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ENSEÑANZA DE LOS CONCEPTOS

DE CALOR Y TEMPERATURA

UTILIZANDO EL EXPERIMENTO

COMO HERRAMIENTA DE CAMBIO

CONCEPTUAL

Fredy Yesid Muñoz Pérez

Universidad Nacional de Colombia Facultad de ciencias

Bogotá, Colombia

2013

ENSEÑANZA DE LOS CONCEPTOS

DE CALOR Y TEMPERATURA

UTILIZANDO EL EXPERIMENTO

COMO HERRAMIENTA DE CAMBIO

CONCEPTUAL

Fredy Yesid Muñoz Pérez

Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Director:

Dr. Sci. Química Luz Mary Salazar Pulido

Línea de Investigación:

Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Bogotá, Colombia

2013

A mi madre y a mi hermano, por todo su apoyo.

A mi esposa e hijos

Quienes son el motor de mi vida

Agradecimientos a:

La Universidad Nacional de Colombia Luz Mary Salazar Pulido Docente de la Universidad Nacional de Colombia y director del

presente trabajo quien con sus aportes contribuyó a esta propuesta.

Resumen y Abstact IX

Resumen

Este trabajo presenta una propuesta didáctica dirigida a estudiantes de grado octavo de

enseñanza básica, utilizando la metodología de aprendizaje activo colaborativo para

abordar los conceptos de calor y temperatura, se diseñaron tres prácticas experimentales

para lograr cambio conceptual en los estudiantes. Se realiza una revisión histórica

epistemológica y disciplinar de los conceptos mencionados y se revisan los componentes

pedagógicos abordados. Los conceptos mencionados fueron definidos a partir de la

necesidad de dar explicaciones a diferentes hechos asociados a las actividades

experimentales, se parte de la idea de que los estudiantes no vienen a clase con la

mente en blanco y generalmente tienen preconceptos propios para interpretar los

fenómenos de la naturaleza, los cuales en algunos casos, concuerdan con los nuevos

conocimientos enseñados en clase o a veces existen contradicciones entre sus creencias

y las ideas científicamente aceptadas. De cualquier manera los estudiantes obtienen el

conocimiento científico de manera sencilla y guiada por el docente, siempre que asuman

ellos un papel relevante en su aprendizaje.

Palabras clave: Calor, temperatura, cambio conceptual, aprendizaje activo

X ENSEÑANZA DE LOS CONCEPTOS DE CALOR Y TEMPERATURA

UTILIZANDO EL EXPERIMENTO COMO HERRAMIENTA DE CAMBIO CONCEPTUAL

Abstract

This work presents a didactic proposal directed to the Eighth grade students of basic

learning using a learning active and collaborative methodology to face concepts of

temperature and heat, were designed three experimental practices to reach a conceptual

change of the students. Was realized a epistemological historic and disciplinary revision

of the concepts previously mentioned, finally was revised the pedagogic components

tackling. The mentioned concepts were defined from the need to explain different events

associated to the experimental activities, from the idea that the students don't come to

class with a blank mind and they generally have own ideas to interpret nature phenomena

and these in some cases are according to the new knowledge learned in the classroom,

but sometimes exists contradictions between their own beliefs and accepted scientific

ideas. From anyway the students obtain the scientific knowledge of a simple way and

guided by the teacher, always assuming they take part of their relevant learning

Key words: Heat, temperature, conceptual change, active learning

Contenido XI

Contenido

Pág.

Resumen ........................................................................................................................ IX

Lista de figuras ............................................................................................................ XIII

Lista de tablas ............................................................................................................. XIV

1. introducción ............................................................................................................... 15

2. Objetivos .................................................................................................................... 17

2.1 Objetivo General .................................................................................................... 17

2.2 Objetivos específicos ............................................................................................. 17

3. Historia y epistemología de los conceptos: calor y temperatura .......................... 18

3.1 Las primeras escalas cuantitativas de calor y frío .................................................. 20

3.2 El termómetro y las escalas termométricas de calor y temperatura ........................ 20

3.3 Intervalo estándar de temperatura ......................................................................... 21

3.4 Desarrollo del termómetro ...................................................................................... 22

3.5 Teoría inicial del calor ............................................................................................ 23

3.6 ¿Qué es el calor? ................................................................................................... 25

3.7 Equivalencia entre calor y energía mecánica trabajo ............................................ 27

4. Conceptos .................................................................................................................. 29

4.1 Temperatura y energía térmica .............................................................................. 29

4.2 Calor y equilibrio térmico ........................................................................................ 30

4.3 Termómetros y escalas termométricas .................................................................. 31

4.4 Calor específico ..................................................................................................... 32

4.5 Dilatación ............................................................................................................... 32

5. Cambio conceptual ................................................................................................... 34

Contenido XII

6. Metodología del aprendizaje activo ......................................................................... 37

6.1 Pasos del laboratorio de aprendizaje activo ........................................................... 39

6.2 Fases del laboratorio de aprendizaje activo ........................................................... 39

7. Actividades experimentales ..................................................................................... 41

7.1 Práctica 1: El concepto de temperatura.................................................................. 42

7.2 Práctica 2: Equilibrio térmico .................................................................................. 45

7.3 Práctica 3: Fuente alternativa de calor ................................................................... 48

8. Resultados esperados ..................................................................................................... 52

9. Conclusiones y recomendaciones ................................................................................. 53

Anexo A: Guía del docente práctica 1 ......................................................................... 54

Anexo B: Guía del docente práctica 2 ......................................................................... 56

Anexo C: Guía del docente práctica 3 ......................................................................... 58

Bibliografía ................................................................................................................... 61

Contenido XIII

Lista de figuras

Figura 3-1: Termómetro de Galileo ................................................................................ 21

Figura 3-2: Experimento de Pictet .................................................................................. 24

Figura 3-3: El experimento de Joule ............................................................................... 28

Figura 4-1: Energía interna en función de la temperatura .............................................. 29

Figura 4-2: Equilibrio térmico ......................................................................................... 30

Figura 4-3: Escalas de temperatura ............................................................................... 32

Figura 4-4: Dilatación volumétrica ................................................................................. 33

Contenido XIV

Lista de tablas

Tabla 6-1: Papel del estudiante en la metodología del aprendizaje activo colaborativo . 38

Tabla 6-2: Fase de exploración y predicción ................................................................... 39

Tabla 6-3: Fase de actividad ........................................................................................... 40

Tabla 6-4: Fase resultados y conclusiones .................................................................... 40

Tabla 6-5: Fase de aplicación y sintesis ......................................................................... 30

1. Introducción

Los estudiantes no vienen a clase con una mente en blanco. Generalmente ellos tienen ideas o nociones para interpretar los fenómenos de la naturaleza, el mundo que los rodea. En algunos casos, estas concepciones concuerdan con los nuevos conocimientos enseñados en clase, pero a veces sus creencias pueden ser erradas y no coinciden con las ideas científicamente aceptadas [7,15]. Así mismo para poder construir el nuevo conocimiento los estudiantes parten de sus ideas previas, las cuales son muy relevantes para el proceso de construcción del conocimiento, dado que ellos, aprenden sobre la base de lo que ya conocen. Al incorporar una nueva información, activan en su memoria los conocimientos relacionados con ella, establecen conexiones e interpretan la nueva información en función del conocimiento previo [13]. En este contexto el trabajo del docente consiste en que a partir de estas ideas, se desarrolle una estrategia que permita al estudiante construir nuevas explicaciones con argumentos científicamente admitidos, para reemplazar, reestructurar o complementar, sus teorías sobre los fenómenos que lo rodean [3,2]. Por otro lado si se realiza una revisión histórica epistemológica de los conceptos básicos de la termodinámica se aprecia, que fueron construidos a partir de la necesidad de dar explicaciones a diferentes sucesos asociados a actividades experimentales, y que en algunos momentos dichas explicaciones tuvieron que alejarse de las teorías científicas aceptadas en su momento. Lo cual nos permite pensar que tanto los científicos como los estudiantes motivados están envueltos en la misma clase de actividades: solucionar problemas usando ciertos conceptos previos para transformar su conocimiento actual [4]. El Ministerio de Educación Nacional de Colombia en la publicación de los estándares básicos de competencias en ciencias naturales establece, que mientras para los científicos la construcción del conocimiento es el resultado de un proceso largo, complejo y apasionante, los estudiantes lo incorporan en un tiempo más corto, y en muchas ocasiones sin conocer las preguntas y problemas que llevaron a los investigadores a establecer nuevas explicaciones. Por lo cual se plantea la necesidad de relacionar estrechamente la formulación de inquietudes y la búsqueda de solución a problemas, con el aprendizaje en ciencias en la Educación Básica y Media. Buscando proporcionar a los estudiantes las bases que le permitan acercarse a la rigurosidad de la actividad y el conocimiento científico, a partir de la indagación y la experiencia. Para lograr que los nuevos conocimientos adquiridos por un individuo se vinculen a lo conocido y transformen de una manera clara y estable los conocimientos previos. Este trabajo presenta una propuesta didáctica para la enseñanza de los conceptos de calor y temperatura dirigida a estudiantes de grado octavo de educación básica secundaria, basada en la metodología de aprendizaje activo colaborativo. Donde el estudiante presenta de manera individual y colectiva sus ideas previas, a partir de

16 Introducción

situaciones hipotéticas planteadas por el profesor, quien indaga por los conocimientos y experiencias de los alumnos sobre el tema. Posteriormente se plantean tres actividades experimentales en grupos, que buscan poner a prueba las ideas expuestas por los estudiantes, quienes deben planificar la actividad, distribuir las tareas para cada integrante, observar, discutir e interpretar las observaciones. Finalmente con la orientación del profesor organizan, interpretan los resultados, sintetizan, elaboran y socializan su informe.

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

Diseñar una estrategia didáctica para la enseñanza de los conceptos de calor y

temperatura, basada en la pedagogía del cambio conceptual y el laboratorio de

aprendizaje activo.

2.2 Objetivos específicos

Ofrecer al estudiante elementos de interpretación y argumentación en la explicación de

los fenómenos asociados a las diferentes actividades experimentales planteadas.

Presentar una metodología que permita explorar las ideas previas de los estudiantes

sobre el concepto de calor y temperatura

Proponer un conjunto de actividades experimentales para la enseñanza de los conceptos

de calor y temperatura.

