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Indicador de logro:
Experimenta con las propiedades térmicas de los materiales.
Esta semana vamos a profundizar en algunas ideas sobre el calor y la temperatura, aplicadas a situaciones reales. Vamos a terminar de comprender bien qué es el calor y qué es la energía térmica. Responderemos a preguntas como ¿la cantidad de calor cedida o absorbida por un cuerpo depende de su masa o del tipo de material?
A. Calor y energía
Luis: Por favor dame tu opinión: a. Si llenamos un recipiente grande y otro pequeño con agua a 25 °C, y medimos la temperatura de los dos al mismo tiempo, ¿será diferente? ¿Qué podríamos decir sobre la energía térmica y el calor?
Procedimiento:
Observa las imágenes que se presentan a continuación.
Descríbelas y responde en tu cuaderno de trabajo:
a. ¿Qué tipo de energía se está intercambiando en cada una?
3. Responde las siguientes preguntas en tu cuaderno de trabajo y brinda un ejemplo:
a. Al decir que un objeto cede calor, ¿qué le ocurre a su energía térmica y temperatura?
b. Al decir que un objeto gana calor, ¿qué le ocurre a su energía térmica y temperatura?
Existe una proporcionalidad directa entre calor (Q) y variación de temperatura (ΔT = Tf - Ti) donde: Tf, es temperatura final y Ti, es temperatura inicial.
Ahora vamos a encontrar algunas relaciones sobre la cantidad de calor cedida o absorbida por un cuerpo y su masa.
B. Calor absorbido por distintas masas
Supón que deseamos conocer la relación que existe entre el calor y la masa. Podemos pensar en diferentes situaciones cotidianas que nos ayuden a explorar esa relación.
Por ejemplo, ¿qué tiempo de cocción en el fuego será mayor, la de una taza de té o una sopa para toda tu familia? Imagina que ya están hechas la sopa y el té. Te sirves la sopa en un plato y el té en una taza, ¿qué se enfriará más rápido: la taza de té o la sopa?
a. Escribe tus respuestas en el cuaderno de trabajo.
Materiales: agua a temperatura ambiente, 2 vasos de precipitado de 250 ml, 2 termómetros de laboratorio con escala de 100 °C y una placa calefactora.
Procedimiento:
Vierte 50 ml de agua en un vaso y 150 ml en el otro.
Si se le agrega la misma cantidad de calor a cada vaso:
a. Brinda una hipótesis: ¿Qué se enfriará más rápido: el té o la sopa?
b. ¿Cuál cantidad de agua crees que cambie más rápido su temperatura, la de mayor masa o la de menor masa?
Registra la temperatura inicial del agua.
Coloca los dos vasos de precipitado con agua sobre la placa calefactora.
Mide simultáneamente la temperatura del agua cada 3 minutos hasta que alcance los 50 °C. ¿La evidencia experimental concuerda con tu predicción del literal b?
Nico: Los cuerpos no tienen calor. Lo correcto es decir que tienen energía térmica, energía interna o temperatura.
Reservamos el término «calor» para la energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Esta energía es fácil de medir, pero la energía total que tiene el cuerpo no.
C. Calor absorbido por distintos materiales
Ahora, ¿qué podríamos decir con respecto al calor absorbido o cedido por un cuerpo en función del tipo de sustancia? ¿Te has fijado que en el mar, al mediodía, la arena está caliente y el agua no, pero al llegar al atardecer el agua queda tibia y la arena fría? Veamos qué podemos averiguar con el siguiente experimento que nos ayude a analizar esta situación.
Materiales: 2 globos, 2 velas, 20 ml de agua, aproximadamente y una mesa o superficie lisa.
Procedimiento:
Infla el primer globo de aire y hazle nudo.
Introduce agua de grifo (20 ml), infla y hazle nudo al segundo globo.
a. ¿Qué crees que ocurrirá al acercar ambos globos a las velas encendidas?
Enciende las dos velas y acerca los globos a las llamas.
b. Registra tus observaciones. ¿Se cumplió tu predicción del literal a?
Podemos observar cómo le damos la misma cantidad de calor a diferentes tipos de sustancias y vemos que los cambios en las temperaturas y los resultados son diferentes. Por ejemplo:
Calor específico del agua: 4.182 J/g °C
Este valor significa que para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de agua, se requiere 4.182 J.
