Segunda Unidad (Del cambio al equilibrio)

DEL CAMBIO AL EQUILIBRIO

los análisis y reflexiones que se presentan a continuación son la construcción tanto individual como colectiva durante los seminarios del componente Organización de los fenómenos térmicos

partamos de las siguientes preguntas:

¿Es posible hablar de un sistema en equilibrio térmico y un sistema en desequilibrio térmico? y si es así 

¿las interacciones entre sistemas posibilitan un cambio en el estar de los mismos?

En la unidad anterior fue posible comenzar a establecer algunas relaciones entre el calor y la temperatura como una de las opciones que se han establecido para "gradar" la cantidad de calor de un sistema, ya sea dinámico o estático. Desde esa perspectiva, cuando dos o mas sistemas térmicos se ponen en contacto (interacción) existe una variación de los mismos con relación a su cantidad de calor, pues el elemento con mayor calor cederá al elemento con menor calor que recibirá, (varían su temperatura) hasta tal punto en que los elementos que configuren ese sistema térmico encuentren un punto de equilibrio; determinando así un estado del mismo.

Desde esa idea, no es posible hablar de equilibrio térmico si no hay interacción.  Así el desequilibrio térmico establece la condición de posibilidad para el cambio de temperatura; y la equilibración térmica, a la que se tiende, la causa de dichos cambios. 

INTENTEMOS CARACTERIZAR EL CAMBIO DE ESTADO 

Análisis de algunas situaciones: 

Cotidianamente se realizan diferentes procedimientos para cambiar el estado térmico de algunas sustancias; por ejemplo, para enfriar una sustancia se puede mezclar con otra cantidad determinada de la misma sustancia que se encuentre a una menor temperatura, o se puede poner en movimiento, o introducir el recipiente en el que se encuentre dicha sustancia dentro de otro que contenga otra sustancia fría, etc. ¿Qué hace más o menos eficaz estos métodos? 

Podríamos decir que algunos de los aspectos para tener en cuenta son:

Las cantidades de las sustancias que se ponen en contacto (interacción). Es decir, las proporciones en las que se encuentra cada una.

La diferenciación de las temperaturas y si se mantienen o no las mismas condiciones.

Los elementos que configuren la interacción de ese sistema. Es decir, ¿que conforma el sistema? de ¿qué tipo de sistema estamos hablando?

Los materiales que se usen.

Dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto ¿Qué espera usted que ocurra? ¿Qué espera que ocurra si los dos cuerpos se colocan en un recinto cerrado, separados a cierta distancia? ¿Qué espera que ocurra si son colocados en un recinto en el que se ha hecho vacío, separados a cierta distancia?

En primer lugar, la situación nos plantea que los cuerpos están a diferente temperatura, por lo que se representan en el anterior gráfico con colores diferentes. En ese sentido, hay que tener en cuenta cuales son las condiciones que hay en el momento en que los dos cuerpos se ponen en contacto.

Si solo hablamos de los dos cuerpos en la primera parte de la situación, los cuerpos en contacto establecerán una interacción hasta que los mismos alcancen un punto de equilibrio. Es decir, que ya no haya variaciones de temperatura en ninguno de los dos.

Ahora bien, si los dos cuerpos son dejados en un recinto cerrado, se debe tener en cuenta la distancia de los mismo, las condiciones del ambiente y la velocidad de interacción de las partes que conforman ese sistema térmico. De esa manera, los elementos del sistema (cuerpo 1, cuerpo 2 y ambiente del recinto) realizarán un proceso de interacción hasta conseguir un punto de equilibrio térmico, pues cada uno de ellos actúa como una fuente de calor con relación a los otros elementos.

Finalmente, es posible considerar que si los dos cuerpos están en un espacio cerrado y además al vacío, realizan también un proceso de interacción por medio de radiación. Este proceso se puede entender mejor si pensamos en el sistema solar y la relación que existe entre el sol y el planeta tierra, el calor que emite el sol (como fuente de calor en la tierra) se transporta por el vacío y llega al planeta por medio de la radiación, así lo afirma el autor Joseph Black:

"...Así, el calor es perpetuamente transmisible de cuerpos calientes a los cuerpos fríos que los rodean, y además pasa de uno a otro y penetra toda clase de materia sin excepción: la densidad y solidez no son obstáculo para su progreso en la mayoría de los casos, éste parece pasar más rápido en cuerpos densos que en los raros, pero tanto los raros como los densos son afectados por el calor y éste es transmitido de unos a otros, aún el vacío formado por la bomba de aire es penetrado por éste."

Si se coloca hielo en un recipiente con agua a 80oC y se repite la experiencia con la misma cantidad de agua, pero esta vez a 40oC, se puede afirmar que el hielo se derrite en el primer caso más rápido que en el segundo (Solo se considera la interacción térmica entre el agua y el hielo) ¿A qué se debe la diferencia en la velocidad en que transcurre la fusión del hielo? 

Un elemento clave del cual hemos venido hablando es la diferenciación de la temperatura de cada cuerpo en términos de la cantidad de calor que cada uno presenta. En ese sentido, cabe preguntarnos ¿el hielo necesita la misma cantidad de calor para derretirse (proceso de fusión)?

