Como Se Evidencian Los Conceptos De Calor Y Temperatura En Una Maquina térmica

COMO SE EVIDENCIA LOS CONCEPTOS DE CALOR Y TEMPERATURA

EN UNA MAQUINA TERMICA

Eneida Janeth Vaquiro Franco (103007548)

E. Mail: eneidajaneth07@hotmail.com

TERCER SEMESTRE, LICENCIATURA EN MATEMATICAS Y FISICA, FACULTAD CIENCIAS DE LA EDUCACION, UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA

RESUMEN

Se presenta el estudio realizado a partir del problema de aula “Cómo se evidencia los conceptos de calor y temperatura en una maquina térmica”, con el fin de mostrar algunas de las deficiencias que encontramos en los estudiantes de grado 11 de la Institución Educativa Instituto Técnico Industrial. Además se plantea una propuesta didáctica que pretende mejorar estas dificultades. Teniendo en cuenta que el estudiante comprende más fácil el concepto de maquina térmica. Se propone que desde el funcionamiento de la maquina comprenda los conceptos de calor y temperatura; todo esto de acuerdo a los estándares de contenido y las competencias básicas de las ciencias naturales.

Palabras Claves: Maquina térmica, calor y temperatura.

ABSTRACT: We present a study of the problem from the classroom "as evidence by the concepts of heat and temperature in a thermal machine”, in order to show some of the deficiencies found in the students of grade 11 of the Educative Institution Instituto Técnico Industrial. It also presents a didactic approach that aims to improve these difficulties. Taking into account student understands better the concept of thermal machine; it is proposed that from the operation of the machine understands the concepts of heat and temperature, all this according to content standards and the basic competencies of the natural sciences.

Key words: heat engines, heat and temperature.

INTRODUCCION

De acuerdo al nuevo enfoque del proceso de enseñanza, se hace necesario plantear problemas que involucren no solo un proceso físico o matemático para llegar a su solución, sino que permitan promover nuevas estrategias pedagógicas que den respuesta a muchos interrogantes que tienen los estudiantes y que nadie les aclara o da respuesta. En este orden de ideas, para dar respuestas claras y concretas a los estudiantes fue necesario conocer topo el proceso histórico y epistemológico que rodea la consolidación del concepto de maquina térmica; en donde encontramos que la maquina térmica aparece desde la antigüedad y se va perfeccionando hasta nuestro días, en este perfeccionamiento juega un papel primordial la termodinámica. Esta ciencia nace de la curiosidad que despertaba el estudio del movimiento producido por la energía del vapor de agua. Luego se enfoco en lograr el mayor rendimiento en las maquinas, pero fue necesario lograr un conocimiento profundo de las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.

La máquina de vapor fue el primer dispositivo mediante el cual se pudo transformar el calor en energía mecánica con resultados satisfactorios. La energía procedente de la combustión del carbón, petróleo, u otro combustible trasmitida al agua contenida en una caldera puede producir vapor a alta presión, cuya energía se transforma parcialmente en energía mecánica y es capaz de accionar una maquinaria o un generador eléctrico.

Continuando con nuestro objetivo de ser claros y concretos, fue necesario conocer paso a paso el funcionamiento de la maquina y consultar las variables físicas y termodinámicas que intervienen en este proceso. Encontrando que en todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Por último retorna a su estado inicial, completando así un ciclo.

En este proceso cíclico los estados iníciales y finales son los mismos, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica podemos decir:

(1)

Donde representa el calor neto consumido por la maquina, es decir por lo tanto el trabajo ( ) es igual al calor cedido por el foco a mayor temperatura, menos el calor absorbido por el foco a menor temperatura, es decir:

(2)

A partir de estas ecuaciones podemos precisar un parámetro característico de cada máquina que se denomina rendimiento y en términos del calor se define como el cociente entre el trabajo efectuado y el calor empleado para conseguirlo.

(3)

Como nuestro interés es evidenciar el concepto de calor y temperatura en la maquina térmica, es necesario referirnos al ingeniero francés Sadi Carnot, quien propuso la maquina térmica ideal, donde demostró que la eficiencia máxima de una maquina térmica depende de la diferencia entre las temperaturas de los focos.

En una maquina de Carnot, la eficiencia es igual al coeficiente entre la diferencia de las temperaturas ( y la temperatura del foco caliente , es decir:

(4)

De acuerdo a las ecuaciones (3) y (4) el máximo rendimiento alcanzo para convertir calor en trabajo se determina como el ciclo de Carnot y cumple con la siguiente igualdad:

(5)

Este sería el límite superior del rendimiento de las máquinas térmicas .

Continuando con nuestro propósito es necesario identificar y diferenciar los conceptos de calor y temperatura.

El concepto de temperatura se origina en las ideas cualitativas de “caliente” y “frio” basadas en el sentido del tacto. Un cuerpo que se siente caliente suele tener una temperatura más alta que un cuerpo similar que se siente frio. Esto es un tanto vago y los sentidos pueden engañarse. Sin embargo, muchas propiedades de la materia que podemos medir dependen de la temperatura. La longitud de una barra de metal, la presión de vapor en una caldera, la capacidad de un alambre para conducir corriente eléctrica y el calor de un objeto brillante muy caliente; todo esto depende de la temperatura.

El concepto de calor lo podemos evidenciar si metemos una cuchara fría

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