la experiencia de hervir agua y medir su temperatura. A continuación les entregara las guías y los materiales. Antes de comenzar el docente les hará las siguientes preguntas:
  • ¿A qué temperatura piensan que comenzará a hervir el agua?
  • Después de unos minutos de estar hirviendo, ¿la temperatura seguirá igual o aumentará? En caso de que aumente, ¿hasta cuándo?
Antes de empezar con la experiencia el docente repasará con los alumnos las propiedades de la materia para poder explicar la transferencia de calor (comportamiento de las moléculas cuando se les aplica calor).


Materiales
• Trípode y mechero (o un dispositivo para calentar)
• Termómetro de laboratorio,
• Vasos de precipitados.
• Agua.
• Lápiz y papel.


Procedimiento
La pregunta “¿Hasta cuánto puede aumentar la temperatura del agua?” guiará la experiencia.
a. Coloquen en un vaso 100 ml de agua, midan su temperatura, regístrenla en el cuadro donde dice tiempo 0, y luego pongan el agua a calentar.
Vaso con 100 ml de agua
tiempo
0
30 seg
1 min
1.30
2
2.30
3
3.30
4
temp











• Deben medir y registrar la temperatura cada 30 segundos hasta que el agua comience a hervir.
• Marquen su registro a qué temperatura comenzó a hervir el agua.
• Luego de que haya comenzado a hervir, deben realizar por lo menos 4 registros más.


b. Luego, vuelquen los resultados de la tabla en un gráfico como el siguiente. Para ello, ubiquen en el vector X las variables del tiempo que aparecen el cuadro que fueron completando. Realicen lo mismo en el vector de las temperaturas. Luego, intenten hacer coincidir los puntos en los que se cruzan.





c. Discutan en el grupo y respondan:
¿A qué temperatura hirvió el agua? Marquen ese punto en la curva con un color.
¿Qué sucedió con la temperatura luego de que comenzó la ebullición?
¿Continuó el calentamiento del agua luego de que empezó a hervir?


¿Qué sucederá si calentamos el doble de volumen de agua?
a. Vamos a repetir la experiencia pero con 200 ml de agua, utilizando el mismo mechero de la experiencia anterior. Preparen la tabla para el registro, y antes de empezar la experiencia discutan en el grupo acerca de qué diferencias podrá haber con la experiencia anterior.
¿Variará la temperatura de ebullición? ¿Y el tiempo que tarda el agua en hervir? ¿Y la temperatura posterior a la ebullición?


b. Realicen un gráfico con vectores (como el de la experiencia anterior), que refleje sus hipótesis sobre cómo variará la temperatura en este caso.


c. Realicen la experiencia, confeccionen el gráfico y anoten a qué temperatura hirvió el agua y qué sucedió en los registros posteriores a la ebullición.


¿Coincide con lo que ustedes habían pensado?
¿Pueden sacar alguna conclusión respecto de la relación entre la cantidad de calor que recibió el agua, su temperatura y el tiempo?

¿Y si aumentamos la cantidad de calor entregada?


a. Finalmente, van a repetir la misma experiencia, colocando nuevamente 200 ml de agua en el vaso, pero esta vez la calentarán con dos mecheros iguales al que usaron en la experiencia anterior.
Anoten previamente lo que creen que sucederá y preparen la tabla de registro.


b. Realicen la experiencia, registren y grafiquen.


c. Comparen los gráficos de las tres experiencias.
¿Qué similitudes encuentran? ¿Qué diferencias? ¿Qué explicación podrían dar a esto?


d. Comparen los resultados de las experiencias con los otros grupos. Discutan y respondan entre todos:


Una vez que el agua llega a la ebullición, ¿sigue recibiendo calor?
Luego de que el agua llega a la ebullición, ¿sigue aumentando su temperatura?
La cantidad de calor recibida por el agua en la primera experiencia, ¿fue igual, mayor o menor que en la segunda?
¿Y comparando la segunda y la tercera?
Al aumentar la cantidad de calor recibida, ¿varía la temperatura final del agua?
e. Basándose en las experiencias realizadas, justifiquen la siguiente afirmación:
La temperatura no es una medida del calor.

