Source: https://es.scribd.com/doc/104400559/Formas-de-transmision-del-calor
Timestamp: 2016-09-25 03:46:11+00:00

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Se propone una secuencia de enseñanza que ayude a los alumnos a buscar soluciones a problemas en Física utilizando conceptos presentados en forma metódica. Se distingue una fase de construcción significativa de los conceptos, y un momento posterior de resolución de situaciones problemáticas cualitativas y experimentales donde se utilizan los conceptos, más una fase de integración de las actividades. Para la estructuración de una secuencia de enseñanza, es posible distinguir tres tipos de problemas útiles para la enseñanza de la Física: Problemas cuantitativos. Las leyes físicas se establecen mediante modelos cuantitativos que exponen los vínculos posibles entre las variables que intervienen en el fenómeno estudiado. Estas relaciones cuantitativas se resumen a esquemas de correlatividad, probabilidad y, fundamentalmente, proporcionalidad. En los problemas cuantitativos se suele requerir el uso de estas relaciones para hallar el valor de una variable y se procura que el alumno adquiera estrategias dirigidas principalmente a cálculos matemáticos, utilización de fórmulas y comprensión de datos. Se pretende que el alumno realice algún tipo de operación calculista y/o desarrolle procedimientos de tipo algebraico. En ocasiones, tanto en su planteo como en su solución, el problema muestra tal enlace entre el argumento teórico y la cuestión matemática, que la segunda puede empañar la comprensión del tema científico tratado. Ejemplo Dos kilogramos de hielo se encuentran a una temperatura de T = -6,5 º C. ¿Qué cantidad de calor se necesita para transformarlos en vapor de agua a 147º C? Problemas cualitativos o conceptuales1: Son problemas abiertos en los que se debe predecir o explicar un hecho, analizar situaciones cotidianas y científicas e
Aunque ante este tipo de problemas se pretende que el alumno lo resuelva por medio de razonamientos teóricos basados en su pericia en la disciplina y sin necesidad de recurrir a cálculos numéricos o
interpretarlas a partir de los conocimientos personales y/o del marco conceptual que propone la ciencia. Estos problemas demandan que el alumno aplique nociones, modelos y teorías estudiadas en clase para describir y explicar un fenómeno físico. Aunque la resolución de problemas conceptuales no involucra operaciones matemáticas, su solución requiere igualmente de un proceso de pensamiento riguroso. Por otra parte, en la solución final de un problema conceptual de Física el alumno debería reconocer que existen cálculos que pueden dar valores específicos a las variables que ha empleado en sus argumentos, aunque no los lleve a cabo o ni siquiera conozca cuáles son los procedimientos que pueden conducirlo a ello. Esto es, en la solución final de un problema conceptual de física, se encierra siempre la posibilidad de una medida cuantitativa, se lleve ésta a cabo o no. Ver por ejemplo, el problema 7-b: Ver por ejemplo, el problema 7-b: ¿Por qué una nave espacial aumenta su temperatura al acercarse al Sol, mientras que en el espacio la temperatura es tan baja? Problemas experimentales: En estos problemas se parte de cuestiones que, para resolverse, necesitan la realización de un trabajo experimental. Los problemas experimentales potencian procedimientos de trabajo como las estrategias generales de búsqueda de información, registro y análisis de datos, emisión de hipótesis, elaboración de inferencias y control de variables. Además, implica que los alumnos organicen la información obtenida, por ejemplo, mediante tablas, gráficos e informes (orales y escritos). No se considera problema una situación en que el alumno está limitado a seguir sólo un conjunto de instrucciones que permitan ilustrar un principio o una ley, o bien cuando se reproducen experimentos tradicionales; en tal caso la tarea se convierte en una demostración. Incluir verdaderos problemas experimentales en el diseño de las clases de física significa que los alumnos relacionen conceptos teóricos y aplicaciones prácticas, y ayudarlos a concebir la transferencia de los conocimientos que adquieren en la escuela a situaciones cotidianas.
