Sugerencias didácticas

1. Introducción

A. Sugerimos la lectura del siguiente documento: Propuesta didáctica para la enseñanza del tema temperatura y termómetros. Contiene actividades sencillas y muy interesantes.

Tomado de: Amaral, G. y Grompone, M. A. (1997). Una metodología para elaborar los conceptos de calor y temperatura en un curso de Introducción a las Ciencias. Asociación de Educadores en Química Uruguay. IX(12), 37-66.

2. Ideas previas más comunes en torno a los conceptos de calor y temperatura:

Las ideas previas se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Sobre el concepto de temperatura: identificar a la temperatura como la medida del calor de los objetos.
• Sobre la temperatura como propiedad intensiva: pensar que existen sustancias frías y calientes (ej. metal y lana); o cálculos numéricos erróneos (ej. mezclar agua a 20 ºC con agua a 30 ºC y predecir que se obtendrá agua a 50 ºC). Estas ideas posiblemente surjan del hecho de que los alumnos no han adquirido el concepto de equilibrio térmico.
• Sobre el concepto de calor: confunden calor con temperatura; sostienen que el calor reside en los cuerpos ignorándose el aspecto de transferencia. Son las más difíciles de combatir y las más persistentes.
• Sobre el frío como algo que existe en contraposición al calor: dotan al frío las mismas características generales que el calor salvo que son contrapuestas (ej. manifestar que una sustancia se enfría dentro de una heladera porque recibe frío de la misma).
• Sobre otros conceptos vinculados: no reconocer al medio como intercambiador de calor con diferentes sistemas (ej. si se deja un vaso con agua caliente sobre una mesa, los alumnos no reconocen que el calor se transfiere hacia el ambiente, generalmente sostienen que el sistema recibe frío); suponer que el hielo solo puede estar a 0 ºC; suponer que si se mezcla hielo a 0 ºC con alcohol a -10 ºC, el hielo enfría al alcohol.

3. Estructura general de la metodología propuesta:

Se propone realizar 7 experiencias, cada una está formada por una actividad experimental, actividades previas y posteriores del tipo ejercicios, cuestionarios, etc.

A medida que se realizan las experiencias, se van sacando conclusiones, las que conducen hacia el final del trabajo, a los conceptos de calor y temperatura. Debido a ello resulta fundamental que el alumno documente dichas conclusiones en una sola página. 

Cuadro 1 - Características de las experiencias

3.1. Experiencia 1: Concepto de equilibrio térmico

PreLab: Se muestra en la clase los siguientes objetos

• aire
• trozo de madera (con un agujerito para introducir el termómetro)
• madeja de lana
• arena
• vaso con agua
• hierro en polvo
• paño de tela
• pedregullo (debe estar pulverizado para lograr un buen contacto con el termómetro)

Cuestionario de explicitación de ideas previas: el cuestionario es completado en grupos y LUEGO de realizada la experiencia se les devuelve para que corrijan (o no) sus afirmaciones.

Marca con una cruz los objetos que crees que están a menor temperatura y subraya los que crees que están a mayor temperatura.

Lab: Se mide la temperatura de los objetos traídos a la clase.

PostLab: Discusión de los resultados obtenidos. Se completa el cuestionario de PostLab y se analiza el concepto de equilibrio térmico.

Cuestionario PostLab:

• ¿Es mayor la temperatura de la madera que la del metal?
  
• ¿Cómo son las temperaturas de los objetos de la clase?
  

Conclusión: si se comparan las temperaturas de los objetos que están en un mismo ambiente, ¿cómo son entre sí?

Autoevaluación: se comparan las respuestas del formulario de PostLab con las del de explicitación. Se plantea el conflicto entre ambas y se intenta que los propios estudiantes encuentren las causas de las contradicciones.

Análisis de las contradicciones. A partir de las contradicciones se deben sacar conclusiones; por ejemplo: la mano no es un buen termómetro. El alumno debe comenzar a llenar su ficha de conclusiones.