3. Historia y epistemología de los conceptos: calor y temperatura

En la antigüedad se asumió que las sustancias que nos rodean tenían propiedades

inherentes de calor y frío y con el sentido del tacto era posible decir si un cuerpo era

caliente o frío. A través del sentido del tacto se construyeron los significados más

primitivos de los conceptos de calor y frío, los cuales se utilizaban para resolver todos los

problemas que surgieron y los que posteriormente se manifestaron en el proceso de

clasificar, identificar, y aún más, medir la diferencia en grados entre ambas cualidades

(calor y frío) [5].

La termometría empezó con la necesidad de expresar en forma más precisa la

graduación de los diferentes grados de calor. Un problema particular surgió cuando se

quiso precisar un orden en una serie de diversos objetos fríos o calientes. Este problema

lo resolvió el mundo antiguo en forma cualitativa. El sentido del tacto le permitió decir al

mundo antiguo cuando un objeto era frío o caliente. Ellos no relacionaron los dos

fenómenos. De allí la necesidad de pensar acerca de las relaciones entre los cambios

físicos de las sustancias y el calor (o el frío en esta época)

En 1690, el filósofo John Locke propuso el siguiente experimento. Tenemos tres

recipientes con agua. El primero contiene agua fría, el segundo tibia y el tercero caliente.

Ponemos una mano en el recipiente de agua fría y la otra en el de agua caliente. Pasado

un rato, notaremos cómo la diferencia de temperatura entre las dos manos va

desapareciendo. Cuando creamos que las dos manos están en la misma temperatura,

las ponemos a la vez dentro del recipiente con agua tibia. Aunque no nos lo podamos

creer, parece que el agua del recipiente tiene dos temperaturas: caliente para una mano

y fría para la otra. Esto demuestra la relatividad de los conceptos “caliente” y “frío”, el

sentido del tacto puede desorientar porque se tienen dos sensaciones de calor para una

misma temperatura.

El conocimiento común respondió al problema anterior, estableciendo las escalas

naturales de calor por medio del sentido del tacto. Al utilizar este sentido las sustancias

eran ordenadas en una secuencia de caliente, tibio, frío y gélido. Para el conocimiento

común, es decir, el conocimiento que se adquiere en la vida cotidiana, este era un

procedimiento muy subjetivo de ordenar una serie de sustancias de acuerdo al grado de

HISTORIA Y EPISTEMOLOGÍA 19

calor establecido por el sentido del tacto; ya que cada persona tiene un sentido común no

necesariamente igual al de otra, por consiguiente dos personas, basadas en este criterio,

harían dos clasificaciones diferentes entre objetos fríos y calientes

El conocimiento científico paralelo al conocimiento común, trataba de desarrollar su

teoría y fundamentos sobre calor y temperatura, para resolver los mismos problemas que

afrontaba el conocimiento común. Decía que las sustancias cambiaban sus propiedades

físicas por el aumento o disminución de las acciones del calor y el frío; por medio de

algunos métodos como observar, contrastar, experimentar, inferir y medir, proponía como

resultado las sustancias y propiedades termométricas que producían nuevas alterativas

para cuantificar y medir los efectos del calor y el frío.

El problema con el calor, lo tibio, y lo frío es que no se pueden ver, tocar o masar y por

consiguiente no pueden ser medidos directamente. Sus cambios solamente se pueden

notar por sus efectos indirectos en otras sustancias o en la materia. Mientras que el

conocimiento común siguió utilizando el tacto como instrumento de medición para

resolver este problema. El conocimiento científico de la época inicio la solución buscando

instrumentos más precisos que cumplieran dicho propósito fundamentándose en la

diferencia entre sustancias y propiedades termométricas. Una de estas sustancias es el

aire que es el fluido elástico que más se expande, permitió reconocer que el volumen

cambiaba como consecuencia del aumento de temperatura.

Uno de los primeros instrumentos construidos con el propósito de calcular la variación del

volumen del aire por calentamiento fue el termoscopio. El primero en desarrollarlo fue

Phylo de Bizancio (Siglos III – II A de C) en su trabajo De ingeniis spiritualibus presentó

una descripción de este instrumento:

Se hace un globo hueco de plomo de tamaño moderado el interior debe estar totalmente

seco. A través del hueco en la parte superior del globo se coloca un tubo, un terminal de

ese tubo pasa cerca del fondo del globo y el otro terminal es doblado y colocado en un

vaso lleno de agua. Al colocarse el globo en el sol se calienta, y el aire encerrado en el

tubo fluye de un terminal al otro dentro del agua, estableciéndose un movimiento de

burbujas de aire de un lado al otro. Si el globo es colocado en la sombra, u otro lugar

donde el sol no penetra, entonces el agua se elevará a través del tubo y fluirá dentro del

globo [5].

El instrumento diseñado por Phylo muestra la variación del volumen de aire que está

atrapado entre el globo y el recipiente con agua, como consecuencia del incremento de

la temperatura procedente del calor del sol, ya que el termoscopio no tiene ninguna

graduación, sólo permite análisis cualitativos. Su importancia radica en la posibilidad real

de introducir un medio como el aire para mostrar una medida exacta y reproducible de la

temperatura de forma indirecta, relacionando lo cualitativo y cuantitativo para la solución

conceptual del problema planteado.

Posteriormente en 1597 Galileo diseña y construye un modelo de termoscopio, que

consistía en una bola de vidrio con aire de cuya parte interior descendía un tubo con

20 ENSEÑANZA DE LOS CONCEPTOS DE CALOR Y TEMPERATURA


agua que terminaba en un recipiente también con agua. El nivel del agua en el tubo

subía o bajaba según si el aire de la bola se calentara o enfriara posteriormente

sustituyó el agua por espíritu de vino (mezcla de alcohol y agua) que mejoraba la

sensibilidad del dispositivo.

3.1 Las primeras escalas cuantitativas de calor y frío

La primera escala cuantitativa de calor y frío fue desarrollada por Claudio Galeno de

Pérgamo (131- 200 años A.C.), quien relacionó en forma directa el estado térmico con un

número, para este desarrollo el médico Galeno se apoyó en la observación de los efectos

térmicos que algunas drogas causaban en sus pacientes, clasificando las drogas como

calientes o frías según el estado de salud y el calor del cuerpo de los pacientes; en

primero, segundo, tercero y cuarto grado y sugirió una temperatura patrón estimada por

la percepción directa que es una mezcla de agua hirviendo y hielo. En este sentido

introdujo la noción más antigua de temperatura estándar. La importancia del trabajo de

Galeno radica en el planteamiento de un nivel térmico de referencia que soportaba la

clasificación propuesta por él [5].

Al-kindi filósofo árabe (801 -873 D.C.) planteó la relación existente entre los grados de

calor y frío a partir de los trabajos de Galeno, surge entonces la pregunta ¿Son iguales

los sucesivos grados de calor y frío? si no lo son ¿En qué razón numérica se expresan?

Teniendo claro que el problema epistemológico por resolver es numérico. En el libro

publicado en 1578 “De Logística Médica” se presenta una primera escala térmica

desarrollada por Johannes Haslerus, con la idea de recetar la droga de acuerdo con la

ubicación geográfica (latitud) del paciente. Haslerus enumeró sus grados de 1 a 9 o

alternativamente desde 4 grados de calor hacia abajo hasta cero y desde este

sucesivamente hacia abajo hasta cuatro grados de frío. El también estableció dos

escalas de temperatura con división de un tercio de tamaño. Contra estas, él estableció

una escala en grados de latitud asumiendo que la temperatura de los habitantes en el

polo es cuatro grados de frío y los del Ecuador es cuatro grados de calor. Con esto él

calculó el grado exacto de calor y frío, es decir la temperatura, que se espera de un

habitante de cualquier latitud. Como se puede observar, Haslerus introdujo un aspecto

fundamental para la construcción de su escala termométrica como es dar claridad de que

tan caliente y qué tan frío esta un paciente en comparación con una referencia, (latitud) y

expresa la temperatura por medio de un número que corresponde a una marca en cierta

escala graduada; este se convirtió en un elemento fundamental en el desarrollo de la

teoría termométrica, logrando así diferenciar el concepto de calor y temperatura [4].

3.2 El termómetro y las escalas termométricas de calor y temperatura

El paso definitivo del termoscopio, instrumento para calcular el grado de calor y frío al

termómetro instrumento para medir la temperatura, significó reconocer dos elementos:


La expansión del aire puede ser utilizada para medir la temperatura es decir el grado

de calor y frío de las sustancias

Las escalas numéricas son el requisito previo para las escalas termométricas que se

representan en los termómetros

Los primeros termómetros debidamente calibrados consistían en un tubo abierto en la

parte superior, con un bulbo de vidrio en la parte inferior y un recipiente para recoger

agua o vino (figura 3-1).

El bulbo era calentado en las manos y luego se invertía parte del tubo colocándolo en un

recipiente con agua coloreada. Los cambios de temperatura eran causados por la

expansión del aire en el bulbo. El aire circundante, más frío que la mano, enfriaba el aire

encerrado en el bulbo y el agua coloreada ascendía por el bulbo. Dado que el tubo y el

recipiente eran abiertos, el proceso de medición era afectado por la presión atmosférica.

Figura 3-1: Termómetro de Galileo. [5]

3.3 Intervalo estándar de temperatura

El primer planteamiento usando las modificaciones físicas de las sustancias se consideró

para establecer un criterio de medición o intervalo estándar de temperatura (calor y frío).

Este intervalo se hizo teniendo en cuenta dos propiedades físicas la fusión y la ebullición

de las sustancias. Dependiendo de las sustancias y propiedades termométricas y de sus

correspondientes puntos de referencia: fusión y ebullición, se establecieron diferentes

escalas de calor y frío.

El segundo planteamiento se refiere a la existencia de lo que denominó Black: la

distribución del calor (equilibrio térmico) entre diferentes sustancias, para el cual no se

tenía una explicación, simplemente se aceptaba que el fenómeno sucedía; aún sin el uso

del termómetro se podía constatar la tendencia del calor a fluir del cuerpo más caliente al

más frío hasta lograr la distribución del mismo entre ellos, lográndose al final el

establecimiento de un equilibrio del calor. Este principio dio lugar a la construcción de los

termómetros porque permitía registrar el calor y el frío de las sustancias sobre la base del

equilibrio térmico entre un cuerpo y el termómetro mismo.



Las primeras sustancias termométricas para medir o comparar las variaciones de frío y

calor usaron el aire como sustancia termométrica. Pronto se descubrió que el

funcionamiento era limitado debido a que el aire al igual que todos los gases es

fácilmente compresible. En 1632 Jean Rey diseñó el primer termómetro que usó la

expansión de un liquido, el agua; pero esta sustancia tenía una limitante debido a que al

calentarse no se dilata linealmente, además en los países fríos en invierno la temperatura

del agua podía ser inferior a la de su punto de congelación. Lo cual inició la búsqueda de

un líquido adecuado. El alcohol y el mercurio fueron los indicados, sustancias que

constituyen la base de algunos de los termómetros actuales.

