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CALOR Y TEMPERATURA
Actividad Nº 1

      El enfoque metodológico del cambio conceptual plantea la necesidad de
que los docentes conozcan las ideas previas de los alumnos y a su vez las
empleen para favorecer la creación de conflictos cognitivos entre las ideas
espontáneas y las científicas. Algunas preguntas sobre la aplicación de ideas
previas de calor y temperatura pueden ser:

¿Qué es necesario para que exista calor?:
a) Un solo cuerpo
b) Por lo menos dos cuerpos a diferentes temperaturas
c) Un solo cuerpo que tiene que estar "caliente
d) Ninguna de las proposiciones anteriores.

Un alumno entra al laboratorio de ciencias que está a una temperatura
ambiental de 25 0C donde se encuentra una mesa de hierro y otra de
madera. Inmediatamente enciende el aire acondicionado .Pasada dos
horas la temperatura ambiental está a 20 0C. La temperatura de la mesa
de hierro será:
a) Menor que en la mesa de madera
b) mayor que en la mesa de madera
c) Igual que en la mesa de madera
d) ninguna

De las proposiciones anteriores
¿Donde está presente el calor? :
a) En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo posee calor
b) Solamente en aquellos cuerpos que están calientes
c) En cuerpos de diferente temperatura pero en contacto
d) Todas las proposiciones anteriores.

Un profesor en el laboratorio de Química hace la siguiente demostración:
Muestra dos vasos precipitados de igual forma y tamaño. El vaso A tiene
el doble volumen de agua que el vaso de precipitado B. Luego, somete a
calentamiento las masas de agua hasta el punto de ebullición. Por lo
tanto, la temperatura del agua en el envase A será:
a) Mayor que la temperatura del agua del vaso B
b) Igual que la temperatura del agua del vaso precipitado B
c) Menor que la temperatura del agua del vaso precipitado

Varios objetos de metal y de madera son colocados en el interior de un
congelador que se encuentra a una temperatura de - 10 0C. Después de 24
horas se puede deducir que la temperatura de los objetos de madera es:
a) Mayor que la temperatura de los objetos de metal
b) Menor que la temperatura de los objetos de metal
c) Igual que la temperatura de los objetos de metal.

Para que se pueda admitir la existencia de calor en un cuerpo debe haber:
a) una diferencia de temperatura
b) una diferencia de masa
c) una diferencia de energía
d) todas las proposiciones anteriores

Calor es:
a) energía cinética de las moléculas
b) Energía transmitida solo por medio de una diferencia de temperaturas
c) La energía contenida en un cuerpo.

Dos esferas del mismo material pero cuyas masas son diferentes quedan
durante mucho tiempo en un horno. Al retirarlas del horno, son
inmediatamente puestas en contacto. En esa situación:
a) Fluye calor de la esfera de mayor masa hacia la menor masa
b) Fluye calor de la esfera de menor masa hacia la mayor masa
c) Ninguna de las dos esferas cede calor a la otra.

Las mismas esferas de la pregunta anterior son ahora dejadas durante
mucho tiempo en un congelador. En esa situación, al retirarlas e
inmediatamente ponerlas en contacto:
a) ninguna de las esferas posee calor debido a su baja temperatura
b) fluye calor de la esfera de mayor masa hacia la de menor masa
c) ninguna de las esferas puede ceder calor a la otra.


       Sería importante que ustedes como docentes o futuros docentes,
también indaguen sus saberes previos acerca del tema antes de
desarrollarlo, por lo tanto, los invitamos a que resuelvan los posibles
interrogantes propuestos anteriormente para conocer sus ideas y poder
así lograr el cambio conceptual.



¿Por qué los niños parecen tener tantas dificultades para captar algunos
  aspectos de la concepción científica del calor y de la temperatura?

        Esto se debe a que hay muchos aspectos de los fenómenos de calor y
temperatura que son contra – intuitivos. Por ejemplo, los alumnos se
sorprenden a menudo de que un termómetro marque una temperatura
semejante en relación con todos los objetos de una habitación aunque ellos
sientan que está mucho más fría una bandeja de metal que una fuente de
plástico; o se admiran que un cubito de hielo envuelto en lana o en papel de
diario “dure más” que otro colocado en papel de aluminio.
        Antes de analizar las ideas previas de los niños, es importante reconocer
la confusión que presenta el uso de la palabra “calor”. Generalmente el término
calor y sus derivados literales y metafóricos son utilizados como nombres,
verbos, adjetivos y adverbios.

Su empleo como nombre o sustantivo provoca la mayor parte de la
confusión conceptual desde el punto de vista científico y, más específicamente,
desde la perspectiva energética. Por ejemplo, oímos expresiones cotidianas
como “cierra la ventana y conserva el calor” o “cierra la ventana para que no
entre frío” “ya llegó el frío”, “los rayos del sol están calientes”. También se
puede oír decir en clase, “que un objeto gana o pierde calor” cuando llega al
equilibrio térmico con cualquier otra sustancia, o que “el calor viaja a través de
una barra metálica” cuando ésta se calienta con una llama por un extremo.

¿Por qué parece tan natural describir el calor como un tipo de sustancia
material que puede causar cambios predecibles en otros objetos, como el
               incremento de temperatura o de volumen?

       Algunos piensan que puede ser una reminiscencia lingüística de la teoría
del calórico de los siglos XVIII y XIX, según la cuál el calor se conceptuaba
como un fluido sutil y sin peso, capaz de penetrar todos los cuerpos materiales.
Otros afirman que hay una tendencia natural a describir nuestro mundo de
sentido común en términos metafóricos en los que las relaciones de causa a
efecto se consideran como interacciones entre tipos de materia.

      Independientemente del origen de este uso, parece que la
predisposición a pensar en el calor como en algo sustancial, puede constituir
unas de las barreras conceptuales más importantes que los niños deben
superar para iniciarse en el pensamiento científico.

       A este respecto, es útil revisar brevemente los             conceptos de
temperatura, energía y calor, desde el punto de vista científico, para luego
describir los estudios del pensamiento infantil sobre estas ideas.


   TEMPERATURA                     ENERGÍA                      CALOR

Es     una     propiedad    La energía de un           Es un parámetro que
macroscópica         que    sistema correspondiente    describe               las
expresa el estado de        al estado de agitación     interacciones entre los
agitación o movimiento      de las partículas que lo   sistemas; de manera
desordenado de las          forman, hace referencia    más precisa es un
partículas; por lo tanto,   a una forma de energía     proceso de transferencia
está relacionada con la     interna de ese sistema,    de energía. La diferencia
energía cinética de las     denominada a veces         de temperaturas entre
partículas.                 energía térmica.           dos sistemas determina
                                                       la transferencia de calor.
                                                       Por ejemplo, cuando
                                                       una llama de gas
                                                       calienta una masa de
                                                       agua, hay una diferencia
                                                       de temperatura entre la
                                                       llama (temperatura de
                                                       combustión) y el agua.
                                                       Así el calor se transfiere
                                                       de un sistema (gas y
                                                       aire) al otro (agua)
Es importante percatarse que la transferencia de calor es sólo un modo
de alterar la energía interna de un sistema. Por ejemplo, una masa de agua
puede variar su temperatura y energía interna, tanto al ser calentada
(transferencia de calor) como al ser agitada por un molinillo (en el que está
implicado el trabajo -experimento de Joule-) para no inducir a la confusión entre
la energía que tiene un sistema (energía interna) y la forma de transferencia de
energía entre sistemas (el calor).
       También suele darse una confusión, debido a la diferencia de
temperatura, en relación con el uso de la expresión energía térmica en la
enseñanza. A veces se refiere a la cantidad de energía transferida entre
sistemas, por ej. En forma de calor, más que, a la energía de agitación de
partículas.
       Como gran parte de nuestra experiencia diaria implica alguna forma de
transferencia de energía entre los objetos que están a diferentes temperaturas,
el concepto físico del calor, desempeña un papel indispensable para
interpretarlas. Por ejemplo como la temperatura del cuerpo es más elevada que
la normal de una habitación, en el momento en que toquemos un objeto que
esté a temperatura ambiente o más baja, la energía se transfiere desde
nuestra mano al objeto. Del mismo modo, cuando encendemos un calefactor
para elevar la temperatura de un ambiente, se produce una transferencia de
energía. En estos contextos, nuestro lenguaje convencional tiende a sugerir
que estos objetos contienen calor, mientras que desde la perspectiva física
tienen el potencial (a causa de la diferencia de temperatura) para transferir
energía a otro objeto que esté a temperatura más baja.


