CÓMO SE RELACIONAN LOS COMPONENTES DEL MUNDO? De qué maneras se transfiere el calor? Introducción Figura 1. Explorador (Boy Scout) Partiendo de la observación del video, responde 1. En qué momento ocurrió transferencia de calor? 2. Explica: qué es transferencia de calor? SM_S_G09_U03_L01_M 1
Objetivos de aprendizaje Establecer diferencias entre los procesos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Explica la transferencia de energía térmica por conducción, a partir de colisiones moleculares. Verifica la transferencia de energía por convección. Explica la formación de los vientos en la atmósfera. Investiga sobre las condiciones que permitirían capturar con mayor eficacia la energía eólica del entorno. Da ejemplos e ilustra procesos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación. La teoría calórica Entre los siglos XVII y XVIII se realizaron varios estudios para explicar el comportamiento del calor, llegando a determinar la teoría calórica, que consideraba el calor como un fluido hipotético, el calórico impregnaba la materia y era responsable de su calor; este fluido pasaba desde sustancias calientes a sustancias frías 1. Autores como Lavoisier expresaba en su Tratado Elemental de Química que, Las moléculas de todos los cuerpos de la naturaleza están en un estado de equilibrio, entre la atracción que tiende a aproximarlas, y la acción del calórico, que tiende a separarlas. Según su mayor o menor cantidad de calórico, los cuerpos son gas, líquido o sólido (1789). La teoría fue perdiendo adeptos al no poder explicar la producción de calor por rozamiento, y la transferencia de calor en líquidos. Figura 2. Chimenea Pérdida de credibilidad que se refuerza en 1842 con los concluyentes experimentos sobre la equivalencia entre calor y energía, por parte de James Prescott Joule, físico británico, a quien se le debe la teoría mecánica del calor, y en cuyo honor la unidad de la energía en el sistema internacional recibe el nombre de Julio. Sus análisis se interpretaban así: La energía cinética no desaparecía para nada. El movimiento de una pelota al rodar producía rozamiento contra el suelo; el rozamiento producía calor; por consiguiente, el movimiento de la pelota al rodar se convertía lentamente en el movimiento de millones y millones de partículas: las partículas de la pelota y las del suelo sobre el que rodaba. El calor sería entonces otra forma de energía en movimiento. (1842) En la actualidad el término calor es una forma de energía que se propaga entre objetos con diferentes temperaturas. 1 Martínez. (Sf). Termodinámica básica y aplicada. Recuperado de : http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/appendices/historia%20de%20la%20termodinamica.pdf SM_S_G09_U03_L01_M 2
Actividad 1 Observa la información presentada Unidades de medida del calor La caloría (cal), es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua a 1 atmósfera de presión para elevar su temperatura de 15C a 16C El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.). 4,184 J = 1 cal Por ejemplo 63 calorías de una chocolatina equivalen aproximadamente a 264 J Qué pasa al aumentar o disminuir el calor sobre una sustancia? Al ganar o ceder calor una sustancia puede cambiar de un estado a otro; a este proceso se le denomina cambio de fase Aumenta la temperatura Cuando un sólido gana o absorbe calor debido a un incremento de temperatura, se presenta el proceso denominado fusión Figura 3. Estado sólido Figura 4. Cambio estado SM_S_G09_U03_L01_M 3
Aumenta la temperatura Cuando un líquido gana o absorbe calor debido a un incremento de temperatura, se presenta el proceso denominado vaporización o ebullición Figura 5. Estado Líquido Figura 6. Líquido en ebullición Disminuye la temperatura La condensación es el cambio de estado de la forma gaseosa a la forma líquida. En la naturaleza se observa la condensación en el rocío de la mañana. El aire pierde calor debido a la disminución de temperatura, y es cedido al ambiente que se condensa en forma de gotas Figura 7. Estado gaseoso Figura 8. Rocio de la mañana SM_S_G09_U03_L01_M 4
Observa la figura 9 y deduce si en cada proceso se presenta una ganancia o pérdida de calor en cada objeto. Figura 9. Gráfico cambios de estado Solidificación Fusión Cristalización Sublimación Vaporización Condensación SM_S_G09_U03_L01_M 5
