EJEMPLOS DE INVESTIGACIONES

Transcripción

1 EJEMPLOS DE INVESTIGACIONES BAJO LA MIRADA INFRARROJA

2 INVESTIGACIÓN CUÁL ES EL FUNDAMENTO CIENTÍFICO DE UN BOTIJO? Aplicación didáctica El botijo se puede considerar como una máquina térmica sencilla semejante a una nevera, pero en este caso basada en la evaporación del agua que contiene. Esta experiencia permite visualizar la variación de energía calorífica que implica todo cambio de estado. Fundamento científico El proceso se inicia al rezumar el agua por capilaridad a través de la arcilla que forma el botijo. Al ponerse en contacto con el ambiente exterior, se produce el cambio del estado líquido a vapor, absorbiendo energía calorífica, kj o 540 calorías, por cada gramo de agua que se evapora. Durante este proceso, el botijo pierde energía calorífica y el agua que contiene disminuye de temperatura varios grados. Materiales necesarios Agua. Botijo de arcilla porosa y botijo esmaltado. Cámara térmica. Procedimiento Llenar de agua, a temperatura ambiente, un botijo de arcilla y otro de cerámica esmaltado. Después de pasar unos minutos, observar con la cámara cómo varía la temperatura en ambos botijos. Anotar la temperatura de cada botijo, cada minuto, durante quince minutos. IMAGEN VISIBLE IMAGEN INFRARROJA ESQUEMA DEL PROCESO Resultados El botijo fabricado con la arcilla porosa, alcanza una temperatura unos seis grados por debajo de la inicial de 20ºC, llegando hasta los 14ºC. Sin embargo, el botijo esmaltado mantiene la temperatura del agua constante durante todo el tiempo. Analiza y reflexiona Por qué el botijo de arcilla enfría el agua y el esmaltado mantiene la temperatura constante? Si ponemos el botijo de arcilla al sol, enfriará el agua más o menos que a la sombra?. Tiene alguna relación el funcionamiento del botijo con el mecanismo de sudoración de las personas? Conclusiones El botijo de arcilla permite que el agua se filtre por los poros hasta llegar a la superficie, donde se evapora, absorbiendo energía calorífica del entorno. Como resultado, el agua se enfría. El botijo esmaltado, que no es poroso, no deja que el agua se evapore y mantiene su temperatura constante, a diferencia del de arcilla. Orientaciones metodológicas Previamente a esta actividad, se puede mojar con agua una hoja de papel y analizar con la cámara lo que le sucede a la hoja. Posteriormente, se puede ampliar añadiendo agua caliente o agua fría, a la hoja de papel o a los dos botijos, para analizar el efecto que se produce en cada uno y compararlo con la experiencia inicial, en la que el agua se encontraba a temperatura ambiente. Finalmente, se rocían con un pulverizador de agua varias superficies, para visualizar el enfriamiento que se origina.

3 Para que un botijo refrigere el agua tiene que estar construido de barro cocido o arcilla blanca (caolín), que es más permeable. Si el botijo es de tipo ornamental y está esmaltado (pintado o lacado), aunque sea de arcilla, el agua no atraviesa los poros y no se evapora, por lo que no refresca el agua que contiene. Otras situaciones que aprovechan el efecto refrigerante de la evaporación del agua son: - regar las calles en verano para refrescar el ambiente. - echarnos agua encima cuando hacemos un ejercicio intenso o colocar un pañuelo mojado en la frente para bajar la temperatura cuando tenemos fiebre. - el sudor de los cuerpos cuando hace mucho calor. Para comprobar el efecto de la evaporación del sudor en el organismo, cogemos una hoja de papel y mojamos la parte inferior con agua. Como se observa en la imagen, la evaporación es un cambio de estado que se produce absorbiendo calor del entorno. Como consecuencia, el papel disminuye su temperatura de forma apreciable mientras se encuentre mojado. Si abanicamos el papel mojado, se renuevan más rápidamente las moléculas en contacto con la superficie del papel y se produce un mayor efecto refrigerante. Imágenes térmicas antes de mojar una hoja de papel y después de mojarla con agua. De la misma forma, el sudor refrigera al evaporarse la superficie de la piel del cuerpo y evita que la temperatura del organismo se eleve por encima de valores peligrosos para el funcionamiento correcto del organismo.

