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el concepto de calor en termodinámica y su enseñanza

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Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001EL CONCEPTO DE CALOR EN TERMODINÁMICA Y SU ENSEÑANZAQ. Leticia Cervantes (1), M. <strong>en</strong> C. Natalia <strong>de</strong> la Torre (1), M. <strong>en</strong> C. Adriana Ver<strong>de</strong>jo (1), Dr. LuisMigu<strong>el</strong> Trejo (1), Dr. José Luis Córdova (2) y Dr. Fernando Flores (3).(1) Facultad <strong>de</strong> Química, UNAM, (2) Dep. Química, UAM & (3) C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Instrum<strong>en</strong>tos,UNAM lcervantes@eros.pquim.unam.mx & RESUMENLa forma a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong> <strong>en</strong>señar <strong>el</strong> <strong>concepto</strong> ci<strong>en</strong>tífico <strong>de</strong> <strong>calor</strong> <strong>en</strong> todos los niv<strong>el</strong>es educativos e<strong>su</strong>n tema controversial hasta <strong>el</strong> pres<strong>en</strong>te. Las dificulta<strong>de</strong>s radican principalm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> que es unvocablo muy utilizado <strong>en</strong> la vida cotidiana con otra connotación (<strong>el</strong> <strong>calor</strong> es alguna clase <strong>de</strong><strong>su</strong>stancia) que le ha servido a la g<strong>en</strong>te para explicar parte <strong>de</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos que lo ro<strong>de</strong>an;no se difer<strong>en</strong>cia totalm<strong>en</strong>te d<strong>el</strong> término temperatura; existe confusión <strong>en</strong>tre la temperatura y la“s<strong>en</strong>sación” d<strong>el</strong> objeto; <strong>el</strong> <strong>su</strong>ministro <strong>de</strong> <strong>calor</strong> a un cuerpo siempre produce un aum<strong>en</strong>to <strong>de</strong>temperatura; se <strong>de</strong>sconoce <strong>el</strong> comportami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la temperatura <strong>en</strong> una transición <strong>de</strong> fase, etc. Eneste trabajo se pres<strong>en</strong>ta un panorama <strong>de</strong> las investigaciones educativas más reci<strong>en</strong>tes que analizanesta problemática. De <strong>su</strong> análisis y d<strong>el</strong> estudio <strong>de</strong> la evolución d<strong>el</strong> <strong>concepto</strong> se <strong>el</strong>abora una propuestapara la introducción d<strong>el</strong> tema <strong>en</strong> una cátedra <strong>de</strong> Termodinámica.INTRODUCCIÓNEl estudio d<strong>el</strong> significado ci<strong>en</strong>tífico d<strong>el</strong> <strong>concepto</strong> <strong>calor</strong> <strong>en</strong> los niv<strong>el</strong>es medio <strong>su</strong>perior y <strong>su</strong>periorre<strong>su</strong>lta muy difícil para <strong>el</strong> alumno promedio (Cár<strong>de</strong>nas, 1997; Carlton, 2000; Clough, 1985; Flores,1996; García, 1985; Linn, 1999; Macedo, 1985; Nachimias, 1990; O<strong>de</strong>tti, 2001; Taber, 2000;Thomaz, 1995). Esto se favorece porque <strong>el</strong> termino es muy común y se utiliza <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la infancia conotra connotación que, hasta ahora, le ha explicado <strong>el</strong> mundo que lo ro<strong>de</strong>a <strong>de</strong> una manera lógica(Albert, 1978), fortaleci<strong>en</strong>do <strong>su</strong> concepción personal que es difícil modificar si no se utilizanestrategias <strong>de</strong> <strong>en</strong>señanza a<strong>de</strong>cuadas (Flores, 1996) y difer<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> la clásica transmisión <strong>de</strong><strong>concepto</strong>s, incluso <strong>en</strong> <strong>el</strong> niv<strong>el</strong> universitario (O<strong>de</strong>tti, 2001). Esta familiaridad particular con losf<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos es una <strong>de</strong>sv<strong>en</strong>taja para alcanzar una compr<strong>en</strong>sión ci<strong>en</strong>tífica pero al mismotiempo es, paradójicam<strong>en</strong>te, una v<strong>en</strong>taja para <strong>el</strong> profesor, ya que <strong>el</strong> educando ti<strong>en</strong>e experi<strong>en</strong>ciasprevias que pue<strong>de</strong>n pot<strong>en</strong>ciar <strong>su</strong> apr<strong>en</strong>dizaje (Carlton, 2000). Ambos aspectos son importantes<strong>de</strong>s<strong>de</strong> una perspectiva constructivista <strong>en</strong> la educación (Arons, 1996; McDermott, 1996; Pozo,1998) ya que se necesita incidir <strong>en</strong> <strong>el</strong> conocimi<strong>en</strong>to que los estudiantes pose<strong>en</strong> al llegar a la clase yconstruir sobre él para <strong>de</strong>sarrollar un <strong>en</strong>t<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to ci<strong>en</strong>tífico d<strong>el</strong> <strong>concepto</strong>.Un problema r<strong>el</strong>acionado, es <strong>el</strong> hecho <strong>de</strong> que <strong>en</strong> todos los niv<strong>el</strong>es educativos se pres<strong>en</strong>taconfusión <strong>en</strong>tre los términos <strong>calor</strong> y temperatura (Cervantes, 1987; Domínguez, 1998; Harrison,1999; Lang da Silveira, 1996; Macedo, 1985; Nachimias, 1990; O<strong>de</strong>tti, 2001; Thomaz, 2000), loque dificulta <strong>el</strong> apr<strong>en</strong>dizaje <strong>de</strong> otros f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos más particulares : <strong>calor</strong> lat<strong>en</strong>te(transiciones <strong>de</strong> fase), <strong>calor</strong> s<strong>en</strong>sible (cambios <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía térmica), capacidad térmica,conductividad térmica (rapi<strong>de</strong>z <strong>de</strong> transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía térmica), <strong>en</strong>ergía interna, etc. y, porconsigui<strong>en</strong>te, <strong>de</strong> la aplicación <strong>de</strong> los principios <strong>de</strong> la Termodinámica. Esta confusión pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>bersea que <strong>en</strong> la vida cotidiana temperatura no está totalm<strong>en</strong>te difer<strong>en</strong>ciado d<strong>el</strong> <strong>concepto</strong> <strong>de</strong> <strong>calor</strong>. Por558


Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001estos y otros problemas se planeó revisar y analizar la literatura educativa para reflexionar yplantear recom<strong>en</strong>daciones sobre <strong>su</strong> <strong>en</strong>señanza.METODOLOGÍASe analizaron diccionarios, libros <strong>de</strong> texto, artículos y libros <strong>de</strong> investigación educativa ehistoria <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia que analizan la problemática d<strong>el</strong> apr<strong>en</strong>dizaje d<strong>el</strong> <strong>concepto</strong> <strong>calor</strong> y tópicosr<strong>el</strong>acionados. De este estudio se establecieron varias recom<strong>en</strong>daciones para <strong>su</strong> <strong>en</strong>señanza que seaplicaron a estudiantes <strong>de</strong> niv<strong>el</strong> lic<strong>en</strong>ciatura y se discutieron con profesores <strong>de</strong> niv<strong>el</strong> medio<strong>su</strong>perior. Los re<strong>su</strong>ltados se pres<strong>en</strong>tan <strong>en</strong> forma conjunta con los obt<strong>en</strong>idos <strong>de</strong> investigacionessimilares realizadas por otros colegas y publicadas <strong>en</strong> la literatura.RESULTADOS Y DISCUSIÓNi) Sobre <strong>su</strong> significado ci<strong>en</strong>tífico y <strong>su</strong> introducción. El <strong>concepto</strong> <strong>de</strong> <strong>calor</strong> se aplica erróneam<strong>en</strong>te<strong>en</strong> muchos f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os y por lo mismo aparec<strong>en</strong> inconsist<strong>en</strong>cias conceptuales y semánticas <strong>en</strong> laliteratura (Hornack, 1984) como: Calor es la <strong>en</strong>ergía que se transfiere <strong>de</strong> un cuerpo a otro comore<strong>su</strong>ltado <strong>de</strong> una difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> temperaturas. Si dos cuerpos a difer<strong>en</strong>tes temperaturas se pon<strong>en</strong> <strong>en</strong>contacto ocurre una transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía (fluye <strong>calor</strong>) d<strong>el</strong> cuerpo mas cali<strong>en</strong>te al mas frió. Calores una forma <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía y temperatura es una medida <strong>de</strong> la cantidad <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía pres<strong>en</strong>te <strong>en</strong> uncuerpo (Británica, 2001). En particular, ésta última <strong>de</strong>finición es muy aceptada <strong>en</strong> la mayoría <strong>de</strong> losdiccionarios, <strong>en</strong>ciclopedias y libros <strong>de</strong> texto. Pero, ¿qué esta mal con <strong>el</strong>la?La palabra ci<strong>en</strong>tífica <strong>calor</strong> no es un <strong>su</strong>stantivo, <strong>calor</strong> no es una <strong>su</strong>stancia y, más formalm<strong>en</strong>te, noes una función <strong>termodinámica</strong> <strong>de</strong> estado (claro, fuera <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia se consi<strong>de</strong>ra una <strong>su</strong>stancia, talvez, <strong>en</strong> parte por <strong>el</strong> hecho <strong>de</strong> que algui<strong>en</strong> haya introducido <strong>el</strong> símbolo Q <strong>en</strong> lugar <strong>de</strong> H <strong>en</strong> algúnmom<strong>en</strong>to d<strong>el</strong> pasado) y <strong>el</strong> no utilizarla correctam<strong>en</strong>te complica la compr<strong>en</strong>sión <strong>de</strong> f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>ostérmicos y la Termodinámica (Fernán<strong>de</strong>z, 1986; Hornack, 1984; Peckham, 1993; Romer, 2001;Taber, 2000; Tripp, 1976; Vázquez, 1987).La <strong>en</strong>ergía es <strong>el</strong> <strong>concepto</strong> más fundam<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> toda la ci<strong>en</strong>cia y lo <strong>en</strong>contramos arraigado nosólo <strong>en</strong> todas <strong>su</strong> ramas, sino <strong>en</strong> casi todos los aspectos <strong>de</strong> la sociedad humana. Se ha recom<strong>en</strong>dadoconstruir la Termodinámica a <strong>su</strong> alre<strong>de</strong>dor y minimizar al máximo los <strong>concepto</strong>s trabajo y <strong>calor</strong>(Barrow, 1986). A pesar <strong>de</strong> que <strong>el</strong> <strong>concepto</strong> g<strong>en</strong>eral es muy difícil <strong>de</strong> <strong>de</strong>finir sin utilizar <strong>en</strong>unciadosabstractos y unívocos. Hay <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong> las personas, los lugares y las cosas, pero únicam<strong>en</strong>teobservamos <strong>su</strong>s efectos cuando algo está <strong>su</strong>cedi<strong>en</strong>do: sólo cuando se transfiere <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> un lugara otro o cuando se convierte <strong>de</strong> una forma a otra.Calor pres<strong>en</strong>ta uno <strong>de</strong> los problemas lingüísticos más serios ya que no sólo es una palabracomún sino que <strong>su</strong> uso