Observa las definiciones de conducción, colisiones moleculares, radiación y convección. Conducción Se denomina conducción al proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos. El calor fluye desde un cuerpo a mayor temperatura, a otro a menor temperatura Figura 10. Vaso con líquido caliente Colisiones moleculares La conducción se produce gracias a las colisiones moleculares que se dan al interior de un material. Cuando se calienta el extremo de un objeto, las moléculas en su lugar se mueven cada vez más rápido, chocando con sus moléculas vecinas y transfiriendo parte de su energía cinética En los metales son las colisiones de los electrones libres los responsables de la conducción Figura 11. Fenómeno de colisión, bolas de billar Figura 12. Representación movimiento de moléculas. Fenómenos de colisión Radiación Los cuerpos emiten parte de su energía térmica como ondas electromagnéticas. Esta emisión se hace normalmente en ondas infrarrojas, invisibles; pero cuando la temperatura es alta, se llega a emitir también radiación visible Figura 13. Radiación del sol Convección Se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas Figura 14. Convección en líquidos SM_S_G09_U03_L01_M 6
Reúnete con dos compañeros y respondan las siguientes preguntas: Señalen en cada una de las figuras 15, 16 y 17, a qué tipo de transferencia de calor corresponde. Dé su respectiva explicación. Posteriormente da tres ejemplos de cada uno de los tipos de transferencia de calor. 1. Qué es necesario para que se caliente el líquido que está en la olla? Figura 15. Hornilla 2. Cómo funciona un panel solar? Figura 16. Central solar 3. Qué ocurre con el líquido en el interior del recipiente cuando se calienta? Figura 17. Experimento SM_S_G09_U03_L01_M 7
Actividad 2 Observa con atención la secuencia de figuras (18 a la 21), en ellas se presenta el proceso de colisiones moleculares en la transferencia de calor por conducción. Figura 18. Transferencia de calor: conducción Mango de madera Al realizar un zoom al mango de madera de la olla, se pueden observar las moléculas de cada objeto. Cacerola Placa Caliente Figura 19. Moléculas en movimiento, zoom al mango de madera Mango de madera Observa lo que sucede al aumentar la llama de la estufa. Cacerola Placa Caliente Figura 20. Moléculas en movimiento, aumentando la energía de la estufa SM_S_G09_U03_L01_M 8
Mango de madera Inicialmente vibran las partículas de la placa de la estufa, este movimiento se propaga a toda la olla y genera un aumento de temperatura. Cacerola Placa Caliente Figura 21. Moléculas en movimiento, aumentando la energía de la estufa Cuando el movimiento llega al mango de madera que está en contacto con la olla, se evidencia una disminución de vibración de las moléculas. 1. A qué se debe el movimiento de las moléculas que se da en la olla? 2. Por qué es más lento el movimiento de las moléculas en el mango de madera? SM_S_G09_U03_L01_M 9
Actividad 3 Para desarrollar la actividad se requieren los siguientes elementos: Beaker Mechero Trípode Rejilla metálica Trozos de papel Figura 22. Elementos para experimento Realiza el montaje como se observa en la figura 23 Procedimiento: Enciende el mechero Llena el beaker con agua hasta la mitad y deposita los trozos de papel. Espera unos minutos hasta calentarse el líquido. Figura 23. Montaje experimental Observa y responde: Qué sucede con los trozos de papel al calentarse el líquido? SM_S_G09_U03_L01_M 10
A qué se debe este fenómeno? En qué momento se detiene el movimiento de los trozos de papel? Analiza las siguientes figuras de transferencia de calor por convección en líquidos y corrientes de convección. Convección en líquidos El líquido depositado en una olla sobre una fuente de calor (estufa) experimenta un aumento en su energía calórica. El líquido que está en el fondo experimenta mayor calor, luego asciende y desplaza el líquido más frío de la superficie, este a su vez desciende y se calienta. Figura 24. Movimiento convección en los líquidos SM_S_G09_U03_L01_M 11