En la secuencia didáctica que presentamos damos ejemplos de algunos problemas conceptuales y experimentales antes mencionados, apuntando al desarrollo de la capacidad de resolverlos para llegar a la conceptualización de las distintas formas de transmisión del calor. En la segunda parte de esta secuencia (fase transversal), se aplicarán los conceptos trabajados en las fases anteriores a la resolución de problemas “conceptuales” de la vida cotidiana. Una de las ideas básicas de la termodinámica escolar es que la transferencia espontánea del calor se produce, siempre, de un cuerpo de mayor temperatura a otro de temperatura menor que el primero. De ella se deriva, por ejemplo, otra idea
manipulaciones experimentales, quizás la denominación de “cualitativos” no resulte la mejor para indicar aquellos problemas de física que no son cuantitativos, dado que esta ciencia, entre otras características, no examina cualidades o atributos. Se propone denominar entonces, a los no-cuantitativos, problemas conceptuales.
básica: la de equilibrio térmico, que puede concebirse considerando que, al reunir cuerpos con diferentes temperaturas, pasado cierto tiempo los que estaban relativamente más calientes (a mayores temperaturas relativas) se enfriarán (es decir, disminuirán sus temperaturas) y los más fríos se calentarán (en términos térmicos, viceversa), hasta que todos alcancen la misma temperatura. Entre otras, estas ideas pueden instalarse mediante la enseñanza de los procesos de transmisión del calor, es decir, los fenómenos de conducción, convección y radiación, procesos por los cuales se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
Como introducción al tema, podemos plantear algunas situaciones cotidianas, como por ejemplo la siguiente: Descalzos, a punto de entrar a la bañera, pisamos con un pie la alfombra de baño y con el otro los mosaicos del piso. Los mosaicos parecen fríos mientras que la alfombra, que está a la misma temperatura, se siente tibia. ¿A qué se debe esa diferencia de sensaciones? La respuesta sería que esa diferencia se debe a que los mosaicos son mejores conductores del calor que la alfombra. La calificación de conductores abre la posibilidad de hablar de la conducción del calor. Esta forma de transmisión es típica de los cuerpos sólidos, pero en general se define como la forma de transferencia entre materiales (o bien en el interior de un material) que se hallan en contacto directo En esta etapa, el docente plantea el tema como una conversación grupal, motivando a los alumnos a manifestar sus ideas. Es esperable que facilite que todos alcancen a expresar sus ideas, administrando el tiempo de modo que puedan hacerlo cómodamente; también, por ejemplo, puede anotar en el pizarrón los conceptos relevantes de las explicaciones escuchadas, mostrar cuándo se repiten o bien cuándo y por qué se diferencian. Es decir, el docente puede comparar las respuestas halladas y resaltar los aspectos que pueden regularizarse a partir de lo observado, de lo interpretado, de lo observado o bien rasgos que surgen de conocimientos previos del tema.
Para trabajar este tema, y haciéndonos de una barrita de hierro, la llama de un mechero y un poco de hielo, planteamos las siguientes preguntas que sugieren las experiencias correspondientes2: (a) Si sostienes el extremo de la barra metálica
Ver un desarrollo completo del tema, por ejemplo, en el texto “Física Conceptual” de Paul G. Hewitt (AddisonWesley Iberoamericana, Wilmington, USA, 1995)
contra la llama, el extremo que está en tu mano se calienta rápidamente y casi no es posible sostenerla. ¿Fluye calor del fuego a la mano? (b) Si ahora sostienes el extremo de la barrita contra el hielo, el extremo que está en tu mano se enfría rápidamente. ¿Fluye frío del hielo a la mano? En los fenómenos de conducción, el calor pasa a través del material, de molécula a molécula, sin que se produzca transporte de materia. Los materiales que conducen mejor el calor son los metales. Los mejores conductores son la plata y el cobre; le siguen el aluminio y el hierro. Vale recordar que la teoría de la conducción calorífica fue desarrollada por primera vez en el Siglo XIX, por el francés J.B.J. Fourier (17681830), quien se propuso resolver problemas como el siguiente: dada una barra metálica colocada entre dos cuerpos de temperaturas T1 y T2, determinar la temperatura en cada punto de la barra y la cantidad de calor que pasa de una fuente a otra en un tiempo dado. En esta fase del trabajo, el docente organiza la clase para que los alumnos realicen la experiencia, tomando los recaudos necesarios para evitar cualquier accidente y mostrando también lo importante de llevar a cabo experiencias en forma segura. Recorre los grupos y colabora con aquellos que demoran el inicio del trabajo o titubean en cómo llevarlo a cabo.