ina<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> las ci<strong>en</strong>cias refuerza las visiones ci<strong>en</strong>tíficas antiguasy erróneas, así como también favorece <strong>el</strong> p<strong>en</strong>sar <strong>en</strong> una difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> temperaturas o algosimilarm<strong>en</strong>te erróneo. A pesar d<strong>el</strong> trabajo <strong>de</strong> personas como Rumford, Joule, etc. para combatir lateoría intuitiva d<strong>el</strong> calórico se sigu<strong>en</strong> escuchando muchos <strong>de</strong> <strong>su</strong>s vestigios: “El <strong>calor</strong> <strong>su</strong>be”; “Talobjeto reti<strong>en</strong>e mucho <strong>calor</strong>”, “Un sistema bi<strong>en</strong> aislado no pier<strong>de</strong> mucho <strong>calor</strong>”; “La planta <strong>de</strong> vapor<strong>de</strong>sperdicia mucho <strong>calor</strong>”; “Cierra la puerta para que no se salga <strong>el</strong> <strong>calor</strong> (o se meta <strong>el</strong> frió)”, etc.Una forma <strong>de</strong> minimizar <strong>su</strong> empleo <strong>en</strong> la Termodinámica es iniciar con <strong>el</strong> hecho empírico <strong>de</strong>que <strong>el</strong> trabajo adiabático es in<strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la trayectoria (una forma <strong>de</strong> pres<strong>en</strong>tar la primera ley<strong>de</strong> la <strong>termodinámica</strong>) que permite <strong>de</strong>finir la <strong>en</strong>ergía interna, U, como función <strong>termodinámica</strong> <strong>de</strong>estado: ∆U = W (adiab) , don<strong>de</strong> se nota la aus<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la palabra <strong>calor</strong>. Entonces, cuando aparezca Q <strong>en</strong>559


Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001un proceso más g<strong>en</strong>eral será la discrepancia <strong>en</strong>tre ∆U y W: : ∆U = W + Q. Cuando se transfiere<strong>en</strong>ergía a un sistema y se permite que alcance <strong>el</strong> equilibrio, <strong>el</strong> sistema no recuerda como obtuvo esa<strong>en</strong>ergía, ya sea porque estuvo cerca <strong>de</strong> algo con difer<strong>en</strong>te temperatura, o porque fue comprimido oagitado, o bi<strong>en</strong>, se <strong>su</strong>mergió <strong>en</strong> él una resist<strong>en</strong>cia <strong>el</strong>éctrica, o por cualquier otro motivo. Serecomi<strong>en</strong>da <strong>el</strong>iminar d<strong>el</strong> vocabulario <strong>el</strong> <strong>su</strong>stantivo “<strong>calor</strong>”. Si aun se necesita un nombre se lepue<strong>de</strong> llamar “<strong>en</strong>ergía transferida por virtud <strong>de</strong> una difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> temperatura” o, <strong>de</strong> plano, <strong>su</strong>gerirun nuevo vocablo para Q como Quincy o Harry para H, lo que sea excepto “<strong>calor</strong>” (Zemansky,1996; Baierlein, 1999; Romer, 2001)¿Si no es correcto emplear la palabra <strong>calor</strong> <strong>en</strong> Termodinámica Clásica, cuándo es correctoutilizarla? Cuando se hable <strong>de</strong> procesos dinámicos. El <strong>calor</strong> es una forma particular <strong>de</strong>transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía, no es <strong>en</strong> sí mismo una forma <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía que un objeto pueda t<strong>en</strong>er(Hierrozu<strong>el</strong>o, 1987 & 1990; Michin<strong>el</strong>, 1994; Romer, 2001; Vázquez, 1987). La mayor claridad sepue<strong>de</strong> lograr si sólo se utilizara para referirse a flujos <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía d<strong>el</strong> tipo que ocurr<strong>en</strong> <strong>en</strong>tre