Al parecer si, el hielo necesita la misma cantidad de calor para cambiar su estado de fase y ese calor necesariamente lo toma del agua, en este caso el cuerpo que presenta una mayor concentración de calor que es el cuerpo a 80°C actúa como una fuente de calor mayor que el otro cuerpo. de ese modo se acelera la fusión del hielo hasta alcanzar un equilibrio de ese sistema, posiblemente diferente al punto de equilibrio que alcance el cuerpo con agua a 40°C

Suponga que tiene agua líquida a una temperatura inicial de 20ºC, se pone en interacción con un cuerpo fuente y se calienta hasta una temperatura de 80ºC (no considere el recipiente en la interacción); si la cantidad de agua es: 1 Kg, 2 Kg, 3 Kg, 0,15 Kg. 

 ¿Se podría afirmar que el cambio térmico es diferente, aunque la variación de la temperatura sea la misma? Argumente su respuesta. 

Recordemos que en este caso el cambio térmico se configura como el paso de un estado a otro en cada una de las cantidades de agua. En ese caso el cambio térmico para cada caso sería el mismo, pues no tenemos en cuenta el tiempo que se necesita para realizar el proceso ni otro tipo de condiciones o cantidades, solamente el cambio de 20 a 80°C

 De acuerdo con la anterior respuesta qué aspectos permiten cuantificar el cambio térmico. 

Ahora bien, si pensamos en cuantificar ese cambio térmico, es necesario pensar en elementos como el tiempo que transcurre para pasar de un estado a otro, la cantidad de agua, en este caso la diferenciación de las masas de agua y la fuente de calor a la que están expuestas cada una de ellas. Es decir, si la fuente varía o es la misma en todos los casos.

 Tomando en cuenta que todo cambio requiere de una causa – una acción- qué aspectos y criterios tomaría en cuenta para relacionar el cambio –efecto- con la acción –causa-. 

 Qué aspectos y criterios usaría para cuantificar la acción térmica.

En este punto es necesario pensar en como asumimos el cambio térmico, si solo lo pensamos en el cambio inicial hasta conseguir un estado final (20 a 80°C) o pensamos en el proceso, que sucede durante ese transito de un estado otro, en ese sentido:

¿Las acciones son las mismas? ¿el tiempo es el mismo? ¿cómo varían las condiciones en cada caso?

Si bien para calentar determinada cantidad de agua hasta que alcance cierto grado de temperatura la acción es aplicar una fuente de calor a esa cantidad de agua por cierto tiempo. Ahora, si tengo el doble de cantidad de agua, será necesario mantener por mas tiempo en esa fuente de calor siendo esta la misma acción.

 Suponga que tiene 1 Kg. de agua líquida y 1 Kg. de aceite, ambos una temperatura inicial de 90ºC, en interacción con el ambiente (no considere el recipiente en la interacción), el cual tiene una temperatura constante de 20ºC. 

 ¿El tiempo que tardan los dos cuerpos en equilibrarse térmicamente con el ambiente es el mismo? 

En el caso de que se considere que el tiempo de enfriamiento no sea el mismo, ¿qué aspectos determinan tal diferencia? (argumente su respuesta).

Partamos del siguiente modelo explicativo (matemático)

Q= M.Ce.(Tf-Ti)

Donde:

Q es el calor

M es la masa de la sustancia

Ce es el calor específico de la sustancia

Tf es la temperatura final de la sustancia en °C

Ti es la temperatura inicial de la sustancia en °C

Reemplazando en la formula para el caso del agua tenemos que:

Q=  1000g. 1 cal/g°C.(90-20)

Q=  70000 cal

y para el caso del aceite tenemos que:

Q= 1000g. 0.4 cal/g.°C.(90-20)

Q= 28000 cal

Estos números nos representan la cantidad de calor que necesita tanto el agua como el aceite para alcanzar los 90°C. Es decir, que el aceite en comparación con el agua necesita menos calor para subir de 20 a 90°C

Ahora bien, si en vez de usar la variación de la temperatura para conocer el la cantidad de calor necesaria para subir las dos sustancias hasta los 90°C, la usamos para conocer la cantidad de calor para bajar hasta los 20°C, tendríamos que asumir esa variación como (Ti-Tf). En ese caso, los valores para cada sustancia serían negativos:

Agua:-70000 cal

Aceite:-28000 cal

Lo que se podría asumir como unos valores con relación a la cantidad de calor que acumulan las dos sustancias diferenciadamente. En ese caso, para el caso del agua el ambiente asumido como una fuente de calor necesita casi tres veces mas de energía  con relación al aceite para bajar su temperatura, pero como el ambiente no varía su temperatura, es decir que se mantiene constante, el aceite que acumula menor cantidad de calor con relación al agua, alcanzará en menor tiempo la temperatura del ambiente.

En síntesis, podemos afirmar que entre diferentes sustancias la absorción como la pérdida (atraer y retener) de calor con relación a otro cuerpo puede variar por la naturaleza de dichas sustancias. En este caso, el aceite tiende a enfriarse mas rápido que el agua, pues el calor específico de este es menor que el del agua.

En ese orden de ideas, el autor Joseph Black nos orienta a comprender mejor estas dinámicas de carácter térmico desde sus aportes, en uno de sus escritos él afirma

"... Nosotros solo necesitamos suponer que la materia del calor comunicada por el fuego fue comunicada igualmente al mercurio y al agua; pero que como menos de ésta (calor) era requerida para calentar el mercurio que para calentar el agua, el mercurio necesariamente era el qué más rápido se calentaba de los dos; y cuando ambos, estando igualmente calentados, se exponían al aire frío para que se enfriaran, el aire tomaba el calor de ellos igualmente rápido, pero el mercurio, por perder la misma cantidad de materia del calor que perdió el agua, era necesariamente enfriado a un mayor grado y entonces llegaba a enfriarse mucho más rápido que el agua."