3. Conversación introductoria del concepto de convección
Una vez más, planteamos una nueva situación cotidiana, como por ejemplo: Se puede colocar los dedos en los “costados” de la llama de una vela sin quemarse, pero no es posible ponerlos “sobre” la llama. ¿A qué se debe esto? El abanico de posibles respuestas de los alumnos no es muy amplio y, en general, tiende a dos argumentaciones relevantes: a) considerar la posibilidad de que el calor se transmite en forma privilegiada en ciertas direcciones del espacio, y b) introducir al aire como un agente que modifica de alguna forma no muy clara la transmisión del calor. Ambas pueden clarificarse conversando sobre la convección. La convección es posible en cualquier fluido, sea líquido o gas, es decir, el proceso es el mismo ya sea que se caliente agua en una olla o el gas de una habitación. Si el fluido se calienta, se expande, se hace menos denso y se eleva. El aire caliente y el agua caliente se elevan por la misma causa por la que un bloque de madera flota en el agua y que un globo lleno de helio se eleva en el aire (la convección es en realidad una aplicación del “Principio de Arquímedes” ya que todos los cuerpos suben debido a la fuerza de flotación que ejerce sobre ellos el fluido que los rodea, más denso que dichos cuerpos). Esta forma de transferencia implica que la sustancia caliente se desplace, como puede comprobarse, por ejemplo, con el agua que se calienta en la caldera situada en el sótano y que se eleva hasta los radiadores de los pisos superiores. Como se hizo en la 1ª fase, el docente plantea el tema motivando a los alumnos para que expresen sus ideas. Una vez más, anota en el pizarrón semejanzas y diferencias; en esta etapa, puede solicitar que uno o varios alumnos hagan esa tarea de síntesis. 4
4. Situaciones experimentales
En esta fase sería importante plantear un problema bajo el rasgo de un desafío experimental, de modo que los alumnos reflexionen sobre la mejor forma de realizar un experimento que permita resolver el problema planteado. Buscamos entonces que logren diseñar una actividad que, aunque luego deba ajustarse, modificarse o reformularse, tenga origen en los alumnos. En todo caso, el docente debe insistir que aquello que hagan debe ser rigurosamente descrito de modo de dejar constancia de los pasos hechos para poder repetirlos si es necesario, y que también deben anotar sus impresiones, dibujar los esquemas que tendría la experiencia y, obviamente, dar cuenta de los resultados obtenidos en cada prueba realizada. Luego, con los registros de todos los grupos, el docente junto con los alumnos puede compararlos, ahora retomando las ideas antes vertidas. Un ejemplo, tomando el tema que escogimos, es plantear la siguiente pregunta: ¿Cómo se imaginan que podrían hacer para calentar agua con hielo y lograr que el hielo no se derrita? Un formato experimental, posible, que podemos tener pensada para implementar o para guiar los diseños que propongan los alumnos, es el siguiente: (a) Se coloca en un tubo de ensayo lleno de agua, un trozo de hielo. Para sostenerlo en el fondo del tubo se le suman algunas virutas de hierro. Luego, sosteniéndolo por el extremo inferior se coloca su extremo superior en contacto con la llama de un mechero; (b) Repetimos la experiencia, pero sosteniendo el tubo con una pinza por el extremo superior y calentando el agua desde el fondo mientras el hielo flota en la superficie.
