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Los materiales y su interacción con el calor

Actividades para aprender cómo interactúan los materiales con el calor, sus cambios y por qué los objetos se fabrican con determinados materiales.

Creado: 16/09/2022 | Actualizado: el viernes pasado a las 16:46

Enseñanza

Los materiales y la interacción con el calor. Orientaciones docentes

Orientaciones didácticas para la implementación de las actividades vinculadas a cómo interactúan los diferentes materiales con el calor.  

Continuar leyendo .

ACTIVIDAD 1

Lean la siguiente situación y compartan sus ideas en grupos:

Manuel estaba junto a su hermano Marco ayudando a su mamá con los preparativos de la merienda de cumpleaños. Se pusieron de acuerdo en que debían preparar algunas bebidas frías y otras calientes; hicieron jugos, chocolatadas y mate cocido con leche. Pero al momento de elegir los vasos sus ideas eran distintas, Manuel quería utilizar solo vasos de plástico. Marco, en cambio, pensó que no había problemas en usar los vasos de vidrio y los vasos de metal.

Si tuvieran que elegir los vasos para la merienda:

  • ¿Cuáles elegirían? ¿Qué tendrían en cuenta en la elección?
  • ¿Qué habrá tenido en cuenta Manuel para elegir solo vasos de plástico? 
  • ¿Por qué piensan que se fabrican vasos con materiales tan distintos?

 

ACTIVIDAD 2 

En la fabricación de los objetos que utilizamos a diario se usan distintos materiales, y para decidir con cuáles materiales producirlos se tienen en cuenta sus propiedades y el uso que se le dará a cada objeto.

Por ejemplo, observen la siguiente imagen del jarrito con la cuchara sobre una hornalla. Para revolver la leche del jarrito, en un caso se usó una cuchara de metal y en otro caso una cuchara que tiene la mitad de metal y la mitad de madera.

Para pensar y anotar: 

  • ¿Por qué les parece que las y los fabricantes hicieron las cucharas con esos materiales?
  • ¿Qué propiedades habrán tenido en cuenta?
  • ¿Se podrían fabricar con otros materiales? ¿Con cuáles? ¿Les parece que hay alguna relación entre esas características y los usos que se les dan a las cucharas? ¿Cuál de las dos cucharas les parece más adecuada para revolver la leche que se está calentando en el recipiente? ¿Por qué?

Para seguir pensando sobre los materiales y el calor, les proponemos la lectura del siguiente texto:

Los materiales y el calor

Para preparar la chocolatada de cumpleaños, calentamos la leche en una jarra de metal y para que no se queme la revolvemos con una cuchara. ¿Qué preferimos: usar una cuchara toda de metal o una cuchara que tenga el mango de madera? Probablemente nos inclinamos por la opción de evitar quemarnos, por tanto, preferimos no usar la cuchara que está toda hecha de metal. 

Y cuando la leche ya se calentó y para evitar que se rebalse, sacamos la jarra del fuego, pero… ¿la agarramos directamente del asa de metal? ¿O preferimos usar una agarradera o un repasador de tela para interponerlo entre nuestra mano y el asa de metal? Probablemente volvamos a elegir no quemarnos.

Entonces, si para revolver sin quemarnos usamos una cuchara con el mango de madera y para sujetar la jarra caliente usamos una agarradera de tela, ¿por qué elegimos una jarra que sea de metal para calentar la chocolatada? Por el mismo motivo que sabemos que es preferible elegir una cuchara con mango de madera que de metal o no agarrar el asa de metal directamente: ¡porque el metal se calienta más que la madera o que la tela!

Materiales conductores y aislantes del calor

En Ciencias Naturales decimos que los materiales conducen el calor. Todos los materiales son conductores del calor, pero algunos materiales conducen el calor más rápido que otros. A los materiales que conducen mejor el calor o con mayor rapidez, como es el caso de los metales, se los llama materiales que son “buenos conductores del calor”. En cambio, a los materiales que no resultan ser buenos conductores del calor, como la madera, la cerámica y algunos plásticos, se los suele llamar materiales aislantes del calor, ya que al interponerlos entre la fuente de calor y otro objeto, hacen que el proceso de transmisión de calor sea más lento.

A la propiedad que tienen los materiales de conducir el calor se la llama conductividad térmica.