REVISIÓN DE LAS IDEAS PREVIAS DE LOS ALUMNOS

USO DEL TÉRMINO “CALOR”

        Los términos calor y caliente normalmente forman parte del vocabulario
de los niños desde los 2 o 3 años en adelante, donde los usan para describir
algunos aspectos de los muchos encuentros con objetos calientes.
         Si bien, la adquisición evolutiva de la noción de calor revela que aún a
los 2 años desarrollan una noción de cuerpo caliente, que es capaz de
producir sensaciones de calor en uno mismo, pero no disocian estos objetos
calientes de las sensaciones producidas en ellos mismos, ni distinguen las
fuentes de calor y ni el objeto afectado por la fuente; recién a los 5 o 6 años
son conscientes del movimiento que se produce desde la fuente al objeto. No
obstante, éstos son los primeros principios de la noción de transferencia de
calor y del reconocimiento de la cualidad del calor como propiedad de los
objetos que pueden ser alterados.
        A partir de los 8 o 9 años empiezan a hablar sobre el “calor” en relación
con el estado de calidez de un cuerpo dentro de un continuo que va desde el
frío al calor, pasando por un estado de tibieza. Es decir, que han construido, a
partir de diversas interacciones con sus ambientes físicos y lingüísticos, un
conjunto de creencias coherentes acerca de la naturaleza y de la conducta de
los objetos calientes y fríos de su entorno inmediato.
        Generalmente, cuando se les pregunta a los niños de edades
comprendidas entre los 8 y los 12 años ¿Qué es el calor?, tienden a asociarlo
con los seres vivos, con las fuentes de calor, con el grado de calor de un
objeto, como los cambios de fase, expansión, etc.

      Cuando se le pidió a Juan Martín, de 8 años, que diera un ej. de calor, y
luego a Antonia de 9 años, de dónde proviene el calor externo, respondieron
respectivamente:

Juan M - El calor se levanta, el sol lo tiene, Creo que lo tiene, lo tiene el
sol… el calor levanta el gas y está caliente y el sol lo quema y brilla y
vuelve hacia abajo y calienta la tierra.
Antonia – No lo sé, el sol brilla (eleva sus manos), mira, y así (mueve sus
manos) pasa del sol al aire.

        Asimismo, cuando se le preguntó a Pedro de 12 años qué significa para
ella el calor, dijo:

- El calor hace que todo se funda: plomo, oro, hierro, aluminio, zinc,
también, creo.

       En un estudio realizado con un grupo de adolescentes entre 11 y 16
años, se les pidió que formaran frases en las que apareciese el calor, algunos
de los más grandes describieron el calor en relación con la energía, pero la
mayoría de los más jóvenes y un tercio de los mayores equipararon la idea de
calor a la cualidad de caliente de un cuerpo o sustancia, o lo describieron
como procediendo de una fuente de calor. Algunas de las respuestas
fueron:

             -   El calor es energía, cuando algo se calienta, se transfiere
                 energía calorífica a lo que se está calentando.
             -   El calor es aire caliente
             -   El calor es calentar un fluido o sólido
             -   Cuando lo tocas, lo sientes caliente, si algo le ha
                 suministrado calor.
             -   Si calentamos un trozo de hierro por un extremo, el calor
                 se instala en una parte hasta que no aguanta más y se
                 mueve entonces hacia todo el metal


        Bacas (1997) publicó los resultados de estudios sobre preconceptos de
calor y temperatura concluyendo que el uso incorrecto de la palabra calor en la
vida cotidiana y las confusiones entre los conceptos calor y temperatura es lo
que propicia en los estudiantes la formación de preconcepciones cuyo
significados son diferentes a la los científicos. Asimismo, Domínguez (1998)
presentan una compilación de investigaciones de ideas previas sobre calor y
temperatura con estudiantes de 12 a 23 años, que determinó un número alto de
concepciones previas erradas tales como “el cuerpo tiene Calor” y “temperatura
es calor”. Concluye que persiste la influencia del lenguaje cotidiano en la
utilización y verbalización de gran parte de las ideas referidas al calor y
temperatura.
Conceptos        Ideas Alternativas
Calor            Algo material, contenido en el cuerpo (sistema); cuanto más
                 calor tiene el cuerpo más caliente estará.
                 En los cuerpos el calor puede pasar de unas partes a otras o
                 de unos cuerpos a otros.
Calor / Frío     Son dos fluidos materiales y opuestos. La sensación calor/frío
                 es consecuencia de la transferencia del calor/frío al cuerpo.

Calentar       / Ganancia o pérdida de ese ente material llamado calor
Enfriar
Caliente       / Son propiedades características de los cuerpos. Por ejemplo,
Frío             los metales son fríos por naturaleza.

Temperatura      Temperatura = calor. Temperatura y calor son sinónimos y
                 aquélla, en todo caso, mide la cantidad de calor que tiene el
                 sistema.
                 La temperatura depende de la masa o del volumen.

Dilatación       Paso de calor al interior del cuerpo haciéndolo más grande y,
                 como consecuencia, más pesado.


       Bañas, (2003) realizó un diagnóstico y análisis en estudiantes
universitarios sobre las concepciones calor y temperatura. Entre las principales
ideas encontraron que los estudiantes no consideran constante la temperatura
durante los cambios de estados, que la temperatura aumenta
proporcionalmente con la masa, y la mayoría tienen la idea que el calor es una
forma de energía y no interpretan el concepto como un proceso de
transferencia de energía. Lo consideran como una propiedad de los cuerpos y
no un mecanismo. Se otorga a la temperatura una propiedad extensiva y un
pequeño porcentaje tiende a confundir calor con temperatura. Estos resultados
concuerdan con lo reportado en la literatura con la presencia de las ideas
previas.
       Los investigadores coinciden en la existencia de las ideas previas que
tienen todos los individuos, pero no hay acuerdo sobre el origen de las mismas.
Entre las causas de las ideas previas, (Pozo,1996) señala las experiencias y
observaciones de la vida cotidiana, el profesorado, los libros de texto y otros
materiales escolares, la interferencia del lenguaje cotidiano y el científico, los
medios de comunicación, y la cultura propia de cada civilización.
       Por otra parte, (2004) afirman que el origen de las preconcepciones está
en:
       (a) la enseñanza dentro y fuera de la escuela;
       (b) las experiencias diarias cotidianas,
       (c) el medio social y
       (d) la intuición.
       En cambio, Pozo (1991) clasifican las preconcepciones o ideas previas
de acuerdo con un origen sensorial, cultural y escolar.
       El sensorial origina las concepciones espontáneas como consecuencia
del intento de dar significado a las actividades cotidianas y serían motivadas
por los procesos sensoriales y perceptivos. Ante toda situación nueva o
problemática se inicia la búsqueda de información que permita predecir y
controlar ese suceso; esa búsqueda de información no es sistemática y
rigurosa sino que se realiza de forma simplificada y cómoda.


COMPRENSIÓN DEL CONCEPTO DE TEMPERATURA

       Como el término calor, temperatura es una palabra que reconocen los
niños muy pequeños (5 años), dado que se la encuentra frecuentemente al
hablar del tiempo y en las actividades culinarias. Pero a diferencia del calor, no
suelen emplear espontáneamente el término en sus conversaciones, sino que
tienden a hacer observaciones sobre la relativa “calidez” de los objetos desde
un punto de vista cualitativo más que cuantitativo.
       Los niños entre los 8 y 9 años de edad han desarrollado una noción de
temperatura relacionada con niveles o grados de calor expresados mediante
una escala como la utilizada para informar sobre la temperatura del aire. Si
bien, a partir de los 9 años pueden utilizar y leer un termómetro, tienden a
hacer juicios sobre la temperatura de un objeto basándose más sobre la
naturaleza del material que en la temperatura del medio ambiente que lo rodea.
Algunos piensan que los objetos de materiales distintos en la misma habitación
están a temperaturas diferentes (los objetos de metal están más fríos que los
de madera). Por ejemplo, a Santiago se le preguntó si una cacerola llena de
agua, dejada durante un buen rato en una habitación estaría más fría, más
caliente o a la misma temperatura que el agua que contuviera, respondió: “la
cacerola estará más fría que el agua… depende de lo que esté hecha la
cacerola”.
       Por lo tanto, parece, que hasta los 12 o 13 años, los alumnos conocen el
término “temperatura” y son capaces de utilizar el termómetro para comprobar
la de los objetos, pero en la práctica tienen un concepto bastante limitado del
término y raramente lo emplean de forma espontánea para describir la
condición del objeto.

