Almacenamos calor (respuestas)

Experimento - Medios didácticos para experimentar/Almacenamos calor/Almacenamos calor (respuestas)
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Autor	MediaHouse GmbH
Área	Ciencias Naturales
Nivel y/o grado	Básico
Tipo de licencia	CC BY-SA
Formato	pdf, doc
Responsable de curación	Editor
Última actualización	2018/10/26
Localización	https://medienportal.siemens-stiftung.org/es/experimento-10-a2-almacenamos-calor-107370

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Descripción del recurso

La hoja de respuestas contiene respuestas modelo a todas las preguntas que se hacen en las instrucciones de experimentación para estudiantes. Las respuestas son normalmente muy cortas, a menudo no más de unas pocas palabras. ¡Dependiendo del objetivo de aprendizaje, necesitarán ser complementadas y fortalecidas por medio de investigación adicional en libros de texto y, si es necesario, en Internet! Asimismo se analizarán las clasificaciones de los parciales individuales, pero sólo allí donde pudieran presentarse dificultades según lo demuestre la experiencia.

Para información adicional consulte las correspondientes instrucciones para experimentación “A2 Almacenamos calor (Instrucción para los alumnos)”, que están disponible en el portal de medios de la Siemens Stiftung.

Nota: En lo que sigue no se comentan las evaluaciones de los diferentes experimentos parciales, salvo en aquellos casos en que conste por experiencia que presentan dificultades especiales.

El agua para almacenar el calor – No solo el té se enfría

Evaluación

a) Describan la evolución de la gráfica que han elaborado.

Nota: La temperatura cae a lo largo del tiempo. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápida es la disipación de calor. En función del nivel de grado, los alumnos deberían reconocer que la caída no es lineal.

b) Piensen a qué se debe la caída de la temperatura.

Nota: La causa de la bajada de temperatura se debe a que el calor acumulado en el agua se desprende a través de la atmósfera y del tubo de ensayo (radiación, conducción térmica, convección en la atmósfera)

Preguntas

a) ¿Qué cambiaría si realizaran el experimento al aire libre, en verano o en invierno?

Respuesta: En verano, cuando la temperatura exterior es más alta que la del aula de clase, la temperatura caería más despacio y permanecería constante a una temperatura más elevada. Sin embargo, en invierno, cuando la temperatura exterior es más baja que la del aula, el agua se enfriaría más deprisa, es decir, la temperatura descendería más rápidamente y alcanzaría un valor más bajo, manteniéndose constante. Para comprender este fenómeno hay que tener presente que muchos sistemas físicos y químicos tienden a alcanzar un estado de equilibrio. En este caso reina un desequilibrio térmico entre el agua y el entorno. Cuanto más alejado esté el sistema de la temperatura de equilibrio, es decir, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el agua y el entorno, mayor será la velocidad a la que se produzca el transporte de calor al entorno y la consiguiente refrigeración. En nuestro caso, eso significa que la temperatura desciende más rápidamente cuanto menor es la temperatura de equilibrio.

b) ¿Qué se puede hacer para mantener el agua caliente durante más tiempo? ¿Qué posibilidades y aparatos conocen para lograrlo?

Respuesta: Ejemplos son el termo aislado al vacío o el vaso de poliestireno. El vacío no posee conducción térmica, la disipación de calor se produce solamente por radiación. La única posibilidad de frenar la disipación de calor por radiación es mediante reflectores adicionales (recubrimiento metálico del termo).

En los materiales aislantes como la espuma sintética, el calor solamente fluye por paredes celulares extremadamente delgadas y, debido a la estructura ramificada, debe recorrer distancias más largas que en un material macizo. Por consiguiente, la conducción térmica es peor en los materiales porosos.

c) ¿Dónde se aplica el principio de almacenar el calor del sol en verano a gran escala para usar el calor para la calefacción en invierno?

Respuesta: Por ejemplo, en la actualidad se calientan edificios de oficinas modernos por medio de depósitos de calor estacionales: en verano el sol calienta agua, que es almacenada en un depósito subterráneo de gravilla relativamente bien aislado. En invierno, esta agua cede el calor a los sistemas de calefacción.

El agua como acumulador eficaz de calor – El agua puede permanecer caliente durante más tiempo si .....

Evaluación

a) ¿Cómo se comporta la caída de temperatura en comparación con la medición realizada en el tubo de ensayo no aislado?

Nota: El descenso de la temperatura describe la misma curva, pero más lentamente. Es decir, la caída de la curva de medición no es tan pronunciada aunque, al final, se alcanza la misma temperatura.

b) Comparen las curvas en sus gráficas. ¿Es correcto afirmar que el agua se ha enfriado ahora más lentamente?

Nota: La suposición es correcta.

c) ¿Qué material aísla mejor? ¡Comparen sus resultados con los de los demás grupos!