Para una correcta elaboración de los conceptos es mejor no habla de "objetos calientes y fríos" sino de objetos a mayor y a menor temperatura. Con ello desde el comienzo del tratamiento del tema, se evita la confusión entre temperatura y calor.

Para el profesor: La temperatura se define como la propiedad que tienen en común todos los sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. Para los alumnos alcanza con la definición operacional: la temperatura es la propiedad que se puede medir con un termómetro.

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3.2. Experiencia 2: Aplicación del concepto de equilibrio térmico

PreLab: Resolución de ejercicios en los que se aplica el concepto de equilibrio térmico. Los alumnos deben resolverlos por sí solos, por ejemplo como tarea domiciliaria, y NO discutirlos hasta que se haya realizado la experiencia.

Ejercicios:

1. Se envuelve un objeto de hierro con una campera. Al cabo de un tiempo, ¿cuál tiene menor temperatura?
2. Se coloca un buzo de lana debajo de una remera de verano. ¿Cuál de los dos tiene mayor temperatura?

Lab: Se mide la temperatura de los objetos en los ejercicios planteados.

PostLab: Discusión de las conclusiones de la experiencia así como las contradicciones aparecidas.

Búsqueda de explicaciones: La conclusión final a sacar es que la mano no es un buen termómetro. Es importante anotarla en la ficha de conclusiones.

Queda pendiente la explicación de por qué la mano no es un buen termómetro ya que no se ha trabajado el concepto de calor ni cómo ocurre su transferencia.

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3.3. Experiencia 3: Repaso del concepto de propiedad de un sistema

PreLab: Repaso general del concepto de propiedad (trabajo grupal).

Lab: Se lleva un resorte a la clase y se discuten sus propiedades (altura, ancho, masa, color, temperatura, etc.). Se estira, se observa y se contesta el cuestionario siguiente:

Formulario de observación:

1. Al estirar el resorte, ¿qué propiedad cambió?

2. ¿Por qué cambió esa propiedad?

PostLab: Toda la clase debe elaborar las conclusiones. Se debe resaltar el hecho de que las propiedades NO se transmiten.

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3.4. Experiencia 4: La temperatura como una propiedad intensiva

PreLab: Se comienza retomando la experiencia 3 y discutiendo por qué la temperatura se encuentra dentro del listado de propiedades del sistema. Es fundamental explicitar las conclusiones de la experiencia anterior mediante la respuesta a la siguiente pregunta: La temperatura es una propiedad, ¿se puede transmitir?

Lab: Se aumenta la temperatura de arena dentro de un vaso de Bohemia, hasta unos 70 ºC. Se mide la temperatura a intervalos regulares de tiempo y se grafican los datos.

PostLab: El alumno debe completar un cuestionario que conducirá a establecer un paralelismo entre el "largo" (o altura) del resorte y la temperatura de la arena como propiedades que se modifican.

Cuestionario:

1. ¿Qué propiedad de la arena cambió en esta experiencia?

2. ¿Por qué cambió esta propiedad?

Si marcan las opciones a o c se debe recurrir a la respuesta dada en el PreLab. Con ello se busca una autocorrección de los propios errores. El alumno debe anotar en la ficha de conclusiones que la temperatura es una propiedad de los objetos y que, como tal, no se puede transmitir.

Para finalizar esta experiencia resulta muy clarificador establecer un cuadro comparativo entre las 2 últimas experiencias:

Cuadro 2 - Resumen de las experiencias 3 y 4

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3.5. Experiencia 5: Relación entre los conceptos de calor y temperatura

PreLab: Planteo del cuestionario de explicitación de preconceptos. Es primordial que los alumnos lo elaboren a partir de lo que piensan, sin libros ni intervención del profesor.

Cuestionario:

i. Marca, en cada frase, las opciones que consideras correctas (puede haber más de una):

1. La temperatura de un objeto es:

a. el calor que hay dentro del objeto.
b. una forma de energía.
c. una propiedad de ese objeto.

2. El calor es:

a. una forma de energía.
b. la temperatura que tienen los objetos.
c. una propiedad de los objetos distinta de la temperatura.

ii. Marca si la siguiente frase es verdadera o falsa: 

La temperatura y el calor son la misma cosa.