En la figura 25 y 26 observa un ejemplo de convección en la atmósfera a escala local que se presenta en las costas colombianas. Corrientes de convección La porción caliente del fluido (aire) sube hacia regiones más frías, y cede energía térmica a las zonas vecinas, enfriándose. Figura 25. Corrientes de convección en el día Corrientes de convección Las corrientes de convección durante la noche se dan de la costa hacia el mar, el agua absorbe el calor del sol durante el día y en la noche es liberado. Figura 26. Corrientes de convección en la noche Partiendo de lo observado responda: Qué diferencia notas entre las figura 25 y 26 con respecto al movimiento de las flechas y el color que tienen?, a qué se debe la diferencia? SM_S_G09_U03_L01_M 12
Explica la relación que existe entre las figuras 24, 25 y 26? El clima y las corrientes de convección Observa con atención el gráfico En zonas con aire caliente se presenta presión atmosferica baja Zonas con aire frío se presenta Presión atmosferica alta Se denominan Se denominan ciclones o borrascas anticiclones Gráfico 1. El clima y las corrientes de convección Ahora realicemos la siguiente interpretación del grafico 1: cuando se comunican dos zonas que están a diferente presión, el aire se mueve desde la zona dónde hay más presión (anticiclones) hacia dónde hay menos presión (borrascas) originando los vientos (masas de aire en movimiento). El aire a su vez contiene vapor de agua, la capacidad del aire para contener vapor de agua varía en función de la temperatura, de modo que cuanto más frio esté el aire, menos cantidad de vapor de agua podrá admitir, hasta llegar a la condensación y formarse pequeñas gotas de agua líquida que caen a la superficie terrestre en forma de lluvia. Zona de altas presiones Zona de bajas presiones Zona de altas presiones Zona de bajas presiones Figura 27. Representación de las zonas de presión SM_S_G09_U03_L01_M 13
Actividad 4 Para desarrollar la actividad se requieren los siguientes elementos: Papel bond Vela Encendedor Tijeras e hilo Procedimiento: 1. Dibuja en una hoja de papel bond la silueta de una serpiente Figura 28. Papel Bond Figura 29. Silueta de serpiente en papel 2. Recorta la silueta, posteriormente realiza un corte en la parte superior y pasa un hilo por el orificio para poder colgar la silueta Figura 30. Recorte de silueta SM_S_G09_U03_L01_M Figura 31. Punto central de la silueta 14
Figura 32. Hilo en el orificio de la silueta 3. Toma el hilo y átalo en una estructura firme y ubica la vela debajo, como lo muestra la figura 33; posteriormente enciende la vela Figura 33. Silueta suspendida de una estructura Figura 34. Encender la vela Observa lo que sucede y explica a qué se debe el movimiento de la silueta de la serpiente? SM_S_G09_U03_L01_M 15
Observa la animación sobre la formación de vientos en la atmósfera, registra tus apreciaciones en la siguiente guía. Guía de observación animación Nombre del observador (estudiante): Nombre del docente: Objetivo: Fecha: Toma nota de los aportes que te permitan responder a la siguiente pregunta: Consulta y explica: Cómo se forman los huracanes? Figura 35. Vista satelital del ojo del huracán Figura 36. Huracán Dennis Florida SM_S_G09_U03_L01_M 16
Actividad 5 Observa con atención el video de producción de energía eólica. A continuación toma nota de las ideas fundamentales del video, respondiendo a las preguntas propuestas. Guía de observación video Objetivo: Nombre del estudiante: Nombre del docente: Nombre del video: Realiza el resumen del video, retomando aspectos importantes: Partiendo de las siguientes imágenes responda: Qué condiciones favorecen la producción de energía eólica? Figura 37. Departamento de la Guajira Se utiliza para medir la velocidad del viento y se denomina? Figura 38. Elemento de un aerogenerador SM_S_G09_U03_L01_M 17
Consulta: qué condiciones permitirían capturar con mayor eficiencia la energía eólica? Analiza los siguientes fenómenos y describe el proceso de transferencia de calor que ocurre en el efecto invernadero, y en el funcionamiento de un termo o frasco de Dewar. Figura 39. Efecto invernadero Figura 40. Termo o frasco de Dewar SM_S_G09_U03_L01_M 18
Actividad 6 Comparte conocimientos: reúnete con dos compañeros e identifiquen el tipo de transferencia de calor al que corresponde cada imagen. Figura 41. Playa Figura 42. Cubos de hielo Figura 43. Líquido en ebullición Figura 44. Vaso con líquido caliente Figura 45. Hierro fundido Figura 46. Sistema térmico Figura 47. Radiación del sol Figura 48. Corrientes de viento SM_S_G09_U03_L01_M 19