Qué aspectos y criterios tomaría en cuenta para comparar el cambio térmico y la acción térmica involucrados en el enfriamiento del aceite y del agua. 

Qué aspectos y criterios tomaría en cuenta para cuantificar el cambio térmico y la acción térmica involucrados en el enfriamiento del aceite y del agua. 

Debemos pensar la situación con relación a la interacción entre el cuerpo fuente (ambiente) y la cantidad de sustancia en un tiempo determinado, por lo que se hace necesario preguntarse:

¿cómo se concibe el sistema?

¿es un sistema abierto?

¿solo se tendrá en cuenta la interacción entre algunas partes?

¿cual será el rango de variación de la temperatura?

¿cuál es la composición de cada sustancia y como varía su calor con relación a otro cuerpo?

La cavidad interna de una nevera de icopor (fig. 1) se divide en partes iguales con un tabique vertical que permita la conducción del calor, en una parte se llena con agua a cero grados centígrados (0°C) y la otra, con agua a temperatura ambiente (18°C). En otra nevera idéntica y dispuesta de la misma forma que la anterior se llena también una parte con agua a 18°C y la otra con la misma cantidad de agua pero congelada, específicamente hielo a 0°C. (Note que la nevera de icopor sirve para aislar térmicamente su contenido del medio).

¿Qué espera que ocurra en cada una de las neveras? Explique.

llamemos nevera número 1 a la que contiene agua a 18°C y agua a 0°C,  tengamos en cuenta la premisa del autor Joseph Black, quien afirma  que el calor es perpetuamente transmisible de cuerpos calientes a los cuerpos fríos que los rodean, y además pasa de uno a otro y penetra toda clase de materia sin excepción. En este caso existe una interacción entre los dos compartimientos, lo que hace que el agua con mayor temperatura ceda calor al agua que presenta menos calor.

¿Hasta que punto?

posiblemente hasta encontrar un punto de equilibrio entre las dos sustancias y llegar a un estado, posiblemente en este caso sea de 9°C

A simple vista en la nevera número dos, pareciera que el hielo de uno de los compartimientos por interacción con el agua va a cambiar de estado y su temperatura va a ser menor que la del agua del otro lado. Sin embargo con la lectura que se ha realizado del autor Joseph Black, se ha podido analizar mas detalladamente que el hielo necesita de una cierta cantidad de calor que no es posible medir con el termómetro para poder realizar su cambio de estado a líquido y tal cantidad de calor en este caso la absorbe del agua liquida del otro compartimiento. En ese sentido, el agua liquida a 18°C perderá calor, tal como se menciona a continuación:

"...Cuando el hielo o cualquier otra sustancia sólida se vuelve fluida por la acción del calor, soy de opinión de que recibe una cantidad del mismo en cantidad mucho más grande que la que es inmediatamente perceptible por el termómetro. En esta ocasión, entra en el mismo una cantidad de calor mayor, sin tornarlo aparentemente más caliente, lo que se pone de manifiesto mediante el termómetro. Esta cantidad de calor, no obstante, debe serle entregada para que tome la forma de fluido, y yo afirmo que esta gran entrega de calor es la causa principal y más inmediata de la fluidez que se le ha comunicado."

Haga una gráfica de la variación de la temperatura de cada una de las sustancias contenidas en cada nevera.

Algunas reflexiones de la sesión:

Imagen tomada de:https://www.google.com/search?

Al iniciar este seminario me causo interés pensar si vivimos en un mundo térmico, tal fue la inquietud que de hecho este espacio de reflexión y análisis lleva ese nombre, en este punto del recorrido me atrevería a decir que si, vivimos en un mundo donde la principal fuente de calor es el sol y el fuego y el frío es la ausencia de ese calor. El siguiente fragmento de los escritos del autor Joseph Black explica mejor dicha idea:

"... ¿dónde están los orígenes del calor y el frío? Se ocurrirá inmediatamente que el calor tiene un origen evidente, o causa, en el sol y en los fuegos. El sol es evidentemente el principal y quizás finalmente, el único origen del calor difuso a través de este globo. Cuando el sol brilla, sentimos que este nos calienta, y no podemos equivocarnos al observar que además todo está caliente a nuestro alrededor. Además es evidente que aquellas estaciones en las que el sol brilla más son las más calientes, lo mismo que lo son aquellos climas en los cuales se está más directamente expuesto a su luz. Cuando el sol desaparece, el calor disminuye, y se reduce tanto como su influencia es interceptada. Por consiguiente debemos reconocer el sol como una causa manifiesta que actúa sobre toda la materia a nuestro alrededor, e introduciendo algo en ella, o causando en esta una condición que no está en su estado más espontáneo. Por lo tanto, no podemos evitar considerar esta nueva condición o calor, así inducida en la materia a nuestro alrededor, como una cualidad positiva o afección real de la cual el sol es la causa primaria y que es posteriormente comunicado desde los primeros cuerpos afectados a otros. Pero después de haber formado esta conclusión con respecto al calor ¿dónde encontramos una causa primaria o fuente de frío? desconozco alguna causa general del frío, excepto la ausencia o acción disminuida del sol, o vientos que soplan desde aquellas regiones en las que su luz tiene el poder más débil. Por consiguiente no veo razón para considerar el frío como una cosa sino una disminución del calor. Los átomos frigoríficos y las partículas de escarcha, que se han supuesto como llevados por los vientos fríos, son completamente imaginarios. No tenemos la más pequeña evidencia de su existencia y ninguno de los fenómenos, respecto a los cuales han supuesto su existencia, requieren una ficción tal para poder ser explicados. "