El problema en este instante fué que cada científico tenía su propio patrón – escala, por

ejemplo: Sanctorius (médico Italiano) en 1641 registró dos puntos uno al nivel del agua

cuando el bulbo estaba rodeado de nieve derretida, y otro al nivel alcanzado al calentar el

bulbo con una vela. Después dividió la distancia entre estos puntos en 110 partes

iguales. Según, los autores Ruis, M de Ripen, C.M. Castro-Acuña [5]. Hacia el siglo XVIII

se utilizaron más de 30 escalas diferentes de temperatura; muchas de ellas

desaparecieron, entre las que prevalecieron está la de danés Ole Romer, porque sirvió

de base a la escala de Daniel Fahrenheit, calibrada en 1714. Esta escala estableció las

temperaturas de fusión del hielo y ebullición del agua a nivel del mar, 32°F y 212°F,

respectivamente y está dividida en 180 partes iguales.

En Colombia se utiliza preferiblemente la escala inventada por el Sueco Anders Celsius

quien en 1742 considerando las temperaturas de ebullición y de congelación del agua,

les asignó los valores de 0°C y 100°C respectivamente y dividió la escala en 100 partes

iguales.

En ciencias fisicoquímicas la escala que preferiblemente se utiliza es la escala de

temperatura de kelvin, comúnmente denominada escala de temperatura absoluta, ya que

en lugar de tener un punto de partida fijo y arbitrario (el punto cero), tiene un punto

fundamentado en la naturaleza de la materia.

Así, Kelvin colocó el punto cero de su escala de temperatura en el punto denominado

cero absoluto (la temperatura teórica más baja posible) y el punto de fusión del agua es

273.15K, mientras que el punto de ebullición es 373.15K

3.4 Desarrollo del termómetro

Hasta este momento en la historia de la termometría se han dado dos hechos claves e

igualmente importantes:

• La introducción de una sustancia termométrica como el aire en la construcción de

termoscopios.

• La construcción de escalas numéricas.

Estos dos elementos fueron fundamentales para la creación y perfeccionamiento del

primer termómetro que aunque inicialmente era inexacto puesto que la variación del


volumen del agua con respecto a la temperatura no se comporta en forma lineal

alrededor de 4°C, siendo los hechos anteriormente mencionados el punto de partida de

todo el desarrollo del termómetro actual, su inventor fue Santore Santorio, profesor de la

Universidad de Padua en 1612 [8]. El termómetro originalmente diseñado constaba en un

tubo doblado en la parte superior que contenía aire, el cual se introducía en la boca del

paciente, obteniendo significativas variaciones del nivel de agua (parte inferior del

termómetro) que relacionaban el estado febril para el diagnóstico del paciente.

El siguiente desarrollo del termómetro se le atribuye a Daniel Fahrenheit, quien no era

científico sino un hábil comerciante, que veía en la construcción de termómetros un buen

futuro económico, viajo de Polonia a Dinamarca para informarse de primera mano la

forma como el Danés Ole Romer calibraba y construía termómetros, En 1714 Fahrenheit

logró el primer termómetro a base de mercurio, perfeccionando así el "termómetro de

Galileo". Su aporte más relevante fue el diseño de una escala termométrica arbitraria,

que lleva su nombre, aún hoy la más empleada en Estados Unidos. Esta escala no tenía

valores negativos y era bastante precisa por que usaba la dilatación casi uniforme del

mercurio. Este inventor tomó como puntos fijos de temperatura el de congelación de una

disolución saturada de sal común en agua, que corresponde a la temperatura más baja

que se podía obtener en un laboratorio, mezclando hielo o nieve con sal, y la temperatura

normal del cuerpo humano. Con este termómetro, Farenheit consiguió medir la variación

de la temperatura de ebullición del agua en condiciones de presión de una atmosfera y

comprobó que el punto de ebullición es una característica propia de cada sustancia

líquida. Finalmente, ajustó su escala para que el punto de congelación del agua fuera de

32ºF y la temperatura de ebullición del agua de 212ºF. Esta escala tuvo gran aceptación

y fue institucionalizada e industrializada con 180 divisiones entre los puntos de

calibración, lo que permitió un avance en la construcción de los termómetros, sin

embargo, no se ha desarrollado el concepto de temperatura como tal, por lo tanto surge

la necesidad de resolver el problema epistemológico de asignarle un número exacto y

reproducible de la temperatura de un cuerpo y de establecer la relación de calor y frío

[17].

3.5 Teoría inicial del calor El conocimiento común, consideraba calor y frío como dos efectos diferentes causados

por diferentes sustancias. Para ellos el calor y frío fueron propiedades inherentes de las

sustancias y no consideraron que había una relación entre ellos. Para el conocimiento

científico, el asunto era diferente. Con el propósito de definir el concepto de calor, frío y

temperatura, estos deberían entenderse relacionándolos entre ellos, en un mismo

fenómeno.

Prévost (1791) dio la primera explicación aceptada acerca del porque calor y frío son

parte del mismo continuo. Solo hasta el siglo XVIII, la consideración de frío como una

propiedad de las sustancias llegó a su fin. Pictet había mostrado que si un frasco lleno

con nieve se colocaba en el foco de un espejo cóncavo, entonces el espejo reflejaba el

frío afectando un termómetro en otro espejo localizado a 10 ½ pies aparte (figura 3-2).



Prévost explicó de diferente forma el experimento de Pictet que se puede observar en la

figura (3-2).

Figura 3-2: Experimento de Pictet [5].

“Un cuerpo frío en un foco emitirá menos calor radiante que un cuerpo tibio en el otro

foco, el cual será enfriado porque recibiría menos calor radiante que el emitido. Entonces,

el efecto del termómetro se debía no a la reflexión del frío, sino a la reflexión del calor en

la dirección opuesta” [5].

Las dos interpretaciones diferentes para el mismo experimento, (para Pictet lo que se

reflejaba era el frío, y para Prévost era el calor) evidencia el componente subjetivo de la

observación y el esfuerzo de la comunidad científica para explicarse la estrecha relación

existente entre calor y frío.

Dalton inicia el proceso de relacionar las cualidades de calor y frío. En su época, 1973, el

concebía que las sensaciones de calor y frío eran producidas por la presencia o

ausencia, en grado, de un cierto principio o cualidad denominado fuego o calor. La

naturaleza de este principio tenía divididos a los filósofos de la época pues en su

momento, había quienes atribuían su carácter de sustancia y quienes asumían dicho

principio como una cualidad o propiedad de la sustancia.

Black permite aclarar, avanzar y precisar las diferencias de los conceptos de calor, frío y

temperatura, sustenta sus argumentos de forma teórica y experimental, la fuente única

de calor, que reconoce es el sol e identifica al frío como un caso particular de ausencia

del calor respecto a la acción del sol.

Como resultado y conclusión de su experimento, Black incluyó varias ideas para el

análisis e interpretación el proceso experimental y la correspondiente definición de

temperatura.


Como resultado y conclusión del experimento, Black incluyó varias ideas para el análisis

e interpretación el proceso experimental y la correspondiente definición de temperatura.

La temperatura y el calor son fenómenos inherentes al equilibrio térmico.

El uso del termómetro identifica y mide la temperatura. En este caso la temperatura,

está relacionada con el proceso de identificar empíricamente el mismo grado de

expansión cuando dos o más sustancias están en equilibrio térmico a través del uso

del termómetro

La temperatura es diferente del calor pero ambos magnitudes coexisten en el mismo

objeto. El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío. Este proceso sugiere la

noción, de una cosa o sustancia calorífica, que va de un cuerpo a otro, pero la

cantidad total de calor envuelta en el proceso permanece constante. En otras

palabras “el principio de conservación del calor” “calor ganado es igual al calor

cedido.”

Identificar la temperatura y el calor como conceptos inherentes pero diferentes en los

fenómenos térmicos, implica tener también claridad del concepto de calor, históricamente

para la construcción del concepto de calor se dan dos corrientes de pensamiento, la que

considera que el calor es una sustancia (teoría del calórico) y la que considera que es

movimiento (Teoría molecular).

Una vez se ha significado la temperatura como la intensidad de calor en un proceso

térmico, se centra la discusión en identificar las características tanto cualitativas como

cuantitativas del concepto de calor, la siguiente descripción permite evidenciar lo que

diferencia el calor de temperatura “cuando se compara la temperatura de un paciente,

por ejemplo, con un termómetro, después de un tiempo relativamente corto se puede

afirmar que su temperatura es la representada en el termómetro, suponer que el paciente

y el termómetro poseen la misma cantidad de calor porque sus temperaturas son

iguales”, fue aclarado por Black de la siguiente forma: “tener una visión muy apresurada

del asunto. Es confundir la cantidad de calor en diferentes cuerpos con la fuerza o

intensidad del calor, aunque evidentemente son dos cosas distintas, que deberían

distinguirse siempre que pensamos en la distribución del calor” [5].

3.6 ¿Qué es el calor?

La teoría del calórico donde el calor es considerado como una sustancia, explica

completamente el comportamiento térmico de la materia en cuanto a su naturaleza, su

dilatación, (metales, gases y líquidos) los estados de la materia, la capacidad calorífica

específica y los cambios de estado. Identifica la naturaleza del calor como un fluido

indestructible, capaz de penetrar los espacios vacíos entre moléculas, y caracterizado

por dos fuerzas a saber: una fuerza fuerte de atracción por la materia y una fuerza

calórica auto-repulsiva. La dilatación lineal, superficial y volumétrica se explica por la

capacidad de las sustancias en ganar calórico y cuando disminuye su temperatura se

contraen perdiendo calórico, la densidad del calórico disminuye rápidamente y no genera

interferencia con la fuerza de atracción gravitatoria intermolecular. Los estados de la



materia se explican por la diferencia entre la fuerza de atracción gravitatoria entre las

moléculas y la repulsión del calórico, por ejemplo en los gases las fuerzas de atracción

entre moléculas son insignificantes comparadas con la fuerza auto repulsiva del calórico.

La intensidad del calor (temperatura) se identificaba como la densidad del calórico y la

diferenciaba con la cantidad de calor que era el calórico necesario para producir cambios

de temperatura. Para los cambios de fase de un estado al otro, se dan con la adición de

una pequeña cantidad de calórico. Al ser considerado el calórico como sustancia le fue

asignado masa, se esperaba el incremento del peso como consecuencia del aumento de

temperatura, muchos fueron los intentos de Black para demostrarlo experimentalmente, y

no obtuvo ningún resultado al respecto.

