Ciencias naturales 6n by María Candelaria Pagella

Ciencias

Ciencias naturales

naturales

La energía térmica

¿Qué sé?

Agua al natural

 Te proponemos que realices esta sencilla expe-

riencia: conseguí tres recipientes. En uno colocá agua con hielo; en otro, agua al natural; y en el último, agua caliente (de la canilla). Ahora poné una mano en el agua con hielo y la otra, en el agua caliente. Dejalas un momento así. Sacalas y sumergí ambas en el recipiente que contiene agua al natural. a) ¿Qué sentís en cada mano? b) ¿Te parece que el agua de este último recipiente tiene dos temperaturas? ¿Qué otra explicación sería posible?

2 Agua fría

Agua caliente

Nuestro cuerpo percibe la temperatura del ambiente a través de la piel.

¿Qué es la temperatura? Frío, tibio, caliente... Seguramente sabés que una comida fría, recién sacada de la heladera, tiene menos temperatura que una recién salida del horno. Y que cuando tenés fiebre sube tu temperatura corporal. En efecto, la temperatura nos da una idea de cuán frío o caliente está ese cuerpo. Pero ¿por qué es así? En el capítulo 7 ya hemos mencionado que los materiales están formados por partículas increíblemente minúsculas que están en permanente movimiento, al que llamaremos agitación. Por supuesto, esa agitación es imperceptible a la vista y varía de un cuerpo a otro. Por ejemplo, imaginate dos vasos llenos de agua, fría en un caso, y en el otro, caliente. Las partículas dentro del vaso de agua caliente se mueven mucho más que las del vaso de agua fría. Es decir, tienen mayor agitación. Precisamente, la temperatura es un promedio de la agitación de las partículas. Entonces, la temperatura de un cuerpo será mayor que la de otro si sus partículas se mueven más. 110

La temperatura y el calor

El calor y el equilibrio térmico tor his ia

l a ci e n c

Antiguamente se creía que el calor era un fluido “invisible y misterioso” que pasaba de un cuerpo a otro, y así se explicaban las transferencias calóricas. Sin embargo, las extrañas propiedades de ese fluido (que ni siquiera podía pesarse) pusieron en duda su existencia. Finalmente, diversos experimentos desterraron esa creencia, y hoy sabemos que el calor es “energía en tránsito”.

¿Qué es el calor? Es habitual usar la palabra calor como sinónimo de temperatura, pero no son lo mismo. Veamos por qué... Cuando tomás sopa y sacás una cucharada del plato, soplás el contenido de la cuchara para no quemarte, porque está tan caliente como la sopa que quedó en el plato. Es decir, ambas partes —la pequeña de la cuchara y la grande del plato— están a la misma temperatura. ¿Cómo es posible que toda la sopa del plato tenga la misma temperatura que la pequeña porción de la cuchara? Porque las partículas de ambas partes tienen la misma agitación. Es decir, la temperatura no depende de la cantidad de materia, sino de cuánto se mueven las partículas. Volvamos ahora a la cucharada de sopa: ¿por qué nos quema? Porque un objeto caliente transfiere energía térmica a otro más frío con el que entra en contacto. A esa transferencia se la llama calor. Y a diferencia de la temperatura, el calor sí depende de la cantidad de materia considerada: el plato de sopa transfiere más calor al ambiente que la cucharada de sopa. ¿Cuánto calor puede transferir un cuerpo? En la medida en que el calor fluye, el cuerpo más caliente baja su temperatura y aumenta la del más frío. Esto es lógico, porque uno pierde energía térmica mientras que el otro la gana. La transferencia de calor se detiene cuando ambos cuerpos llegan a la misma temperatura, y a esta situación se la llama equilibrio térmico. Por ejemplo, si ponés una cuchara “fría” dentro del plato con sopa, la cuchara se calentará, absorbiendo calor de la sopa, que se enfriará un poco. Al rato, ambas tendrán la misma temperatura.

Al colocar agua caliente de la canillla en recipientes de distinto volumen su temperatura no cambia, porque esta no depende de la cantidad de sustancia.

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¿Será cierto que la temperatura de equilibrio es el promedio de las temperaturas de los cuerpos? Investigalo.

Al colocar una cuchara fría en la sopa caliente fluye calor desde la sopa hacia la cuchara, hasta que igualan sus temperaturas.

