TEMPERATURAS EXTREMAS Taller educativo realizado por los alumnos de 3º ESO del IES El Pinar (Alcorcón, Madrid) en el Centro Cultural CosmoCaixa (Alcobendas, Madrid) En este taller los alumnos, con la ayuda de una monitora especializada, recordaron el concepto de temperatura y realizaron diversos experimentos con los que comprobaron cambios en la temperatura producidos por la conductividad, por reacciones químicas, por la electricidad, por la luz, que fueron medidos mediante una cámara termográfica. Además se pudo comprobar la variación de algunas propiedades fisicoquímicas de determinados materiales en función de la temperatura, tales como su estado, volumen, color, solubilidad, viscosidad, etc. Muchas propiedades fisicoquímicas de los materiales o de las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado, su volumen, su color, su solubilidad, su viscosidad, etc. En este taller comprobaremos cómo cambia la temperatura por conductividad, por reacciones químicas, por la electricidad o por la luz, y lo veremos gracias a una cámara termográfica.
Desarrollo teórico de los contenidos 1. Concepto de Temperatura La temperatura es una magnitud relacionada con la energía interna de los objetos y las sustancias, es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, cuanto más se muevan las partículas mayor será su temperatura. Todos sabemos intuitivamente comparar temperaturas, frío o calor. Por medio del tacto notamos “la temperatura” ya que unas terminaciones nerviosas situadas en la piel se encargan de ello. Pero es algo subjetivo, es una sensación, a una misma temperatura unos tenemos frío y otros calor. Toda la materia está formada por partículas en continua agitación, incluso los sólidos, aunque a simple vista parecen estar en reposo. Los gases tiene mayor libertad de movimiento, tratan de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: tratan de expandirse. Muchas propiedades de los materiales o de las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso), su volumen (botella en el congelador), su color (pintura termocrómica) o la solubilidad (Cola-Cao)
Formas de medir la Temperatura La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados con diferentes escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional, la unidad de temperatura es el Kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto". Sin embargo, fuera del ámbito científico la escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); Los termómetros “normales” se denominan de contacto, porque la temperatura del objeto se transmite por conducción
En este taller se midió la temperatura a distancia, con una cámara termográfica, aparato que percibe la radiación infrarroja emitida por los cuerpos detectados y que la transforma en imágenes luminosas para ser visualizada por el ojo humano. Todos los cuerpos emiten cierta cantidad de radiación en forma infrarroja, en función de su temperatura. Generalmente, los objetos más calientes emiten más radiación infrarroja que los menos calientes. Las imágenes que se visualizan en la pantalla, han sido procesadas para que las imágenes se muestren coloreadas, porque son más fáciles de interpretar con la vista. Pero los colores observados no corresponden a la radiación infrarroja percibida, sino que la cámara los asigna arbitrariamente, de acuerdo al rango de intensidades de longitud de onda infrarroja, por eso se llaman falsos colores.
2. Temperatura máxima 32
La temperatura más alta que se ha alcanzado, se supone que se alcanzó durante el Big Bang y se ha calculado en unos 10 ºC, (100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) lo que equivale a 100 quintillones de grados, es decir 100 millones de millones de millones de millones de millones de grados. Otro ejemplo de elevadas temperaturas, lo podemos encontrar en las estrellas, por ejemplo el Sol que es de color amarillo tiene una temperatura superficial de unos 5.000ºC (en el interior hay millones de grados), hay estrellas de color azul (como Rigel en la constelación de Orión) con una temperatura superficial es de unos 10.000º C, también hay estrellas rojas, a unos 3000ºC (como Betelgeuse, también en la constelación de Orión). Por debajo de esa temperatura no se emite luz. Un ejemplo, más cercano, de altas temperaturas es la llama de un mechero, la llama tiene diferentes colores, azul, luego la amarilla y por último la roja, donde cada color corresponde a una temperatura. La temperatura va disminuyendo hacia el exterior porque transfiere su calor al aire que está mucho más frío
Actividad: El globo ignifugo Materiales: -
2 Globos, uno de ellos lleno de agua Mechero o vela