Aunque la concepción del calor como sustancia era la teoría la más aceptada a principios

del siglo XIX siempre tuvo opositores entre los que se destacan Bacon, Black y

Benjamín Thompson conde de Rumford, para quienes el calor no era una sustancia sino

movimiento, producto de la agitación molecular.

Los cambios de fase se dan siempre que se adicione calor para incrementar su

movimiento molecular y así pasar al otro estado. La principal evidencia experimental que

le permite a Benjamín Thompson argumentar las inconsistencias conceptuales de la

teoría del calórico, contrastando el análisis del calor obtenido por la fricción versus la

argumentación de los caloristas. En los fenómenos térmicos donde hay fricción la teoría

del calórico argumenta que las limaduras de metal producto del rozamiento, poseen

menor calor específico que las del sólido del cual provienen. Thompson observando que

la perforación de cañones presentaba incrementos significativos de temperatura, decide

experimentar el fenómeno con el único fin de poder rebatir el anterior argumento de los

caloristas donde los residuos de la perforación poseen menos calórico que del metal de

donde provienen, tomando pesos iguales de limaduras y fragmentos de metal perforado,

por el método de muestras en un calorímetro encontró que no existe ninguna variación

en el valor del calor especifico demostrando de forma experimental la inconsistencia

conceptual de los caloristas. Otro experimento que se desarrolla con el fin de cuestionar

la teoría del calórico, fue el planteado por Sir Humphry Davy donde dos paralelepípedos

rectos de hielo son atados con alambres a dos barras de hierro puestos en contacto y

mantenidos a fricción continua hasta convertirse en agua totalmente, nuevamente la

fricción genera el calor necesario para que dos bloques de hielo cambien de estado.

Según la explicación de los coloristas, el agua producto de la fricción violenta debe tener

menos calórico que el hielo, evidencia experimental definitiva y contraria.

Los dos experimentos antes mencionados permiten calcular el equivalente mecánico,

hecho que pasó desapercibido tanto a Thompson como a Davy puesto que sus

experimentos fueron diseñados con un único fin de plantear un modelo diferente al

existente y que explicara el calor como movimiento. Las características cualitativas y

cuantitativas del concepto del calor derivadas de las evidencias experimentales de Black,

Thompson y Davy se resumen así: El calor y la temperatura son fenómenos diferentes

pero inherentes al equilibrio térmico.


Dos cuerpos diferentes que tienen la misma temperatura no comparten la misma

cantidad de calor. El calor siempre fluye de caliente a frío espontáneamente, si está en

contacto físico con otros cuerpos, y además el calor se conserva durante todo este

proceso. La cantidad de calor que cede un cuerpo o que gana es directamente

proporcional a su masa y a su incremento de temperatura, y la constante de

proporcionalidad se denomina capacidad calorífica. La energía mecánica siempre se

transforma espontáneamente en calor.

Queda completamente definido el concepto de calor tanto de forma cualitativa como

cuantitativa, con el principio de equilibrio térmico y la definición de capacidad calorífica,

que se refiere a la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura en un grado

centígrado un kilogramo de masa, cuando esta capacidad calorífica se refiere a la unidad

de masa se denomina capacidad calorífica específica o calor especifico. Esta definición

así planteada en términos de relación entre variables le da contenido científico a la

calorimetría.

3.7 Equivalencia entre calor y energía mecánica trabajo

El eje del trabajo investigativo de Thompson asume no solamente la existencia del calor

como movimiento o una forma de energía sino también la pregunta de ¿Cómo un

cantidad definida de calor se relaciona con el trabajo? Si bien Thompson logra la

medición de esta relación, el significado pasa desapercibido para él. Aceptar esta

relación es asumir una equivalencia general entre calor y diversas formas de energía

(entre ellas, el trabajo y la fricción). El médico alemán Mayer, R.J. en 1842 fue el primero

en hacer público el principio de conservación de la energía. Partiendo del principio que

establece que una causa es igual a un efecto y considerando que las energías son

causas capaces de asumir varias formas, llego a la conclusión que las energías son

entidades indestructibles e inter convertibles.

Joule estableció como propósito de su trabajo de investigación, resolver el problema de

demostrar y medir la relación entre el trabajo usado en vencer la fricción de una paleta de

metal revolviendo el agua contenida en un vaso de metal especialmente construido y el

calor producido. Joule no fue el primero en enunciar el equivalente mecánico del calor, ni

en calcularlo. Sin embargo es la primera persona en enunciarlo como un proceso

inductivo. Inferencia justificada por una riqueza de datos derivados de una variedad de

experimentos diseñados y ejecutados.

Joule realizó un experimento basado en la construcción de un aparato (Figura 3-3), cuyo

funcionamiento consiste en enrollar una cuerda que sujeta unas masas sobre unas

poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo

Al dejar caer las masas, un eje gira lo cual a su vez genera una rotación de los brazos

que agitan el líquido contenido en un recipiente con paredes herméticas, lo que se

conoce hoy como un sistema aislado de su exterior, donde las paredes impiden



totalmente la interacción térmica con los alrededores; a estas paredes ideales se les

llama paredes adiabáticas. Después de una repetición muy cuidadosa de este

experimento Joule concluyó lo siguiente:

1. La cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos, sean líquidos o sólidos

siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.

2. La cantidad de calor capaz de aumentar la temperatura de 1 libra de agua (pesada en

el vacío y tomada a una temperatura entre 55 - 60ºF) por 1.8ºC (1ºF) requiere para su

evolución la acción de una fuerza mecánica representada por la caída de 772 lb (350.18

kg) por la distancia del pie (30.48 cm).

Entre 1845 y 1847 Joule repitió estos experimentos usando agua, aceite de ballena y

mercurio, obteniendo que por cada libra de estos compuestos, los equivalentes

mecánicos eran respectivamente iguales a 781.5, 782.1 y 787.6 lb, respectivamente. De

ahí concluyó que sin duda existía una relación equivalente entre calor y trabajo.

Figura 3-3: El experimento de Joule. [18].

4. conceptos

4.1 Temperatura y energía térmica

Según el modelo cinético molecular de la materia, sabemos que las partículas que la forman están sometidas a un movimiento constante. Los sólidos están formados por partículas que se atraen con gran fuerza por lo que ocupan un volumen constante. No obstante estas partículas están sometidas a una pequeñísima vibración alrededor de una posición de equilibrio. Las partículas que forman los líquidos se atraen fuertemente entre sí por lo que ocupan un volumen constante. No obstante pueden cambiar de posición unas respecto de otras por lo que adoptan la forma del recipiente que los contiene. Las partículas que forman los gases se atraen muy poco entre si por lo que tienen una gran movilidad ocupando la totalidad del recipiente que los contiene y adoptando su forma. La energía térmica se debe al movimiento de las partículas que forman la materia y la temperatura es una propiedad, medida por los termómetros, que permite diferenciar cuerpos calientes y fríos. Supongamos un gas cualquiera a distintas temperaturas: Cada partícula tendrá una energía cinética que será función de la temperatura, a mayor temperatura mayor será la agitación de las partículas. La temperatura de un sistema nos da una idea de la agitación térmica de las partículas que contiene. (Figura 4-1) Figura 4-1: Energía interna en función de la temperatura (representación vectorial) [20]

A

una temperatura determinada las partículas de un cuerpo tienen diferentes energías (se mueven a diferentes velocidades). Cuando la temperatura asciende, el conjunto de las



partículas se mueven más rápido (tienen más energía), aunque algunas pueden seguir siendo muy lentas. Cuando la temperatura desciende, el conjunto de las partículas se mueve más lentamente (tienen menos energía), aunque algunas se muevan algo más rápidamente. Estas ideas son ciertas independientemente del número de partículas. Por tanto la temperatura, T, de un cuerpo es directamente proporcional a la energía térmica media de sus partículas T= K EC

Desde el punto de vista físico no tiene sentido hablar de temperaturas negativas ya que la energía cinética no puede ser negativa

Existe un límite inferior de las temperaturas. Cuando las partículas que constituyen el cuerpo están en reposo absoluto, la energía cinética media es cero y, por tanto, la temperatura también será la mínima posible. Esta temperatura es -273,150C y recibe el nombre de cero absoluto [22].

4.2 Calor y equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos 1 y 2 que se encuentran a diferente temperatura (T1 ˃ T2) se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía del cuerpo que está a mayor temperatura (cuerpo 1) al cuerpo que está a menor temperatura (cuerpo 2) El calor que se representa por la letra Q, es la energía en tránsito que pasa de un cuerpo a otro. El proceso dura un cierto tiempo, al cabo de cual las temperaturas de los dos cuerpos se igualan y cesa la transferencia de energía. Se dice que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. Figura 4-2 Figura 4-2: Equilibrio térmico

CONCEPTOS 31

Por conservación de la energía, la variación de la energía interna es la misma en los dos cuerpos, pero mientras uno disminuye su energía interna, el cuerpo 1, el otro aumenta su energía interna el cuerpo 2

Para el cuerpo 1: 𝑸𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 = ∆𝑼𝟏 < 0 (cede energía al cuerpo 2) Para el cuerpo 2: 𝑸𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒐 = ∆𝑼𝟐 > 0 (recibe energía al cuerpo 1) Si los cuerpos están aislados del exterior, el calor cedido por el cuerpo 1 es igual al calor ganado por el cuerpo 2: 𝑸𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 + 𝑸𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒐 = 𝟎 Por lo tanto, se puede establecer convencionalmente que el calor absorbido por un cuerpo es positivo y negativo el calor cedido [20].

4.3 Termómetros y escalas termométricas

Los termómetros son los instrumentos que miden la temperatura de equilibrio térmico de los cuerpos con los que se ponen en contacto. Los termómetros miden la temperatura de manera indirecta. Utilizan propiedades de los cuerpos que varían proporcionalmente con la temperatura. Las más utilizadas en los termómetros corrientes son:

La dilatación de ciertas sustancias. Los termómetros de mercurio tienen un pequeño depósito de mercurio que se dilata con el aumento de la temperatura

La resistencia eléctrica de un material. Actualmente existen materiales semiconductores cuya resistencia eléctrica es extremadamente sensible a las variaciones de la temperatura [19].