Los termómetros

Visor

Temómetro digital

¿Cómo funcionan los termómetros? Un termómetro consta de un delgado tubo cerrado que contiene un líquido. Ese tubo está ensanchado en un extremo formando un pequeño “globito” o bulbo. También tiene una escala graduada. Cuando el bulbo del termómetro entra en contacto con un objeto o un cuerpo más caliente que él, su contenido se calienta y se dilata. Entonces comienza a avanzar por el interior del tubo, denominado capilar por ser tan delgado como un cabello. Esta dilatación continúa hasta que el contenido del bulbo alcanza el equilibrio térmico con el objeto caliente, momento en el cual podemos observar cuánto se dilató la sustancia a lo largo del capilar y relacionar ese avance con la escala graduada que se encuentra por fuera. Esta, usualmente, indica la temperatura en grados centígrados (ºC), también llamados Celsius. Pero ¿qué sustancias puede contener el bulbo? Cada sustancia posee distintas propiedades fisicoquímicas y se dilata en forma diferente; por eso, para cada rango de temperatura se utiliza una sustancia específica. En algunos termómetros se trata de alcohol mezclado con un colorante; en los termómetros clínicos tradicionales (que se usan para tomar la fiebre), esa sustancia puede ser el mercurio. Actualmente, sin embargo, existe una tendencia a eliminar el uso de termómetros clínicos con mercurio y reemplazarlos por termómetros digitales. Temómetro de laboratorio

Capilar Bulbo Escala

Un típico termómetro de laboratorio se basa en la dilatación (y contracción) del líquido que contiene en su interior.

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Un termómetro digital puede detectar pequeñas variaciones de tensión eléctrica debidas a la temperatura, y mostrar el resultado en un visor.

¿Con qué podemos medir la temperatura? Así como se pueden medir longitudes con una regla, también es posible medir la temperatura con un instrumento adecuado, llamado termómetro. En el caso de la regla, uno compara sus marcas (que indican unidades de medida, por ejemplo, centímetros) con la longitud del objeto a medir; pero en el caso del termómetro no se trata de una simple comparación. Al poner en contacto el objeto —del cual queremos medir la temperatura— con el termómetro ocurre la dilatación térmica de uno de los materiales de este último. Y esa dilatación es la que medimos. ¿De qué se trata? De que los materiales suelen expandirse o dilatarse, es decir, aumentar su volumen, proporcionalmente al incremento de la temperatura, tal como vimos en el capítulo 7 cuando hablamos del aire, ¿te acordás?

¿Cómo son las escalas de temperatura de los termómetros? Si mirás la escala de un típico termómetro de laboratorio, vas a ver que está graduada de 1 ºC en 1 ºC, o de 2 ºC en 2 ºC, y que va de –10 ºC a 200 ºC. Está fabricado así porque en el laboratorio se miden sustancias que están dentro de este rango de temperaturas. En la escala, 0 ºC es la temperatura a la que se congela el agua, mientras que a 100 ºC hierve. Los termómetros meteorológicos (o ambientales) que se utilizan para medir la temperatura del aire tienen escalas que van de 0,5 ºC en 0,5 ºC. El rango abarca temperaturas bajo cero hasta las cercanas a los 50 ºC. Por otra parte, si alguna vez tuviste fiebre, seguro que el médico te tomó la temperatura con un termómetro clínico. Su escala es de 1 ºC en 1 ºC, y el rango va de 35ºC a 42ºC.

¿Por qué será que la escala de un termómetro clínico solo va de 35 ºC a 42 ºC?

¿Por qué hay que agitar un termómetro clínico antes de usarlo? Ya sabemos por qué avanza la línea de líquido del capilar cuando aumenta la temperatura. Pero ¿por qué no baja al rato de tomarnos la temperatura, si ya no está cerca de nuestro cuerpo? Esto se debe a que en la base del termómetro hay una estrangulación que impide que el líquido descienda, para que el valor quede fijo y podamos leerlo sin prisa. Por eso hay que agitar ese tipo de termómetros antes de usarlos; para que el líquido vuelva al bulbo y no estemos leyendo una medición anterior. En cambio, el termómetro meteorológico no tiene capilar estrangulado. El alcohol o el mercurio, sube o baja sin necesidad de agitarlo.

El rango de la escala del termómetro clínico va de 35 ºC a 42 ºC.

Bulbo

Estrangulamiento

Los termómetros meteorológicos pueden contener alcohol o mercurio en su interior.