Al finalizar las experiencias, el docente les pide como tarea que busquen información sobre el calor y la temperatura y que comparen las explicaciones con sus experiencias y sus definiciones. Por otro lado también deberán responder en forma individual, resuelvan las siguientes consignas:


¿Es verdad que...
...el termómetro se utiliza para medir la temperatura de un objeto?
...el termómetro se utiliza para medir la cantidad de calor que transmite un cuerpo?

Tercer momento: Convención y conducción


La docente retoma lo visto en las situaciones experimentales: los materiales aumentan su temperatura cuando reciben calor. A continuación, les propone que lean en grupo  el siguiente texto:


Transferencia de calor

Como hemos dicho, un cuerpo transfiere calor a otro, que así aumenta su temperatura.
Pero, ¿qué sucede con el cuerpo que estaba a mayor temperatura? En la vida cotidiana, diríamos que "se enfría", pero este término no es muy científico, pues en realidad lo que está sucediendo es que esa sustancia cede calor a la otra, y por eso, desciende su temperatura. Es decir, la sustancia que estaba inicialmente más caliente no "recibe frío" sino que "pierde calor".

¿Cómo se produce esa transferencia de calor entre las sustancias?

Existen tres formas de transferencia o propagación del calor.

Conducción.
Es el fenómeno por el cual las partículas de un cuerpo que están expuestas a la fuente de calor intensifican su movimiento y lo transmiten a las partículas "vecinas". De este modo el movimiento se va transmitiendo de partícula en partícula, hasta afectar a todas. Por ejemplo, si calentamos el extremo de una varilla de metal, el movimiento de las partículas se irá transmitiendo a lo largo de la varilla hasta el otro extremo, aumentando la temperatura de toda la varilla.
En algunos materiales, como la plata, este fenómeno se produce a mayor velocidad que en otros; por ello, son buenos conductores térmicos.
Algunos materiales son malos conductores térmicos; es decir, tienen poca capacidad de conducción.
Se los llama aislantes térmicos.

Convección.
Algunos materiales, como el aire y el agua, no son buenos conductores del calor por conducción.
Sin embargo, conducen el calor mediante otro mecanismo, la convección. El fenómeno de convección es típico de los materiales fluidos, como los líquidos o los gases. Al igual que el resto de los materiales, al calentarse los fluidos se dilatan. Esto provoca que las masas de aire o agua caliente asciendan, y las que están a menor temperatura, desciendan. Estas últimas, al ponerse en contacto con la fuente de calor, se dilatan y vuelven a ascender. Así, se produce una circulación de aire o agua, que se llama corriente de convección.

Radiación.
Algunos objetos tienen mayor capacidad para absorber la radiación electromagnética (luz, rayos ultravioletas, rayos infrarrojos, etc.) que otros. Esa absorción de energía genera un aumento de la temperatura.
La capacidad de absorción de energía está relacionada, entre otras cosas, con las características de la superficie del objeto: una superficie opaca absorbe más radiación que una brillante; una superficie negra absorbe más que una blanca.


Se retoma la situación experimental del segundo momento para ejemplificar acerca de la convección.


A continuación, la docente comenta que en estas experiencias van a probar la transmisión del calor en distintos materiales; es decir, la capacidad de conducción del calor que tienen esos materiales.


¿Conduce o no conduce?


Materiales
• varillas de diferentes materiales: madera, telgopor, plástico, acero, vidrio, hierro, plata, aluminio (pueden usar cucharitas u otros elementos de esos materiales que tengan a mano);
• una vela;
• un recipiente (de los de helado, por ejemplo); agua caliente; botoncitos pequeños (o algunas semillas como lentejas o chinches).


a. Lean primero la actividad completa. Luego experimenten.


b. Antes de empezar, el docente les pide que elaboren una lista en la que ordenen los materiales de las varillas de menor a mayor capacidad de conducción del calor, según lo que los alumnos consideren


c. Para pensar antes de la experiencia. El docente les hace las siguientes preguntas:
¿Por qué creen que este experimento puede mostrar cuál es el material que conduce mejor el calor?
¿Qué esperan que suceda con los botoncitos pegados a las varillas cuando las pongan en contacto con el agua caliente? ¿Cómo van a hacer para distinguir qué material conduce mejor y cuál peor?