En la actualidad se usan tres escalas termométricas. Figura 4-3

Escala Fahrenheit: Usa dos puntos fijos correspondientes a una mezcla de sal y agua para 0 0F y la temperatura del cuerpo humano para 96 0F. Son dos puntos fijos muy arbitrarios. En esta escala la temperatura de fusión del agua es de 320F y la temperatura de ebullición es de 2120F

Escala Celsius: Marcó como 00C la temperatura de fusión del hielo y como 1000C la

temperatura de ebullición del agua

La escala Kelvin o absoluta: Esta escala se construyó a partir de medidas

realizadas con un termómetro de gas. Se pudo estimar por extrapolación que la presión de los gases se anulaba a – 273,150C. A este suceso se le dio el valor 0 K y el resto de la escala se calibró según la escala Celsius, de modo que para la fusión del agua la temperatura es 273 K y para la temperatura de ebullición 373 K. En la escala Kelvin no existen temperaturas negativas.



Figura 4-3: Escalas de temperatura (cero absoluto, punto de fusión y punto de ebullición

del agua)

Las escalas Celsius y Kelvin son centígradas por que dividen el intervalo entre los puntos fijos en cien partes [20].

4.4 Calor específico Si se le suministra calor a un cuerpo, el incremento de temperatura depende del tipo de sustancia y de la cantidad de materia. Este hecho se describe mediante una propiedad física, característica de cada sustancia que se denomina Calor específico (Ce)

𝑸 = 𝒎𝑪𝒆∆𝑻

El calor específico representa la cantidad de calor necesaria para que la unidad de masa aumente su temperatura un grado. La unidad del calor especifico, en el sistema internacional (SI), es el J/Kg 0C o bien J/Kg K También es muy frecuente usar la unidad cal/g 0C. La caloría se define como la energía necesaria para que un gramo de agua eleve su temperatura una grado centígrado Un cuerpo que tenga un calor específico elevado necesita mucha energía para lograr incrementar su temperatura (por ejemplo el agua). Por el contrario, un cuerpo que tenga un calor específico pequeño, no necesita absorber tanta energía (por ejemplo el hierro) [20].

4.5 Dilatación

Se trata de un fenómeno con el que estamos familiarizados. Todos sabemos que un anillo nos hace más marca en verano que en invierno. Los rieles de tren guardan entre si una cierta separación para evitar que, cuando la temperatura es más alta se deformen. En los puentes y en las casas se dejan espacios, juntas de dilatación, para evitar la aparición de grietas. Un experimento se hace muy a menudo para observar este fenómeno. Consiste en pasar una bola de acero por un aro. A temperatura ambiente pasa bastante justa, a mayor temperatura no pasa. Figura 4-4

CONCEPTOS 33

Figura 4-4 Dilatación volumétrica [20]

Los líquidos y los gases también se dilatan, basta con recordar cómo se fabrican algunos Termómetros. Podemos definir por tanto la dilatación como el aumento de volumen que se produce al variar la temperatura. Se puede considerar el coeficiente de dilatación de tres formas. Coeficiente de dilatación lineal (λ) se aplica fundamentalmente a cuerpos en los que la Longitud es más importante que el ancho y alto. Ejemplo hilos metálicos. Coeficiente de dilatación superficial (σ) se aplica a cuerpos planos como placas de metal. Coeficiente de dilatación volumétrico para cuerpos que las tres magnitudes, largo ancho y alto tienen una importancia similar. Ejemplo un bloque de concreto. En los líquidos y gases sólo tiene sentido hablar de la dilatación cúbica, puesto que carecen de forma propia y se adaptan a la vasija [20].

5. Cambio conceptual

Desde el trabajo de Piaget en 1920 y hasta la actualidad, se ha hecho un enorme esfuerzo por tratar de comprender la forma en la que los estudiantes, a través de sus ideas o concepciones, se representan el mundo natural y, de manera complementaria, lo que los maestros necesitan hacer para facilitar una comprensión más cercana a la científica. En la última década hubo un aumento notable en los estudios cuyo objetivo es analizar la

transformación de estas concepciones, o bien, diseñar aproximaciones de enseñanza

que tiendan a modificarlas, la mayor parte de ellos enmarcados en una aproximación

que, como se ha apuntado, de manera general se ha llamado cambio conceptual. La

gran mayoría de la investigación en este campo se ha realizado desde una perspectiva

constructivista, desde la cual, se concibe a cada sujeto como constructor activo de su

conocimiento, reconociendo así, que el proceso de conocer es activo, individual y

personal y que se basa en el conocimiento previamente construido [13].

El término cambio conceptual ha sido utilizado con diferentes significados en la

enseñanza de la ciencia y la investigación acerca del aprendizaje. En sentido general, se

entiende este término como sinónimo de aprendizaje, dentro de una perspectiva

constructivista, es decir, se entiende como una reestructuración mayor del conocimiento

existente, que representa un aprendizaje más profundo y difícil de lograr, comparándolo

con el aprendizaje más cotidiano, en el que, se memorizan datos, o se aprenden más

ejemplos sobre algo ya conocido

Dentro de las distintas aproximaciones al cambio conceptual, algunas consideran el

cambio conceptual como un proceso revolucionario, en el que el conocimiento que los

estudiantes tienen antes de la instrucción, es reemplazado por otro, más cercano al

conocimiento científico.

Una de las teorías iníciales sobre el cambio conceptual más reconocida, surgió a

principios de los años ochenta, en la Universidad de Cornell, con el artículo publicado por

Posner, Strike, Hewson y Hertzog, tratando de dar respuesta a la pregunta “... ¿de qué

forma se puede transitar desde una concepción alternativa hacia una concepción

científicamente aceptada?” [8]. La teoría propuesta por Posner y sus colaboradores, se

fundamenta, por un lado en los supuestos epistemológicos de historiadores y filósofos de

la ciencia, como Kuhn, Lakatos y Toulmin y por otro lado, tiene un componente

sicológico, basado en la noción piagetiana de acomodación, que permite explicar la

CAMBIO CONCEPTUAL 35

forma en la que las nuevas concepciones son incorporadas en la estructura conceptual

de los individuos. De acuerdo con esta teoría, las condiciones para que el cambio

conceptual pueda ocurrir son:

• Existe insatisfacción con las concepciones que se tienen actualmente

• Existe una nueva concepción que resulta inteligible

• Esta nueva concepción es inicialmente plausible

• La nueva concepción sugiere la posibilidad de un programa de investigación fructífero,

o bien puede ser aplicada con éxito en diferentes dominios.

Uno de los conceptos centrales de esta teoría, es la ecología conceptual que comprende

la interrelación de diversos factores como los compromisos epistemológicos de quien

aprende, su experiencia pasada, ejemplos e imágenes, analogías y metáforas,

anomalías, así como creencias metafísicas. Es por medio de ella que el sujeto determina

si las nuevas concepciones son inteligibles, plausibles y fructíferas. Esta idea es

fundamental porque determina que los cambios en los conceptos no suceden de manera

aislada sino que afectan una red de conceptos, concepciones y creencias.

Los autores de esta teoría dejan claro que ésta no es una teoría pedagógica, sin

embargo, muchas estrategias de aprendizaje se han derivado a partir de ella, La mayoría

basadas en el conflicto cognitivo, dado que la primera de las condiciones necesarias para

que el cambio ocurra, es la de la insatisfacción con las condiciones actuales, de forma

que, se espera que si una concepción actual resulta conflictiva, o incapaz de resolver un

problema o explicar un fenómeno, el estudiante tratará de buscar una concepción nueva

que tenga más sentido y permita explicar un número más amplio de fenómenos.

Para autores como Stella Vosniadou, los conceptos se encuentran contenidos dentro de

estructuras teóricas que determinan el proceso de adquisición de conocimiento.

Basándose en estudios en niños pequeños, argumenta que todos los seres humanos

tienen una teoría intuitiva de la física, que funciona como marco de referencia y que, al

estar formada por una serie de presupuestos epistemológicos y ontológicos, determina el

conocimiento que se adquiere [9]. El cambio conceptual ocurre cuando los conceptos que

deben aprenderse son inconsistentes con las presuposiciones de las teorías existentes, o

bien, con su estructura relacional. Dado que se considera que estas teorías son sistemas

coherentes de explicación, su transformación resulta muy difícil. En este caso, al tratar de

incorporar información nueva a teorías existentes, los sujetos generan, modelos mentales

sintéticos (concepciones alternativas), que representan intentos para darle sentido a la

información nueva, sin reestructurar de manera sustancial las teorías existentes.

Existen otras aproximaciones al cambio conceptual que consideran que las concepciones

alternativas son fructíferas, ya sea porque se pueden refinar y desarrollar para

constituirse en concepciones con mayor poder explicativo, o bien, porque son adecuadas

en determinados contextos.



El cambio conceptual, implica construir a partir de las concepciones de los estudiantes,

un conocimiento más estructurado y coherente que permita explicar los fenómenos

físicos. Dado que el conocimiento intuitivo de los individuos no consiste en un sistema

organizado y coherente de ideas, no tiene ningún sentido intentar reemplazarlo como un

todo, por el contrario, requiere de desarrollo y refinamiento.

Desde el punto de vista de la fenomenografía, el aprendizaje o cambio conceptual

consiste en adquirir una nueva forma de experimentar un fenómeno. El camino que ha

seguido la comprensión de los problemas del aprendizaje de las ciencias naturales ha ido

transitando hacia la complejidad. Desde las consideraciones que hacían del conocimiento

de los estudiantes un conjunto de “contenidos” memorizables hasta el reconocimiento de

una gran variedad de concepciones alternativas o ideas previas que determinan, en

buena medida, la comprensión posible en los distintos niveles escolares. También este

tránsito hacia la complejidad se manifiesta en las concepciones de aprendizaje que van

desde la incorporación o reorganización, hasta el cambio conceptual [9].

En la literatura de Didáctica de las Ciencias Naturales, la expresión “enseñanza por

cambio conceptual” se refiere a la aplicación de estrategias que tomen en cuenta el

conocimiento previo y experiencias del estudiante, identifiquen preconcepciones

comunes, orienten la planificación de actividades más adecuadas para el entendimiento

de los conceptos en ciencia y estimulen al estudiante a modificar o crear una estructura

cognitiva para el nuevo conocimiento modificado o construido Por lo tanto, la enseñanza

y aprendizaje bajo este modelo exige que los docentes en su planificación metodológica

deban tomar en cuenta tanto las preconcepciones de los alumnos como las estrategias

que favorezcan la creación y solución de conflictos entre las ideas previas y las nuevas

ideas científicas. Las estrategias de enseñanza han de incluir explícitamente actividades

que asocien el cambio conceptual con la práctica de aspectos clave de la metodología

científica, tal como ocurrió históricamente [14].

