Transmisión de calor: Estrategias didácticas para su enseñanza

Introducción.

El abordaje de un tema interesante, desde el aspecto práctico es lo que logra el aprendizaje significativo (Ausubel, 1976) a ciencia cierta de que una práctica experimental, en la cual, los propios estudiantes deban construir su modelo o prototipo, conlleva una demanda de tiempo adicional, que generalmente, en el devenir del aula no contamos.

Es muy habitual presentar los conceptos de transmisión de calor (conducción, convección y radiación) de forma aislada a través de ejemplos en los que puedan describirse cada uno de los fenómenos.

Aunque algunas ideas de los estudiantes sean difíciles de desterrar, es una tarea laboriosa que debe llevar adelante el docente, para elaborar estrategias didácticas que favorezcan el cambio conceptual (MOREIRA, 1994).

En esta oportunidad, se presentará una experiencia práctica, íntegramente realizada por los estudiantes e ideada por quien realiza el posteo, habiendo sido llevada a la práctica, con sus respectivos ensayos erróneos, generando así, un trabajo de investigación en torno a las posibles causas de la falla experimental.

Desarrollo.

Es importante establecer la diferencia entre calor y temperatura.

Donde calor es la energía intercambiada entre dos sistemas en contacto a diferente temperatura. Puesto que la temperatura es un parámetro que permite describir un sistema. Los cuerpos no poseen "frío" ni "calor", puesto que pueden tener bajas o altas temperaturas y, como dos o más sistemas a distinta temperatura inicial, cuando se ponen en contacto, alcanzarán el equilibrio térmico luego de cierto tiempo.

Si se toma como referencia sólo uno de los sistemas que intercambia energía: El que recibe energía ha recibido calor mientras que el otro lo ha cedido (no decimos que ha recibido frío o que se ha "enfriado").

No existen cuerpos fríos ni calientes. La sensación de frialdad o de calor de los cuerpos se relaciona con la energía intercambiada y con la rapidez con que intercambian energía nuestro cuerpo cuando los tocamos. No existen cuerpos fríos o calientes por naturaleza, sino aislantes o conductores térmicos. Un aislante térmico nos protege tanto de las bajas como de las altas temperaturas. 

En los procesos que transcurren con intercambio de calor entre dos sistemas, uno de ellos recibe energía y el otro lo cede.

Fuente: "Didáctica específica II: Didáctica de la Física". Rubinstein, J. Iuliani, L. UNSAM. Escuela de Humanidades.

Tal como mencionamos en la introducción, existen tres formas de transmitir energía bajo la forma de calor:

• Conducción: Se denomina conducción a la transferencia de energía sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperatura. (Los aislantes son aquellos materiales que son malos conductores del calor)
• Convección: Se denomina convección a la transferencia de energía con desplazamiento de materia debido a corrientes convectivas, tanto en gases como en líquidos.
• Radiación: Esta transferencia de energía no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas, ni por trabajo. Involucran transferencias de energía por medio de ondas electromagnéticas.

A través de un ejemplo, pueden visualizarse las 3 formas de transferir energía.

La propuesta de trabajo, consiste en realizar un modelo, íntegramente por parte de los estudiantes.

Para ello necesitaremos:

• Un recipiente circular de cartón.
• Una tapa circular metálica.
• Un visor de casco de motociclista.
• Pistola de silicona.
• Termómetro.
• Cono forrado con papel de aluminio en el interior.
• Lámpara incandescente.
• Portalámpara cerámico.
• Cable.
• Enchufe.
• Materiales aislantes (telgopor, membrana, cartón, espuma de poliuretano, lana de vidrio, etc.)

Modelo presentado en el aula.

Explicación de lo que ha de ocurrir: La lámpara incandescente comenzará a transferir energía bajo la forma de calor por radiación de forma concentrada (y en su mayor parte reflejada por el papel de aluminio del cono) hacia la tapa metálica cuya característica de buen material conductor del calor, la transforma en un elemento clave para que el calor sea transferido hacia el interior del recipiente, generando corrientes convectivas hasta alcanzar el equilibrio térmico en su interior.

La idea consiste en experimentar en diferentes instancias:

a) Tapa metálica expuesta a la radiación.

b) Tapa metálica con diferentes materiales aislantes, colocados en el lado interno de la misma.

Tomando registro de la variación de temperatura en el interior del recipiente circular, se pretenderá determinar una comparación en cuanto a la efectividad de los materiales aislantes del calor.

Sin embargo, el experimento no resultó como hubiéramos esperado...

Posibles causas:

El recipiente debía ser más bajo.

El diámetro del cilindro debía ser menor.

La tapa original pertenecía a una olla de aluminio, averiguar por otros tipos de materiales.

Espesor de la tapa metálica.

Por tratarse de una lámpara incandescente, el portalámpara debe ser de un material resistente al calor (en vez de ser uno plástico)

Al reducir el diámetro puede favorecer la transmisión de calor puesto que la transmisión es de carácter radial.

Lo mismo ocurrirá al disminuir el valor del espesor del material.

Como así también, teniendo en cuenta otro tipo de materiales (coeficiente de conductividad térmica)

Todo lo mencionado antes, puede favorecer, el aprendizaje conjunto de la Ley de Fourier, que contempla esas consideraciones a evaluar.

La actividad puede complementarse con la indagación de los diferentes tipos de materiales y los respectivos cálculos de la transmisión de calor por conducción, teniendo en cuenta las variables de temperatura, espesor, área (diámetro que debe ser reducido) y establecer comparaciones y/o anticipar conclusiones.

Aplicaciones en la vida cotidiana.

Esta experimentación, no solo puede ser considerada como una comparación entre materiales para corroborar su efectividad como aislantes del calor.

La problematización o continuidad de la investigación puede venir de la mano al consultar ¿Todos los materiales conducen o aislan el calor de la misma manera? ¿Existen otros materiales que sean mejores aislantes del calor? ¿Dónde se los utiliza?

En la construcción es muy habitual hablar de los materiales sustentables, pensados en el ahorro energético.

Una buena oportunidad, para interiorizarlos en el tema y sacar provecho pedagógico de una actividad experimental íntegramente casera.

Bibliografía.

• Rubinstein, J. Iuliani, L. "Didáctica específica II: Didáctica de la Física". UNSAM. Escuela de Humanidades.
• González, N. Muñoz, J. Iuliani, L. "Física. ES 4". Ediciones Tinta Fresca.