objetos<strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes temperaturas. Así, <strong>el</strong> proceso (sea por conducción o radiación) por <strong>el</strong> cual la <strong>en</strong>ergíase transfiere pue<strong>de</strong> llamarse “<strong>calor</strong>”, lo que es un uso técnico correcto <strong>de</strong> la palabra como<strong>su</strong>stantivo. Las construcciones “transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> <strong>calor</strong>” o “flujo <strong>de</strong> <strong>calor</strong>” son comúnm<strong>en</strong>teaceptables <strong>en</strong> este contexto porque <strong>calor</strong> se usa como abreviatura <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong> transito, sinembargo, favorec<strong>en</strong> <strong>el</strong> consi<strong>de</strong>rar <strong>calor</strong> como una <strong>su</strong>stancia, por lo que se recomi<strong>en</strong>da utilizar “tdc”o “fdc” <strong>en</strong> forma similar a como se emplea “fem” por fuerza <strong>el</strong>ectromotriz (que tampoco es unafuerza). En cualquier caso no <strong>de</strong>be utilizarse sola la palabra <strong>calor</strong> y si se ti<strong>en</strong>e que emplear se<strong>su</strong>giere que siempre se acompañe <strong>de</strong> los vocablos transfer<strong>en</strong>cia o flujo.ii) Sobre <strong>el</strong> marco <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia macroscópico y microscópico a<strong>de</strong>cuado (Arons, 1996; Hewitt,1996; Swartz, 1996). Toda materia (sólida, líquida y gaseosa) se compone <strong>de</strong> átomos o moléculas<strong>en</strong> agitación continua. En virtud <strong>de</strong> este movimi<strong>en</strong>to aleatorio, los átomos y las moléculas <strong>de</strong> lamateria ti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong>ergía cinética. La <strong>en</strong>ergía cinética promedio <strong>de</strong> estas partículas individuales causaun efecto que po<strong>de</strong>mos percibir. Siempre que un objeto se cali<strong>en</strong>te aum<strong>en</strong>ta la <strong>en</strong>ergía cinética <strong>de</strong><strong>su</strong>s átomos o moléculas. Es fácil increm<strong>en</strong>tar la <strong>en</strong>ergía cinética <strong>de</strong> la materia. Se pue<strong>de</strong> cal<strong>en</strong>taruna moneda golpeándola con un martillo. El golpe hace que las moléculas <strong>de</strong> la moneda se agit<strong>en</strong>más aprisa. Si se aplica una llama a un líquido, éste también se cali<strong>en</strong>ta. Si se comprimerápidam<strong>en</strong>te <strong>el</strong> aire que está <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> una bomba manual para inflar neumáticos, <strong>el</strong> aire secali<strong>en</strong>ta. Cuando los átomos o moléculas <strong>de</strong> la materia se muev<strong>en</strong> más aprisa, la materia secali<strong>en</strong>ta. Sus átomos o moléculas ti<strong>en</strong><strong>en</strong> más <strong>en</strong>ergía cinética.La propiedad que nos dice qué tan cali<strong>en</strong>te y qué tan frío está un objeto (que no siempreconcuerda con la s<strong>en</strong>sación <strong>de</strong> frío y cali<strong>en</strong>te) <strong>en</strong> comparación con una refer<strong>en</strong>cia es la temperatura.Expresamos la temperatura por medio <strong>de</strong> un número que correspon<strong>de</strong> a una marca <strong>en</strong> cierta escalagraduada. A medida que aum<strong>en</strong>ta <strong>el</strong> movimi<strong>en</strong>to térmico <strong>de</strong> los átomos, se <strong>el</strong>eva la temperatura.No parece haber un límite <strong>su</strong>perior <strong>de</strong> temperatura. En cambio, <strong>en</strong> <strong>el</strong> otro extremo <strong>de</strong> la escala <strong>de</strong>temperaturas existe un límite bi<strong>en</strong> <strong>de</strong>finido.Si