COMPRENSIÓN DE LOS ALUMNOS DE LA NOCIÓN DE CAMBIOS DE
TEMPERATURA.

       La temperatura como propiedad intensiva: la temperatura de un
objeto está relacionada con su tamaño, ya que más del 50% de los niños
entrevistados creen que “un cubo de hielo más grande tendría una temperatura
más baja que un cubito pequeño”, y por lo tanto, el cubo más grande tardaría
más en fundirse.
       Estas predicciones surgen con bastante lógica de otra creencia aparente
de los alumnos acerca de que la temperatura es simplemente la medida de la
cantidad de calor (o, en algunos casos, de frío) que posee un objeto. Es
razonable concluir, que los objetos más grandes contengan más calor (frío) y,
consiguientemente, tengan una temperatura más caliente (más fría)
Actividad 2

SITUACIONES PROBLEMÁTICAS

Plantear la siguiente situación antes y después de la enseñanza del tema:

En el recipiente de Pedro hay poco agua y en el de Santiago hay mucha. Los
dos calentadores tienen igual llama y los dos termómetros son iguales.

         1- Cuando hierve el agua en cada recipiente, la temperatura que lee
             Pedro es:
         (a) más elevada que la leída por Santiago;
         (b) igual que la leída por Santiago;
         (c) más baja que la leída por Santiago;
         (d) no lo sé.

         2- ¿Qué temperatura lee Pedro?

         3- ¿Qué temperatura lee Santiago?


Actividad Nº 3

SITUACIONES PROBLEMÁTICAS

                 a- En forma cualitativa:

   1- Indicar la temperatura final de una mezcla de dos cantidades iguales de
      agua a la misma temperatura.




   2- Señalar la temperatura final de una mezcla de cantidades diferentes a
      distintas temperaturas:
b-   En forma cuantitativa:


   1- Indicar la temperatura final de una mezcla de dos cantidades iguales de
      agua a la misma temperatura:




   2- Señalar la temperatura final de una mezcla de cantidades iguales a
   distintas temperaturas:




        En estas actividades se demuestran, que las tareas cualitativas son más
fáciles que las cuantitativas y la mezcla de agua a temperaturas diferentes es
más difícil que la de agua a la misma temperatura. Podrán categorizar las
respuestas de sus alumnos según las estrategias utilizadas para resolver la
última situación. Se descubrió que, mientras los niños más pequeños (entre 8 y
9 años) preferían una estrategia de adicción, los mayores (entre 10 y 13
años) tendían a optar por una estrategia de sustracción – estrategia que al
menos reconoce que la temperatura final debe estar entre las temperaturas
iniciales.
Actividad Nº 4: ¡AHORA, AL LABORATORIO!

Experiencia extraída del libro de texto Ciencias Naturales 1 (para 7º grado).
Editorial SM, 2011.


DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

MATERIALES:


   •   6 vasos de precipitados.
   •   Termómetro.
   •   Trípode.
   •   Tela metálica.
   •   Mechero de Bunsen.
   •   Reloj.
   •   Agua.




PROCEDIMIENTO:

          4- Colocar en 2 vasos igual cantidad de agua. Medir y anotar la
             temperatura.

          5- Encender y regular el mechero. Calentar uno de los recipientes
             durante 1 minuto. Luego calentar el segundo durante 6 minutos.
             Registrar la temperatura en ambos casos.
          a) ¿Cuál de los sistemas tiene mayor temperatura?
b) Si el calor es energía térmica en “tránsito”, ambos vasos
             ¿recibieron igual cantidad de calor? ¿Alguno de los 2 vasos tiene
             más energía térmica?

          6- Poner en un vaso de precipitados 150 ml de agua y en otro 300
             ml de agua. Medir la temperatura inicial de cada sistema.

          7- Calentar por separado cada vaso y medir el tiempo que tardan en
             alcanzar la misma temperatura, por ejemplo 80º C.
          a) Ambos vasos, ¿recibieron igual cantidad de calor?
          b) ¿Alguno de ellos tiene más energía térmica?

          8- Repetir el paso nº 4 pero en este caso, calentar los vasos durante
             el mismo tiempo.
                  a) ¿Cuál de los sistemas tiene mayor temperatura?
                  b) Si el calor es energía térmica en “tránsito”, ¿ambos
                     sistemas recibieron igual cantidad de calor?
                  c) ¿Cuál posee mayor energía térmica?



      PARA DISIPAR DUDAS…

        Como expusimos al comienzo de este módulo, el calor es una forma en
que se manifiesta la energía, se utiliza dicho término para referirse a la
energía térmica, que es la energía asociada al movimiento molecular. Este
punto debe quedar bien en claro antes de comenzar a desarrollar el tema: el
calor es una forma de energía.
        En alguna literatura puede encontrarse al calor como Energía en
Tránsito, es decir, que toman al calor como la energía que fluye de un cuerpo a
otro. En estos casos también aparecerá el concepto de energía interna, como
la cantidad de calor que posee un cuerpo.
        Para los fines de este módulo tomamos al término calor abarcando
ambos conceptos, tanto desde el punto de vista de su transmisión (su flujo)
como del contenido por un cuerpo sin referirnos al término de energía interna.
        El calor se mide en caloría y kilocaloría. La caloría se define como la
cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua
en un grado Celsius. La kilocaloría equivale a mil calorías.
        Si analizamos la definición anterior: “… cantidad de energía necesaria
para elevar la temperatura…” podemos tomar dos palabras que están siempre
íntimamente relacionadas pero que conceptualmente tienen diferencias
significativas: el calor y la temperatura.
        Como mencionamos anteriormente, el calor es una forma de energía,
que normalmente se mide en calorías. La temperatura, generalmente la
medimos en grados Celsius o centígrados que no son unidades de energía.
Ésta es una de las diferencias entre ambos conceptos, ya que se miden en
unidades distintas.
        La temperatura es una medida del nivel térmico, significa una medida de
la velocidad de vibración de las moléculas.
        Por lo expuesto ambos términos se confunden:
CALOR es Energía, es la energía asociada al movimiento molecular.

      TEMPERATURA es una medida del movimiento de cada molécula.

        Para clarificar la diferenciación de conceptos analizaremos un ejemplo:
        Si calentamos a fuego medio en 2 frascos térmicos 2 cantidades
distintas de agua durante el mismo tiempo, el calor ganado por ambas masas
de agua será el mismo (la cantidad de gas combustionado en cada mechero
será la misma).
        Pero la temperatura alcanzada será mayor en el frasco que contiene
menor masa de agua. La misma posee menos cantidad de moléculas y cada
una de éstas recibirá al repartirse una mayor cantidad de energía para sus
movimientos de vibración y por lo tanto, dichos movimientos de vibración serán
mayores.

       Los efectos del calor
       Cuando se le suministra o se le quita calor a un cuerpo compuesto por
una determinada sustancia pueden varios efectos, los más importantes a
analizar son los siguientes:

          •   Que el cuerpo varíe su temperatura.
          •   Que cambie de estado de agregación.
          •   Que entre en combustión.

       Los dos primeros efectos son fenómenos físicos, es decir, no varía la
calidad de la materia. La combustión es un fenómeno químico en el que
existe una reacción, variando las sustancias intervinientes que se convierten en
otras sustancias.

      En este módulo sólo analizaremos los fenómenos físicos.

      Efectos de calentamiento y enfriamiento sin reacción química

      1- VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA.

        Siempre que se le ceda o se le quite calor a un cuerpo y el mismo no
experimente un cambio en su estado de agregación, habrá una variación de
temperatura.
        Sin embargo, la temperatura por sí misma no constituye más que la
medida del nivel térmico de un cuerpo. En que un cuerpo esté a la misma
temperatura que otro no significa que hayan recibido iguales cantidades de
calor. Esto se debe a que para elevar la temperatura de distintas masas de
sustancias iguales en igual cantidad de grados de temperatura, se precisan
cantidades distintas de calor. De la misma forma masas iguales de sustancias
distintas necesitan diferente cantidad de calor para elevar la misma
temperatura. También de los proceso de calentamiento que experimentamos a
diario, podemos decir que sólo masas iguales de la misma sustancia necesitan
el mismo agregado de calor para elevar la misma temperatura.
Por lo expresado anteriormente, concluimos que siempre que no cambie
el estado de agregación de la sustancia, la cantidad de calor ganada o cedida
por un cuerpo depende de:

          •   La masa del cuerpo.