El alumno debe completar el siguiente cuadro de conclusiones:

1- La temperatura es _______________________________________

2- Siempre que se entrega calor a los objetos, su temperatura _______________________________________

3- Para que un objeto aumente su temperatura necesariamente hay que _______________________________________

En este cuestionario el alumno debe llegar a sacar tres conclusiones, cuya redacción está guiada por el propio cuestionario (posiblemente, cualquiera de las tres sea incorrecta porque, generalmente, surgen a consecuencia de los preconceptos que ellos poseen). Es importante que dichas conclusiones, así como otras que surjan, se anoten en el cuaderno, de modo conciso y claro, y que, luego de completada la experiencia 5, la autocorrección permita la reelaboración de los preconceptos.

Para el profesor: Generalmente los alumnos contestan:

1- La temperatura es el calor que hay dentro de los objetos.

2- Siempre que se entrega calor a los objetos, su temperatura aumenta.

3- Para que un objeto aumente su temperatura necesariamente hay que entregarle calor.

Una buena técnica para trabajar es recoger los formularios anteriores y volver a repartirlos DESPUÉS de realizada la experiencia y de haber sacado las conclusiones correspondientes en el Lab. De este modo los alumnos pueden corregir lo que habían contestado anteriormente, realizando la autoevaluación.

Lab: Se mide la temperatura del agua mientras se aumenta su temperatura hasta ebullición y se continúan las medidas durante unos minutos más. Se debe tener especial cuidado que los alumnos observen que, a pesar de tener el mechero prendido, la temperatura no aumenta.

PostLab: Se redactan las conclusiones más importantes a partir del siguiente cuestionario.

Cuestionario:

Luego de realizar la experiencia, contesta las siguientes preguntas:

a. ¿Deja el mechero de entregar calor en algún momento al agua?
b. ¿Se mantiene constante la temperatura del agua en algún momento?
c. ¿Es cierto que siempre que se entrega calor a un sistema, aumenta su temperatura?
d. ¿Se puede concluir que la temperatura es la cantidad de calor de un objeto? Revisa tu respuesta a la pregunta c.

Conclusiones: Redacta tus conclusiones a partir de tus respuestas al cuestionario anterior. Regístralas en la ficha de conclusiones.

Se pueden contrastar estas conclusiones con las de la actividad del PreLab.

El cambio conceptual no debe considerarse como un paso ya logrado, sino que deberá reafirmarse en experiencias sucesivas y con la frecuentación constante de estos temas a lo largo del año.

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3.6. Experiencia 6: Reafirmación de la relación entre calor y temperatura

Para reforzar las conclusiones de la experiencia 5 se plantea esta experiencia en la que se observan cambios en la temperatura sin un intercambio de calor.

PreLab: Comenzar por resaltar que ya se ha discutido que el calor y la temperatura no son equivalentes. 

Lab: Se mide el aumento de la temperatura del agua provocada por la disolución del NaOH sólido y la disminución de la temperatura del agua provocada por la disolución del KNO₃. (También se puede determinar cualitativamente el aumento de la temperatura de una regla cuando se frota con una tela o lana, o de ambas manos al frotarlas entre sí, aunque no se pueda medir con un termómetro). Se debe tener especial cuidado en definir los sistemas involucrados y en medir las temperaturas iniciales y finales. Es fundamental EVITAR usar los verbos calentar, enfriar, etc. Es conveniente hablar de entregar calor, aumentar la temperatura, etc.

PostLab: Los alumnos deben corregir la tercer conclusión en el formulario PreLab de la experiencia 5.

Lo más importante de esta experiencia es el arribo a la conclusión de que los conceptos de calor y de temperatura son diferentes y, en consecuencia, no siempre están asociados.