A partir de lo que leyeron y conocieron sobre las materiales que son buenos y malos conductores del calor, lean la siguiente situación del cumpleaños de Manuel y compartan sus ideas:

Durante la merienda de cumpleaños, Eva, una de las invitadas, agarró el vaso de metal con cuidado porque pensó que se iba a quemar y contó que cuando probó el mate cocido con leche ya estaba casi frío. En cambio, Juana probó su bebida que estaba en el vaso de plástico y dijo: “el mío está calentito, no hace falta calentarlo más”.

  • ¿Por qué les parece que la misma bebida, luego de un tiempo, tiene distinta temperatura en un vaso y en otro? 
  • ¿Cómo lo podrían explicar?

 

ACTIVIDAD 3 

En las imágenes de la actividad anterior se mostraban dos tipos de cucharas que eran utilizadas para revolver el contenido del recipiente que se estaba calentando. Les proponemos realizar una experiencia para conocer cómo se comportan los distintos materiales con los que se construyen los objetos cuando interactúan con el calor.

Para esta experiencia van a necesitar los siguientes materiales: un recipiente de telgopor (puede ser un recipiente de helado), cucharas de tamaño igual o parecido y de distintos materiales (metal, madera, plástico, madera y metal, plástico y metal), manteca y botones (todos iguales).

Realicen los siguientes pasos para armar un dispositivo como el que se muestra en la imagen:

1. Tomar una cuchara y colocar en el extremo un pequeño trozo de manteca.

2. Tomar un botón y colocarlo encima del trocito de manteca.

3. Repetir el procedimiento con el resto de las cucharas.

4. Colocar agua caliente (40°C aproximadamente) en el recipiente de telgopor.

5. Colocar todas las cucharas en el recipiente con agua caliente al mismo tiempo.

Para pensar antes de hacer la experiencia:

  • ¿Qué resultados esperan obtener? ¿Qué botón piensan que se va a despegar primero de la cuchara? ¿Por qué?
  • ¿Por qué les parece que es necesario que las cucharas tengan tamaños similares pero que sean de materiales diferentes? ¿Por qué les parece que es necesario que los botones sean del mismo tamaño y material?

Anoten sus ideas y sus resultados en la siguiente tabla:

Orden en el que pensamos que se van a despegar los botones Orden en el que se despegaron los botones
1.  
2.  
3.  

 

Para pensar después de hacer la experiencia:

  • ¿Cuál les parece que es una explicación posible para los resultados que obtuvieron? 

Pueden leer el texto que sigue a continuación para elaborar una respuesta más completa.

El calor y el frío

En nuestro lenguaje cotidiano hablamos del frío y del calor como sensaciones opuestas. Pero para el lenguaje de las ciencias, el frío en realidad no existe. Para las científicas y los científicos, lo que existe es el calor, en todo caso, en mayor o menor cantidad.

Para entender esta idea podemos pensar en las formas en que un material puede recibir calor. Una forma es exponerlo directamente a una fuente de calor, como el Sol, el fuego o una estufa. Otra manera es ponerlo en contacto con un material que esté a mayor temperatura. Veamos algunos ejemplos de estas formas de transmitir el calor: cuando derretimos chocolate para cubrir una torta, se lo puede colocar en un baño de agua caliente. En ese caso, el calor de la hornalla se transfiere al agua y a su vez, el calor del agua se transfiere al chocolate. O cuando se colocan bolsas con semillas o con agua caliente adentro de la cama para calentar los pies, se transfiere calor desde el interior de la bolsa hacia nuestro cuerpo.

Cuando un material o un objeto se enfría lo que sucede es que disminuye su temperatura porque pierde calor. Y siempre que un objeto o material pierde calor es porque está en contacto con otro material u objeto que gana calor.

Entonces cuando dos objetos que se encuentran a diferente temperatura se ponen en contacto, el que se encuentra a mayor temperatura le transfiere calor al que se encuentra a menor temperatura; la conducción del calor ocurre siempre desde donde hay más calor a donde hay menos calor.

Veamos otros ejemplos para seguir aprendiendo sobre la conducción del calor. ¿Cuántas formas de enfriar un té conocés? Por ejemplo, revolviendo con la cucharita, o trasvasando el té de una taza a otra. ¿Por qué se enfría el té? Porque pierde calor al revolverlo o trasvasarlo. ¿Y a dónde va el calor? Como el té se encuentra a una temperatura mayor que la temperatura del aire del ambiente donde se encuentra, por ejemplo, en la cocina, entonces el calor se transmite desde el té hacia el aire de la cocina. El aire de la cocina recibe ese calor.