Escala

Capilar

Repaso hasta acá  ¿Cómo se relaciona la agitación de las partículas con el concepto de temperatura?  ¿Qué diferencia hay entre calor y temperatura?  ¿Qué sucede al poner en contacto dos objetos de diferente temperatura? ¿Cuándo finaliza ese

proceso? Describí la situación.  ¿Qué es la dilatación térmica y cómo se relaciona con la medición de un termómetro de mercurio? 113

Transferencias de calor ¿Cómo se transfiere el calor de un cuerpo a otro? Ya sabemos que al poner en contacto dos objetos con distinta temperatura, el calor fluye del más caliente al más frío y al cabo de un rato alcanzan el equilibrio térmico. Eso es lo que ocurre —como ya vimos— cuando sumergimos la cuchara en el plato con sopa caliente. Pero ¿cómo pasa el calor de un material a otro? El calor puede transferirse mediante tres mecanismos:

Conducción: volvamos al ejemplo de la sopa y la cuchara. Cuando ponemos la cuchara en la sopa, el metal se calienta, ya que la sopa le transfiere calor. Luego de un rato, la sopa se enfriará más porque también cede calor al aire circundante. Este proceso en el que el calor se transfiere por contacto directo se denomina conducción térmica.

Convección: otra forma distinta de transferir calor se observa en los fluidos. Por ejemplo, cuando calentás agua en una olla, la que se encuentra en el fondo eleva su temperatura por estar cerca de la llama. Entonces, se dilata y se vuelve más “liviana” que el agua fría de la superficie, así que tiende a flotar sobre ella. Entonces, hay un movimiento de agua caliente que sube, mientras el agua fría baja. Este movimiento de materia como consecuencia del calor puede ocurrir en líquidos y gases, pero no en sólidos.

Radiación: la tercera forma de transferencia ocurre cuando un objeto emite calor sin estar en contacto con los receptores. Por ejemplo, el Sol emite radiaciones a través del vacío del espacio, que son recibidas por los cuerpos y los objetos que se encuentran sobre la superficie de la Tierra.

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El Sol emite radiación al vacío del espacio, y recibimos parte de ella en forma de calor.

El movimiento del fluido caliente es el responsable de la convección del calor.

La llama calienta el metal de la hornalla, que conduce el calor al metal de la sartén.

¿Cuál es la diferencia entre los conductores y los aislantes térmicos? Si bien la conducción del calor es uno de los mecanismos de transferencia más habituales, no todos los materiales lo conducen con la misma eficiencia. Algunos lo hacen muy bien, como los metales y el agua, es decir, son buenos conductores del calor. Los llamamos conductores térmicos, para no confundirnos con los conductores eléctricos (¡recordá la corriente en un circuito!). No obstante, los metales conducen bien tanto la electricidad como el calor: a nadie se le ocurriría tocar un cable pelado, como tampoco el metal de una olla puesta al fuego. En la vereda de enfrente tenemos a los materiales que no son buenos conductores del calor, y los llamamos aislantes térmicos. La madera, el corcho, el telgopor y el plástico son ejemplos de este tipo de materiales. Por eso se los utiliza con frecuencia para aislar térmicamente las viviendas.

El corcho es utilizado, junto a otros aislantes térmicos, para apoyar o maniobrar objetos calientes.

Los metales son muy buenos conductores del calor, por lo que se los utiliza en recipientes para cocinar.

Entre todos

Luego de ver un video en Internet, Luli le dice a su familia: Estuve viendo un video para hacer un trabajo de la escuela, y dice que el aire acondicionado debe usarse en 24 ºC. Esa temperatura nos mantiene frescos, es agradable para el organismo y nos cuida de no enfermarnos,

porque hay que evitar los aumentos de temperatura mayores de 5 ºC cuando salimos. Además, evita el gasto excesivo de energía. Así, cuidamos de manera responsable el ambiente y a nosotros mismos.

 Respondan en grupo las siguientes preguntas:

a) ¿Cuál es la máxima temperatura que tendría que haber fuera de la casa con el método que recomienda Luli? b) ¿Qué tendría de malo usar el aire acondicionado a 20 ºC? c) ¿Por qué Luli dice que sería una manera responsable de cuidar el ambiente? En la página 120 seguimos reflexionando entre todos.

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El calor y los cambios de estado

Sólido

Temperatura constante = Cambio de estado

Líquido

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Gaseoso

Temperatura constante = Cambio de estado

CALOR

Las sustancias utilizan el calor recibido para aumentar su temperatura, salvo durante los cambios de estado, donde permanece constante.