          •   La sustancia por la que está compuesto el cuerpo.

          •   La diferencia de temperatura entre el estado anterior y posterior al
              calentamiento o enfriamiento.


      2- CAMBIO DE ESTADO DE AGREGACIÓN

        La temperatura y los cambios de fases: un ejercicio habitual de
laboratorio, consiste en dibujar un gráfico que relacione tiempo y temperatura
del agua al calentarla desde la temperatura de la habitación hasta su punto de
ebullición.
        Aunque los alumnos puedan observar enseguida que la temperatura del
líquido en ebullición permanece relativamente constante, con independencia de
la rapidez o el grado en que se caliente, esta observación parece anti – intuitiva
para muchos estudiantes, haciendo surgir con frecuencia comentarios como
“este termómetro no funciona”.
        Una investigación llevada a cabo con más de 400 alumnos suecos, puso
de manifiesto que la mayoría de los niños de edades comprendidas entre los
12 y 15 años predecían que la temperatura del agua hirviendo permanecería a
100º C en la medida en que la fuente de calor se mantuviera constante. Si
aumentase el calor proporcionado por la fuente de calor, el 65 % de los chicos
hipotetizaron que la temperatura del agua hirviendo aumentaría.
        Parece que los alumnos pueden aprender fácilmente el “hecho” de que
el agua tenga un punto de ebullición de 100º C y de que puede permanecer
invariable en determinadas condiciones, por ejemplo en relación con el tiempo,
no obstante, la mayoría no parece comprender claramente porqué la
temperatura permanece sin variaciones durante un cambio de fase. Da la
sensación de que esta comprensión exige alguna explicación de lo que ocurre
en el líquido, en el nivel molecular, para que tenga sentido la permanencia de la
temperatura.
        El fenómeno de ebullición se explica en la mayor parte de los libros de
texto en relación con la teoría cinético-molecular de la materia, pero muchos
estudiantes tienen dificultades para entender esta explicación.
Actividad 5

MATERIALES:

   •   1 vaso de precipitados.
   •   Termómetro.
   •   Trípode.
   •   Tela metálica.
   •   Mechero de Bunsen.
   •   Reloj.
   •   Agua.


PROCEDIMIENTO:

1-Calentar agua a presión constante y medir la temperatura a intervalos
regulares hasta llegar a los 100º C.
2- Registrar los datos.
3- Cuando la temperatura llegue a los 100º C, seguir midiendo la temperatura a
intervalos regulares por 10 minutos.


CONCLUSIÓN:

        En la primera etapa notaremos que la temperatura se eleva a una
proporción prácticamente constante con el tiempo. Es lógico debido a que la
energía suministrada es utilizada para aumentar el movimiento de vibración de
las moléculas (es decir, su temperatura aumenta)
        Sin embargo, cuando llega a la temperatura de 100º C, observamos que
por más que continuemos el calentamiento, la temperatura se mantiene
constante en dicho valor. Esto es consecuencia de que las moléculas de agua
alcanzaron su máxima velocidad de vibración en el estado líquido (en esta
caso) y el calor (energía) que se continúa suministrando lo utilizan para
acumular energía y cambiar de estado de agregación (en este caso, pasar a la
fase gaseosa). En otras palabras, el calor no se utiliza para elevar el
movimiento de las moléculas, sino para que éstas cambien de estado y por lo
tanto, la temperatura permanece constante.
        Al mantenerse la temperatura constante, el calor ganado o cedido por el
cuerpo que está cambiando de estado de agregación, ya no depende de la
variación de temperatura (debido a que no hay variación) y por lo tanto, la
cantidad de calor depende de:

   •   La masa del cuerpo.

   •   La sustancia por la que está compuesto el cuerpo.

   •   El cambio de estado de agregación.

      La dependencia de la masa es, por sentido común, muy lógica, como
ejemplo podemos citar que calentados por mecheros iguales, para vaporizar 1
Kg. de agua se le debe suministrar más calor que para vaporizar 100 g de
agua.
      En cuanto a dependencia de la sustancia y el tipo de cambio de estado
que se experimenta, aparece un nuevo concepto que es ”el calor latente o calor
de cambio de estado”, entre los más usados están:

   •   CALOR DE VAPORIZACIÓN: es la cantidad de energía necesaria para
       vaporizar (líquido-vapor) un gramo de sustancia.

   •   CALOR DE FUSIÓN: es la cantidad de energía necesaria para pasar del
       estado sólido a líquido, un gramo de sustancia.

   •   CALOR DE CONDENSACIÓN: es la cantidad de energía que debe
       quitarse a un gramo de sustancia para que pase del estado gaseoso al
       líquido.




CAMBIO DE ESTADO

       La utilización de ideas referidas a las partículas para describir los tres
estados de la materia ha sido investigada con 1000 alumnos escoceses de
edades comprendidas entre los 11 y 13 años. Se les pidió que dibujaran
diagramas en los que presentasen la forma, la disposición y distribución en el
espacio de los átomos o moléculas de un sólido, un líquido y un gas.
       En la siguiente figura (8.1), obtenida del libro “Ideas científicas en la
infancia y la adolescencia” de Rosalind Driver, muestra una selección de los
dibujos realizados por los estudiantes.
       Alrededor de la mitad representaron las partículas de los estados líquido
y gaseoso en un tamaño más pequeño que el correspondiente al estado sólido.
Las entrevistas mantenidas con los alumnos manifestaron que no se trató de
una simple cuestión de cambio de escala de los dibujos, sino que reflejaba el
punto de vista subyacente de que el diámetro molecular disminuye
progresivamente desde el estado sólido, al líquido y al gaseoso.
       También se estudió la distribución espacial de las partículas en los
dibujos, observando que la mayoría representó las partículas en estado sólido
de modo ordenado en comparación con la distribución desordenada que
aparece en el estado líquido y en el gaseoso.
       Aunque la mayor parte de los estudiantes indicó que las partículas que
se encuentran en cuerpos en estado líquido y gaseoso se mueven, alrededor
de un tercio, no señaló movimiento alguno en el estado sólido.
Presentamos dos redes conceptuales integradas de Biología, Física y
Química, permitiendo organizar de modo significativo (lógico) los conceptos
que deseamos trabajar con nuestros alumnos, como un recurso útil para la
planificación de la enseñanza. No poseen una estructuración jerárquica sino
que representan de manera esquemática los conceptos centrales y las
relaciones de significado, que a modo de principios o ideas básicas, lo vinculan
entre sí.




RED CONCEPTUAL Nº 1


                  tienen       MOLÉCULAS           pueden ser

      MOVIMIENTO                                           AGUA

Aumento por                                                     encontrada en
                                         pueden
       CALOR            determinan     cambiar             SERES VIVOS


                                                           VEGETALES
                                 ESTADOS


            SÓLIDO               LÍQUIDO          GASEOSO           ANIMALES
RED CONCEPTUAL Nº 2


                        son    SISTEMAS        de los
                               MATERIALES


SERES VIVOS      AMBIENTE


s       Interactúan entre sí     producidos             ENERGÍA
ó                                en
l
o

s                         CAMBIOS
e

        REACCIONES                 CAMBIOS              define la
d         QUÍMICAS                 DE ESTADO
a                                               es
n         son                            una forma
                                         de disipar

          FOTOSÍNTESIS
                               absorben
                               o producen
                                       CALOR            TEMPERATURA

          RESPIRACIÓN
                                          Produce variación de
BIBLIOGRAFÍA

  •   Bacas, L. Detección de las ideas del profesorado acerca de los
      conceptos calor y temperatura. Alambique (1997).
  •   Bañas, C., Mellado, V. y Ruiz, C. Las ideas alternativas del alumnado de
      primer ciclo de Educación Secundaria Obligatoria sobre la conservación
      de la energía, el calor. Campo Abierto: 24, 99-126 (2003).
  •   Cervantes, A. (1987). Los conceptos de calor y temperatura: una
      revisión bibliográfica. Enseñanza de las Ciencias
  •   Domínguez, J., Pro, A. y García-Rodeja, E. Las partículas de la materia
      y su utilización en el campo conceptual de calor y temperatura: un
      estudio transversal. (1998).
  •   Domínguez, J.M. (editor). Actividades para la enseñanza en el aula de
      ciencias. Fundamentos y planificación. Ediciones UNL, Santa Fe,
      Argentina (2007).
  •   Driver, Rosalind - Guesne, Edith – Tibierghen, Andreé. (1992). “Ideas
      científicas en la infancia y la adolescencia”. Madrid, Ediciones Morata,
      S.A.
  •   Giordan, A. La enseñanza de las ciencias. Siglo XXI, Madrid, España
      (1982)
  •   Pozo, J. Las ideas del alumnado sobre la ciencia: de dónde vienen, a
      donde van. y mientras tanto qué hacemos con ellas. Alambique. (1996).
  •   Pozo, J. y Gómez, M. Aprender y enseñar ciencia. Morata, Madrid,
      España (2001).
  •   Pozo, J., Sanz, A., Gómez, M. y Limón, M. Las ideas de los alumnos
      sobre la ciencia: Una interpretación desde la Psicología Cognitiva.
      Enseñanza de las Ciencias (1991).