Calor específico del aluminio: 0.896 J/g °C
Este valor significa que para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de aluminio, se necesita 0.896 J.
¿Qué aprendimos?
Existen intercambios de energía que no se pueden cuantificar por medio de la energía mecánica, es decir, calculando el trabajo.
Irene: Yo aprendí que el intercambio de energía térmica entre dos cuerpos se cuantifica por medio del calor ganado de uno y perdido del otro.
Antes de ser transferida, la energía que está en el cuerpo no es calor, sino energía térmica.
El trabajo y el calor son dos procesos mediante los cuales se intercambia energía. Trabajo, calor y energía, por tanto, se miden en las mismas unidades: joule (J) en el Sistema Internacional. Además de esta unidad, está la caloría (cal).
Una caloría se define como la cantidad de calor necesario para elevar de 14.5 °C a 15.5 °C 1 gramo de agua.
A la cantidad de calor requerida para elevar en 1 °C la temperatura de una sustancia, se le llama capacidad calorífica.
Cuanto mayor sea el valor de la capacidad calorífica de una sustancia, mayor deberá ser la cantidad de calor necesario para subir o bajar su temperatura. Por ejemplo, es necesario más calor para calentar de 20 °C a 30 °C el agua de una piscina semi olímpica (312 m3) que 1 vaso de agua (350 ml). Por esta razón, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva de la materia porque su valor depende de la masa, en el caso que estamos mencionando, la masa del agua.
La capacidad calorífica, denotada por C (mayúscula), se expresa mediante la formula: C = Q/ΔT
Como factor de conversión, 1 cal = 4.187 J.
Notación
Las unidades de la capacidad calorífica son: J/°C o cal/°C. En el Sistema Internacional se usa: J/K
Unidades del calor específico: cal/(g∙°C). En el Sistema Internacional: J/(kg∙K).
Lisa: Yo aprendí que cada sustancia, como el cobre, aluminio, agua, etc., tiene sus propias características para absorber o ceder calor. Llamamos a este concepto calor específico. O sea que cada sustancia posee un calor específico propio.
La madera tiene calor específico alto. Un pichel de leche tiene mayor capacidad calorífica que un vaso de leche. La leche tiene calor específico bajo.
El calor específico es característico de cada sustancia; es decir, es una propiedad intensiva. Así, si se tiene un gramo de dos sustancias distintas y se quiere aumentar su temperatura en un grado, la sustancia que tenga mayor calor específico necesitará más calor. El calor específico es denotado por ce y queda definido mediante la ecuación: ce = Q/(m ΔT)
Hay una relación entre capacidad calorífica y calor específico: ce= C/m
Finalmente, tenemos una fórmula que relaciona el calor que recibe o cede una sustancia: Q = CΔT = mceΔT
Exposición de resultados
Procedimiento:
Tu docente te indicará la dinámica para dar a conocer los resultados de tus experimentos de la semana.
Explícalos y, mientras lo haces, intenta dar una respuesta coherente a las siguientes preguntas. Puedes dejar registro en tu cuaderno de trabajo.
Experimento B: calor absorbido por distintas masas
a. ¿Qué cantidad de agua alcanzó más rápido los 50 °C?
b. Para 15 minutos, ¿cómo resultó la variación de temperatura respecto a la cantidad de agua?
c. ¿Qué deberíamos hacer para que ambas cantidades de agua lleguen a 50 °C al mismo tiempo?
d. ¿Cómo es la relación entre calor y masa?
Experimento C: calor absorbido por distintos materiales
a. ¿Cuál globo necesita mayor cantidad de calor para explotar, el globo con agua o el globo con aire?
b. ¿Por medio de qué mecanismo de transferencia de calor se transmite el calor de la vela al globo?
c. ¿Qué tendría que suceder para que el globo con agua llegue a explotar?
d. ¿Qué podrías decir sobre la capacidad calorífica y calor específico del agua y del aire?
Carlos: ¡Ahora lo entiendo! Los términos científicos que usamos como «calor», «capacidad calorífica» y «calor latente» surgieron de la idea errónea de que los objetos calientes contienen «algún material» que depende de su temperatura.
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