REFERENCIAS 

Black, J. (1803) Calor específico, calor latente, del vapor y la vaporización. MAGIE. A (1969) Source book in physics. Harvard University Press. Cambridge, Massachusetts. Traducido por Francisco Malagón. Modulo del componente Organización de los fenómenos térmicos, del programa de Maestría en Docencia de las Ciencias Naturales de la Universidad Pedagógica Nacional

Black, J. (1803) Del calor en general. Linsay, B. (1975) Energy: Historical development of the concept. Dowden, Hutchinson & Ross, USA. Traducido por A. Romero y M. M. Ayala. Modulo del componente Organización de los fenómenos térmicos, del programa de Maestría en Docencia de las Ciencias Naturales de la Universidad Pedagógica Nacional

Segunda unidad (calorimetría)

Diseño, construcción de un calorímetro

 Cuando Nuestro ya mencionado autor J. Black comienza a estudiar el fenómeno de la equilibración térmica (1760), se pensaba que la cantidad de calor necesaria para que un cuerpo alcanzara el equilibrio con otros dependía de su cantidad de materia; sin embargo, Black encuentra que la proporción entre cantidad de materia y calor no es tal.

Entonces ¿Los análisis anteriores relacionados con la proporcionalidad de las sustancias y sus cantidades de calor pierden validez?

Veamos:

 Black realiza un procedimiento inspirado en Farenheit, donde estudia cómo son los cambios de temperatura de dos cantidades de mercurio y agua que se ponen a interactuar inicialmente con temperaturas diferentes. Este método, conocido como el método de las mezclas, permitía calcular la cantidad de calor que necesita una determinada sustancia para cambiar su temperatura en un grado, el calor específico.

 Algunas de las dificultades que se encontraron en este procedimiento eran referidas a las transferencias de calor por conducción o por radicación, es decir al mezclarse el agua y el mercurio también podían estar interactuando los recipientes que las contenían, el termómetro que indicaba los cambios, y el aire. Para tener “control” sobre las variables del experimento y para conseguir que el equilibrio alcanzado fuera entre las dos sustancias que se mezclaban se necesitaba “aislarlas”, definir cuál era el sistema en interacción. 

Apartado tomado del modulo de la organización de los fenómenos térmicos

¿Necesitamos hablar entonces de un sistema cerrado?

Cómo diseñar un calorímetro 

 Qué aspectos tiener en cuenta para definir las características de 

un calorímetro. 

Se debe tener en cuenta los materiales que se usen para construir el calorímetro en tanto se reduzca la pérdida de calor con el medio. Es decir, que el calorímetro funcione como un sistema cerrado en el que se establezcan flujos de energía en términos de calor y no de materia.

En ese orden de ideas ¿Para qué usar el calorímetro?

Pensemos entonces en el  calorímetro como un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

¿Cómo se mide dicha cantidad de calor?

Según el autor Ganot, Se miden directamente las cantidades de calor, no en unidades absolutas, sino en unidades secundarias que se denominan calorías.  La caloría es la cantidad de calor necesario para elevar de 0º a 1º la temperatura de 1 kilogramo de agua pura.

¿Cómo entendemos el calor específico?

 Se llama calor especifico, o capacidad calorífica de un cuerpo, a la cantidad de calor necesaria para elevar de 0º a 1º la temperatura de 1 kilogramo de este cuerpo. 

Debemos tener en cuenta que no todos los cuerpos o sustancias presentan la misma capacidad para retener o liberar calor. Es decir, presentan diferente calor específico.

Veamos una experiencia:

Tomado del modulo del componente: La organización de los fenómenos térmicos del programa MDCN

Tyndall afirma lo siguiente:

Fúndese en un molde una torta de cera amarilla, de 15 a 20 centímetros de diámetro y de 12 milímetros de grueso aproximadamente, y cuando esté fría se la coloca encima de una peana anular (fig. 430).  Caliéntense entonces, en un baño de aceite a 180º, varias bolas, una de hierro, otra de cobre, de estaño, plomo, bismuto, etc., todas del mismo peso; y cuando hayan tomado la temperatura del baño se las retira y se las pone sobre la torta. Todas funden la cera, pero con distintas velocidades. El hierro se hunde en ella vivamente y pasa pronto al otro lado; luego viene el cobre; el estaño hace un agujero en la torta, pero no la atraviesa; por último, el plomo y el bismuto ni siquiera se introducen hasta la mitad del grueso del pan de cera. De donde se deduce que, bajo igual peso e idéntica temperatura, la bola de hierro contiene más calor que la de cobre, esta más que la de estaño, y así sucesivamente. 

Referencias

Ganot, A. (1885) Calorimetría. En: Tratado elemental de Física. 19° ed. Librería de Ch. Bouret, París. Citado en el modulo del componente Organización de los fenómenos térmicos.