Procedimiento: Un voluntario infla un globo enciende el mechero y pone el globo sobre la llama. ¿Qué pasará? El globo explota. Se funde la goma, el aire sale de golpe y el globo explota. Se realiza la misma operación con el globo lleno de agua. ¿Explotará? El globo no explota, el agua absorbe el calor, e impide que la goma del globo se caliente tanto como para romperse. El agua tiene una gran capacidad calorífica, es decir que para aumentar su temperatura necesita mucha energía. Por mucho que se caliente no pasaría de los 100ºC y a esa temperatura el globo no explota
Actividad: Los colores de los fuegos artificiales Los vivos y variados colores que se consiguen al estallar un fuego artificial se debe a que en el interior llevan un paquete de productos químicos especiales, principalmente sales de metales y óxidos metálicos. Los electrones de los átomos de cada elemento se encuentran en un principio en su estado más estable, es decir, ni absorben ni emiten energía, pero al verse expuestos ante un impulso energético externo, como es el calor dentro del fuego artificial, pasan a un estado excitado con una mayor energía. Cuando la fuente de energía "deja de excitarlo", los electrones regresan a su estado anterior y emiten la energía absorbida en forma de luz. Cada elemento libera una cantidad diferente de energía, y esta energía es lo que determina el color o longitud de onda de luz que se emite. Por ejemplo, cuando el nitrato de sodio se calienta, los electrones de los átomos de sodio absorben la energía y pasan a su estado excitado. Cuando regresan a su estado fundamental, libera unos 200 Kilojulios por molécula, o lo que es lo mismo, la energía de la luz amarilla. El color azul se crea a partir de cantidades variables de compuestos de cloruro de cobre, mientras que el rojo viene de estroncio y sales de litio y el verde de sulfato de cobre Los colores secundarios se obtienen mezclando los ingredientes de sus parientes de color primario. Una mezcla de cobre (azul) y el estroncio (rojo) da como resultado una luz de color púrpura.
3. Temperatura mínima La temperatura que teóricamente se puede alcanzar es el cero abso0luto (-273ºC). Ni siquiera, lo más frío que existe, en el espacio interestelar tiene dicha temperatura. El universo está a 3ºK por encima del cero absoluto, esa pequeña temperatura es la radiación que queda de la explosión del BigBang. En cuanto salimos de nuestra atmósfera la temperatura disminuye considerablemente, por ejemplo la Estación Espacial Internacional que está a 600 Km. de la Tierra está a unos -130º C Experimentalmente se han conseguido temperaturas cercanas al cero absoluto.
En el taller se va a trabajar con nitrógeno líquido que está a -196 ºC. El nitrógeno líquido tiene numerosas aplicaciones, entre las que destacan la criogenización de tejidos, células reproductoras, células madre, conseguir superconductores, quemar verrugas…..
4.- Difusión térmica La transferencia de calor o difusión térmica es el paso de energía térmica desde un cuerpo más caliente a otro más frío. Cuando un objeto sólido o fluido, está a una temperatura diferente de su entorno o de otro cuerpo con el que se encuentre en contacto la transferencia de calor, siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío, hasta que se alcanza el equilibrio térmico, esto es, hasta que los dos cuerpos se encuentran a la misma temperatura. En la práctica, la transferencia de calor nunca puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
5.- Estados de la materia Para cualquier agregado material, modificando las condiciones de temperatura y/o presión, pueden obtenerse distintos estados de agregación de la materia. Podemos hablar de cuatro estados de la materia, cada uno de los cuales con sus características particulares. -
Estado sólido: los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente duros y resistentes. Tiene forma propia y volumen definido.
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Estado líquido: Si incrementamos la temperatura de un sólido hasta la desaparición de su estructura cristalina alcanzamos el estado líquido. Los líquidos son capaces de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene, no tienen forma definida. Aún existe cierta cohesión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos.
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Estado gaseoso: Si incrementamos aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. La cohesión entre los átomos o moléculas del gas es casi nula de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, por tanto no tiene ni forma ni volumen definido. Pueden comprimirse fácilmente y ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.
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Plasma: Al plasma se le llama “el cuarto estado de la materia”. Es un gas en el que los átomos se han roto, formado por electrones negativos e iones positivos. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar los electrones. A diferencia de los gases fríos, los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos.