CALOR

¿Por que si sacamos una bebida fría, y la ponemos a temperatura ambiente, su superficie se llena de gotitas de agua?

¿Qué sucede con el calor y la temperatura durante los cambios de estado? Generalmente, cuando un cuerpo recibe calor aumenta su temperatura. Pero... no siempre es así. Esas excepciones se dan en los cambios de estado de los materiales, es decir, cuando se produce el pasaje de un estado de agregación a otro, por ejemplo, de sólido a líquido (y viceversa). Durante estos cambios, la temperatura permanece constante. Veamos por qué. Como vimos en el capítulo 7, los materiales que conocemos pueden hallarse en uno de estos tres estados: sólido, líquido o gaseoso. El agua nos sirve de ejemplo, ya que podemos observarla como hielo (sólido), agua (líquida) y vapor de agua (gaseoso). Entonces, si sacamos algunos cubitos del frízer, los colocamos dentro de un jarro y medimos su temperatura con un termómetro, veremos que la temperatura asciende a medida que pasa el tiempo. Lo que está ocurriendo es que el aire circundante transfiere calor al hielo y hace que aumente la agitación de sus partículas. Pero este proceso no dura indefinidamente: una vez que el hielo alcanza los 0 ºC, comienza a derretirse mientras la temperatura permanece constante. Esto ocurre porque el calor recibido se usa para vencer las fuerzas que mantienen unidas a las partículas, y así el agua sólida pasa a líquida. Una vez que toda el agua queda líquida, la temperatura comienza a subir de nuevo, ya que las partículas de agua usan el calor del ambiente para aumentar su agitación, hasta igualar esa temperatura ambiental. Si pusiéramos a calentar esa agua en una hornalla, su temperatura subiría hasta alcanzar los 100 ºC. Una vez allí, se mantendría constante y el calor recibido se usaría para vencer las fuerzas que mantienen unidas a las partículas entre sí, por lo que el agua líquida pasaría al estado de vapor. Y si pudiéramos seguir entregando calor al vapor de agua, veríamos que este lo usaría para aumentar la agitación de sus partículas, es decir, aumentaría su temperatura. Todo el proceso puede revertirse quitando calor. Entonces, habrá descenso de temperatura y cambios de estado —con temperaturas constantes— en sentido contrario a los anteriores.

Técnicas y habilidades

Diferenciar datos cualitativos y cuantitativos Alguna vez habrás escuchado la frase: “No es una cuestión de cantidad, sino de calidad”. ¿Que habrán querido decir con eso? Significa que en algunas ocasiones, son más importantes las características o propiedades de algo que su medida.  Analizá la siguiente frase y señalá cuál es el dato referido a la calidad y cuál, a la cantidad:

“Al llegar a los 700 ºC, el acero comienza a emitir luz en un tono rojo oscuro”. En la vida cotidiana y en el mundo científico se utilizan tanto datos cuantitativos (relativos a cantidades) como cualitativos (relativos a calidades o clasificaciones). En las diversas ramas del conocimiento, se utiliza un tipo de dato o el otro según la naturaleza del problema a investigar. Algunos datos solo pueden ser cualitativos, como los diferentes nombres de los mamíferos que existen: diremos que se trata de un oso, un delfín o un camello. En el otro extremo, hay datos que serán meramente numéricos, como las longitudes: 3 cm, 15 m o 2 km. Y después tenemos fenómenos que pueden admitir tanto datos cualitativos como cuantitativos. Por ejemplo:

El tipo de estufa (cuarzo, halógena, tiro balanceado, etc.) es un dato cualitativo. La cantidad de kilocalorías (kcal) máxima que entrega es un dato cuantitativo. El tipo de sustancia (por ejemplo, agua) es un dato cualitativo. La temperatura a la que comienza a congelarse (0 ºC) es un dato cuantitativo.

Los datos cualitativos permiten hacer descripciones generales, pero algunas veces no son lo suficientemente precisos. Registrar datos cuantitativos es una forma de mejorar la precisión de muchos experimentos. ¿Cómo se obtienen? Generalmente, es necesario realizar las mediciones con los instrumentos adecuados.  Mencioná un ejemplo donde se empleen datos

 En este capítulo vimos un concepto que, en la

cuantitativos, y otro donde se usen datos cualitativos.  Identificá los datos cualitativos y cuantitativos en la descripción de un termómetro.

vida cotidiana, es descripto tanto cuantitativa como cualitativamente. ¿Cuál es? ¿En qué unidades se mide? ¿Qué palabras suelen usarse en la descripción cualitativa?