Segunda unidad (Propuesta de aula)

Modelos explicativos sobre el objeto de estudio en el aula 

Como se vio en la unidad anterior, durante el proceso del seminario del componente Organización de los fenómenos térmicos se ha propuesto configurar un problema de estudio que permita desarrollar una propuesta de intervención en el aula con relación a lo que hemos llamado térmico.

En ese sentido, en la primera entrega y socialización de la propuesta se planteó estudiar algunos temas asociados a la termorregulación del cuerpo humano como un sistema dinámico. Sin embargo, teniendo en cuenta la retroalimentación y comentarios por parte de las maestras y demas participantes del seminario enfocados en delimitar la propuesta, se ha especificado puntualmente en hablar de la sudoración.

Delimitación de la propuesta de aula

Si bien, la sudoración es una consecuencia del proceso termorregulatorio en el cuerpo humano, pensamos que puede convertirse en un problema en tanto se piense la interacción que este proceso realiza con el ambiente.

En otras palabras, es interesante pensar en cómo la sudoración que emerge por procesos de homeóstasis del cuerpo humano, al ponerse en contacto sobre la superficie de la piel con el ambiente actúa como un fenómeno térmico que regula la temperatura corporal.

En ese caso, valdría la pena preguntarse ¿Cómo se configura la interacción de estos sistemas? ¿es posible establecer una relación térmica entre un sistema dinámico con el ambiente? ¿cómo se llega a un equilibrio térmico en este caso?

¿es posible modelizar este fenómeno?

El objetivo de esta propuesta es Diseñar un modelo que permita explicar el fenómeno de la sudoración humana como un mecanismo de control en el intercambio de calor con el ambiente.

Algunos referentes teóricos para hablar de la sudoración como un fenómeno térmico.

En primer lugar, deberíamos preguntarnos ¿qué es el sudor? ¿por qué sudamos?

¿por qué algunas personas sudan mas que otras? ¿cómo sale el sudor de nuestro cuerpo?

En segundo lugar, algunos referentes están asociados con la producción térmica del cuerpo humano, la transpiración como mecanismo de disminución de calor, estructura y función de las glándulas sudoríparas y el control hormonal en la regulación de agua del cuerpo humano.

En ese sentido, entendemos el proceso de sudoración como un mecanismo de regulación térmica del cuerpo humano con el ambiente, este proceso se realiza por medio de las glándulas sudoríparas como respuesta a procesos de producción térmica del cuerpo y que se regulan por medio de procesos hormonales.

Preguntas iniciales

Unidad # 1

¿Qué mide un termómetro?

¿La cantidad de calor?

¿La temperatura?

¿Qué es la temperatura?

¿Qué es el calor?

Estas son algunas preguntas al iniciar el curso que como su nombre lo indica gira en torno a la organización y el estudio de los fenómenos térmicos.

Por ahora empezaré diciendo que la Temperatura es una magnitud que permite describir fenómenos térmicos,  se puede decir que es la única indicación tanto del estado térmico como de los cambios térmicos; aún más a partir de la temperatura son construidas las demás magnitudes termodinámicas, hecho por el cual se puede decir que la temperatura es una magnitud organizadora de los fenómenos termodinámicos. ( módulo del seminario La organización de los fenómenos físicos del programa de  Maestría en Docencia de las Ciencias Naturales, 2019).

ALGUNAS MANERAS DE HABLAR DE LO FRÍO Y LO CALIENTE

Durante el seminario se me ha pedido escribir algunas frases que den cuenta de ¿qué entiendo sobre lo térmico? Algunas de ellas son:

1. La cobija térmica me abriga                              

2. En el termo se mantiene caliente el café

3. Si no me como rápido el helado se derrite

                                      

4. A mayor altitud, mayor frío

5. Es importante calentar antes del ejercicio físico

Ahora bien, ¿Qué términos son utilizados para referirse a lo térmico? ¿Cómo podemos clasificar dichas frases? ¿Qué se tiene en cuenta para dicha clasificación?

En un primer momento, se entabló un diálogo con los integrantes del grupo de trabajo, en el cual se pensaron algunos factores de clasificación como el clima (cuando hablamos de lugares con características climáticas particulares) o sustancias de consumo, (para hablar de las frases que relacionan alimentos) entre algunos otros.

Por otro lado, durante las reflexiones alcanzadas con este ejercicio se pudo establecer otras categorías mas generales. En el momento que se pensó que la cobija por si sola no realiza ningún efecto para abrigar. Es decir, para que la cobija abrigue debe realizar una interacción con otro cuerpo. 

Desde esa perspectiva, se realizó la clasificación de algunas frases bajo tres aspectos de clasificación. Interacción, transformación y estado, tal como se muestra en la siguiente imagen.

Para otros grupos de trabajo la clasificación se basó en términos de la forma como conocemos. Es decir, desde lo común y lo científico. Sin embargo, habría que considerar que las formas de conocer bien sea desde lo común o lo científico, no puede dar cuenta de hablar de los términos (frío y caliente) sino mas bien, de las fuentes del conocimiento para realizar la categorización de las frases. 

Por ejemplo, algunas fuentes de conocimiento son la Experiencia, la Observación, la Intuición o lo Experimental.

Finalmente, fue interesante apreciar como otro grupo de trabajo realizó un división desde conceptos como el calor, la energía y la tempertatura y desde cada uno de estos, asociaron sus frases bajo aspectos como las sensaciones, las cualidades y magnitudes.