6. Metodología del aprendizaje activo

Los estudiantes cuando llegan a los cursos de física, ya tienen alguna concepción de

los tópicos a estudiarse. Poseen una variada y rica información sobre diversos

fenómenos. La explicación y comprensión que le dan a estos fenómenos, en numerosos

casos, no corresponden con las teorías científicas. Estas formas de pensamiento de los

alumnos, por una parte, complacen su interés social, político, económico y tecnológico y,

por otra, se constituyen en fuertes barreras, obstaculizando el aprendizaje, porque

cuando deben resolver un problema real, se valen de su propio sistema de pensamiento,

el cual se ha elaborado muchas veces al margen de la escuela. Estas preconcepciones

son importantes y deben tenerse en cuenta si se desea lograr efectividad en el proceso

de enseñanza.

Cuando el estudiante es pasivo poco aprende en clase. Los conocimientos memorizados

“no los puede integrar a su práctica inmediata ni modifica su actuación cotidiana, porque

su cotidianidad no está hecha de actos memorísticos sino de prácticas concretas, de

actos que cumplen una finalidad”. El estudiante debe participar de los procesos

implicados en la explicación y comprensión de los hechos y fenómenos naturales y

artificiales. El alumno construye significativamente los conocimientos contenidos en el

estudio y análisis de un hecho o fenómeno, objeto de estudio de la física. Y es él quien

debe ser el responsable de construir, adquirir y consolidar una concepción del mundo,

por lo que el maestro tiene el compromiso de crear actividades, motivar actitudes y

propiciar un espacio para que el alumno con su ayuda depure progresivamente la

concepción científica del mundo.

En este orden de ideas, “la metodología debe permitir que el alumno actué, construya,

modifique, destruya, palpe, desbarate, piense, analice, escriba, hable, escuche, lea, cree,

etc. en forma individual y colectiva. El maestro debe animar y orientar para que los

anteriores aspectos se vivan y se den en la práctica, se cristalicen en el proceso de

construir, transformar y renovar conocimientos [1].

La propuesta está basada en la metodología del aprendizaje activo colaborativo donde

se busca la construcción del conocimiento a través de la observación directa del mundo

real.



Exploración y Predicción

Actividad

Resultados y discusión

Aplicación y síntesis

En los estudiantes se busca promover: 1. Mayor independencia, autonomía, capacidad de análisis y de síntesis, autodeterminación, responsabilidad.

2. El desarrollo de su personalidad.

3. La toma conciencia de las diferencias entre las creencias con que llega a la clase y las leyes que gobiernan el mundo real.

4. La metacognición.

Esta metodología ha sido diseñada para facilitar la comprensión significativa de los

conceptos apoyándose en la experimentación o en la resolución de problemas. Se puede

utilizar de diversas maneras, por ejemplo:

1. Como una actividad para diagnosticar el estado de aprendizaje

2. Como una introducción de conceptos importantes

3 Como una actividad de refuerzo de conceptos enseñados.

4. Como una actividad motivadora de aprendizaje activo

Es fundamental la valoración permanente del estado de aprendizaje (cognitivo,

procedimental y actitudinal) de los alumnos cuando realizan las actividades que se

acuerdan experimentando, proponiendo soluciones, elaborando explicaciones y

socializando sus resultados.

Durante la actividad los alumnos:

Tabla 6-1: Papel del estudiante en la metodología del aprendizaje activo colaborativo

COMUNICAN EXPERIMENTAN TRABAJAN EN EQUIPO

VERBAL NO

VERVAL ACTIVIDADES PRÁCTICAS

Los grupos organizados por el profesor: Concretan las tareas y actividades y las distribuyen. Cada integrante del grupo es responsable por la tarea asignada. El grupo organiza el trabajo realizado por cada uno lo recopila, organiza, analiza, sintetiza y concluye. Elabora el informe final.

Describir Presentar Discutir Preguntar Explicar

Escribir Dibujar Graficar Modelar Diagramar

Proponer y verificar hipótesis, aplicar lo aprendido a situaciones cotidianas o resolver problemas.

METODOLOGIA DEL APRENDIZAJE ACTIVO 39

6.1 Pasos del laboratorio de aprendizaje activo

1. El docente describe el propósito de la actividad o de la clase y explora los conceptos y las concepciones previas de loa alumnos. 2. Los estudiantes registran su predicción individual en la hoja de predicciones (Enfatizar: las predicciones no serán tenidas en cuenta para la evaluación). 3. Los estudiantes discuten sus predicciones con un grupo de discusión 3 o 4 compañeros. 4. Cada grupo nombra un relator que registra la predicción final del grupo en la hoja de predicciones de grupo. 5. El docente recoge (verbalmente o por escrito) las predicciones de cada grupo. 6. El docente observa, promueve las actividades de los alumnos, pregunta, promueve el debate y modera la discusión. 7. Se pide a cada grupo que presenten los resultados en la Hoja de Resultados, y los discutan en el contexto de la actividad. 8. Los estudiantes con el profesor discuten situaciones análogas de diferentes contextos en donde aplican los resultados. Plantean nuevas preguntas y elaboran la síntesis de la actividad.

6.2 Fases del laboratorio de aprendizaje activo

Fase I

Tabla 6-2: Fase de exploración y predicción Exploración y predicción

PROFESOR ALUMNOS

Indaga por los conocimientos y experiencias de los alumnos sobre el tema. Plantea preguntas sobre el tema e interpreta las explicaciones o respuestas de los alumnos. Con base en el diagnóstico del estado del aprendizaje de los alumnos, rediseña o hace los ajustes a la actividad que va a proponer.

Intercambian ideas, hacen preguntas entre ellos y debaten sobre respuestas a las preguntas y problemas que el profesor les plantea. Se organizan en grupos, debaten, acuerdan las predicciones o la hipótesis y las socializan



Fase II

Tabla 6-3: Fase de Actividad

Actividad

PROFESOR ALUMNOS

Observa las actividades de los alumnos, pregunta, promueve el debate y modera la discusión

Planifican la actividad. Distribuyen las tareas para cada integrante y realizan la actividad. Observan, discuten e interpretan las observaciones.

Fase III

Tabla 6-4: Fase Resultados y conclusiones

Resultados y conclusiones

PROFESOR ALUMNOS

Hace preguntas y pide explicaciones, guía a los alumnos para evaluar la comprensión de cada alumno y promueve la discusión de los resultados. Concreta las conclusiones.

Organizan, interpretan, sintetizan, y elaboran el informe de los resultados Comunican, contrastan y discuten los resultados

Fase IV

Tabla 6-5: Fase de Aplicación y sintesis

Aplicación síntesis

PROFESOR ALUMNOS

Anima a los alumnos para que enriquezcan con ejemplos y aplicaciones los resultados y propone nuevas situaciones relacionadas con el tema. Elabora con sus alumnos la síntesis de la actividad y propone actividades para consolidar el aprendizaje.

Buscan aplicaciones, establecen relaciones, hacen preguntas y deducen argumentado, contribuyen a la elaboración de la síntesis de los resultados. Proponen nuevas experiencias para complementar lo aprendido

7. Actividades experimentales

A continuación se describen tres prácticas experimentales como herramienta para la enseñanza de los conceptos de calor y temperatura siguiendo el modelo del laboratorio de aprendizaje activo.

1. El concepto de temperatura

OBJETIVO: Comprobar que, a mayor temperatura, se produce un incremento del movimiento de las partículas que componen un material.

2. El concepto calor OBJETIVO: Comprobar que los objetos que están a mayor temperatura transfieren energía a los que se encuentran a menor temperatura hasta que ésta se iguala, es decir, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

3. Fuente alternativa de calor OBJETIVO: Reconocer que la radiación solar se puede convertir en calor



UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL

LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 1. EL CONCEPTO DE TEMPERATURA

HOJA DE PREDICCIONES INDIVIDUAL Instrucciones: Esta hoja será recogida en cualquier momento por el profesor. Escriba su nombre

para registrar su asistencia y participación en estas demostraciones. Tenga en cuenta que sus predicciones no serán tenidas en cuenta para la evaluación. Siga las instrucciones del docente. En la hoja de resultados que se adjunta, puede escribir sus comentarios

A lo largo de la historia del pensamiento humano se ha elaborado un modelo acerca de cómo está constituida la materia, se conoce con el nombre de MODELO CINÉTICO-MOLECULAR. Según este modelo de materia, todo lo que nos rodea está formado por unas partículas muy pequeñas se llamadas moléculas. Las cuales están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas, al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacio vacío. Cuando aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápido. Con este modelo, puede explicarse perfectamente el hecho de que la materia pueda encontrarse en tres estados: SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO

Las partículas de los sólidos se encuentran muy próximas, y las fuerzas de atracción entre ellas son muy intensas. Su único movimiento es el de vibración. Las partículas de los líquidos vibran y forman conglomerados que se desplazan unos respecto a otros. Las partículas de los gases se encuentran muy separadas entre sí, y se mueven a grandes velocidades, prácticamente libres de fuerzas de atracción. La temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo. Situación: Se colocan tres vasos llenos de agua, de tal forma que uno de ellos contiene agua fría, otro agua templada (al clima), por último otro que contiene agua caliente y si vierte un chorro de tinta en cada vaso Predicción: ¿Qué sucede con la tinta en cada uno de los vasos? Puede realizar dibujos si lo prefiere

ACTIVIDADES EXPERIMENTALES 43

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL


DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA Siga cada una de las instrucciones que se presentan a continuación (esta actividad debe realizarse en grupos de 4 personas) Para esta actividad serán necesario que dos estudiantes realicen el experimento, mientras que los otros dos se encargarán de llevar el registro de todo lo trabajado (Información obtenida, discusión y conclusiones).

OBJETIVO: Comprobar que, a mayor temperatura, se produce un incremento del movimiento de las

partículas que componen un material. DIRIGIDO A: Estudiantes de grado 80 AUTOR: Fredy Muñoz Pérez MATERIALES: Materiales: - Estufa - Hielo - Tres vasos - Un frasco de tinta (cualquier color) Paso 1. Coloque agua previamente helada con el hielo en un vaso, agua del grifo en otro y agua caliente en el vaso restante. Paso 2 Agregar un chorro pequeño de tinta a cada uno de los vasos Paso 3 Observa que sucede al interior de cada vaso ¿Existe alguna diferencia en el comportamiento de la tinta en cada uno de los vasos? Si existe diferencia ¿a que se bebe esto?