Nota: Valores típicos, a modo de referencia:

Material	Conductividad térmica λ en W / (m · K)*
Panel de aislamiento al vacío	0,004
Espuma de poliuretano	0,025
Espuma de poliestireno	0,030
Lana de vidrio	0,032
Lana	0,035
Corcho	0,035
Lana mineral	0,035
Bala de paja	0,038
Vidrio celular	0,040
Celulosa	0,040
* el valor más bajo conocido en cada caso para ese material

Preguntas

a) ¿Pueden imaginar cómo funciona el aislamiento? Piensen qué explicación pueden dar e intercambien opiniones con su compañero

Respuesta: Existen dos tipos de aislamiento térmico: escasa disipación de calor debido a una mala conducción térmica del material (“material aislante”) e impedimento o reducción de la radiación térmica (“reflectores”).

b) ¿Sospechan por qué algunos materiales aíslan mejor que otros?

Respuesta: El aislamiento tiene la particularidad de que cuanto peor es la conductividad térmica del material, cuanto menor es la sección y cuanto mayor es el recorrido a través del material, más despacio se produce el enfriamiento. Para el aislamiento se escoge por ello un material que posea una escasa conductividad térmica. El material se dota además de espacios huecos llenos de aire u otro gas (poros en la espuma, aire en las fibras textiles, tejidas o sin tejer). El gas atrapado en el material también se calienta, pero apenas contribuye al transporte de calor al no hallarse en intercambio directo con el aire. A esto se añade que, debido a la pequeña sección de las delgadas fibras o paredes de los poros, fluye, asimismo, a través de ellas poco calor por unidad de tiempo.

El calor debe recorrer además trayectos más largos que en un material macizo debido a la estructura ramificada. Esto hace que la conducción térmica sea peor en los materiales porosos. Por lo tanto, podemos afirmar que cuantas más inclusiones de gas tenga el material, mejor será su aislamiento. Los buenos materiales aislantes (como p. ej., poliestireno, lana, cartón ondulado, etc.) poseen aprox. solo 1/1000 de la conductividad térmica del acero, que es de aprox. 40 W / m · K, y aprox. 1/10 de la del aire (aprox. 0,55 W / m · K).

Otro tipo de aislamiento consiste en minimizar la radiación de calor. Este tipo de aislamiento se realiza en el experimento parcial a través del empleo de papel de aluminio, por ejemplo. El calor que desprende el agua en forma de radiación térmica es reflejado de vuelta por el papel de aluminio, por lo que la pérdida de calor es menor. El aluminio pulido, p. ej., posee una capacidad de reflexión especialmente alta para la luz infrarroja (IR) y la radiación térmica. Es por esto que en este tipo de aislamientos térmicos no sea determinante el espesor del material reflectante, sino la intensidad con que el material refleja la radiación térmica.

En función del tipo de aislamiento térmico, su eficacia depende de la cantidad de burbujas de aire atrapadas o bien de la capacidad de reflexión de la radiación térmica del material. Un ejemplo de una combinación de ambas variantes es una plancha aislante de lana de vidrio dotada por una cara de una lámina de papel de aluminio. La lana de vidrio atrapa muchas burbujas de aire y el papel de aluminio aporta un aislamiento adicional reflejando precisamente aquella parte del calor que ha dejado pasar la lana de vidrio.

Calor para dedos fríos – ¿Sirve el cojín térmico para almacenar el calor?

Evaluación

e) ¿Pueden explicar el resultado? Planteen una hipótesis al respecto.

Nota: Si el aislamiento está correctamente realizado y las mediciones se efectúan con precisión, la temperatura debería permanecer constante a 50 °C durante bastante tiempo (algunos minutos) (v. también la respuesta a la pregunta del punto 3.6).

Preguntas

Al comparar los valores de medición habrán visto seguramente que sus valores por lo general son inferiores a los 58 °C. ¿Pueden explicar por qué no ha habido cambios hacia arriba? ¿Es siquiera posible?

Respuesta: Los puntos de cambio de fase (como el punto de fusión y el punto de ebullición) de las sustancias puras son puntos fijos exactos. (Con la excepción de las aleaciones metálicas, ya que estas no poseen por lo general un punto de fusión exacto, sino un intervalo de fusión exacto). La ley de la naturaleza reza: mientras no se haya fundido o solidificado todo el material, no se producirá un cambio de temperatura. Si el punto de fusión/punto de solidificación del acetato de sodio trihidratado es de 58 °C, es imposible que se produzca un calentamiento por encima de 58 °C al solidificarse. Y esa temperatura debe mantenerse hasta que se haya solidificado todo el material. Otro ejemplo: una mezcla de hielo/agua –siempre y cuando disponga de un buen aislamiento y un correcto mezclado– permanecerá a 0 °C hasta que se haya derretido todo el hielo.