5. Conversación introductoria del concepto de radiación
Repetimos la idea de utilizar situaciones cotidianas, en esta fase planteamos directamente algunos argumentos que las definen sin dar cuenta específicamente del fenómeno de transmisión de calor: (a) Si nos sentamos ante un hogar a leña, la mayor parte del calor del fuego se escapa por la chimenea debido a la convección, mientras que el calor que llega hasta nosotros se transmite por radiación. (b) Las personas que practican deportes en la nieve, en días muy soleados, saben que pueden andar sin abrigos, ya que aunque el aire está a algunos grados bajo cero, el “calor radiante” que refleja la nieve mantiene sus cuerpos calientes. En un espacio prácticamente vacío (es decir, sin materia) como el que separa la atmósfera terrestre del Sol, la convección y la conducción no son posibles, de modo que el calor debe estar transmitiéndose por otro proceso, ya que es evidente que atraviesa dicha atmósfera y calienta la superficie del planeta (el calor no se transfiere a través de la atmósfera por conducción, pues el aire es uno de los peores conductores. Tampoco se transfiere por convección, pues la convección sólo se inicia una vez que la Tierra está caliente). Ese proceso se denomina radiación. A toda la 5
energía que se transmite de ese modo se la denomina energía radiante y se presenta en la forma de ondas electromagnéticas (ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma). De otra manera, podemos decir que la transmisión de calor por radiación se produce sin intervención de medios materiales. Una vez más, la clase conversa colectivamente sobre el tema, expresando sus ideas al respecto. Aquí, el docente puede dejar que sean los mismos alumnos quienes escriban en el pizarrón, identificando los conceptos fundamentales vertidos por cada grupo y que ellos mismos realicen la tarea de señalar semejanzas y diferencias entre los mismos. Serán los mismos alumnos quienes comparen las ideas manifestadas, resaltando que aspectos aparecen en común en todos los argumentos.
6. Situaciones experimentales
Posiblemente, en términos del estudio de las radiaciones electromagnéticas, su abordaje se retomará más adelante, pero en esta etapa sería deseable que el docente resaltase algunas ideas, en particular las semejanzas de comportamiento de la luz visible y la luz no visible o “invisible” (es decir, aquellas radiaciones que no son perceptibles por medio de la visión). Puede tomarse como ejemplo la luz infrarroja, presente en múltiples artefactos domésticos. Uno de los más comunes es el control remoto de los televisores o equipos de música. Con ellos puede pensarse en mostrar que los rayos infrarrojos que emite el control remoto se reflejan de modo análogo a los rayos de luz visible. Para ello puede plantearse como desafío: Supongamos que tenemos dos habitaciones contiguas. Ambas son cuadradas, tienen el mismo tamaño y están comunicadas por una abertura (sin puerta) ubicada en el centro de la pared en común. En una habitación, hay un televisor apoyado contra una de las dos paredes adyacentes con la pared de la abertura. En la otra habitación, se encuentra una señora que intenta encender desde allí el televisor con su control remoto. ¿Cómo puede lograrlo si no está frente al televisor? La idea es que imaginen diversas estrategias pensando en utilizar algunos elementos complementarios o no para conseguir encenderlo. Una de las formas posibles, que permitiría trabajar la idea de reflexión de la luz infrarroja, es colocando un espejo frente a la señora de modo tal que la luz infrarroja del control remoto se refleje en él y se dirija al televisor3.
7. Resolución de problemas de la vida cotidiana usando los conceptos
En esta fase de la secuencia didáctica, luego que los alumnos han conceptualizado las distintas formas de transmisión del calor, se podrían plantear algunos problemas de la vida cotidiana, tales como:
Esta experiencia, si no puede realizarse en la escuela, es muy posible que los alumnos prueben hacerla en sus casas. En realidad, puede plantearse el desafío para hacerlo en sus hogares y luego contar de qué modo lo han logrado.