Algunas preguntas que surgen del anterior ejercicio son:

• ¿Asociamos la transformación al cambio?
• ¿Cómo entendemos el término energía?
• ¿La cualidad de un fenómeno me permite atribuirle características asociadas a lo térmico?

El siguiente vídeo nos acerca matemáticamente a un ejercicio de ganancia y pérdida de calor en términos de equilibrio térmico.

EJERCICIO 

Suponga que tiene un litro de agua a 20ºC, y desea aumentar su temperatura hasta 80ºC, para lo cual la pone en contacto con un cuerpo fuente cuya temperatura es mayor. Si se tienen varios cuerpos fuente cuyas temperaturas son: 80ºC, 150ºC, 500ºC y 1000ºC.

¿ Con cuál de todos los cuerpos fuente se calienta más rápidamente el agua. Haga una gráfica donde se muestre la variación de la temperatura del agua con relación al tiempo?

Análisis preliminar 

si consideramos que hay cuerpos fuente a diferentes temperaturas, el litro de agua que está a 20°C al ponerse en contacto con otro cuerpo de agua de mayor temperatura, los dos cuerpos sufrirán un cambio de temperatura. Es decir, que por un lado el litro de agua que está a 20°C ganará temperatura mientras que el otro cuerpo de agua que está a mayor temperatura perderá temperatura, hasta que los dos cuerpos en este caso agua, presenten un equilibrio en sus temperaturas.

Ahora bien, la situación plantea que cuál cuerpo fuente aumentará mas rápidamente la temperatura a 80°C del litro de agua, personalmente considero que todos los cuerpos fuente pueden cambiar la temperatura hasta ese grado. sin embargo la variación del tiempo dependerá de los diferentes grados de temperatura a los que se encuentran los diferentes cuerpos fuente. En ese caso, habría una relación inversamente proporcional entre el aumento de temperatura y el tiempo. Es decir, a mayor temperatura del cuerpo fuente menor será el tiempo para aumentar la temperatura del litro de agua.

En el siguiente gráfico explico lo anterior:

El área sombreada con amarillo representa el tiempo que se necesita para subir a 80 °C el litro de agua en el cuerpo fuente a 80°C, el color naranja al cuerpo fuente de 150°C, el rojo al de 500°C y el morado al de 1000°C respectivamente.

RETROALIMENTACIÓN 

Después de compartir algunas ideas con relación al ejercicio propuesto con algunos integrantes del curso, fue posible entender que uno de los elementos para tener en cuenta  está relacionado con el punto de ebullición del agua  (100°C). Si partimos de este, es posible empezar a establecer ciertas relaciones con el planteamiento del anterior ejercicio. En ese sentido, los cuerpos fuente por encima de los 100°C  probablemente no me permitan realizar una medición de la temperatura del agua, sino mas bien evidenciar un cambio de fase del agua. (de líquido a gaseoso) Es decir, que el cuerpo fuente que puede llegar a alcanzar una temperatura próxima al punto de ebullición en este caso sería el que se encuentra a 80°C y la gráfica temperatura con relación al tiempo podría ser la siguiente.

El estado

¿Qué es el estado?

Lectura de referencia: El estado del autor: Juan Carlos Castillo Ayala

Cuando hablamos de fenómenos térmicos usamos algunos términos como transformación, equilibrio, temperatura, estado, entre otros. En esta sección hablaremos del estado.

Al momento de estudiar algunas variables de estado, (velocidad, presión, temperatura, potencia eléctrica) nos referimos a magnitudes que dan cuenta de los diferentes estados y su gradación.

pero ¿Qué se entiende por estado?

algunas premisas que nos ayudan a entender que es el estado son:

• Se construye a partir de las condiciones de equilibrio
• Lleva implícita la ausencia de acciones 
• La idea de estado está ligada a la permanencia 
• Está asociado a condiciones de equilibrio. Por ejemplo, equilibrio mecánico, equilibrio eléctrico, equilibrio térmico, entre otros.
• Para definir un estado a algún fenómeno particular, es necesario determinar una cualidad referente a dicho fenómeno con relación a la cual sean definidos los estados posibles.

Construcción de las variables de estado

Con relación a un fenómeno particular existen diversos estados, pero ¿Cómo es posible establecer una gradación de estos?

Para el autor, si al poner en contacto dos partes del sistema no se evidencia acción. es decir, no experimentan cambios, estas se encuentran en el mismo estado.

Si por el contrario las partes experimentan cambios, estas se encuentran en estados diferentes 

Lo que nos lleva a preguntarnos:

¿Qué se entiende por sistema?

¿Qué tipos de cambios pueden experimentar dichas partes?

Como ya hemos mencionado, una de las características del estado es presentar ciertas propiedades (térmicas, eléctricas, mecánicas ETC.). Sin embargo, en este punto del curso aún quedan interrogantes como:

¿Qué es el calor?

¿Sera la temperatura una variable para medir el calor?

¿Para qué medimos el calor?

¿Que medimos cuando medimos el calor?

¿Que es la energía?

Experiencia: Medición de la temperatura

Situación 1 

Tome la temperatura ambiente con el termómetro. Ahora introduzca el termómetro en un recipiente con agua sacada del grifo (500 ml) y determine su temperatura. 

 ¿Qué espera que suceda cuando el termómetro está dentro del agua? Explique y argumente. 