4 INVESTIGACIÓN QUÉ SUCEDE AL CALENTAR UN GLOBO LLENO DE AGUA? Aplicación didáctica El agua hierve a una temperatura de 100ºC, a 1atm de presión, y presenta elevados valores del calor latente de vaporización y del calor específico. Debido a estas propiedades, se utiliza como refrigerante y como agente extintor de incendios. Fundamento científico El plástico con el que se fabrican los globos de las fiestas tiene un punto de ignición superior a los 200ºC. Sin embargo, si contienen agua en su interior y se calientan, no llegan a arder debido al alto valor específico de este líquido, que absorbe el calor que le comunicamos. Incluso llegando a hervir, no supera los cien grados, por lo que el globo no llega a explotar mientras contenga agua. Materiales necesarios Globo de plástico (látex), agua, mechero Bunsen, pinzas metálicas. Cámara térmica. Procedimiento Llenar de agua un globo, cerrarlo con un nudo y sujetarlo con la pinza metálica. Calentar el globo sobre una llama y analizar el proceso de calentamiento con la cámara térmica. Anotar la temperatura que alcanza el globo cada minuto en la zona de contacto con la llama y en la zona media del globo. IMAGEN VISIBLE IMAGEN INFRARROJA Resultados Al calentar el globo con agua durante unos minutos, se observa que en la zona de contacto con la llama la temperatura del globo llega a 138ºC, pero en la zona media no supera los 100ºC. Analiza y reflexiona - Por qué la temperatura del agua contenida en el globo no supera los 100ºC? - Por qué el globo no explota? - Podría llegar a hervir el agua que contiene el globo y no quemarse el plástico? - Qué sucedería si calentamos el globo sin agua en su interior? Coclusiones El elevado calor específico del agua, 4180 J/Kg K es responsable de que para elevar ligeramente su temperatura, absorba una gran cantidad de calor. Como consecuencia, el plástico del globo no llega a alcanzar su punto de ignición, y de esta forma el globo no explota. Incluso el agua podría llegar a hervir, pero al no superar el punto de ebullición, no se alcanzarían temperaturas superiores a los cien grados, por lo que tampoco llegaría a explotar el globo. Orientaciones metodológicas Previamente a esta actividad, se puede comprobar, calentando agua en un recipiente de vídrio, cómo durante la ebullición del agua, a presión atmosférica, la temperatura no supera los 100ºC. Posteriormente, se puede utilizar una olla a presión, para comprobar cómo la temperatura de ebullición aumenta con la presión, y en este caso el agua de la olla puede superar los cien grados centígrados.

5 APLICACIÓN AL MUNDO LABORAL Conocidos los fundamentos de esta tecnología, los propios estudiantes pueden realizan inspecciones reales, lo que sirve como iniciación al mundo laboral. A nivel profesional, después de evaluar las imágenes y los datos térmicos correctamente, hay que comunicar claramente los resultados mediante un informe escrito. Para realizar un documento de inspección, se requiere que el estudiante ponga en práctica los conocimientos adquiridos. I. INSPECCIÓN DE HUMEDADES Y FUGAS DE AGUA Las humedades y fugas de agua son causa de importantes pérdidas económicas y de daños en techos, corrosión de materiales, debilitan la estructura del edificio, ayudan a la formación de mohos y pueden ocasionar derrumbes y cortocircuitos, convirtiéndose en un grave problema. La humedad puede deberse a subidas capilares, filtraciones en las paredes y revestimientos de origen pluvial, condensación, fuga en una tubería, etc. En ocasiones, las filtraciones de humedad son difíciles de detectar a simple vista, pero son visibles con claridad con la termografía. PROCEDIMIENTO 1. Detectar con la cámara térmica zonas donde se presume que puede haber filtraciones de agua. 2. Realizar dos fotografías del sector donde aparezcan contrastes de temperatura sin causa aparente: - Una imagen real con la cámara digital - Una imagen termográfica con la cámara térmica. Imágenes. Análisis de filtraciones de agua y humedades en las instalaciones del instituto. 3. Anotar los valores máximos y mínimos de la imagen y la temperatura que indica la zona analizada. 4. Analizar las zonas donde se han detectando contrastes de color asociados a diferencias de temperatura que se puedan relacionar con humedades. 5. Completar todos los apartados del informe técnico de inspección, incluyendo las conclusiones y recomendaciones.

6 INFORME TERMOGRÁFICO I PROYECTO INSPECCIÓN DE HUMEDADES Y FILTRACIONES Datos del alumno: Nombre: Borja Abad Curso: 1º Bachillerato Datos de la cámara: Marca: Flir Modelo: 5-i Fecha: Hora: Localización: Gimnasio Situación: Pared interior IMAGEN VISIBLE IMAGEN TÉRMICA CONDICIONES AMBIENTALES TABLA DE DATOS Parámetros Valores Parámetros Valores Tª ambiente: Humedad: Velocidad aire: 10ºC 50% 0 Temperatura: Tª máxima: Tª mínima: 8,4ºC 13ºC 7ºC OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En las imágenes infrarrojas realizadas se detectan diferencias de temperatura en la parte inferior de una de las paredes del gimnasio. Las zonas de la pared de menor temperatura se asocian a la presencia de agua que, al evaporarse, absorbe energía del entorno, enfriando las paredes donde se encuentra. Se recomienda revisar todas las tuberías colectoras de agua de lluvia, que son la posible causa de las filtraciones, y revisar los aislamientos y la impermeabilización del techo.