a. Al soplar sobre tu mano con la boca abierta, advertirás que tu aliento está tibio. Si frunces los labios para que la abertura de tu boca sea pequeña, al volver a soplar sobre tu mano: ¿se siente igual la temperatura del aire en tu mano? ¿En qué caso se expande más el aliento que exhalas: cuando soplas con la boca abierta o cuando lo haces con los labios fruncidos? ¿En qué caso sentiste más frío el aire en tu mano? ¿Por qué? b. ¿Por qué una nave espacial aumenta su temperatura al acercarse al Sol, mientras que en el espacio la temperatura es tan baja? c. ¿Cómo podrían explicarse, si es que existen, las diferencias en la forma de transferencia de calor entre la experiencia de tocar una estufa encendida y la de acercar una mano a una estufa encendida sin tocarla? d. Se llena con agua un recipiente transparente, apto para recibir calor (por ejemplo un “vaso de precipitados”). Se lo acerca a una llama hasta que el agua comience a hervir. Entonces se deposita en ella una pequeña cantidad de un tinte oscuro o bien, un colorante para alimentos. Se notará que el tinte se dispersa rápidamente. Es el momento de observar detenidamente el flujo del colorante en el agua. ¿Se puede identificar qué rumbo sigue el flujo convectivo? e. Se enciende un fósforo y luego se apaga. Sosteniendo el fósforo con la mano, sin moverlo, observar con cuidado el rastro del humo y responder. ¿En qué dirección se desplaza el humo? ¿Es el rastro del humo un ejemplo de convección? ¿En qué términos puede explicarse las respuestas a estas preguntas? ¿Se asemeja a la trayectoria que parece seguir el aire que está encima de una estufa caliente? ¿En qué otros lugares puedes observar trayectorias de convección? f. Un curioso entretenimiento se puede llevar a cabo usando fichas de dominó. Primero, se las coloca en posición vertical, una frente a otra, formando una hilera. Cuando se empuja una de ellas, ésta hace caer la siguiente, la cual hace lo mismo con su vecina en un efecto “de cascada”, hasta que conseguir que todas las fichas caigan. Tomando este entretenimiento como un modelo y en términos de construir una analogía: ¿a cuál de los tres tipos de transferencia de calor se asemeja más ese modelo? En esta etapa el docente:  define el producto del trabajo para lo cual presenta diferentes ideas sobre cómo presentar los resultados del estudio realizado, como por ejemplo una presentación oral con experiencias, un relato de la forma en que fueron llegado a las conclusiones del trabajo, un exposición utilizando el pizarrón donde mostrar esquemas y dibujos aclaratorios, un informe escrito grupal y/o individual, etc.;  pide a los alumnos que construyan una descripción del problema tratado y consideren algunas soluciones posibles, los guía para que se planteen las preguntas más adecuadas que les permitan comprender el problema y elaborar un plan de acción;  formula preguntas que promuevan que los alumnos busquen nuevas ideas, hagan predicciones y propongan modelos interpretativos. Algunas preguntas típicas: ¿Qué relación encuentran entre la situación planteada y los temas estudiados? ¿En qué medida los modelos científicos trabajados colaboran a explicar algún aspecto del mismo? ¿Que información será necesario buscar? 7
¿En qué fuentes? ¿Qué obstáculos encontramos para esa búsqueda? ¿Qué nuevos aspectos del problema se nos presentan a partir de la interpretación de la información recolectada?; acota el problema mediante nuevas preguntas, sugiriendo analogías, aportando información complementaria que permita evaluar las hipótesis que vayan surgiendo; fomenta que se propongan distintas soluciones y se haga un análisis detallado de las mismas, en base a distintos criterios (ventajas y desventajas, adecuación, viabilidad, etcétera) evitando que el grupo elija una solución de manera apresurada sin considerar y ponderar otras opciones posibles; aporta formas de organizar y comunicar a sus compañeros el plan concebido, con el propósito que pueda ser comprendido y contrastado por otros; ayuda a exponer las soluciones que aportan los alumnos. Sus preguntas colaborarán a analizar distintas características de las soluciones propuestas, como qué modelo del problema se está suponiendo, qué otras suposiciones podríamos hacer, qué evidencia tenemos de que el sistema se comporta de una determinada manera, qué criterio emplear para decidir cuál es la mejor solución.