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Curso docente fca mod 3

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  • 2. CALOR Y TEMPERATURA Actividad Nº 1 El enfoque metodológico del cambio conceptual plantea la necesidad de que los docentes conozcan las ideas previas de los alumnos y a su vez las empleen para favorecer la creación de conflictos cognitivos entre las ideas espontáneas y las científicas. Algunas preguntas sobre la aplicación de ideas previas de calor y temperatura pueden ser: ¿Qué es necesario para que exista calor?: a) Un solo cuerpo b) Por lo menos dos cuerpos a diferentes temperaturas c) Un solo cuerpo que tiene que estar "caliente d) Ninguna de las proposiciones anteriores. Un alumno entra al laboratorio de ciencias que está a una temperatura ambiental de 25 0C donde se encuentra una mesa de hierro y otra de madera. Inmediatamente enciende el aire acondicionado .Pasada dos horas la temperatura ambiental está a 20 0C. La temperatura de la mesa de hierro será: a) Menor que en la mesa de madera b) mayor que en la mesa de madera c) Igual que en la mesa de madera d) ninguna De las proposiciones anteriores ¿Donde está presente el calor? : a) En cualquier cuerpo, ya que todo cuerpo posee calor b) Solamente en aquellos cuerpos que están calientes c) En cuerpos de diferente temperatura pero en contacto d) Todas las proposiciones anteriores. Un profesor en el laboratorio de Química hace la siguiente demostración: Muestra dos vasos precipitados de igual forma y tamaño. El vaso A tiene el doble volumen de agua que el vaso de precipitado B. Luego, somete a calentamiento las masas de agua hasta el punto de ebullición. Por lo tanto, la temperatura del agua en el envase A será: a) Mayor que la temperatura del agua del vaso B b) Igual que la temperatura del agua del vaso precipitado B c) Menor que la temperatura del agua del vaso precipitado Varios objetos de metal y de madera son colocados en el interior de un congelador que se encuentra a una temperatura de - 10 0C. Después de 24 horas se puede deducir que la temperatura de los objetos de madera es: a) Mayor que la temperatura de los objetos de metal b) Menor que la temperatura de los objetos de metal c) Igual que la temperatura de los objetos de metal. Para que se pueda admitir la existencia de calor en un cuerpo debe haber: a) una diferencia de temperatura
  • 3. b) una diferencia de masa c) una diferencia de energía d) todas las proposiciones anteriores Calor es: a) energía cinética de las moléculas b) Energía transmitida solo por medio de una diferencia de temperaturas c) La energía contenida en un cuerpo. Dos esferas del mismo material pero cuyas masas son diferentes quedan durante mucho tiempo en un horno. Al retirarlas del horno, son inmediatamente puestas en contacto. En esa situación: a) Fluye calor de la esfera de mayor masa hacia la menor masa b) Fluye calor de la esfera de menor masa hacia la mayor masa c) Ninguna de las dos esferas cede calor a la otra. Las mismas esferas de la pregunta anterior son ahora dejadas durante mucho tiempo en un congelador. En esa situación, al retirarlas e inmediatamente ponerlas en contacto: a) ninguna de las esferas posee calor debido a su baja temperatura b) fluye calor de la esfera de mayor masa hacia la de menor masa c) ninguna de las esferas puede ceder calor a la otra. Sería importante que ustedes como docentes o futuros docentes, también indaguen sus saberes previos acerca del tema antes de desarrollarlo, por lo tanto, los invitamos a que resuelvan los posibles interrogantes propuestos anteriormente para conocer sus ideas y poder así lograr el cambio conceptual. ¿Por qué los niños parecen tener tantas dificultades para captar algunos aspectos de la concepción científica del calor y de la temperatura? Esto se debe a que hay muchos aspectos de los fenómenos de calor y temperatura que son contra – intuitivos. Por ejemplo, los alumnos se sorprenden a menudo de que un termómetro marque una temperatura semejante en relación con todos los objetos de una habitación aunque ellos sientan que está mucho más fría una bandeja de metal que una fuente de plástico; o se admiran que un cubito de hielo envuelto en lana o en papel de diario “dure más” que otro colocado en papel de aluminio. Antes de analizar las ideas previas de los niños, es importante reconocer la confusión que presenta el uso de la palabra “calor”. Generalmente el término calor y sus derivados literales y metafóricos son utilizados como nombres, verbos, adjetivos y adverbios. Su empleo como nombre o sustantivo provoca la mayor parte de la confusión conceptual desde el punto de vista científico y, más específicamente, desde la perspectiva energética. Por ejemplo, oímos expresiones cotidianas
  • 4. como “cierra la ventana y conserva el calor” o “cierra la ventana para que no entre frío” “ya llegó el frío”, “los rayos del sol están calientes”. También se puede oír decir en clase, “que un objeto gana o pierde calor” cuando llega al equilibrio térmico con cualquier otra sustancia, o que “el calor viaja a través de una barra metálica” cuando ésta se calienta con una llama por un extremo. ¿Por qué parece tan natural describir el calor como un tipo de sustancia material que puede causar cambios predecibles en otros objetos, como el incremento de temperatura o de volumen? Algunos piensan que puede ser una reminiscencia lingüística de la teoría del calórico de los siglos XVIII y XIX, según la cuál el calor se conceptuaba como un fluido sutil y sin peso, capaz de penetrar todos los cuerpos materiales. Otros afirman que hay una tendencia natural a describir nuestro mundo de sentido común en términos metafóricos en los que las relaciones de causa a efecto se consideran como interacciones entre tipos de materia. Independientemente del origen de este uso, parece que la predisposición a pensar en el calor como en algo sustancial, puede constituir unas de las barreras conceptuales más importantes que los niños deben superar para iniciarse en el pensamiento científico. A este respecto, es útil revisar brevemente los conceptos de temperatura, energía y calor, desde el punto de vista científico, para luego describir los estudios del pensamiento infantil sobre estas ideas. TEMPERATURA ENERGÍA CALOR Es una propiedad La energía de un Es un parámetro que macroscópica que sistema correspondiente describe las expresa el estado de al estado de agitación interacciones entre los agitación o movimiento de las partículas que lo sistemas; de manera desordenado de las forman, hace referencia más precisa es un partículas; por lo tanto, a una forma de energía proceso de transferencia está relacionada con la interna de ese sistema, de energía. La diferencia energía cinética de las denominada a veces de temperaturas entre partículas. energía térmica. dos sistemas determina la transferencia de calor. Por ejemplo, cuando una llama de gas calienta una masa de agua, hay una diferencia de temperatura entre la llama (temperatura de combustión) y el agua. Así el calor se transfiere de un sistema (gas y aire) al otro (agua)
  • 5. Es importante percatarse que la transferencia de calor es sólo un modo de alterar la energía interna de un sistema. Por ejemplo, una masa de agua puede variar su temperatura y energía interna, tanto al ser calentada (transferencia de calor) como al ser agitada por un molinillo (en el que está implicado el trabajo -experimento de Joule-) para no inducir a la confusión entre la energía que tiene un sistema (energía interna) y la forma de transferencia de energía entre sistemas (el calor). También suele darse una confusión, debido a la diferencia de temperatura, en relación con el uso de la expresión energía térmica en la enseñanza. A veces se refiere a la cantidad de energía transferida entre sistemas, por ej. En forma de calor, más que, a la energía de agitación de partículas. Como gran parte de nuestra experiencia diaria implica alguna forma de transferencia de energía entre los objetos que están a diferentes temperaturas, el concepto físico del calor, desempeña un papel indispensable para interpretarlas. Por ejemplo como la temperatura del cuerpo es más elevada que la normal de una habitación, en el momento en que toquemos un objeto que esté a temperatura ambiente o más baja, la energía se transfiere desde nuestra mano al objeto. Del mismo