 Una vez realizada la experiencia qué puede decir en relación con lo expuesto anteriormente (confrontando con las ideas iniciales). 

 ¿Qué información da la temperatura en la situación estudiada?

Algunas preguntas antes de iniciar 

• Si la temperatura del ambiente se mantiene constante ¿Por qué tenemos la sensación diferente al tocar unos materiales que otros?

• ¿Es diferente la temperatura del mesón, del agua, del vaso y del ambiente?

• ¿El termómetro mide la temperatura del agua, del vaso, del termómetro o de todos?
• ¿Estos elementos constituyen un sistema?

...Manos a la obra...

Al sumergir el termómetro, esperábamos que éste indicará una menor temperatura, pues a partir de nuestra experiencia, tenemos la visión de que el agua de Bogotá es “muy fría”. 

Si bien, la temperatura del agua fue mas baja, pero luego de un tiempo, también estuvo a 20°C. 

T1= 19°C
T2= 20°C
T3= 20°C
TH2O= 18°C

Situación 2

Tome 500 ml de agua y caliéntelos hasta 50º (manteniendo el termómetro dentro del recipiente). Retire el recipiente de la fuente y observe qué pasa con la temperatura del agua.

De acuerdo con la experiencia hasta donde cree que puede llegar la temperatura una vez retirado el recipiente, explique.

Una vez realizada la experiencia contraste con las ideas anteriores.

De acuerdo con la situación ¿cuál es la condición para que sea posible el cambio de temperatura?

preguntas Iniciales

• ¿Este montaje se puede considerar como un sistema?
• ¿El agua se calienta homogéneamente?
• ¿Cuál es la diferencia de sostener el termómetro con un soporte y con la mano?
• ¿Influye la posición del termómetro dentro del vaso?
• ¿El termómetro mide la temperatura del agua, del vaso, del termómetro o de todos?

Al retirar el recipiente, la temperatura aumentó 1°C y se mantiene por un minuto, luego comienza a disminuir la temperatura. Pensábamos que disminuiría hasta alcanzar la temperatura ambiente (20°C) al retirarla del cuerpo fuente. Tardó mucho tiempo en disminuir la temperatura. Al cabo de 1 hora solo bajó  hasta 36°C. Por razones de tiempo no fue posible finalizar la experiencia. La condición es que cuerpo-cuerpo / cuerpo-sistema / sistema-sistema  (donde uno sede y el otro absorbe) se encuentren a diferente temperatura para que exista un cambio.

La diferencia entre la elevación de la temperatura con relación al tiempo hasta alcanzar los 51°C tiene mayor pendiente (como se muestra en la gráfica) y ocurre en menor tiempo. A diferencia de lo que ocurre después de alcanzar la temperatura máxima. Es decir que el tiempo para disminuir la temperatura del agua es mayor.

¿Por qué sucede esto?

¿Influye la temperatura de la estufa en la ganancia de temperatura y la temperatura del ambiente en la pérdida de la misma en este fenómeno?

Situación 3

Tome 500 ml de agua a temperatura ambiente. 

•  Caliente el agua, mida su temperatura cada minuto hasta que ésta llegue a la temperatura de ebullición. 
• Una vez que el agua llegue a la temperatura de ebullición retírela de la fuente y mida su temperatura cada minuto hasta que llegue a la temperatura ambiente. 
•  En cada uno de los casos anteriores haga las gráficas de temperatura con relación al tiempo. 
•  De acuerdo con los datos y las gráficas explique de qué depende la variación de la temperatura.

Tabla de datos por minuto (tiempo con relación a la temperatura)

En la gráfica podemos observar algo similar al ejercicio anterior, en este caso el punto de ebullición se alcanzó a los 91.5°C, posteriormente se alejo el vaso de la estufa y la temperatura del agua empezó a bajar.

 

Las burbujas se forman en el fondo recipiente porque allí, en contacto con la fuente, el calor es más intenso y el agua se evapora antes. El agua en forma gaseosa tiene una menor densidad que el resto líquido, y por eso el vapor sube hacia la superficie en forma de burbujas.

Algunas preguntas finales 

• ¿El tipo de sistema influye en la variación de la temperatura?
• ¿Es lo mismo hablar de transferencia de energía y transferencia de calor?
• ¿De qué da cuenta la temperatura?
• ¿Por qué la medición en instrumentos como el termómetro puede tener errores?
• ¿Qué implicaciones tiene hablar de equilibrio en Ciencias?
• Si hablamos de Equilibrio térmico ¿es posible hablar de desequilibrio térmico?
• ¿Las propiedades del agua influyen en cada situación antes planteada?
• ¿El agua cambió?
• ¿Cómo funciona el termómetro?

Diseño, construcción de termómetros y gradación

TALLER 1

CAMBIO DE TEMPERATURA  - CAMBIO DE VOLUMEN

1. Si en un tubo de vidrio angosto, cerrado en uno de sus extremos vaciamos alcohol y lo introducimos en un baño de agua caliente, notamos que la columna de alcohol aumenta su altura, mientras que si lo introducimos en agua helada, ésta disminuye.

1. Elabore una gráfica en la que exprese comportamientos posibles del volumen del líquido en cuestión con la temperatura.
   
   

NOTA: Temperaturas de fusión y ebullición indican el límite de medición de temperatura. 