CONCLUSIONES - GRUPO Instrucciones: Esta hoja será recogida en cualquier momento por el profesor. Escriba su nombre

para registrar su asistencia y participación en esta actividad. Tenga en cuenta que sus predicciones no serán tenidas en cuenta para la evaluación. Siga las instrucciones del docente.

INTEGRANTES 1.___________________________________________ 2.___________________________________________ 3.___________________________________________ 4.___________________________________________ ¿Coinciden sus predicciones con las de sus otros compañeros? ¿A qué se debe esto? ¿Explique las observaciones de las 3 situaciones utilizando el modelo de partículas presentado? Puede realizar dibujos y graficas si lo considera apropiado para sus explicaciones ¿Qué pasaría con la tinta si en uno de los vasos el agua esta hirviendo?




LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 2. EL CONCEPTO DE CALOR



Desde siempre el hombre ha buscado amparo de las altas temperaturas del verano a través de bebidas refrescantes, que se elaboraban con agua, nieve o hielo que se mezclan con otros ingredientes para proporcionaban placer y gusto a la bebida. Los chinos, hace 4000 años atrás, elaboraban una masa hecha de arroz muy cocido, leche y especias, que, una vez mezcladas, se colocaban en la nieve para que se solidificaran.

Situación:

Se tiene en dos recipientes la misma cantidad de hielo, en uno de los recipientes se mezcla una generosa cantidad de sal, posteriormente se introduce cierta cantidad de agua contenida en bolsas selladas (Ziploc) en cada uno de los recipientes de forma que queden totalmente cubiertas por las sustancias allí contenidas (hielo y mezcla hielo sal). Predicción:

¿Qué sucederá con la temperatura del hielo y de la mezcla agua – hielo, contenida en cada uno de los recipientes? ¿Qué sucederá con la temperatura del agua contenida en las bolsas selladas luego de unos minutos de estar en contacto con el hielo y con la mezcla agua – hielo respectivamente?

Recipiente con hielo

Recipiente mezcla

hielo- sal




LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 2. EL CONCEPTO DE CALOR

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA Siga cada una de las instrucciones que se presentan a continuación (esta actividad debe realizarse en grupos de 4 personas) Para esta actividad será necesario que dos estudiantes realicen el experimento, mientras que los otros dos se encargarán de llevar el registro de todo lo trabajado (Información obtenida, discusión y conclusiones).

OBJETIVO: Comprobar que los objetos que están a mayor temperatura transfieren energía a los que se encuentran a menor temperatura hasta que ésta se iguala, es decir, hasta que se alcanza el equilibrio térmico. DIRIGIDO A: Estudiantes de grado 80 AUTOR: Fredy Muñoz Pérez Materiales: - 2cubetas de hielo picado - 2 bolsas ziploc de diferente tamaño - 1 taza de sal - 1 taza de leche - 1 taza de azúcar - Esencia de vainilla - 1 termómetro - 1 guante de cocina - 1 cuchara Paso 1: Mezclar dentro de la bolsa más pequeña la leche con 2 cucharadas azúcar y una de esencia de vainilla Paso 2: Vierta el hielo picado en la bolsa más grande y agregue una abundante cantidad de sal Paso 3: Con el termómetro mida la temperatura de las sustancias que se encuentran en cada una de las bolsas Paso 4: Selle la bolsa pequeña e introdúzcala dentro de la otra. Buscando que quede completamente cubierta por la mezcla de hielo y sal. Paso 5: Luego de 10 minutos saque la bolsa pequeña y mida con el termómetro la temperatura de las sustancias contenidas en cada una de las dos bolsas

Preguntas: 1. ¿Por qué disminuye la temperatura de la sustancia contenida en la bolsa pequeña? 2. ¿Cómo son cuantitativamente las temperaturas de las sustancias contenidas en cada una de las bolsas luego de transcurridos 10 minutos? 2. ¿Qué pasaría con la temperatura del hielo si no se agrega sal? 2. ¿Por qué la mezcla leche, azúcar y esencia inicialmente liquida se convierte en helado?



LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 2. EL CONCEPTO DE CALOR CONCLUSIONES - GRUPO

Instrucciones: Esta hoja será recogida en cualquier momento por el profesor. Escriba su nombre

para registrar su asistencia y participación en esta actividad. Tenga en cuenta que sus predicciones no serán tenidas en cuenta para la evaluación. Siga las instrucciones del docente.

INTEGRANTES 1.___________________________________________ 2.___________________________________________ 3.___________________________________________ 4.___________________________________________ ¿Coinciden sus predicciones con las de sus otros compañeros? ¿A qué se debe esto? ¿Qué ocurre cuando son puestos en contacto directo dos cuerpos que se hallan a diferentes temperaturas? ¿Qué ocurre con las moléculas de un cuerpo cuando la temperatura de este disminuye?





LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 3. FUENTE ALTERNATIVA DE CALOR



El calor es la manifestación de uno de los fenómenos físicos más cotidianos. Diferentes actividades generan calor y se usan en la vida diaria para dar solución a necesidades de los seres humanos: cocinar, calentar el ambiente o el agua entre otras. La combustión de combustibles fósiles o de biomasa vegetal es la forma más usada para generar calor , sin embargo, existen formas alternativas.

Situación:

Se tiene dos latas de aluminio, una de las cuales está pintada por dentro de negro con pintura de esmalte, en su interior ambas contienen agua. Predicción:

¿Qué sucede con la temperatura del agua en cada uno de los recipientes si son expuestas a los rayos solares?

¿Las cosas se sienten más calientes si son de algún color o material en particular?



LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 3. FUENTE ALTERNATIVA DE CALOR

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA Siga cada una de las instrucciones que se presentan a continuación (esta actividad debe realizarse en grupos de 4 personas) Para esta actividad serán necesario que dos estudiantes realicen el experimento, mientras que los otros dos se encargarán de llevar el registro de todo lo trabajado (Información obtenida, discusión y conclusiones).

OBJETIVO: Reconocer que la radiación solar se puede convertir en calor DIRIGIDO A: Estudiantes de grado 80 AUTOR: Fredy Muñoz Pérez

Materiales: - Dos cajas de cartón de diferente tamaño. La diferencia de tamaño entre las cajas debe ser tal que colocada una dentro de otra quede una diferencia de mínimo 4 cm entre las paredes - Lámina de plástico transparente ( Será más eficiente si se usa vidrio) - Lámina o bandeja metálica pintada de color negro - Lámina de Cartón - Papel periódico - Pegante para papel o cartón - Cinta adhesiva - Papel aluminio - Bisturí Paso 1: Una vez colocada la caja grande bocabajo, colocar la caja pequeña centrada sobre la cara posterior de la caja grande y marcar la silueta que hace sobre ella. Cortar con el bisturí el fondo de la caja grande por las líneas marcadas de manera que la caja pequeña se pueda introducir en la grande quedando una cámara de aire entre las paredes de los dos cajas de al menos 4 cm. Paso2 : Forrar con el pegante y el papel de aluminio todas las caras interiores y exteriores de la caja pequeña y todas las caras interiores de la caja grande, incluidas las tapas y los fondos. El procedimiento consiste en aplicar sobre la superficie de cartón previamente aplicado el pegante la lámina de papel de aluminio

Paso 1: Paso 2:



Paso 3: Introducir la caja pequeña en el agujero que hicimos en la caja grande. Debe quedar ajustada en la entrada la caja pequeña en la caja grande. Paso 4: Cortar el sobrante de las tapas de la caja pequeña para que ajusten con las paredes de la caja grande. Pegar estas tapas en la caja grande. Pasa 5: Introducir una bandeja o lámina de color negro mate en el fondo interior de la caja pequeña. Se puede emplear, por ejemplo, las bandejas desechables de aluminio flexible que venden en los supermercados pintada de negro. Paso 6 Colocar la caja del horno (la caja grande) boca arriba y rellenar el espacio entre las paredes de las dos cajas con las bolitas de papel periódico bien compactadas. Una vez rellenados todos los huecos, cerrar las tapas con cinta adhesiva. Paso 7 Para confeccionar la tapa se utilizar la lámina de cartón marcando sobre ella los bordes exteriores e interiores de las paredes del horno. Se dobla y corta como aparece en el dibujo formando una tapa que ajuste con el horno y dejando a su vez una tapa abatible. Forrar la tapa abatible con papel de aluminio por su parte interna .Pegar el plástico transparente en la cara interior de la tapa. Paso 8 Coloque en un recipiente metálico agua, introdúzcalo dentro de la caja pequeña y lleve su artefacto al aire libre en un día soleado orientando la tapa abatible hacia los rayos solares. ¿Qué espera que pase con la temperatura del agua luego de 15 minutos, y luego de una hora?

Paso 3

Paso 4 Paso 5

Paso 6 Paso 7



LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO 3.FUENTE ALTERNATIVA DE CALOR

CONCLUSIONES - GRUPO Instrucciones: Esta hoja será recogida en cualquier momento por el profesor. Escriba su nombre para registrar su asistencia y participación en esta actividad. Tenga en cuenta que sus predicciones no serán tenidas en cuenta para la evaluación. Siga las instrucciones del docente.

INTEGRANTES 1.___________________________________________ 2.___________________________________________ 3.___________________________________________ 4.___________________________________________ ¿Coinciden sus predicciones con las de sus otros compañeros? ¿A qué se debe esto? ¿Qué fuente de calor usa el artefacto fabricado? ¿Por qué es necesario que la bandeja de aluminio que se coloca en el fondo interior de la caja sea de color negro? ¿Hierve el agua dentro del artefacto?, ¿Por qué ocurre esto? ¿Qué papel cumple la tapa de plástico en el artefacto? ¿Por qué es necesario rellenar el espacio entre las paredes de las dos cajas con las bolitas de papel periódico? ¿Por qué es necesario forrar con papel de aluminio la tapa abatible por su parte interna? ¿Las cosas se sienten más calientes si son de algún color o material en particular? ¿Qué impacto en el medio ambiente puede tener usar cocinas solares?

8. Resultados esperados

La propuesta busca lograr que los estudiantes:

Identifiquen la temperatura como un parámetro intensivo y útil para diferenciar cuerpos calientes y fríos.

Usen adecuadamente el termómetro, relacionar diferentes escalas de temperatura y reconocer el funcionamiento del termómetro.

Describan procedimientos para elevar la temperatura de los cuerpos.

Relacionen el aumento o disminución de temperatura con la transferencia de energía

Den significado al concepto de equilibrio térmico.

Construyan el significado de calor como proceso de transferencia de energía entre cuerpos a diferente temperatura.

Den significado al concepto de temperatura por medio de un modelo cinético de partículas.