Otra forma de enfriar el té también podría ser agregando un cubito de hielo. Cuando una bebida disminuye su temperatura porque la ponemos en contacto con hielo, decimos que se enfría pero no porque el hielo le entregue frío sino que por el contrario la bebida le entrega calor al hielo.

Para seguir pensando a partir de la información que aporta el texto:

En la experiencia que realizaron:

  • ¿Cuál es la fuente de calor? 
  • ¿Qué material es el que cede calor? 
  • ¿Qué material es el que recibe calor? 
  • ¿Qué material es el que transmite mejor el calor que recibe? 
  • ¿Cómo nos podemos dar cuenta?

 

ACTIVIDAD 4

En la actividad anterior, analizaron lo que sucede cuando el calor del agua se conduce a través de cucharitas de diferentes materiales hasta llegar a la manteca que pegaba los botones. 

Les proponemos realizar una nueva experiencia pero ahora para analizar qué sucede con la conducción del calor cuando cubrimos cubitos de hielo con algodón o lana y cuando los dejamos sin envolver.

Para esta experiencia van a necesitar los siguientes materiales: 2 platos del mismo material y tamaño, 2 cubitos de hielo de mismo tamaño, algodón o una prenda de lana.

Realicen los siguientes pasos:

  1. Tomar uno de los cubitos de hielo, envolverlo con algodón o lana y colocarlo sobre uno de los platos.
  2. Dejar uno de los cubitos de hielo sin envolver y colocarlo sobre uno de los platos.
  3. Realizar un dibujo de la experiencia indicando cada una de las partes.

Para pensar antes de hacer la experiencia:

  • ¿Qué resultados esperan obtener? ¿Qué cubito de hielo piensan que se va a derretir más rápido? ¿Por qué? ¿Por qué les parece que es necesario que los platos sean del mismo tamaño y material?

Anoten sus ideas y sus resultados en la siguiente tabla:

Orden en el que pensamos que se van a derretir los cubitos de hielo... Orden en el que se derritieron los cubitos de hielo...
1.  
2.  

 

Para pensar después de hacer la experiencia:

En la experiencia que realizaron:

  • ¿Cuál es el material que entrega calor? 
  • ¿Qué material es el que recibe calor? 
  • ¿Les parece que el algodón y la lana son buenos conductores del calor?
  • ¿Qué material es el que aísla mejor el calor que se transfiere entre estos dos materiales? ¿Cómo nos podemos dar cuenta? 
  • ¿Cuál les parece que es una explicación posible para los resultados que obtuvieron? 

Según los resultados que obtuvieron en las experiencias: ¿Qué le dirían a Eva y Juana sobre el cambio de temperatura en sus bebidas de cumpleaños? ¿Por qué el mate cocido de Eva se enfrió más rápido que el de Juana?

 

ACTIVIDAD 5 

Lean la siguiente situación y luego respondan las preguntas

Durante la merienda de cumpleaños, Juana, una de las invitadas, comentó: “¿Cuántas veces más vamos a cantar el feliz cumpleaños? ¡La vela ya está por desaparecer!”

  • ¿Por qué piensan que Juana dijo que la vela estaba por desaparecer? ¿Es posible eso? ¿Qué habrá querido decir?
  • ¿Alguna vez observaron una vela encendida? ¿Qué cambios le ocurren a medida que pasa el tiempo? ¿Cómo es la vela antes y después de ese cambio? ¿Desaparece?

Lean el siguiente texto para conocer sobre algunos cambios que ocurren en los materiales por efecto del calor:

El calor y los cambios de estado

Los materiales pueden cambiar de estado cuando se les agrega o quita calor.

Cuando un material en estado sólido cambia al estado líquido es porque se le agregó calor y a ese cambio de estado se lo llama fusión. Cuando el material pasa del estado líquido al estado sólido, a ese cambio lo llamamos solidificación y se debe a que el material entregó calor. Un ejemplo de fusión es cuando se derriten los helados o las velas y un ejemplo de solidificación es cuando se hacen los hielos en el freezer o en el congelador. 

Cuando el helado está derretido o en estado líquido, tiene el mismo sabor, olor y color que en el estado sólido, lo que cambia sobre todo, es su forma. Cuando está en estado líquido se desparrama o toma la forma del recipiente donde sirvieron el helado. En cambio, cuando se encuentra en estado sólido tiene forma propia. Una vez que el helado se derritió, ¿puede volver al estado sólido? ¿Qué habría que hacer? Si le quitamos calor, podrá volver a solidificarse. 