6.- Cambios de estado Se denomina cambio de estado al paso de la materia por distintos estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. En condiciones normales de presión y temperatura (1 atmósfera y 20º C) existen compuestos tanto en estado sólido como líquido y gaseoso. Si se varia la presión manteniendo constante la temperatura o la temperatura manteniendo constante la presión se puede pasar de un estado de agregación a otro.
Los cambios de estado más comunes son: -
de sólido a líquido: fusión
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de líquido a gas: evaporación
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de sólido a gas: sublimación (progresiva)
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de gas a sólido: sublimación inversa o sublimación regresiva
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de gas a líquido: condensación
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de líquido a sólido: solidificación
7.- Reacciones Térmicas Una forma de variar la temperatura es mediante reacciones químicas, cuando dos sustancias entran en contacto pueden variar su temperatura y la del entrono que las rodea, pueden ser de dos tipos: exotérmicas y endotérmicas 7.1. Reacciones exotérmicas, es decir que generan un aumento de la temperatura
Actividad: Reacción del sodio con agua El sodio es el metal alcalino que a pesar de ser muy abundante en la Naturaleza (2.6% de la corteza terrestre) no se encuentra en estado puro ya que el sodio está tan cerca de ser estable (sólo tiene que librarse de 1 electrón) que, en cuanto se encuentra con cualquier otro elemento que sea electronegativo (que quiera ganar electrones) reacciona con él inmediatamente y forma compuestos.
El sodio reacciona con casi cualquier cosa que pueda aceptar electrones. Cuando se encuentra con agua (y no tiene que ser en un vaso, puede ser simplemente la humedad del ambiente o la de la piel o mucosas), reacciona para dar hidróxido sódico (sosa cáustica) e hidrógeno: 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
Esta reacción, es una reacción potencialmente peligrosa porque es muy exotérmica, es decir, libera una gran cantidad de calor. Si se utiliza una cantidad de sodio muy grande, el calor producido sobre la superficie del bloque funde el sodio del interior que luego reacciona de golpe con el agua, y se produce una explosión. En esta actividad, se utilizará una pequeña cantidad de sodio por lo que la reacción se producirá poco a poco, y se podrá observar que se trata de una reacción exotérmica en la que se desprende calor, por la llama amarilla que aparece en cuanto el Na entra en contacto con el agua. No obstante, por si a caso, se utilizó una pantalla protectora.
Vertido de Sodio en el Lago Lenore (pincha en el título para ver el vídeo) En 1947, nueve toneladas de sodio, excedentes del arsenal militar estadounidense, son vertidos en barriles de más de tonelada y media cada uno, en las aguas del lago Lenore, situado al este del estado de Washington, por parte del War Assets Administration.
El ejército estadounidense utilizaba el sodio para fabricar tetraetilplomo, antidetonante usado para aumentar el octanaje de la gasolina con plomo (ahora en desuso por su alto poder contaminante). Para deshacerse de este peligroso elemento, fue lanzado en barriles ladera abajo a las aguas del lago Lenore, con las consiguientes explosiones resultantes que puedes observar en el vídeo, a lo que se debe sumar la catástrofe ecológica que supone este vertido ya que la sosa cáustica resultante (lejía) de la reacción altera el pH del agua haciendo lo alcalino y matando todo rastro de vida animal y vegetal existente. “La revista de ciencia Popular Science afirman que dicho lago era de por si alcalino y que por tanto, no existían peces en él” ...
7.2. Reacciones endotérmicas, disminuyen la temperatura, o dicho de otra forma, “roban” calor del entorno para poder reaccionar.
8.- Luz y calor Otra forma de variar la temperatura es mediante la luz... Todos hemos comprobado cuando nos da la luz del Sol como aumenta la temperatura, gran parte del calor recibido es por la radiación infrarroja, pero imaginemos que hay dos personas juntas una con una camiseta blanca y la otra con una camiseta negra ¿Estarán a la misma temperatura? La radiación infrarroja que reciben es la misma, pero el que tiene la camiseta negra está más caliente. La luz blanca es la mezcla de todos los colores, por ejemplo, cuando incide sobre una superficie verde, se absorben todos los colores excepto el verde que es reflejado. El blanco refleja todos los colores, mientras que el negro los absorbe todos, por lo que se calienta más.