7 II. INSPECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DEL INSTITUTO Las imágenes térmicas están directamente relacionadas con la temperatura, lo que permite utilizar esta técnica como sistema preventivo y correctivo. Analizando los sistemas y líneas eléctricas (equipos eléctricos, cuadros eléctricos, transformadores, fusibles, enchufes, tomas de corriente, cuadros eléctricos, etc.) se detectan calentamientos excesivos que conllevan riesgo de incendio y cortocircuitos (como consecuencia del efecto Joule), de malos contactos y/o sobrecargas de tensión. La exploración de paneles eléctricos permite encontrar posibles fallos que emiten calor, como conexiones sueltas, desequilibrios o sobrecargas. PROCEDIMIENTO 1. Seleccionar un tema relacionado con el estado del sistema eléctrico del Instituto. 2. Realizar dos fotografías del sistema eléctrico analizado: - Una imagen con la cámara digital normal Otra imagen con la cámara térmica. Imágenes. Inspección de cuadros y conexiones eléctricas. 3. Anotar los valores máximos y mínimos de la imagen, y la temperatura que indica el punto analizado. 4. Analizar todos los componentes que aparecen representados en la imagen termográfica: detectando contrastes de color asociados a excesivas diferencias de temperatura. 5. Completar todos los apartados del informe técnico de inspección, incluyendo las conclusiones y recomendaciones.

8 INFORME TERMOGRÁFICO II PROYECTO INSPECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DEL INSTITUTO Datos del alumno Datos de la cámara - Nombre: Mohamed Jazouli - Marca: Flir - Curso: 1ºBachillerato - Modelo: 5i Fecha 3-III-2014 Hora Situación Pasillo planta I Componentes Cuadro eléctrico IMAGEN VISIBLE IMAGEN TÉRMICA CONDICIONES AMBIENTALES TABLA DE DATOS Parámetros Valores Parámetros Valores Tª ambiente Humedad Velocidad aire 22ºC 30% 0 Temperatura Tª máxima Tª mínima 24,4ºC 27ºC 21ºC OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En la termografía de los diferenciales que regulan las líneas 1, 2 y 4, no se observa ninguna anomalía. En el diferencial número 3, se detecta una zona de mayor temperatura, lo que indica un punto caliente debido a un posible sobrecalentamiento de esta línea. Se recomienda revisar y sustituir el diferencial para comprobar si persiste la anomalía. En dicho caso hay que revisar la línea regulada por el diferencial número 3.

9 III. DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO DEL INSTITUTO Uno de los principales factores que influyen en la pérdida de energía en cualquier edificio es el deficiente aislamiento debido a materiales y sistemas mal aislantes. De esta forma, tanto en invierno como en verano, la energía que se gasta en los sistemas de calefacción y de aire acondicionado se elevan y, consecuentemente, el recibo de la electricidad. En una auditoria energética se buscan y analizan deficiencias que repercuten en el coste energético y económico: fugas de calor, causadas por falta de aislamiento o aislamiento insuficiente, debido a juntas de puertas o ventanas rotas (o dañadas) que estén dejando pasar una corriente fría (en invierno) o caliente (en verano); deficiencias del sistema de calefacción o de aire acondicionado que, debido a diferentes motivos (bomba de agua, fugas, burbujas de aire, etc.), hacen que el agua caliente no llegue adecuadamente a todas las zonas del edificio. PROCEDIMIENTO 1. Realizar una inspección de algunos de los siguientes temas energéticos: los sistemas de aislamiento del edificio del instituto (puertas, ventanas, tuberías, grietas, etc.) para detectar posibles fugas térmicas debidas a deficiencias en el aislamiento y, de esta forma, evitar pérdidas económicas. 2. Realizar dos fotografías del sistema analizado: una imagen real con la cámara digital y una imagen termográfica con la cámara térmica. Imágenes. Análisis del sistema de calefacción. 3. Anotar los valores máximos y mínimos de la imagen y la temperatura del punto enfocado. 4. Analizar todos los componentes que aparecen representados en la imagen termográfica, detectando contrastes de color asociados a excesivas diferencias de temperatura que se puedan considerar como problemáticas. 5. Completar todos los apartados del informe técnico de inspección, incluyendo las conclusiones y recomendaciones a seguir.

10 INFORME TERMOGRÁFICO III PROYECTO DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO DEL INSTITUTO Datos del alumno Datos de la cámara - Nombre: Mikel Ferrer Oliva - Fabricante: Flir - Curso: 1º Bachillerato - Modelo: 5i Fecha 10-XII-2013 Hora 10:15 Situación Patio exterior Componentes Ventanas IMAGEN VISIBLE IMAGEN TÉRMICA CONDICIONES AMBIENTALES TABLA DE DATOS Parámetros Valores Parámetros Valores Tª ambiente Humedad Velocidad aire 4ºC 60% 2 km/h Temperatura Tª máxima Tª mínima 12,6ºC 15ºC 4ºC OBSERVACIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En la imagen térmica se observan zonas calientes que coinciden con las ventanas y que corresponden a fugas térmicas. Se recomienda, para ahorrar energía: - mantener las ventanas cerradas cuando la calefacción se encuentra encendida. - sustituir las ventanas por un sistema de doble acristalamiento hecho en cámara de vacío que aísle mejor de la temperatura exterior.