Un mismo material entonces puede pasar de un estado a otro de acuerdo a si se le entregue o quite calor y además, esos cambios son reversibles, como vimos con el ejemplo del helado. 

Así como los materiales cuando reciben calor en estado sólido se funden y cambian de estado al estado líquido, los materiales que se encuentran en estado líquido si reciben el calor suficiente pueden cambiar de estado al estado gaseoso. A ese cambio de estado se lo llama evaporación. Un ejemplo de este cambio de estado ocurre cuando en el baño sale de la canilla agua con temperatura muy alta, lo suficientemente alta como para que el agua líquida se evapore y cambie de estado como vapor de agua.

Evaporación y ebullición

En ambos casos se produce un cambio del estado líquido al estado gaseoso. La diferencia es que la evaporación se produce solamente en la superficie del material, como por ejemplo, cuando se seca la ropa al sol; en cambio, durante la ebullición todo el material (no solamente en la superficie) cambia de estado, como cuando hierve el agua para cocinar fideos.

La evaporación, como los otros cambios de estado, también es reversible. Es decir, que cuando un material que está en estado gaseoso pierde calor puede cambiar al estado líquido, como sucede en el baño sobre la superficie del espejo o de los azulejos. Lo que ocurre es que el vapor del agua del baño al entrar en contacto con la superficie fría del espejo o de los azulejos pierde calor y vuelve a cambiar de estado. Así se forman las gotas de agua líquida que se ven. A ese cambio de estado donde el agua en estado gaseoso cambia al estado líquido se lo denomina condensación

Entonces, qué le responderían a Juana, ¿cuáles fueron los cambios que ocurrieron en el material de la vela mientras estuvo encendida? 

 

ACTIVIDAD 6 

Como vieron, en nuestra vida cotidiana hay muchos ejemplos en los cuales están ocurriendo cambios de estado. Les proponemos realizar una experiencia y analizar el siguiente dispositivo para reconocer cuáles son los cambios de estado que están ocurriendo.

Para armarlo van a necesitar los siguientes materiales: 2 recipientes de distintos tamaños (uno tiene que entrar dentro del otro), papel film, agua a 40°C aproximadamente, cubitos de hielo.

Realicen los siguientes pasos para armar un dispositivo como muestra la imagen:

1. Colocar agua a 40°C aproximadamente en el recipiente pequeño (recipiente 2).

2. Colocar el recipiente 2 dentro del recipiente grande (recipiente 1).

3. Cubrir la parte superior del recipiente 1 con papel film.

4. Colocar sobre el papel film 2 o 3 cubitos de hielo.

Completen el siguiente cuadro con sus observaciones:

Estado del material al inicio: Estado del material al inicio: Estado del material al final: Cambio de estado producido: Ocurrió porque la temperatura...
Agua en el interior del recipiente 2        
Cubitos de hielo        
Vapor de agua        

 

Para continuar analizando la experiencia:

  • ¿Qué pasó con los cubitos de hielo? ¿Por qué les parece que ocurrió esto?
  • ¿Qué pasó con el agua que estaba en el recipiente 2?
  • ¿Por qué piensan que se empaña el interior del recipiente?
  • ¿Qué piensan qué sucedería con el vapor de agua si al recipiente 1 no le pusiéramos el papel film?

 

ACTIVIDAD 7 - Cierre 

Para terminar te proponemos resolver los siguientes problemas. Podés ayudarte con las respuestas que elaboraste en las actividades anteriores, con la información de los textos y con los resultados de las experiencias.

1. Los helados se sirven muchas veces en recipientes de telgopor. ¿Será porque es un buen conductor o un buen aislante del calor?

En algunos lugares se sirve el té o el café en vasos descartables que son del mismo material que los recipientes de helado. ¿Cómo lo podrías explicar?

2. En un programa de cocina recomendaban usar palitos de madera o de plástico para hacer heladitos de agua caseros, ahora que sabes más sobre los materiales conductores y aislantes del calor, ¿por qué te parece importante esta recomendación?

3. ¿Te pasó alguna vez que dejaste sobre la mesa una botella con agua congelada en su interior y luego de un rato observaste que el hielo se había vuelto líquido? ¿Y observaste que alrededor de la botella y sobre la mesa también había agua líquida? Si la botella estaba cerrada y no estaba rota, ¿de dónde sale el agua?