9.- Electricidad y calor Mediante la electricidad también podemos variar la temperatura, por ejemplo si tocamos una bombilla “de las normales” podemos llegar a quemarnos. La corriente eléctrica va por los cables y llega a la bombilla, que tiene un filamento muy, muy fino y la electricidad sigue pasando, pero cuanto menor es la sección del conductor, mayor es la resistencia que ofrece a la electricidad, esa resistencia se transforma en calor, hasta volverlo incandescente, emitiendo luz (efecto Joule).
Sin embargo una bombilla de bajo consumo no se calienta tanto, por lo que es mucho más eficiente que las incandescentes que transforman el 90% de la electricidad que consumen en calor. En realidad las bombillas de bajo consumo son muy similares a los tubos fluorescentes....
Actividad: Combustión del acero con electricidad Materiales: -
Lana de acero (estropajo metálico) Pila de 9 voltios
Procedimiento: Basta tocar un poco de lana de acero con los dos polos de una pila de 9 voltios para que arda. Precauciones: ¡Cuidado con la lana de acero cuando está ardiendo! La pila no se debería mantener mucho tiempo en contacto con el acero y no sólo para evitar que la lana arda de forma descontrolada, sino porque puede calentarse en exceso y agotarse en muy poco tiempo. Explicación: La combustión del acero (aleación de hiero y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación) es una reacción de oxidación (combinación del Hierro con oxígeno que desprende energía) que se realiza muy rápidamente.
Cuando el hierro o el acero se oxidan, el desprendimiento de calor es tan lento que puede disiparse sin que la temperatura suba apenas, pero si “ayudamos” al material dándole energía con una pila, por ejemplo, el calor se genera mucho más deprisa de lo que se pierde y la temperatura sube hasta alcanzarse el punto de ignición (unos 1000 ºC para el acero) a partir del cual la combustión continúa hasta que se agotan el oxígeno o el combustible. El mecanismo por el que se transfiere energía a la lana de acero mediante la pila, es el de la resistencia eléctrica. Un conductor, como el acero, está formado (ver figura) por una red de iones positivos (en azul) y a su alrededor un “mar” de electrones casi libres (en rojo) que se mueven aleatoriamente. Cuando se aplica una diferencia de potencial con la pila, esos electrones empiezan a moverse además hacia el polo positivo y al hacerlo chocan de vez en cuando contra los iones positivos o contra otros electrones. En estas colisiones parte de la energía que hace circular la corriente se trasforma en calor. En este proceso interviene el diámetro de las fibras de la lana de acero, de unos 0,02 mm, ya que al ser el filamento extremadamente fino su resistencia es grande y disipa mucho menos el calor.
10.- Comportamiento de materiales a bajas temperaturas El volumen de los materiales puede verse afectado por la temperatura. La mayoría de las cosas se contraen cuando se enfrían y se expanden cuando se calientan. El agua es una excepción porque se expande cuando se transforma en hielo. Los ingenieros deben tener en cuenta la contracción térmica para construir grandes estructuras: vías de ferrocarril, puentes, edificios... siendo fundamentales las juntas de dilatación. La elasticidad de los sólidos puede también verse afectadas por la temperatura. La elasticidad describe como un cuerpo puede volver a su forma original y tamaño después de haber sido retorcido y estirado. Cuando los sólidos se enfrían se hacen duros y quebradizos, pierden su elasticidad.
Por otra parte, sabemos que las temperaturas frías pueden matar tejidos en el cuerpo humano. La congelación ocurre cuando se forman cristales de hielo en las células vivas, habitualmente a temperaturas por debajo de –12º C. La rama de la medicina que lo estudia se llama “criomedicina”, la técnica concentra un frío extremado en los tejidos enfermos, matándolos. Los cirujanos utilizan una sonda superfría para introducir pequeñas cantidades de nitrógeno líquido en el área infectada.