Para el profesor: Para el caso en el que se disuelve NaOH sólido en agua, el docente puede incurrir en el error muy común de explicar el fenómeno diciendo "la temperatura sube porque la disolución del NaOH en agua desprende calor, el que es utilizado por la solución para aumentar su temperatura". Para analizar por qué dicha frase NO es correcta, se debe recurrir en primer lugar a la definición termodinámica de CALOR. El CALOR es una cantidad que fluye a través de las fronteras de un sistema, durante una transformación, en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores; el calor fluye desde el punto de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

Por dicha definición se deben resaltar las siguientes propiedades del calor:

• aparece SOLO EN LAS FRONTERAS del sistema
• aparece SOLO DURANTE UNA TRANSFORMACIÓN
• se manifiesta como un efecto en los alrededores
• es una magnitud algebraica (NO SE DEFINE COMO UNA ENERGÍA MÁS).

En el caso de la disolución de NaOH en agua se debe comenzar por definir el sistema. Por sencillez se toma el contenido en el recipiente, es decir, el formado por el agua y la soda, siendo sus fronteras el recipiente y la superficie del líquido (pueden definirse otros sistemas pero la discusión en clase se torna mucho más difícil).

Para entender mejor el proceso, se puede imaginar el mismo sistema anterior pero contenido en un recipiente adiabático y rígido. En este caso no existe ni trabajo mecánico (puesto que el recipiente no puede modificar su volumen) ni calor (recordar que no hay calor porque éste sólo se puede manifestar en las fronteras del sistema y en este caso, ellas son adiabáticas). Al disolverse la soda en el agua la temperatura sube; por lo tanto, existe un aumento de temperatura sin transmisión de calor. ¿Cuál es la correcta explicación de por qué aumenta la temperatura? La respuesta no es sencilla pero podría resumirse así: aplicando a este caso el Primer Principio de la Termodinámica (ΔE = Q - W), la variación de la energía interna es cero ya que W = Q = 0. La "energía interna" es, en realidad, la energía total del sistema (incluye las energías térmica, de rotación de las moléculas, de los enlaces, de red, de solvatación, etc.). Al disolverse la soda en agua, alguno de esos términos disminuyen, mientras que otros aumentan PERO DE MODO TAL QUE EL TOTAL PERMANECE CONSTANTE. En este caso uno de los términos que aumenta es el de la energía térmica, lo que se visualiza como el aumento de la temperatura del sistema.

Si se considera ahora el sistema sin la aislación (como ocurre generalmente en el laboratorio de clase), la explicación anterior es una buena aproximación al porqué del aumento de la temperatura al disolverse NaOH en agua. Esto es debido a que la disolución es muy rápida por lo que el sistema no tiene tiempo de transferir calor hacia el exterior: se puede considerar la disolución como si fuese prácticamente adiabática. LUEGO de que la temperatura del sistema aumentó, existe transferencia de calor hacia el ambiente (pues éste se encuentra a una temperatura menor). En resumen, la explicación del aumento de temperatura de este sistema no es tan sencilla como parece en primer momento. Si el docente llegara a explicar el aumento de temperatura como se indicó al principio: "la temperatura sube porque la disolución del NaOH en agua desprende calor, el que es utilizado por la solución para aumentar su temperatura" estaría incurriendo en un grave error conceptual y, a la vez, echando por tierra el objetivo de que el estudiante observe que existen procesos en los que cambia la temperatura sin transferencia de calor.

A los efectos de la clase, se recomienda que el profesor señale que al disolverse el NaOH en agua, la temperatura aumenta sin que exista ningún agente que entregue calor. Puede ser que surja en clase la discusión de que existe intercambio de calor con el ambiente; el profesor debe dejar bien claro que ese es un fenómeno que ocurre DESPUÉS del aumento de la temperatura.

El fenómeno de la disolución de KNO₃ en agua se puede explicar de modo similar sólo que la temperatura disminuye en vez de aumentar pues es un proceso endotérmico.

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3.7. Experiencia 7: Calor como energía en tránsito

Como último paso, antes de la formulación del concepto de calor, es necesario comprobar la naturaleza de su intercambio desde el cuerpo a mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

PreLab: Se debe plantear la pregunta: ¿Cuándo se relacionan el calor y la temperatura?

