Dificultades en la enseñanza de termodinámica. Temperatura

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Pontificia Universidad Católica de Chile

Facultad de Educación, Pedagogía media en Física

Taller 1: Explicación de Fenómenos Termodinámicos  

Curso:                        Desafíos de la enseñanza y aprendizaje de la Física (Fiz311E)

Profesores:                Rolando Díaz - Esteban Ramos

Estudiantes:                Nicole Estrada - Paulina Poblete

                                              Lunes 24 de Abril de 2017

Introducción

El siguiente informe tiene por objetivo presentar una estrategia educativa para alumnos de segundo año de enseñanza media, basado en las principales preconcepciones que poseen en el área de la Termodinámica. La estrategia consiste en mezclar dos actividades, una experimental y otra apoyada de una simulación computacional, generando un aprendizaje progresivo y continuo de conceptos como temperatura, movimiento de aleatorio de partículas, energía cinética, cero absoluto de temperatura y escalas térmica. Además, se analizarán las principales dificultades que poseen los alumnos en la comprensión de dichos conceptos y modelos termodinámicos.

1. Conceptos termodinámicos  

Los conceptos principales de la termodinámica son el calor y la temperatura. Sin embargo, son conceptos complejos de comprender, pues caer en errores conceptuales es fácil. La historia también es reflejo de esto. Antes de llegar a los conceptos aceptados actualmente para temperatura y calor, hubo muchas corrientes que intentan explicarlo, como lo fue los cuatro elementos, el alcahesto, el flogisto y el calórico.

Algunos de los preconceptos asociados a esos términos son:  

1: Calor y temperatura se refieren a lo mismo
2: Temperatura es la medida del calor
3: El calor es una sustancia
4: El frío es algo que se puede transferir de un cuerpo a otro

Este informe se centrará en el concepto de temperatura y entregará una propuesta para su comprensión. Por esto las actividades solo se centrarán en aclarar la preconcepción 2 y entregará herramientas que permitan aclarar la preconcepción 1. La actividad será diseñada para alumnos de Segundo año medio (esto considera que los alumnos conocen el concepto de energía según las bases curriculares).  

El Aprendizaje Esperado es

“Utilizar principios, leyes y teorías para explicar conceptos y fenómenos térmicos como: energía interna, calor y temperatura (...) y sus aplicaciones en el entorno no cotidiano y en la resolución de problemas”.

y el Indicador de Aprendizaje:

“Explican las relaciones entre energía interna y temperatura, en términos del modelo cinético de la materia.”

2.  Descripción Actividad

Parte I actividad (experimental)

La revolución industrial (alrededor de 1750) impulsó el interés por el estudio del calor y temperatura para lograr maximizar el rendimiento de las máquinas de vapor, naciendo la termodinámica, sin embargo, antes de que se estudiara formalmente, ya se tenían ideas intuitivas sobre esto. Actualmente usamos estos conceptos diariamente, pues son parte de nuestra vida cotidiana, pero ¿conocemos bien la definición de estos conceptos?

Centrémonos en la temperatura ¿En qué contextos hemos usado o escuchado este término? ¿Qué entendemos por temperatura? ¿Con qué podemos medirla?

(Esto nos permitirá sacar a flote los conceptos previos que los estudiantes tengan sobre el concepto para luego ponerlos a prueba. Es probable que algunas respuestas sean que la temperatura es la medida del calor o la temperatura es lo mismo que el calor. Para poder poner en juego esta idea, tendremos que demostrar que la temperatura no es lo mismo que el calor y que ésta última es la medida de la energía cinética, para esto se procederá a un experimento)

(Se escribirán algunas ideas claves de las respuestas de los alumnos, Nota: es posible que también se obtenga como respuesta que el termómetro es el instrumento que nos permite medir la temperatura, aprovecharemos esto para el análisis experimental)

Para definir la temperatura analicemos qué ocurre con dos vasos de agua, uno con agua hirviendo y otro con agua salida del refrigerador. Utilizaremos un termómetro y registramos su medida en cada vaso.

Para saber qué ocurre en cada uno, apliquemos un poco de colorante en cada vaso al mismo tiempo.

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Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=7Mv4bRgY3t0

¿Qué observamos? la tinta no se comportó igual en ambos vasos ¿Por qué ocurrió esto? ¿Qué tan rápido fue el movimiento en el agua de mayor temperatura registrada en el termómetro en comparación a la de menor temperatura?

(Se espera de las observaciones, que los alumnos noten que la tinta se movió con mayor rapidez en el agua de mayor temperatura y se movió más lento en la de menor temperatura)

Hemos podido notar que mientras más caliente se encuentra un cuerpo, más rápido se mueve este. Pero ¿que específicamente es lo que se mueve más rápido? Recordemos que la materia está compuesta por partículas más pequeñas, estas son, las que, al encontrarse a mayor temperatura, se mueven con mayor rapidez. Pero, ¿qué implica una mayor rapidez? Una de las unidades estudiadas anteriormente en física fue la energía y los tipos de energía, una de ellas estaba asociada a la velocidad ¿Cuál? La energía cinética. Entonces ahora podemos hacer una asociación más. Mientras mayor es la temperatura, mayor es la energía cinética de estas partículas. Es así cómo podemos definir la temperatura como la medida de la energía cinética promedio de todas las partículas del sistema (cuerpo). ¡Notemos que algo que sucede a nivel microscópico, provocó consecuencias observables macroscópicamente!  

Luego de este análisis, podemos decir entonces que la temperatura efectivamente puede medirse con termómetros pero que ésta no es la medida del calor, si no, de la energía cinética promedio de todas las partículas.

Ya teniendo una definición de temperatura planteamos la siguiente pregunta: ¿Dependerá de la cantidad de agua que hay en el vaso?

Para responder a esta pregunta escogemos uno de los vasos y registramos su temperatura. Luego sacamos un poco de agua del mismo vaso, la vaciamos en un recipiente vacío y tomamos la temperatura de este último. ¿Cómo son las temperaturas registradas? (se espera que los alumnos noten que la temperatura no varió, y si es que llega a variar será muy poco y producto de factores externos)  

Podemos notar entonces, que, para cantidades diferentes de masa, obtuvimos la misma temperatura, por lo tanto, la temperatura no depende de la masa y podemos clasificarla como una propiedad intensiva.

Recordemos que las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia presente, por este motivo no son propiedades aditivas.

Parte II actividad: (simulación)

Es interesante la idea de que la temperatura depende del movimiento de las partículas. Se dice que el movimiento de los átomos es aleatorio. Cuando hablamos de movimiento aleatorio de los átomos, nos referimos a que éstos no tienen un velocidad ni dirección de movimiento determinada, es decir, su movimiento es al azar.

¿A cuál de los siguientes modelos atribuirías un movimiento aleatorio? ¿Por qué?

(La idea de esta comparación es que los alumnos comprendan cómo se plantea el modelo cinético molecular, de manera de incorporarlo a su modelo mental)

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Ya que no es posible observar a simple vista un átomo, se vuelve mucho más complejo distinguir su movimiento. Sin embargo, es posible simular este movimiento de manera que se magnifique miles de millones de veces. A continuación, se presenta una simulación del movimiento de las partículas del aire en las diferentes estaciones del año

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