Explicación adicional de por qué la transformación en el experimento no se produce a 58 °C, sino más bien a 50 °C: la sustancia sólida contenida en el cojín térmico es por lo general acetato de sodio trihidratado con un punto de fusión de 58 °C. Algo que en el pasado también se podía medir. No obstante, en los cojines térmicos que actualmente se encuentran en el mercado se ha tenido que modificar el contenido de agua por riesgo de quemaduras, por lo que el punto de fusión se sitúa en torno a 50 °C en muchas ocasiones. Si en nuestro experimento no medimos exactamente 58 °C, ello se debe principalmente a la composición del cojín térmico.

Aclaración complementaria: ¿por qué permanece líquida la sal a temperatura ambiente, a pesar de tener un punto de fusión más elevado?

Mientras que la mayoría de las sales restantes tienden a cristalizarse y a formar espontáneamente núcleos (por lo que en fusión no resulta fácil subenfriarlas), esta sal permanece líquida durante más tiempo, incluso a temperaturas inferiores. Para que se solidifique, primero hay que provocar la formación de núcleos y la consiguiente cristalización, doblando o rascando el cojín.

La forma de almacenar el calor del cojín térmico – Una sal de a veces sólida y a veces líquida

Evaluación

c) Comparen las suposiciones que tengan del experimento anterior con el resultado de este experimento. ¿Se aplican aquí también?

Nota: Si se trabaja con precisión, se obtienen los mismos resultados que en el experimento parcial 3

Preguntas

a) Cuando se coloca el cojín térmico en agua hirviendo, se habla de que así se regenera o “recarga”; ¿a qué se puede referir esto?

Respuesta: Eso significa que los cristales de sal sólidos se funden de nuevo. Una vez enfriada, la masa fundida subenfriada vuelve a estar preparada para cumplir su función, a saber, la de producir calor “a la orden”. (Subenfriamiento significa que la solidificación no tiene lugar por falta de gérmenes de cristalización. Éstos se generan, p. ej., doblando una plaquita de metal o frotando con una barra de vidrio, desencadenando la solidificación.) El almacenamiento de calor en una fundición de sal es por tanto similar al modo en que se emplea la batería de un automóvil para poner en marcha la calefacción del asiento. Cuando la batería del automóvil está vacía, debe ser recargada por el motor para que pueda seguir calentando el asiento. Algo parecido sucede con el cojín térmico, con la diferencia de que lo que se tiene que almacenar para hacer operativo el cojín térmico, es decir, conservar la fundición de sal, no es electricidad sino calor.

b) ¿Pueden imaginar de qué manera tiene lugar esa “recarga” en las instalaciones en las que se almacena el calor en grandes cantidades?

Respuesta: Con otras sales diferentes al acetato de sodio es posible también almacenar calor en otros rangos de temperatura. En la actualidad, se emplean mezclas de alta fusión compuestas por sales (como p. ej., nitrato de potasio y nitrato de sodio) hasta aprox. 800 °C. A menudo, la energía obtenida se introduce en un proceso técnico, p. ej., para precalentar una sustancia antes de una reacción química. Tanques de sales fundidas se emplean también en centrales térmicas solares como la de Andasol en Andalucía, España. Con una mezcla de nitrato de potasio y nitrato de sodio, y un punto de fusión en torno a 400 °C, la central continúa funcionando incluso por la noche durante casi 7 h a plena carga. Se emplea para la recarga, es decir, la fusión de las sales, el calor del sol concentrado en los colectores cilindro-parabólicos.

Comentarios adicionales

© Siemens Stiftung 2016. Contenido licenciado bajo CC BY-SA 4.0 internacional

Destrezas fonológica que consiste en encontrar similitudes y diferencias entre los fonemas o sílabas que forman una palabra.

Término utilizado, a menudo, como un saber hacer. Se suele aceptar que, por orden creciente, en primer lugar estaría la habilidad, en segundo lugar la capacidad, y la competencia se situaría a un nivel superior e integrador. Capacidad es, en principio, la aptitud para hacer algo. Todo un conjunto de verbos en infinitivo expresan capacidades (analizar, comparar, clasificar, etc.), que se manifiestan a través de determinados contenidos (analizar algo, comparar cosas, clasificar objetos, etc.). Por eso son, en gran medida, transversales, susceptibles de ser empleadas con distintos contenidos. Una competencia moviliza diferentes capacidades y diferentes contenidos en una situación. La competencia es una capacidad compleja, distinta de un saber rutinario o de mera aplicación.

Espacio vital en el que se desarrolla el ser humano. Conjunto de estímulos que condicionan al ser humano desde el momento mismo de su concepción.