uno toca una estufa cali<strong>en</strong>te pasa <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> <strong>el</strong>la a la mano porque la estufa está más cali<strong>en</strong>teque la mano. Pero si uno toca un trozo <strong>de</strong> hi<strong>el</strong>o la mano ce<strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía al hi<strong>el</strong>o, que está más frío. Els<strong>en</strong>tido <strong>de</strong> la transfer<strong>en</strong>cia espontánea <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía es siempre <strong>de</strong> la <strong>su</strong>stancia más cali<strong>en</strong>te a la másfría. El proceso por <strong>el</strong> cual la <strong>en</strong>ergía que se transfiere <strong>de</strong> un objeto a otro <strong>de</strong>bido a una difer<strong>en</strong>cia<strong>de</strong> temperatura <strong>en</strong>tre ambos se llama <strong>calor</strong>.560


Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001Es común (aunque erróneo) p<strong>en</strong>sar que la materia conti<strong>en</strong>e <strong>calor</strong>. La materia conti<strong>en</strong>e <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong>diversas formas, pero no conti<strong>en</strong>e <strong>calor</strong>. El <strong>calor</strong> es <strong>el</strong> flujo <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> un cuerpo <strong>de</strong> mayortemperatura a otro <strong>de</strong> m<strong>en</strong>or temperatura. Llamamos <strong>en</strong>ergía térmica a la <strong>en</strong>ergía re<strong>su</strong>ltante d<strong>el</strong>flujo <strong>de</strong> <strong>calor</strong>, aunque <strong>el</strong> término ci<strong>en</strong>tífico más a<strong>de</strong>cuado es <strong>el</strong> <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía interna.Cuando fluye <strong>calor</strong> <strong>en</strong>tre dos objetos o <strong>su</strong>stancias que están <strong>en</strong> contacto, se dice que los objetoso <strong>su</strong>stancias están <strong>en</strong> contacto térmico. Si existe contacto térmico, <strong>el</strong> <strong>calor</strong> fluye <strong>de</strong> la <strong>su</strong>stanciacuya temperatura es mayor a la <strong>su</strong>stancia cuya temperatura es más baja. Sin embargo, <strong>el</strong> <strong>calor</strong> nofluye necesariam<strong>en</strong>te <strong>de</strong> una <strong>su</strong>stancia con más <strong>en</strong>ergía cinética molecular total a una <strong>su</strong>stancia conm<strong>en</strong>os <strong>en</strong>ergía cinética molecular total, por ejemplo, hay más <strong>en</strong>ergía cinética molecular total <strong>en</strong> untazón gran<strong>de</strong> <strong>de</strong> agua tibia que <strong>en</strong> una tachu<strong>el</strong>a al rojo vivo. Pero si <strong>su</strong>mergimos la tachu<strong>el</strong>a <strong>en</strong> <strong>el</strong>agua <strong>el</strong> <strong>calor</strong> no fluye d<strong>el</strong> agua, que ti<strong>en</strong>e más <strong>en</strong>ergía cinética total, a la tachu<strong>el</strong>a, que ti<strong>en</strong>e m<strong>en</strong>os;fluye <strong>de</strong> la tachu<strong>el</strong>a cali<strong>en</strong>te al agua tibia. El <strong>calor</strong> fluye <strong>de</strong> acuerdo con las difer<strong>en</strong>cias <strong>de</strong>temperatura, esto es, las difer<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía cinética molecular promedio. El <strong>calor</strong> nunca fluyepor sí solo <strong>de</strong> una <strong>su</strong>stancia más fría a una más cali<strong>en</strong>te.iii) Evolución <strong>de</strong> las i<strong>de</strong>as previas que pose<strong>en</strong> los alumnos <strong>en</strong> estos temas. Estudios con niñospequeños que no han recibido una <strong>en</strong>señanza formal sobre f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos muestra que losniños han apr<strong>en</strong>dido, por experi<strong>en</strong>cia, que ciertas cosas se si<strong>en</strong>t<strong>en</strong> cali<strong>en</strong>tes al tocarlas y otras sesi<strong>en</strong>t<strong>en</strong> frías. Por ejemplo, se <strong>en</strong>contró que para niños <strong>de</strong> 4-5 años prevalece la noción d<strong>el</strong> <strong>calor</strong>como una <strong>su</strong>stancia que pose<strong>en</strong> los objetos. Así, se establece una r<strong>el</strong>ación <strong>en</strong>tre <strong>el</strong> <strong>calor</strong> y <strong>el</strong>material d<strong>el</strong> que está hecho <strong>el</strong> objeto. A la edad <strong>de</strong> 8 años, la noción d<strong>el</strong> <strong>calor</strong> como algo másdinámico que fluye se convierte más popular (Albert, 1978). En etapas posteriores d<strong>el</strong> <strong>de</strong>sarrollo lai<strong>de</strong>a que prevalece es aqu<strong>el</strong>la <strong>en</strong> la cual se trata al <strong>calor</strong> como si fuera un fluido que fluye <strong>en</strong>tre loscuerpos (Erickson, 1979). Esta i<strong>de</strong>a es consist<strong>en</strong>te con la antigua teoría d<strong>el</strong> calórico. A pesar <strong>de</strong> queestos estudios se refier<strong>en</strong> a niños pequeños se ha <strong>en</strong>contrado que tales <strong>concepto</strong>s adquiridos por losinfantes se manti<strong>en</strong><strong>en</strong> por lo m<strong>en</strong>os hasta los 16 años (Clough, 1985). Esto parecería que las i<strong>de</strong>assobre f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos se construy<strong>en</strong> por experi<strong>en</strong>cia durante la niñez y se manti<strong>en</strong><strong>en</strong> hasta queson <strong>de</strong>safiadas por situaciones que ya no pue<strong>de</strong>n ser explicadas. Se ha recom<strong>en</strong>dado que <strong>el</strong> pap<strong>el</strong>d<strong>el</strong> profesor sea <strong>de</strong>scubrir las i<strong>de</strong>as que ti<strong>en</strong><strong>en</strong> los estudiantes y pres<strong>en</strong>tarles ejemplos concretosque propici<strong>en</strong> una reestructuración <strong>de</strong> esta perspectiva sobre los <strong>concepto</strong>s <strong>de</strong> f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicosy que esto <strong>de</strong>ba hacerse dando a los estudiantes “oportunida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> explorar i<strong>de</strong>as <strong>en</strong> una atmósferano-am<strong>en</strong>azadora” (Clough, 1985).Estudios reci<strong>en</strong>tes sobre las concepciones alternativas más comunes sobre <strong>calor</strong> indican que, porejemplo, un 80% <strong>de</strong> los estudiantes ignoraban <strong>el</strong> hecho <strong>de</strong> que la temperatura d<strong>el</strong> agua permanececonstante mi<strong>en</strong>tras se manti<strong>en</strong>e <strong>en</strong> ebullición (Nachimias, 1990). Al ampliar <strong>el</strong> estudio, se hanagrupado a dichas concepciones <strong>en</strong> cinco categorías: i) <strong>el</strong> <strong>calor</strong> es alguna clase <strong>de</strong> <strong>su</strong>stancia, ii) laincapacidad <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>ciar <strong>en</strong>tre <strong>calor</strong> y temperatura, iii) confusión <strong>en</strong>tre la temperatura y la“s<strong>en</strong>sación” d<strong>el</strong> objeto, iv) que <strong>el</strong> <strong>su</strong>ministro <strong>de</strong> <strong>calor</strong> a un cuerpo siempre produce un aum<strong>en</strong>to <strong>de</strong>temperatura y v) la falta <strong>de</strong> compr<strong>en</strong>sión