modo, cuando encendemos un calefactor para elevar la temperatura de un ambiente, se produce una transferencia de energía. En estos contextos, nuestro lenguaje convencional tiende a sugerir que estos objetos contienen calor, mientras que desde la perspectiva física tienen el potencial (a causa de la diferencia de temperatura) para transferir energía a otro objeto que esté a temperatura más baja. REVISIÓN DE LAS IDEAS PREVIAS DE LOS ALUMNOS USO DEL TÉRMINO “CALOR” Los términos calor y caliente normalmente forman parte del vocabulario de los niños desde los 2 o 3 años en adelante, donde los usan para describir algunos aspectos de los muchos encuentros con objetos calientes. Si bien, la adquisición evolutiva de la noción de calor revela que aún a los 2 años desarrollan una noción de cuerpo caliente, que es capaz de producir sensaciones de calor en uno mismo, pero no disocian estos objetos calientes de las sensaciones producidas en ellos mismos, ni distinguen las fuentes de calor y ni el objeto afectado por la fuente; recién a los 5 o 6 años son conscientes del movimiento que se produce desde la fuente al objeto. No obstante, éstos son los primeros principios de la noción de transferencia de calor y del reconocimiento de la cualidad del calor como propiedad de los objetos que pueden ser alterados. A partir de los 8 o 9 años empiezan a hablar sobre el “calor” en relación con el estado de calidez de un cuerpo dentro de un continuo que va desde el frío al calor, pasando por un estado de tibieza. Es decir, que han construido, a partir de diversas interacciones con sus ambientes físicos y lingüísticos, un conjunto de creencias coherentes acerca de la naturaleza y de la conducta de los objetos calientes y fríos de su entorno inmediato. Generalmente, cuando se les pregunta a los niños de edades comprendidas entre los 8 y los 12 años ¿Qué es el calor?, tienden a asociarlo
  • 6. con los seres vivos, con las fuentes de calor, con el grado de calor de un objeto, como los cambios de fase, expansión, etc. Cuando se le pidió a Juan Martín, de 8 años, que diera un ej. de calor, y luego a Antonia de 9 años, de dónde proviene el calor externo, respondieron respectivamente: Juan M - El calor se levanta, el sol lo tiene, Creo que lo tiene, lo tiene el sol… el calor levanta el gas y está caliente y el sol lo quema y brilla y vuelve hacia abajo y calienta la tierra. Antonia – No lo sé, el sol brilla (eleva sus manos), mira, y así (mueve sus manos) pasa del sol al aire. Asimismo, cuando se le preguntó a Pedro de 12 años qué significa para ella el calor, dijo: - El calor hace que todo se funda: plomo, oro, hierro, aluminio, zinc, también, creo. En un estudio realizado con un grupo de adolescentes entre 11 y 16 años, se les pidió que formaran frases en las que apareciese el calor, algunos de los más grandes describieron el calor en relación con la energía, pero la mayoría de los más jóvenes y un tercio de los mayores equipararon la idea de calor a la cualidad de caliente de un cuerpo o sustancia, o lo describieron como procediendo de una fuente de calor. Algunas de las respuestas fueron: - El calor es energía, cuando algo se calienta, se transfiere energía calorífica a lo que se está calentando. - El calor es aire caliente - El calor es calentar un fluido o sólido - Cuando lo tocas, lo sientes caliente, si algo le ha suministrado calor. - Si calentamos un trozo de hierro por un extremo, el calor se instala en una parte hasta que no aguanta más y se mueve entonces hacia todo el metal Bacas (1997) publicó los resultados de estudios sobre preconceptos de calor y temperatura concluyendo que el uso incorrecto de la palabra calor en la vida cotidiana y las confusiones entre los conceptos calor y temperatura es lo que propicia en los estudiantes la formación de preconcepciones cuyo significados son diferentes a la los científicos. Asimismo, Domínguez (1998) presentan una compilación de investigaciones de ideas previas sobre calor y temperatura con estudiantes de 12 a 23 años, que determinó un número alto de concepciones previas erradas tales como “el cuerpo tiene Calor” y “temperatura es calor”. Concluye que persiste la influencia del lenguaje cotidiano en la utilización y verbalización de gran parte de las ideas referidas al calor y temperatura.
  • 7. Conceptos Ideas Alternativas Calor Algo material, contenido en el cuerpo (sistema); cuanto más calor tiene el cuerpo más caliente estará. En los cuerpos el calor puede pasar de unas partes a otras o de unos cuerpos a otros. Calor / Frío Son dos fluidos materiales y opuestos. La sensación calor/frío es consecuencia de la transferencia del calor/frío al cuerpo. Calentar / Ganancia o pérdida de ese ente material llamado calor Enfriar Caliente / Son propiedades características de los cuerpos. Por ejemplo, Frío los metales son fríos por naturaleza. Temperatura Temperatura = calor. Temperatura y calor son sinónimos y aquélla, en todo caso, mide la cantidad de calor que tiene el sistema. La temperatura depende de la masa o del volumen. Dilatación Paso de calor al interior del cuerpo haciéndolo más grande y, como consecuencia, más pesado. Bañas, (2003) realizó un diagnóstico y análisis en estudiantes universitarios sobre las concepciones calor y temperatura. Entre las principales ideas encontraron que los estudiantes no consideran constante la temperatura durante los cambios de estados, que la temperatura aumenta proporcionalmente con la masa, y la mayoría tienen la idea que el calor es una forma de energía y no interpretan el concepto como un proceso de transferencia de energía. Lo consideran como una propiedad de los cuerpos y no un mecanismo. Se otorga a la temperatura una propiedad extensiva y un pequeño porcentaje tiende a confundir calor con temperatura. Estos resultados concuerdan con lo reportado en la literatura con la presencia de las ideas previas. Los investigadores coinciden en la existencia de las ideas previas que tienen todos los individuos, pero no hay acuerdo sobre el origen de las mismas. Entre las causas de las ideas previas, (Pozo,1996) señala las experiencias y observaciones de la vida cotidiana, el profesorado, los libros de texto y otros materiales escolares, la interferencia del lenguaje cotidiano y el científico, los medios de comunicación, y la cultura propia de cada civilización. Por otra parte, (2004) afirman que el origen de las preconcepciones está en: (a) la enseñanza dentro y fuera de la escuela; (b) las experiencias diarias cotidianas, (c) el medio social y (d) la intuición. En cambio, Pozo (1991) clasifican las preconcepciones o ideas previas de acuerdo con un origen sensorial, cultural y escolar. El sensorial origina las concepciones espontáneas como consecuencia del intento de dar significado a las actividades cotidianas y serían motivadas por los procesos sensoriales y perceptivos. Ante toda situación nueva o
  • 8. problemática se inicia la búsqueda de información que permita predecir y controlar ese suceso; esa búsqueda de información no es sistemática y rigurosa sino que se realiza de forma simplificada y cómoda. COMPRENSIÓN DEL CONCEPTO DE TEMPERATURA Como el término calor, temperatura es una palabra que reconocen los niños muy pequeños (5 años), dado que se la encuentra frecuentemente al hablar del tiempo y en las actividades culinarias. Pero a diferencia del calor, no suelen emplear espontáneamente el término en sus conversaciones, sino que tienden a hacer observaciones sobre la relativa “calidez” de los objetos desde un punto de vista cualitativo más que cuantitativo. Los niños entre los 8 y 9 años de edad han desarrollado una noción de temperatura relacionada con niveles o grados de calor expresados mediante una escala como la utilizada para informar sobre la temperatura del aire. Si bien, a partir de los 9 años pueden utilizar y leer un termómetro, tienden a hacer juicios sobre la temperatura de un objeto basándose más sobre la naturaleza del material que en la temperatura del medio ambiente que lo rodea. Algunos piensan que los objetos de materiales distintos en la misma habitación están a temperaturas diferentes (los objetos de metal están más fríos que los de madera). Por ejemplo, a Santiago se le preguntó si una cacerola llena de agua, dejada durante un buen rato en una habitación estaría más fría, más caliente o a la misma temperatura que el agua que contuviera, respondió: “la cacerola estará más fría que el agua… depende de lo que esté hecha la cacerola”. Por lo tanto, parece, que hasta los 12 o 13 años, los alumnos conocen el término “temperatura” y son capaces de utilizar el termómetro para comprobar la de los objetos, pero en la práctica tienen un concepto bastante limitado del término y raramente lo emplean de forma espontánea para describir la condición del objeto. COMPRENSIÓN DE LOS ALUMNOS DE LA NOCIÓN DE CAMBIOS DE TEMPERATURA. La temperatura como propiedad intensiva: la temperatura de un objeto está relacionada con su tamaño, ya que más del 50% de los niños entrevistados creen que “un cubo de hielo más grande tendría una temperatura más baja que un cubito pequeño”, y por lo tanto, el cubo más grande tardaría más en fundirse. Estas predicciones surgen con bastante lógica de otra creencia aparente de los alumnos acerca de que la temperatura es simplemente la medida de la cantidad de calor (o, en algunos casos, de frío) que posee un objeto. Es razonable concluir, que los objetos más grandes contengan más calor (frío) y, consiguientemente, tengan una temperatura más caliente (más fría)
