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.