Propiedades etanol
T fusión	114,1°C
T ebullición	78,37°C
Coeficiente de dilatación	1 * 10-3 °C-1

Volumen (x3)	1,00000	1,00100	1,00200	1,00300	1,00400	1,00500	1,00600	1,00700	1,00800	1,00900
Temperatura(°C)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

2. ¿Qué información sobre el baño de agua nos da el aumento o disminución de la altura de la columna de alcohol?

La energía que gana o pierde el etanol al entrar en contacto con una sustancia a diferente temperatura hasta alcanzar el equilibrio e indicar una marca (distancia-altura). Dicha energía afectará la cinético-molecular del etanol (CH3-CH2-OH) con relación a las fuerzas y choques intermoleculares provocando una dilatación de esta sustancia que será visible por la altura del capilar. Dicha relación está dada por su coeficiente de dilatación: 1*10-3 °C-1 (a 20°C).

2. Teniendo en cuenta la dilatación de la sustancias por el calor se construyen los termómetros, que son usualmente considerados como instrumentos que permiten una medida de la temperatura. Para ello se introduce la sustancia en un capilar (para magnificar los efectos), se determina las alturas de la columna de la sustancia correspondientes a temperaturas fijas a las que ocurre cierto tipo de transformaciones, que son utilizados como referencia (por ejemplo, la temperatura a la cual se funde el hielo y la temperatura de ebullición del agua); la altura entre las dos marcaciones se divide en partes iguales (tal graduación se puede extender por fuera del espacio definido por las dos marcaciones de referencia). El paso de una marcación a la siguiente se considera que corresponde a un aumento o disminución de la temperatura en una unidad.

1. ¿Qué supuesto se está manejando cuando se hace la división de la columna de la sustancia para graduar el termómetro?

Se parte de una magnitud conocida y fácilmente comprensible: la longitud; medida en mm o centímetros con relación a la altura (también una distancia). Se esperaría que también estuviera bien estandarizada. Puede pensarse que el el aumento del volumen está en relación 1:1 con respecto a la altura y diámetro del capilar.

2. Considere ahora que se construyen dos termómetros en tubos de vidrio del mismo diámetro con volúmenes iguales de sustancias diferentes (agua y alcohol) a la temperatura del medio ambiente y se gradúan de acuerdo a los criterios arriba mencionados. Si al determinar la temperatura de un cuerpo dado, se encuentra que mientras en el primer termómetro la sustancia se dilata de modo que pasa de una marcación a la siguiente, en el otro la altura alcanzada por la sustancia no coincide con la marcación correspondiente, ¿qué puede concluir al respecto? ¿cuál de las dos lecturas se puede considerar válida? ¿hay o puede establecer algún criterio para ello?

El coeficiente de dilatación del agua es 2,1*10-4, mientras que el del etanol es 1*10-3 a 20°C, ello se refiere a la razón de aumento del volumen del agua o etanol por grado Celsius. Siendo mayor en el caso del etanol, de allí la variación en la altura. No podría establecerse un criterio de validez debido a la naturaleza de las sustancias y sus respectivas propiedades. En el caso del agua, presenta un comportamiento atípico entre 0-4°C, pues el volumen disminuye por el aumento de temperatura (debido al establecimiento de puentes de hidrógeno), indicando su menor densidad a 4°C. Por ende, adicionalmente, para establecer criterios se debe tener como referente temperaturas de fusión y ebullición de ambas sustancias.

Construyamos un termómetro

IDEA TERMÓMETRO: Termómetro de Galileo: 

https://www.youtube.com/watch?v=CudUTbsKVvg

http://www.educaplus.org/game/termometro-de-galileo

MATERIALES: 

1. Tubo largo de vidrio 
2. Jeringa con aguja 
3. Colorante alimenticio
4. Bombillas (8)
5. Monedas (8)
6. Alambre cobre 
7. Pegamento contra agua
8. Lima uñas
9. Pinzas
10. Vasos plásticos
11. Termómetro digital o mercurio

El termómetro de Galileo es un termómetro formado por un tubo de vidrio que contiene un líquido transparente con un coeficiente de dilatación mayor que el del agua. y un conjunto de ampollas de vidrio soplado sumergidas en él.

¿Cómo funciona el termómetro?

El físico Galileo Galilei descubrió que la densidad de un líquido cambia según la temperatura. Rápidamente se dio cuenta que este fenómeno podía aprovecharse para crear un instrumento destinado a medir la temperatura ambiente, y así fue como nació el denominado “termómetro de Galileo

Las esferas se calibran tomando como referencia la temperatura del ambiente y se calibran con la ayuda de un termómetro de vidrio, en este caso se tomaron dos puntos de referencia por encima de la temperatura ambiente y dos puntos de referencia por debajo de la misma ( 6,10,18,26,35 °C).

De este modo, cuando la temperatura del líquido del tubo cambie, las esferas se moverán a lo largo de la columna de agua y la que se ubique en la mitad del tubo mostrará el valor de la temperatura del liquido y por ende de la temperatura del ambiente donde se encuentre dicho artefacto.

El termómetro de Galileo presenta algunas limitaciones con relación a la gradación y a su calibración, pues se necesita partir de un valor de la temperatura ambiental y la de los otros puntos de referencia, por lo que es necesario el uso de un termómetro convencional para realizar este paso. Sin embargo, es un artefacto que relaciona un elemento interesante como la densidad de los fluidos para pensarnos en la dinámica de los fenómenos térmicos.