  • 9. Actividad 2 SITUACIONES PROBLEMÁTICAS Plantear la siguiente situación antes y después de la enseñanza del tema: En el recipiente de Pedro hay poco agua y en el de Santiago hay mucha. Los dos calentadores tienen igual llama y los dos termómetros son iguales. 1- Cuando hierve el agua en cada recipiente, la temperatura que lee Pedro es: (a) más elevada que la leída por Santiago; (b) igual que la leída por Santiago; (c) más baja que la leída por Santiago; (d) no lo sé. 2- ¿Qué temperatura lee Pedro? 3- ¿Qué temperatura lee Santiago? Actividad Nº 3 SITUACIONES PROBLEMÁTICAS a- En forma cualitativa: 1- Indicar la temperatura final de una mezcla de dos cantidades iguales de agua a la misma temperatura. 2- Señalar la temperatura final de una mezcla de cantidades diferentes a distintas temperaturas:
  • 10. b- En forma cuantitativa: 1- Indicar la temperatura final de una mezcla de dos cantidades iguales de agua a la misma temperatura: 2- Señalar la temperatura final de una mezcla de cantidades iguales a distintas temperaturas: En estas actividades se demuestran, que las tareas cualitativas son más fáciles que las cuantitativas y la mezcla de agua a temperaturas diferentes es más difícil que la de agua a la misma temperatura. Podrán categorizar las respuestas de sus alumnos según las estrategias utilizadas para resolver la última situación. Se descubrió que, mientras los niños más pequeños (entre 8 y 9 años) preferían una estrategia de adicción, los mayores (entre 10 y 13 años) tendían a optar por una estrategia de sustracción – estrategia que al menos reconoce que la temperatura final debe estar entre las temperaturas iniciales.
  • 11. Actividad Nº 4: ¡AHORA, AL LABORATORIO! Experiencia extraída del libro de texto Ciencias Naturales 1 (para 7º grado). Editorial SM, 2011. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA MATERIALES: • 6 vasos de precipitados. • Termómetro. • Trípode. • Tela metálica. • Mechero de Bunsen. • Reloj. • Agua. PROCEDIMIENTO: 4- Colocar en 2 vasos igual cantidad de agua. Medir y anotar la temperatura. 5- Encender y regular el mechero. Calentar uno de los recipientes durante 1 minuto. Luego calentar el segundo durante 6 minutos. Registrar la temperatura en ambos casos. a) ¿Cuál de los sistemas tiene mayor temperatura?
  • 12. b) Si el calor es energía térmica en “tránsito”, ambos vasos ¿recibieron igual cantidad de calor? ¿Alguno de los 2 vasos tiene más energía térmica? 6- Poner en un vaso de precipitados 150 ml de agua y en otro 300 ml de agua. Medir la temperatura inicial de cada sistema. 7- Calentar por separado cada vaso y medir el tiempo que tardan en alcanzar la misma temperatura, por ejemplo 80º C. a) Ambos vasos, ¿recibieron igual cantidad de calor? b) ¿Alguno de ellos tiene más energía térmica? 8- Repetir el paso nº 4 pero en este caso, calentar los vasos durante el mismo tiempo. a) ¿Cuál de los sistemas tiene mayor temperatura? b) Si el calor es energía térmica en “tránsito”, ¿ambos sistemas recibieron igual cantidad de calor? c) ¿Cuál posee mayor energía térmica? PARA DISIPAR DUDAS… Como expusimos al comienzo de este módulo, el calor es una forma en que se manifiesta la energía, se utiliza dicho término para referirse a la energía térmica, que es la energía asociada al movimiento molecular. Este punto debe quedar bien en claro antes de comenzar a desarrollar el tema: el calor es una forma de energía. En alguna literatura puede encontrarse al calor como Energía en Tránsito, es decir, que toman al calor como la energía que fluye de un cuerpo a otro. En estos casos también aparecerá el concepto de energía interna, como la cantidad de calor que posee un cuerpo. Para los fines de este módulo tomamos al término calor abarcando ambos conceptos, tanto desde el punto de vista de su transmisión (su flujo) como del contenido por un cuerpo sin referirnos al término de energía interna. El calor se mide en caloría y kilocaloría. La caloría se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. La kilocaloría equivale a mil calorías. Si analizamos la definición anterior: “… cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura…” podemos tomar dos palabras que están siempre íntimamente relacionadas pero que conceptualmente tienen diferencias significativas: el calor y la temperatura. Como mencionamos anteriormente, el calor es una forma de energía, que normalmente se mide en calorías. La temperatura, generalmente la medimos en grados Celsius o centígrados que no son unidades de energía. Ésta es una de las diferencias entre ambos conceptos, ya que se miden en unidades distintas. La temperatura es una medida del nivel térmico, significa una medida de la velocidad de vibración de las moléculas. Por lo expuesto ambos términos se confunden:
  • 13. CALOR es Energía, es la energía asociada al movimiento molecular. TEMPERATURA es una medida del movimiento de cada molécula. Para clarificar la diferenciación de conceptos analizaremos un ejemplo: Si calentamos a fuego medio en 2 frascos térmicos 2 cantidades distintas de agua durante el mismo tiempo, el calor ganado por ambas masas de agua será el mismo (la cantidad de gas combustionado en cada mechero será la misma). Pero la temperatura alcanzada será mayor en el frasco que contiene menor masa de agua. La misma posee menos cantidad de moléculas y cada una de éstas recibirá al repartirse una mayor cantidad de energía para sus movimientos de vibración y por lo tanto, dichos movimientos de vibración serán mayores. Los efectos del calor Cuando se le suministra o se le quita calor a un cuerpo compuesto por una determinada sustancia pueden varios efectos, los más importantes a analizar son los siguientes: • Que el cuerpo varíe su temperatura. • Que cambie de estado de agregación. • Que entre en combustión. Los dos primeros efectos son fenómenos físicos, es decir, no varía la calidad de la materia. La combustión es un fenómeno químico en el que existe una reacción, variando las sustancias intervinientes que se convierten en otras sustancias. En este módulo sólo analizaremos los fenómenos físicos. Efectos de calentamiento y enfriamiento sin reacción química 1- VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA. Siempre que se le ceda o se le quite calor a un cuerpo y el mismo no experimente un cambio en su estado de agregación, habrá una variación de temperatura. Sin embargo, la temperatura por sí misma no constituye más que la medida del nivel térmico de un cuerpo. En que un cuerpo esté a la misma temperatura que otro no significa que hayan recibido iguales cantidades de calor. Esto se debe a que para elevar la temperatura de distintas masas de sustancias iguales en igual cantidad de grados de temperatura, se precisan cantidades distintas de calor. De la misma forma masas iguales de sustancias distintas necesitan diferente cantidad de calor para elevar la misma temperatura. También de los proceso de calentamiento que experimentamos a diario, podemos decir que sólo masas iguales de la misma sustancia necesitan el mismo agregado de calor para elevar la misma temperatura.