Actividades con hielo seco El hielo seco o nieve carbónica es dióxido de carbono en estado sólido, sublima a la temperatura de -78,5 ºC, pasando directamente de sólido a gas. El hielo seco, al sublimar, desprende gran cantidad de gas dióxido de carbono. Podemos aprovechar el gas que se genera para hinchar globos sin esfuerzo. En esta experiencia introducimos varios fragmentos de hielo seco en el interior de un guante de látex. A continuación, cerramos el guante mediante un nudo y vemos cómo inmediatamente el guante comienza a inflarse como consecuencia de la presión que ejerce el gas que se libera en su interior. Podemos sacar el hielo seco del recipiente en que se conserva con una cuchara metálica, observando que se produce un sonido característico, debido al enfriamiento rápido del metal. Si lo ponemos sobre una chapa de acero el metal comienza a chirriar. El metal, en contacto con el hielo seco, se enfría muy deprisa. El proceso es tan rápido que, aunque el metal es muy buen conductor del calor, queda una zona muy fría y otra todavía permanece a temperatura ambiente. Necesita un poco de tiempo para que se igualen las temperaturas. Esto provoca que haya zonas que al enfriarse se contraigan rápidamente, dando lugar a tensiones locales en el metal que producen vibraciones que a su vez, generan el sonido. Podemos aprovechar el gas para crear niebla El hielo seco sumergido en un líquido sublima muy deprisa generando gran cantidad de CO2 que burbujea continuamente.
Al contacto con el aire hace que condensen pequeñas gotas de agua que se encuentran en el ambiente originando una típica neblina. Si añadimos hielo seco a un vaso que contiene agua la sublimación es bastante rápida y aún más si añadimos agua caliente (pincha para ver el vídeo). El resultado es una niebla más densa que el aire y por eso se dirige hacia el suelo. El efecto de niebla es todavía más intenso porque al burbujear arrastra pequeñas gotitas de agua. En el cine o el teatro utilizan máquinas de niebla, que echan un chorro de humo de forma continua hasta que todo el suelo se cubre de niebla. En discotecas o espectáculos musicales lanzan el humo a través de varias máquinas consiguiendo un efecto espectacular: Podemos aprovechar el gas para conseguir bebidas humeantes. Efecto muy utilizado en el cine, sólo se debe añadir unos trozos de hielo seco a un líquido de color llamativo.
Actividades con nitrógeno líquido El nitrógeno líquido es nitrógeno puro en estado líquido. Es inerte, incoloro, inodoro, no es corrosivo ni inflamable, pero es extremadamente frío (-195,8 °C). A la hora de manipularlo se deben tomar precauciones, debido: -
A su baja temperatura que puede producir quemaduras. A que se expande rápidamente al pasar de líquido a Gas (tasa de expansión 1: 694), con lo que se genera una gran fuerza, sobre todo si el nitrógeno se evapora súbitamente. A medida que el nitrógeno se evapora reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como un asfixiante, especialmente en espacios confinados. El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido, y podría producir asfixia sin ninguna sensación o advertencia previa.
El nitrógeno líquido en contacto con el aire, a temperatura ambiente se evapora rápidamente, produciendo gran cantidad de gases a baja temperatura que flotan durante un cierto tiempo.
La baja densidad del nitrógeno líquido hace que fluya rápidamente cuando se deja salir con cuidado desde el contenedor.
Los objetos normales cambian de características físicas cuando se introducen en nitrógeno líquido. Un tubo de goma elástica que se enfría en nitrógeno se vuelve extremadamente duro y no se puede poner derecho ni estirar hasta que se calienta de nuevo a temperatura ambiente. Cuando se introduce un guante de goma en nitrógeno líquido, el guante se queda rígido y duro, y se fragmenta cuando se le estruja entre las manos. Un globo inflado experimenta un extraño efecto cuando se introduce en nitrógeno líquido. El gas dentro del globo se contrae y el globo se desinfla. Cuando el globo se saca del nitrógeno líquido, al elevarse la temperatura, el gas del interior del globo vuelve a expandirse y el globo recupera su tamaño inicial. Esta es una demostración cualitativa de la ley de Charles: a presión constante, existe una relación lineal entre el volumen de una cantidad fija de gas, y la temperatura del mismo.
Se tira nitrógeno al suelo. Observamos que las gotas de nitrógeno líquido se mueven por el suelo a gran velocidad, sin apenas fricción, ya que se deslizan sobre una capa de nitrógeno gas que se forma continuamente al entrar en contacto el nitrógeno líquido, muy frío, con el suelo caliente, capa que actúa como aislante entre la superficie sólida y el nitrógeno líquido (efecto Leidenfrost).