En la página 152 encontrarán una propuesta para seguir poniendo esta habilidad en acción.

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¿Qué aprendí?

a) Sabiendo que el chocolate y la leche están a diferente temperatura, ¿qué podría estar indicando la flecha que aparece en el esquema? b) ¿En qué momento dejaría de tener sentido la presencia de esa flecha? c) Diferentes mediciones hechas en el chocolate y la leche arrojaron estos valores estables: 20 ºC, 41 ºC y 55 ºC. ¿A qué podría corresponder cada temperatura? Explicá tu razonamiento.

1. Indicá cuál de los dos líquidos está a mayor temperatura. ¿Cómo te das cuenta? A

4. Si servís un vaso de agua fría y lo dejás sobre una mesa, luego de un tiempo llegará a temperatura ambiente. a) ¿A qué se debe eso? b) ¿Por qué no se enfría el ambiente como consecuencia de lo anterior?

Concepto

Definición

5. Si se pusiera un extremo de una varilla de metal en la llama de una hornalla, ¿agarrarías el otro extremo con la mano desnuda? Justificá tu respuesta. 6. Completá el siguiente acróstico acerca de los conceptos relacionados con la energía térmica.

Se igualan las temperaturas entre dos o más sustancias o cuerpos.

a b

Medida de la agitación de las partículas.

c d

Transferencia de energía térmica entre un cuerpo con mayor temperatura y otro más frío.

e f

3. En un recipiente vacío se vuelcan una taza de chocolate y un vaso de leche.

T É R M I C A

a) Característica del valor de la temperatura durante los cambios de estado. b) Tipo de equilibrio que se da entre dos cuerpos en contacto cuando igualan sus temperaturas. c) Propagación del calor a través del vacío. d) Instrumento que sirve para medir la temperatura. e) Material que dificulta el paso del calor. f) Transferencia de calor frecuente en los fluidos. g) Transferencia de energía térmica. 118

2. Ubicá los siguientes conceptos en el lugar apropiado de la tabla: calor, equilibrio térmico, temperatura.

7. Al comienzo del capítulo vimos una experiencia acerca de las sensaciones de frío y calor. Imaginate que ahora sos el profesor y tenés que corregir esas respuestas; ¿podrías analizar si son correctas? ¿Qué cosas señalarías en ellas? 8. A continuación están en orden las preguntas que aparecen a lo largo del capítulo. Observándolas, ¿cómo le resumirías a otro compañero de qué trató el capítulo? Escribilo en pocas líneas. a) ¿Qué es la temperatura? b) ¿Qué es el calor?

c) ¿Cuánto calor puede transferir un cuerpo? d) ¿Con qué podemos medir la temperatura? e) ¿Cómo funcionan los termómetros? f) ¿Cómo son las escalas de temperatura de los termómetros? g) ¿Por qué hay que agitar un termómetro clínico antes de usarlo? h) ¿Cómo se transfiere el calor de un cuerpo a otro? i) ¿Cuál es la diferencia entre los conductores y los aislantes térmicos? j) ¿Qué sucede con el calor y la temperatura durante los cambios de estado?

9. Releé tu resumen y subrayá las ideas principales. Utilizalas para completar este mapa conceptual.

Energía térmica

modifica la

viaja como

Temperatura

Calor

se mide con

Termómetros

pueden ser

se transfiere desde

Formas de transferencias

Objeto frío

Objeto caliente si se igualan temperaturas

Alcohol

hay distintas

pueden ser

Equilibrio térmico

Radiación

119

produce

Cambios de

Habilidades en acción Vamos al laboratorio.................................................................. 147 Armamos un comedero para aves..............................................148 (Técnicas y habilidades de las páginas 17 y 45) Exploramos nuestra percepción................................................150 (Técnicas y habilidades de las páginas 25, 45 y 55) Comparamos combustibles......................................................... 152 (Técnicas y habilidades de las páginas 65 y 85) Construimos una cocina solar.................................................... 154 (Técnicas y habilidades de las páginas 103 y 117) Fabricamos instrumentos meteorológicos................................156 (Técnicas y habilidades de las páginas 127 y 139) Comunicamos en ciencia............................................................158 (Técnicas y habilidades de la página 127) Trabajamos con la técnica de stop motion.............................. 160 (Técnicas y habilidades de la página 127)

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