  • 14. Por lo expresado anteriormente, concluimos que siempre que no cambie el estado de agregación de la sustancia, la cantidad de calor ganada o cedida por un cuerpo depende de: • La masa del cuerpo. • La sustancia por la que está compuesto el cuerpo. • La diferencia de temperatura entre el estado anterior y posterior al calentamiento o enfriamiento. 2- CAMBIO DE ESTADO DE AGREGACIÓN La temperatura y los cambios de fases: un ejercicio habitual de laboratorio, consiste en dibujar un gráfico que relacione tiempo y temperatura del agua al calentarla desde la temperatura de la habitación hasta su punto de ebullición. Aunque los alumnos puedan observar enseguida que la temperatura del líquido en ebullición permanece relativamente constante, con independencia de la rapidez o el grado en que se caliente, esta observación parece anti – intuitiva para muchos estudiantes, haciendo surgir con frecuencia comentarios como “este termómetro no funciona”. Una investigación llevada a cabo con más de 400 alumnos suecos, puso de manifiesto que la mayoría de los niños de edades comprendidas entre los 12 y 15 años predecían que la temperatura del agua hirviendo permanecería a 100º C en la medida en que la fuente de calor se mantuviera constante. Si aumentase el calor proporcionado por la fuente de calor, el 65 % de los chicos hipotetizaron que la temperatura del agua hirviendo aumentaría. Parece que los alumnos pueden aprender fácilmente el “hecho” de que el agua tenga un punto de ebullición de 100º C y de que puede permanecer invariable en determinadas condiciones, por ejemplo en relación con el tiempo, no obstante, la mayoría no parece comprender claramente porqué la temperatura permanece sin variaciones durante un cambio de fase. Da la sensación de que esta comprensión exige alguna explicación de lo que ocurre en el líquido, en el nivel molecular, para que tenga sentido la permanencia de la temperatura. El fenómeno de ebullición se explica en la mayor parte de los libros de texto en relación con la teoría cinético-molecular de la materia, pero muchos estudiantes tienen dificultades para entender esta explicación.
  • 15. Actividad 5 MATERIALES: • 1 vaso de precipitados. • Termómetro. • Trípode. • Tela metálica. • Mechero de Bunsen. • Reloj. • Agua. PROCEDIMIENTO: 1-Calentar agua a presión constante y medir la temperatura a intervalos regulares hasta llegar a los 100º C. 2- Registrar los datos. 3- Cuando la temperatura llegue a los 100º C, seguir midiendo la temperatura a intervalos regulares por 10 minutos. CONCLUSIÓN: En la primera etapa notaremos que la temperatura se eleva a una proporción prácticamente constante con el tiempo. Es lógico debido a que la energía suministrada es utilizada para aumentar el movimiento de vibración de las moléculas (es decir, su temperatura aumenta) Sin embargo, cuando llega a la temperatura de 100º C, observamos que por más que continuemos el calentamiento, la temperatura se mantiene constante en dicho valor. Esto es consecuencia de que las moléculas de agua alcanzaron su máxima velocidad de vibración en el estado líquido (en esta caso) y el calor (energía) que se continúa suministrando lo utilizan para acumular energía y cambiar de estado de agregación (en este caso, pasar a la fase gaseosa). En otras palabras, el calor no se utiliza para elevar el movimiento de las moléculas, sino para que éstas cambien de estado y por lo tanto, la temperatura permanece constante. Al mantenerse la temperatura constante, el calor ganado o cedido por el cuerpo que está cambiando de estado de agregación, ya no depende de la variación de temperatura (debido a que no hay variación) y por lo tanto, la cantidad de calor depende de: • La masa del cuerpo. • La sustancia por la que está compuesto el cuerpo. • El cambio de estado de agregación. La dependencia de la masa es, por sentido común, muy lógica, como ejemplo podemos citar que calentados por mecheros iguales, para vaporizar 1
  • 16. Kg. de agua se le debe suministrar más calor que para vaporizar 100 g de agua. En cuanto a dependencia de la sustancia y el tipo de cambio de estado que se experimenta, aparece un nuevo concepto que es ”el calor latente o calor de cambio de estado”, entre los más usados están: • CALOR DE VAPORIZACIÓN: es la cantidad de energía necesaria para vaporizar (líquido-vapor) un gramo de sustancia. • CALOR DE FUSIÓN: es la cantidad de energía necesaria para pasar del estado sólido a líquido, un gramo de sustancia. • CALOR DE CONDENSACIÓN: es la cantidad de energía que debe quitarse a un gramo de sustancia para que pase del estado gaseoso al líquido. CAMBIO DE ESTADO La utilización de ideas referidas a las partículas para describir los tres estados de la materia ha sido investigada con 1000 alumnos escoceses de edades comprendidas entre los 11 y 13 años. Se les pidió que dibujaran diagramas en los que presentasen la forma, la disposición y distribución en el espacio de los átomos o moléculas de un sólido, un líquido y un gas. En la siguiente figura (8.1), obtenida del libro “Ideas científicas en la infancia y la adolescencia” de Rosalind Driver, muestra una selección de los dibujos realizados por los estudiantes. Alrededor de la mitad representaron las partículas de los estados líquido y gaseoso en un tamaño más pequeño que el correspondiente al estado sólido. Las entrevistas mantenidas con los alumnos manifestaron que no se trató de una simple cuestión de cambio de escala de los dibujos, sino que reflejaba el punto de vista subyacente de que el diámetro molecular disminuye progresivamente desde el estado sólido, al líquido y al gaseoso. También se estudió la distribución espacial de las partículas en los dibujos, observando que la mayoría representó las partículas en estado sólido de modo ordenado en comparación con la distribución desordenada que aparece en el estado líquido y en el gaseoso. Aunque la mayor parte de los estudiantes indicó que las partículas que se encuentran en cuerpos en estado líquido y gaseoso se mueven, alrededor de un tercio, no señaló movimiento alguno en el estado sólido.
  • 17.
  • 18. Presentamos dos redes conceptuales integradas de Biología, Física y Química, permitiendo organizar de modo significativo (lógico) los conceptos que deseamos trabajar con nuestros alumnos, como un recurso útil para la planificación de la enseñanza. No poseen una estructuración jerárquica sino que representan de manera esquemática los conceptos centrales y las relaciones de significado, que a modo de principios o ideas básicas, lo vinculan entre sí. RED CONCEPTUAL Nº 1 tienen MOLÉCULAS pueden ser MOVIMIENTO AGUA Aumento por encontrada en pueden CALOR determinan cambiar SERES VIVOS VEGETALES ESTADOS SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO ANIMALES
  • 19. RED CONCEPTUAL Nº 2 son SISTEMAS de los MATERIALES SERES VIVOS AMBIENTE s Interactúan entre sí producidos ENERGÍA ó en l o s CAMBIOS e REACCIONES CAMBIOS define la d QUÍMICAS DE ESTADO a es n son una forma de disipar FOTOSÍNTESIS absorben o producen CALOR TEMPERATURA RESPIRACIÓN Produce variación de
  • 20. BIBLIOGRAFÍA • Bacas, L. Detección de las ideas del profesorado acerca de los conceptos calor y temperatura. Alambique (1997). • Bañas, C., Mellado, V. y Ruiz, C. Las ideas alternativas del alumnado de primer ciclo de Educación Secundaria Obligatoria sobre la conservación de la energía, el calor. Campo Abierto: 24, 99-126 (2003). • Cervantes, A. (1987). Los conceptos de calor y temperatura: una revisión bibliográfica. Enseñanza de las Ciencias • Domínguez, J., Pro, A. y García-Rodeja, E. Las partículas de la materia y su utilización en el campo conceptual de calor y temperatura: un estudio transversal. (1998). • Domínguez, J.M. (editor). Actividades para la enseñanza en el aula de ciencias. Fundamentos y planificación. Ediciones UNL, Santa Fe, Argentina (2007). • Driver, Rosalind - Guesne, Edith – Tibierghen, Andreé. (1992). “Ideas científicas en la infancia y la adolescencia”. Madrid, Ediciones Morata, S.A. • Giordan, A. La enseñanza de las ciencias. Siglo XXI, Madrid, España (1982) • Pozo, J. Las ideas del alumnado sobre la ciencia: de dónde vienen, a donde van. y mientras tanto qué hacemos con ellas. Alambique. (1996). • Pozo, J. y Gómez, M. Aprender y enseñar ciencia. Morata, Madrid, España (2001). • Pozo, J., Sanz, A., Gómez, M. y Limón, M. Las ideas de los alumnos sobre la ciencia: Una interpretación desde la Psicología Cognitiva. Enseñanza de las Ciencias (1991).