Registren observaciones y resultados utilizando esquemas, gráficos y tablas

Establezcan relaciones entre calor y temperatura

Identifiquen y verifiquen condiciones que influyen en los resultados de un experimento y que pueden permanecer constantes o cambiar (variables).

Respondan a preguntas y esbocen respuestas provisionales (formulando predicciones o “hipótesis”)

Saquen conclusiones de los experimentos que se realizan, aunque no se obtengan los resultados esperados

Propongan y sustenten respuestas a preguntas y las comparen con las de otras personas y con las de teorías científicas.

Conclusiones y Recomendaciones

Este trabajo presenta una propuesta para la enseñanza de los conceptos de calor y

temperatura en estudiantes de educación básica grado 80 (octavo). Utilizando el

experimento como herramienta de cambio conceptual, basada en la metodología del

aprendizaje activo colaborativo donde se busca la construcción del conocimiento a través

de la observación directa del mundo real.

Los lineamientos y actividades organizadas y contenidas en esta propuesta pueden ser complementadas con otros recursos, como lecturas, videos o explicaciones magistrales y quedan a disposición de los docentes para que puedan ser empleadas en la enseñanza de las los conceptos calor y temperatura. Las actividades propuestas deben nutrirse y optimizarse en forma permanente, procurando adaptarlas a los diferentes contextos y necesidades de los propios estudiantes. Es importante aclarar que el propósito de este trabajo es presentar las actividades experimentales como una herramienta en el proceso de la enseñanza de los conceptos calor y temperatura. La puesta a prueba de estas secuencias debe ser objeto de un nuevo trabajo donde se evalúen los resultados esperados.

A. Anexo Guía del docente práctica 1.

LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO EL CONCEPTO DE TEMPERATURA

GUÍA DEL DOCENTE Esta actividad debe realizarse en grupos de 4 personas. Para la actividad será necesario que dos estudiantes realicen el experimento, mientras que los otros dos se encargarán de llevar el registro de todo lo trabajado (Información obtenida, discusión y conclusiones).

OBJETIVO: Comprobar que, a mayor temperatura, se produce un incremento del movimiento de las

partículas que componen un material. DIRIGIDO A: Estudiantes de grado 80 AUTOR: Fredy Muñoz Pérez

Materiales: - Estufa - Hielo - Tres vasos - Un frasco de tinta (cualquier color) Paso 1. Coloque agua previamente helada con el hielo en un vaso, agua del grifo en otro y agua caliente en el vaso restante. Paso 2 Agregar un chorro pequeño de tinta a cada uno de los vasos Paso 3 Observa que sucede al interior de cada vaso ¿Existe alguna diferencia en el comportamiento

El modelo cinético-molecular de la materia admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento. En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con el recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares. La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo. Por lo tanto la temperatura es una medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros.

ANEXO A: GUÍA DEL DOCENTE PRÁCTICA 1 55

de la tinta en cada uno de los vasos? Si existe diferencia ¿a qué se bebe esto?

¿Qué ocurre con nuestro experimento?

Cuanto más caliente está el agua, más difuminada aparece la tinta.

El agua al estar más caliente, transfiere más movimiento a las partículas de agua.

B. Anexo Guía del docente práctica 2.

LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO EL CONCEPTO DE CALOR

GUÍA DEL DOCENTE Esta actividad debe realizarse en grupos de 4 personas. Para la actividad será necesario que dos estudiantes realicen el experimento, mientras que los otros dos se encargarán de llevar el registro de todo lo trabajado (Información obtenida, discusión y conclusiones).

OBJETIVO: Comprobar que los objetos que están a mayor temperatura transfieren energía a los que

se encuentran a menor temperatura hasta que ésta se iguala, es decir, hasta que se alcanza el equilibrio térmico. DIRIGIDO A: Estudiantes de grado 80 AUTOR: Fredy Muñoz Pérez

Materiales: - 2cubetas de hielo picado - 2 bolsas ziploc de diferente tamaño - 1 taza de sal - 1 taza de leche - 1 taza de azúcar - Esencia de vainilla - 1 termómetro - 1 guante de cocina - 1 cuchara Paso 1: Mezclar dentro de la bolsa más pequeña la leche con 2 cucharadas azúcar y una de esencia de vainilla Paso 2: Vierta el hielo picado en la bolsa más grande y agregue una abundante cantidad de sal Paso 3: Con el termómetro mida la temperatura de las sustancias que se encuentran en cada una de las bolsas Paso 4: Selle la bolsa pequeña e introdúzcala dentro de la otra. Buscando que quede completamente cubierta por la mezcla de hielo y

Cuando mezclamos agua con hielo a 0º se produce un equilibrio entre estos, el hielo se va transformando en agua y el agua se va transformando en hielo a la vez. Al adicionar sal, algunas moléculas de agua se unen a las de sal disminuyendo la velocidad de congelación con lo cual se logra que el punto de congelación de la mezcla del agua y la sal sea inferior a 0º, esto permite que la mezcla del agua con sal no se congele, sin embargo el hielo continúa fundiéndose pero, para ello, necesita tomar la energía de los cuerpos próximos, en nuestro caso las manos y la leche. Por este motivo, la leche se enfría y nuestra mezcla en aproximadamente de 10 minutos se convierte en helado (sólido).

ANEXO B: GUÍA DEL DOCENTE PRÁCTICA 2 57

sal. Paso 5: Luego de 10 minutos saque la bolsa pequeña y mida con el termómetro la temperatura de las sustancias contenidas en cada una de las dos bolsas

C. Anexo Guía del docente práctica 3.

LABORATORIO DE APRENDIZAJE ACTIVO FUENTE ALTERNATIVA DE CALOR

GUÍA DEL DOCENTE Esta actividad debe realizarse en grupos de 4 personas. Para la actividad será necesario que dos estudiantes realicen el experimento, mientras que los otros dos se encargarán de llevar el registro de todo lo trabajado (Informa ción obtenida, discusión y conclusiones).

OBJETIVO: Reconocer que la radiación solar se puede convertir en calor DIRIGIDO A: Estudiantes de grado 80 AUTOR: Fredy Muñoz Pérez

Materiales: - Dos cajas de cartón de diferente tamaño. La diferencia de tamaño entre las cajas debe ser tal que colocada una dentro de otra quede una diferencia de mínimo 4 cm entre las paredes - Lámina de plástico transparente ( Será más eficiente si se usa vidrio) - Lámina o bandeja metálica pintada de color negro - Lámina de Cartón - Papel periódico - Pegante para papel o cartón - Cinta adhesiva - Papel aluminio - Bisturí

Los hornos solares utilizan la conversión térmica de la radiación solar para cocinar alimentos o para producir agua destilada. Normalmente, en un horno solar la superficie que absorbe energía es un recipiente que contiene los alimentos Partes del horno:

La temperatura alcanzada en el interior del

ANEXO C: GUÍA DEL DOCENTE PRÁCTICA 3 59

Paso 1: Una vez colocada la caja grande bocabajo, colocar la caja pequeña centrada sobre la cara posterior de la caja grande y marcar la silueta que hace sobre ella. Cortar con el bisturí el fondo de la caja grande por las líneas marcadas de manera que la caja pequeña se pueda introducir en la grande quedando una cámara de aire entre las paredes de los dos cajas de al menos 4 cm. Paso2 : Forrar con el pegante y el papel de aluminio todas las caras interiores y exteriores de la caja pequeña y todas las caras interiores de la caja grande, incluidas las tapas y los fondos. El procedimiento consiste en aplicar sobre la superficie de cartón previamente aplicado el pegante la lámina de papel de aluminio Paso 3: Introducir la caja pequeña en el agujero que hicimos en la caja grande. Debe quedar ajustada en la entrada la caja pequeña en la caja grande. Paso 4: Cortar el sobrante de las tapas de la caja pequeña para que ajusten con las paredes de la caja grande. Pegar estas tapas en la caja grande. Paso 5: Introducir una bandeja o lámina de color negro mate en el fondo interior de la caja pequeña. Se puede emplear, por ejemplo, las bandejas desechables de aluminio flexible que venden en los supermercados pintada de negro.

recipiente (absorbente) dependerá de la cantidad de radiación solar que entre en el horno, así como del nivel de aislamiento térmico que tenga. Los materiales empleados en la construcción de los hornos solares deben ser resistentes tanto a la humedad (durante la cocción de los alimentos se emite vapor de agua) como a las temperaturas que se pueden alcanzar en su interior. En un horno tenemos, básicamente, cuatro tipos de materiales: Estructurales: garantizan la estabilidad estructural del conjunto (cartón, madera, plástico, cemento, etc.). Aislantes: minimizan las pérdidas térmicas del conjunto (fibra de vidrio, icopor, papel periódico). Transparentes: permiten la creación del efecto invernadero en el interior de la caja (vidrio, plástico para alta temperatura). Reflectantes: minimizan las pérdidas térmicas en el interior del horno y pueden concentrar la radiación solar en el interior (papel aluminio). La orientación de la cubierta de manera perpendicular a la radiación solar maximiza la cantidad de radiación solar que entra en la caja.

El horno solar expuesto al Sol debe tener el lado más largo en el sentido este-oeste, de modo que pueda captar radiación solar durante un mayor período de tiempo.



Paso 6 Colocar la caja del horno (la caja grande) boca arriba y rellenar el espacio entre las paredes de las dos cajas con las bolitas de papel periódico bien compactadas. Una vez rellenados todos los huecos, cerrar las tapas con cinta adhesiva. Paso 7 Para confeccionar la tapa se utilizar la lámina de cartón marcando sobre ella los bordes exteriores e interiores de las paredes del horno. Se dobla y corta como aparece en el dibujo formando una tapa que ajuste con el horno y dejando a su vez una tapa abatible. Forrar la tapa abatible con papel de aluminio por su parte interna .Pegar el plástico transparente en la cara interior de la tapa.

Paso 8 .Coloque en un recipiente metálico agua, introdúzcalo dentro de la caja pequeña y lleve su artefacto al aire libre en un día soleado orientando la tapa abatible hacia los rayos solares

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http://www.agenergia.org/files/resourcesmodule/@random49ae9a23d0d51/1236189037_Guia_didactica_Hornos_Solares.pdf

http://www.agenergia.org/files/resourcesmodule/@random49ae9a23d0d51/1236189037_Guia_didactica_Hornos_Solares.pdf

http://www.sitiosolar.com/Horno%20Solar%20de%20caja.htm

enseÑanza de los conceptos de calor y … · relacionar estrechamente la formulación de...

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