Lab: Se coloca arena en una vaso de Bohemia de 500 mL como mínimo y se aumenta su temperatura hasta aproximadamente 70,0 ºC. Luego se coloca dentro de él un recipiente de metal (por ejemplo, una lata) que contenga también arena a temperatura ambiente. Se mide la temperatura de la arena contenida en cada recipiente, a medida que pasa el tiempo. Se representan las curvas de la temperatura de cada recipiente en función del tiempo, en un mismo par de ejes coordenados. 

Se obtiene una curva ascendente y otra descendente que tienden a un mismo valor final de la temperatura (equilibrio térmico).

PostLab: Análisis de los resultados. Para ello se debe delimitar claramente los sistemas y sus fronteras (por ejemplo, la separación entre los dos recipientes con arena). Los alumnos generalmente explican la disminución de la temperatura de la arena caliente y el aumento de la de la arena fría por medio de la "transferencia de temperatura". Si esto ocurriese, es fundamental que cada alumno consulte la ficha de conclusiones y busque la contradicción con lo ya anotado. 

El cuestionario final permite estudiar la relación entre el equilibrio térmico, la transferencia de calor y el sentido de dicha transferencia. Con esto se habrán completado los pasos hacia la definición de calor.

Cuestionario:

1- ¿Por qué disminuye la temperatura de la arena que se encuentra dentro del vaso de Bohemia?

2- ¿Por qué aumenta la temperatura de la arena que se encuentra dentro de la lata?

3- El calor se transfiere desde la arena que se encuentra dentro de ___________________ hacia la arena que se encuentra dentro de ___________________.

4- Al finalizar el experimento, ¿cómo es la temperatura de la arena dentro de la lata respecto a la temperatura de la arena dentro del vaso de Bohemia?

5- ¿Cuándo deja de transferirse el calor entre los recipientes con arena?

Conclusiones: Si dos objetos están a igual temperatura, entonces no existe ___________________.

Si dos objetos están a distinta temperatura, entonces existe transferencia de ___________________. Este pasa desde el objeto que se encuentra a ___________________ temperatura, hacia el que se encuentra a ___________________ temperatura.

El planteo de ejercicios conceptuales y no numéricos, que involucran los conceptos de calor y temperatura, sirven para que los alumnos apliquen las conclusiones a las que han arribado.

Para el profesor: En esta experiencia es importante que el alumno conciba al calor como una energía en tránsito desde el objeto a mayor temperatura hacia el de menor temperatura y el intercambio termina cuando no existe más diferencia de temperaturas. Nos es conveniente hablar de cuerpos calientes y fríos; de lo contrario se contribuye a la idea errónea del calor como energía conservable dentro de los objetos.

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4. Definición de calor

Luego de haber logrado caracterizar al calor como una energía en tránsito, es conveniente presentar su definición. Por ser un concepto muy abstracto, es muy poco probable que los estudiantes lo deduzcan por sí mismos. Una definición rigurosa es: "cantidad que fluye a través de la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperaturas entre el sistema y el medio. Fluye desde el punto de mayor temperatura hacia el de menor". Nótese que en la definición no se habla de energía. Algunos autores sostienen que la energía debe conservarse en una transformación cíclica y, por lo tanto, ni el calor ni el trabajo, son verdaderas "energías". Otros hablan de "energía en tránsito" para referirse al trabajo y al calor, y de "energía" para aquellas que se pueden almacenar dentro de los objetos y que se conservan en las transformaciones cíclicas. De todas maneras, es imposible realizar dicha distinción a nivel liceal; alcanza con recalcar que el calor es una energía que NO SE ALMACENA en los cuerpos sino que solamente existe como transferencia entre objetos a distinta temperatura.

Uno de los mayores inconvenientes que tiene la noción de calor radica en el nivel de abstracción. El estudiante no concibe (porque es muy abstracto y difícil para la edad en que se encuentra) que el calor solo exista en tránsito y no se almacene dentro de los objetos. En este sentido se recomiendan dos cosas; en primer lugar, no hablar del calor como una energía más sino aclarar que es una ENERGÍA EN TRÁNSITO. En segundo lugar, plantear la famosa analogía lluvia-calor como forma de ilustrar el concepto:

Cuadro 3 - Analogía lluvia-calor

Para reafirmar el concepto de calor como un cierto tipo de intercambio de energía, se deben proponer ejercicios sencillos, conceptuales, no numéricos, que impliquen la identificación clara de los sistemas involucrados y los límites por donde se transmite el calor.