Intervenciones típicas Recordar el propósito Pedir una recapitulación parcial Promover la formulación de una explicación provisoria del problema Proponer analogías Sugerir correcciones al plan inicial Fomentar la discusión y el intercambio de ideas Fomentar la diversidad de respuestas
Preguntas que el docente puede usar ¿Qué estamos tratando de averiguar? ¿Qué aprendimos hasta ahora? Hasta ahora todo parece explicarse diciendo que… Esta situación se asemeja a… De acuerdo a los resultados que obtuvimos… ¿Realmente necesitamos averiguar esto? ¿Todos piensan de la misma manera? ¿Alguien puede explicarlo de otro modo?
Solicitar evaluaciones parciales
¿Qué otras alternativas se les ocurre explorar? ¿Cuál les parece que es la mejor solución hasta ahora?
8. Redacción, presentación, formulación de la solución
Luego de trabajar los desafíos, de plantear y resolver los problemas y de realizar experiencias, la clase habrá acumulado abundante información sobre el tema. Es relevante que el docente acompañe durante todo el proceso de la secuencia la correcta organización de toda esa información. Cada grupo, tendrá datos, diseños de experimentos, notas con sus conclusiones y síntesis; sería deseable que todas esas producciones puedan guardarse en conjunto, como un auténtico diario de campo. Por otra parte, el docente puede indicar que los principales argumentos hallados se transcriban y se sumen a los de otros temas, para conformar, por ejemplo, una colección de conceptos físicos trabajados en el aula. Por otra parte, para la comunicación de los resultados, los alumnos pueden tener como consigna inicial que al final del trabajo deberán elaborar un texto breve o bien una presentación con diapositivas (tipo Power Point) mostrando qué experiencias hicieron y a qué resultados llegaron. Como sea, en esta última etapa es importante que la clase aprenda que el registro de todo el trabajo realizado y su comunicación forman parte esencial del aprendizaje.
A continuación, listamos algunas de las principales características que deberían tenerse en cuenta para seleccionar problemas para una secuencia didáctica:  Significatividad para el área: Es importante distinguir que algunos problemas son más significativos que otros, en función del aporte que hacen los modelos explicativos de la física a su posible resolución. La resolución de problemas vinculados con los fenómenos naturales requiere que el alumno emplee sus modelos mentales acerca de dichos fenómenos, el lenguaje y los modos de hacer específicos de la ciencia, extendiendo su uso en otro contexto.  Significatividad para los alumnos: Los problemas de carácter teórico o práctico que se trabajen deben ser significativos para la clase, ya sea por sus experiencias previas y motivación personal, como por su relevancia social o potencial para explicar otros fenómenos. Así, no todos los contenidos físicos son percibidos como problemas por los alumnos. Algunos están vinculados a su vida cotidiana y pueden constituir situaciones que para ellos tienen un carácter problemático. Otros contenidos en cambio, ensanchan el campo de conocimiento de los estudiantes y es más difícil que los perciban como parte de una situación problemática.  Magnitud del problema: La delimitación del problema es otro aspecto a tener en cuenta en función de las posibilidades cognitivas y los conocimientos de los alumnos, y de que su magnitud permita plantearlo y resolverlo en el ámbito de la clase. No todos los problemas son resolubles en el ámbito escolar. El otro factor a tener en cuenta para delimitar el tamaño del problema es el tiempo escolar disponible. El docente debe conocer las posibles derivaciones y actividades que demandará la resolución del problema, a fin de poder incluir estas actividades en su planificación. 9
 Complejidad del problema: el diseño de los problemas puede ser muy diferente según si se asemeja más a los problemas tal como se presentan fuera del ámbito escolar o si su presentación simplifica algunas áreas del problema para facilitar su resolución. Su diseño puede prever una sola forma de resolución problemas cerrados [entendiendo como solución tanto a la forma de resolverlo como al resultado] - o pueden resolverse empleando una variedad de estrategias –problemas abiertos. Un problema también se simplifica si se lo presenta bien definido o estructurado, es decir cuando el problema informa explícitamente tanto acerca del punto de partida como el de llegada y las operaciones que hay que realizar para llegar de uno a otro.
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