Líneas de calor

De Física Itinerante
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Ficha del experimento
Autor(es) original(es) Mauricio Gamonal
Área(s) abarcadas Termodinámica
Nivel de enseñanza Rellenar
Contenido curricular abordado
Rellenar

Con esta demostración se puede visualizar de forma clara el concepto de conductividad térmica y la diferencia de esta característica entre dos materiales como el cobre y el acero. El montaje consiste en una vela y dos trozos de alambre de distintos materiales, los cuales al calentarse distribuyen el calor emanado por el fuego de la vela, derritiendo pedazos pequeños de plástico que están a lo largo del alambre.

Introducción

Un frío día de invierno alguien intenta prender una estufa a gas. Al hacerlo, esta persona se concentra en la emanación de energía en forma de calor. Es algo tangible, palpable no solo ante los ojos, sino también con el resto del cuerpo. ¿Qué tanto sabemos de este fenómeno físico?

A lo largo de la historia, el hombre ha interactuado de varias maneras con la energía. Una de ellas, el calor, es esencial para la supervivencia y el bienestar del hombre, por ejemplo la protección ante el frío, la cocción de alimentos, etc.

Es así como en los últimos siglos se han desarrollado varias investigaciones en relación a cómo generar y transportar calor de manera eficiente, con la menor traza de contaminación posible. Dentro de este marco, se ha estudiado a fondo lo que se denomina conducción del calor, en donde un objeto es puesto a diferente temperatura y a través de él existe un flujo energético que tiene un comportamiento que satisface la siguiente ecuación,

En donde es el calor transmitido por unidad de tiempo, es la conductividad, el área de la superficie de contacto, el espesor del material y la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío del material.

Este modelo indica que el flujo del calor es proporcional al coeficiente de conductividadm, al área de contacto y a la diferencia de temperatura del mismo material, mientras que es inversamente proporcional al espesor del material.

Imagen representativa de un material por donde fluye calor.

De acuerdo a la Segunda Ley de la Termodinámica, el calor solo puede fluir desde un objeto más caliente hacia uno más frío. En el siguiente experimento se utilizará este hecho de forma tal que al utilizar dos materiales con coeficientes de conductividad distintos (’s diferentes)la temperatura en puntos equidistantes en ambos materiales -de acuerdo a la ecuación anterior- será distinta.

Manual de Actividades

Material Educativo Incluido

  1. Sistema de conductividad Térmica
    • 3 corchos
    • Alambre de Cobre
    • Alambre Galvanizado
    • Pedacitos de bolsa de plástico
    • Vela
  2. Encendedor

Instrucciones de Uso

El uso de este sistema de conductividad térmica es aparentemente sencillo, sin embargo, tiene que usarse con especial cuidado, ya que el uso del fuego puede llegar a ser peligroso si no se toman precauciones.

En principio el experimento funciona de la siguiente manera: Ensartar en ambos alambres unos 4 o 5 pedazos de bolsa de plástico[1] (u otro material que se derrita de forma rápida) de manera tal que cada pedacito quede a la misma altura en ambos alambres.

Luego, ambos alambres se distribuyen de forma tal que en su extremo inicial queden pegados, mientras que en su extremo final queden separados y finalmente se enciende una vela en el inicio convergente de ambos alambres.

El calor del fuego de la vela fluirá por cada alambre. Sin embargo, el flujo de este calor será distinto, ya que ambos alambres poseen un coeficiente de conductividad distinto, siendo el del cobre más alto que el del galvanizado (), por lo que los pedacitos de plástico se derretirán antes en el alambre de cobre que en el galvanizado. La siguiente imagen muestra el montaje propuesto.

Imagen del sistema de conductividad térmica en acción.

Actividades Propuestas

Considerando que esta actividad está dirigida a niños y niñas de 8vo básico, los conceptos que se pueden explicar utilizando este aparato son de explicación cualitativa y sin mucha profundidad.

Este experimento es esencialmente expositivo y no requiere de especial interacción directa del alumno con los objetos. En particular, el uso de la vela puede ser un elemento riesgoso para la manipulación por parte de los alumnos, ya que generará mucho calor en los alambres y al tocarlos (en especial el de cobre) pueden ocurrir quemaduras leves.

No obstante, la actividad propuesta es sencilla y consiste en, mediante trabajo grupal o en parejas, determinar alguna hipótesis: Ya sea elegir alguno de los dos alambres o intentar predecir qué sucederá con los pedacitos de plástico.

Lo importante es que los alumnos comprendan que el calor generado por la vela se traspasa a los alambres y que, de hecho, por el alambre de cobre fluye mucho más rápido, lo cual se comprobará al ver que los pedazos de plástico en el alambre de cobre se derretirán antes que los mismos pedazos en el alambre galvanizado.

Contenido Adicional

Preguntas y Respuestas

Primera Pregunta
¿Por qué los pedacitos de plástico se derriten antes en el alambre de cobre que en el alambre galvanizado?

Considerando la ecuación del flujo del calor, si

Entonces,

Esto implica que el flujo de calor en el alambre de cobre es mayor que en el alambre galvanizado, por lo que la temperatura en cierto punto de ambos alambres será mayor en el de cobre, siempre.

Segunda Pregunta
¿Cuanto tiempo tardan en derretirse los últimos pedacitos de plástico?

El flujo dimensional del calor está dado por la ecuación de Fourier, la cual determina los parámetros necesarios para determinarlo. Sin embargo, los últimos pedacitos de plástico se derretirán pasado una buena cantidad de tiempo (aproximadamente 25 minutos). De todas maneras con los primeros tres pedacitos de plástico se puede comprender de buena manera el fenómeno producido.

Tercera Pregunta
¿Como generar bolitas de cera?

Para este experimento también es recomendable utilizar bolitas de cera insertadas en los alambres. Para ello se puede utilizar el hueco de un pastillero de alguna pastilla redonda (como ibuprofeno u otra) y rellenarlo con la misma cera que produce una vela al quemar la mecha.

Extensión a la actividad

Puede ser interesante realizar la siguiente experiencia:

Utilizar el mismo alambre galvanizado, pero en vez de usar el alambre de cobre desnudo, usar uno forrado con aislante. ¿Se darán los mismos resultados?

  1. Estos pedacitos deben ser pequeños, ojalá que envuelva al alambre.