5. Otros preconceptos

¿Por qué parece más "frío" el metal en contacto con la mano que la madera o el plástico? ¿Por qué abriga la lana?

Para el profesor: Aquí es necesario discutir cómo se conduce el calor. Sería bueno que se comenzase por indicar que existen materiales que conducen fácilmente el calor (metales, mármol, etc.) y que, en contacto con la mano, permiten que el calor que se desprende de la misma sea rápidamente conducido a través del objeto, de ahí nuestra sensación de frío. A continuación se puede indicar que otros materiales son malos conductores del calor (madera, goma, lana, etc.). Al poner en contacto nuestra mano con objetos hechos con esos materiales, el calor pasa desde nuestra mano hacia el objeto pero no se conduce rápidamente por todo el mismo, se produce un calentamiento local y por eso se siente menos frío que un objeto metálico por ejemplo.

Para reafirmar estos conceptos, es interesante discutir sus aplicaciones cotidianas, por ejemplo: ¿por qué los mangos de algunas ollas son de madera, no de metal?, ¿por qué los techos de metal hacen que las viviendas sean más calientes en verano y frías en invierno, etc.?

Eliminar la noción de frío como algo de igual naturaleza que el calor pero de efectos contrarios. Para ello es importante plantear, en los ejemplo que presentan confusión y que inducen a pensar que existe el frío como magnitud, que existe transferencia de calor. Por ejemplo: si se le pregunta a los alumnos qué sucede si ponen la mano en la heladera, sostienen que la heladera nos transmite frío. Se puede discutir la situación planteando que en realidad es la mano la que transfiere calor hacia la heladera.

6. Sugerencias

• Para el trabajo de esta unidad es importante no confundir a los alumnos con términos como agua caliente, agua fría, quién es el que calienta el agua, etc., sino usar términos más rigurosos: agua a temperatura elevada, agua a temperatura baja, quién es el que transfiere calor hacia el agua, etc.
• Se debe recurrir constantemente, luego de cada experiencia, a la ficha de conclusiones. Es un instrumento muy clarificador y simplificador.
• Los ejercicios planteados deben estar estrechamente relacionados con la práctica y si surgen dudas a nivel de la clase, entonces se debe dirimir las discusiones a través de la experimentación.
• Es fundamental el conflicto constante en todas las clases y la autoevaluación por parte de los alumnos. Esta última debe ser formativa a lo largo de todo el proceso y solo plantear una evaluación sumativa al finalizar todo el tratamiento de los conceptos.
• En cuanto al concepto de calor, el tema debe ser planteado rigurosamente, pero debido a su grado de abstracción, los alumnos tienen mucha resistencia a incorporarlo. Se sugiere que en los temas que continúan (cambios de estado, trabajo y energía eléctrica) se realice un enfoque que apunte siempre a los balances energéticos, los que permiten frecuentar todos los temas aquí tratados.
• Finalmente, cabe destacar que no creemos que el tema deba darse por finalizado solo porque ha sido trabajado exhaustivamente. La diferencia entre los conceptos de calor y temperatura y su definitiva incorporación a los esquemas de conocimiento, se debe ir logrando en años siguientes y cada vez que se pueda. Se debe recordar que los mismos se incorporarán con mayor facilidad si son frecuentados y trabajados con rigurosa precisión y si son aplicados en la vida diaria. Lamentablemente, el concepto de calor que generalmente se utiliza en la vida cotidiana está más cerca del que surge de la teoría del calórico que del concepto termodinámico modernamente aceptado. Por eso puede desalentar el hecho de que en años siguientes algunos de los temas aquí presentados puedan parecer desaprendidos por parte de los alumnos. El desafío es, pues, que la frecuentación rigurosa se dé en alto grado en años siguientes.

7. Ejemplo de ficha de conclusiones