Situación experimental


• El experimento consiste en pegar los botoncitos (o los elementos que hayan elegido) en un extremo de cada varilla, usando para ello una gota de la parafina de la vela.
• Luego, colocar agua bien caliente dentro del recipiente e introduzcan de a una varilla por vez en el agua caliente.
Es importante que en todas las varillas los botones se encuentren a la misma distancia del extremo que va a sumergirse y que el botón pegado quede por fuera del recipiente, para que el vapor de agua no interfiera con la actividad



Tal vez tengan que usar un reloj con segundero o un cronómetro.
d. Elaboren un cuadro que les permita registrar los resultados como en la experiencia anterior.


e. Ahora, prueben con cada varilla (la docente les comenta que si al cabo de 3 o 4 minutos no ven ningún resultado, pueden suponer que el material conduce muy mal el calor). Les pregunta:
¿Qué sucede en cada caso? Registren los resultados en el cuadro. ¿Cómo los explican?

Una vez finalizada la experiencia la docente va a retomar las preguntas realizadas antes para poder concluir con la siguiente pregunta: ¿Todos los materiales condujeron igual el calor? Comparen los resultados de la experiencia con la lista que elaboraron al principio. ¿Coinciden?


Se concluirá con los alumnos que al recibir el calor, algunas varillas lo conducirán hacia los respectivos extremos que se hallan fuera del recipiente, a diferente velocidad, de acuerdo con su material; en algunas varillas, la cera de vela endurecida volverá a fundirse.
Se demostrará entonces que:
  • distintos materiales conducen el calor a diferentes velocidades;
  • ciertos materiales son aislantes (la cera no se derrite).

Para trabajar acerca de la radiación la docente les pide que realicen esta experiencia.


Materiales
• tres latas de metal,
• pintura blanca y negra,
• termómetro,
• agua.


• Preparen tres latas de metal de la siguiente manera: una pintada de negro mate, otra de blanco mate (en lo posible pintadas por dentro y por fuera) y dejen la tercera sin pintura ni envoltorio, lo más brillante posible.


• Coloquen dentro de cada lata una determinada cantidad de agua (la misma para las tres), midan la temperatura, tápenlas y déjenlas al sol.
¿Cómo piensan que variará la temperatura en cada una de ellas? Cada tanto, abran las latas y vuelvan a medir la temperatura. ¿Sucede lo que pensaron?


• Repitan la experiencia colocando un cubito de hielo en el interior de las latas.
Luego de la puesta en común pueden llegar una posible conclusión entre todos:
“que la variación de temperatura del aire encerrado en la lata negra sea mayor que el de la blanca.”   


FInalmente, se propone una vuelta al texto original y se les pregunta:
¿Con qué parte del texto que leyeron antes explicarían estos fenómenos?
Agreguen una o dos oraciones al fragmento de radiación en las que cuenten acerca de la experiencia realizada y que empiece “Si por ejemplo…”

Cuarto momento: Radiación y cierre del tema


Se propone que ingresen al siguiente link: http://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-forms-and-changes para que puedan trabajar las distintas formas de propagación del calor.


En grupos los alumnos deberán prestar atención a:
Qué elementos (quitándole o agregándole más calor) calientan más rápido al agua.
Qué elementos calientan más lento al agua.
Qué otras energías intervienen en la transferencia de calor.


La docente les pide que anoten en sus carpetas las conclusiones a las que arribaron, para luego ponerlas en común.

Cierre


Para concluir el tema, se propone que realicen la siguiente actividad


Bibliografía
Diseño curricular. Segundo ciclo tomo 1. Año 2014
Para seguir aprendiendo: materia para los alumnos. EGB 2 Ciencias naturales





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