d<strong>el</strong> comportami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la temperatura <strong>en</strong> una transición<strong>de</strong> fase (Thomaz, 1995).iv) Sobre como distinguir <strong>en</strong>tre <strong>calor</strong> y temperatura. Primero se recomi<strong>en</strong>da conocer lasconcepciones alternativas que ti<strong>en</strong><strong>en</strong> los alumnos sobre <strong>calor</strong> y temperatura y <strong>su</strong>s confusiones(Cervantes, 1987; Flores, 1996; García, 1985; Harrison, 1999; Lang Da Silveria, 1996; Macedo, 1985;Nachimias, 1990; O<strong>de</strong>tti, 2001; Thomaz, 2000). Esto se pue<strong>de</strong> hacer vía preguntas, como: a) Imaginaque se ti<strong>en</strong><strong>en</strong> dos cubos d<strong>el</strong> mismo tamaño, uno hecho <strong>de</strong> ma<strong>de</strong>ra y otro hecho <strong>de</strong> metal. Ambos han561


Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001estado <strong>en</strong> la misma habitación durante varias horas. ¿Cómo pi<strong>en</strong>sas que sería la temperatura d<strong>el</strong> cubo <strong>de</strong>ma<strong>de</strong>ra <strong>en</strong> comparación con <strong>el</strong> cubo d<strong>el</strong> metal?. Explica tu respuesta; b) Imagina que se ti<strong>en</strong><strong>en</strong> dosladrillos hechos d<strong>el</strong> mismo barro, pero uno es gran<strong>de</strong> y <strong>el</strong> otro es pequeño. Ambos ladrillos se colocandurante varias horas <strong>en</strong> <strong>el</strong> interior <strong>de</strong> un horno que está a 120°C. Pasado este tiempo, ¿cómo será latemperatura d<strong>el</strong> ladrillo gran<strong>de</strong> con respecto al pequeño?; c) Consi<strong>de</strong>ra que se ti<strong>en</strong>e una olla con aguahirvi<strong>en</strong>do <strong>en</strong> la estufa. Si se increm<strong>en</strong>ta la llama d<strong>el</strong> quemador, ¿qué <strong>su</strong>ce<strong>de</strong>rá con la temperatura d<strong>el</strong>agua hirvi<strong>en</strong>do?, etc.Es probable que si uno investiga estas i<strong>de</strong>as previas se <strong>de</strong>tect<strong>en</strong> muchas y muy gravesconfusiones y dificulta<strong>de</strong>s. Por esto se <strong>de</strong>cidió diseñar una estrategia instruccional que lograra laconstrucción <strong>de</strong> <strong>concepto</strong>s físicos básicos <strong>en</strong> diversos niv<strong>el</strong>es para una clara conceptualizacion ycompr<strong>en</strong>sión posterior <strong>de</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos. El primer niv<strong>el</strong> es <strong>el</strong> que nos interesa <strong>en</strong> estetrabajo y consiste <strong>en</strong> analizar la respuesta que pres<strong>en</strong>tan las <strong>su</strong>stancias <strong>en</strong> función <strong>de</strong> la temperaturacuando hay <strong>en</strong>ergía involucrada (McDermott, 1996).Nuestra propuesta continúa discuti<strong>en</strong>do problemas abiertos r<strong>el</strong>acionados con las variables flujo <strong>de</strong><strong>calor</strong>, temperatura, naturaleza <strong>de</strong> la <strong>su</strong>stancia y masa. En este punto la ori<strong>en</strong>tación histórica ayuda asecu<strong>en</strong>ciar <strong>el</strong> proceso continuo <strong>de</strong> persecución y construcción d<strong>el</strong> objeto <strong>de</strong> conocimi<strong>en</strong>to (Pessoa,1992): d) Si cali<strong>en</strong>tas dos líquidos difer<strong>en</strong>tes, sabi<strong>en</strong>do que ambos se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran a la misma temperaturainicial <strong>de</strong> 20°C, ¿cuál <strong>de</strong> <strong>el</strong>los alcanzará primero la temperatura <strong>de</strong> 50°C?; e) ¿Qué necesitas saber sobreesos líquidos para dar respuesta a la pregunta anterior?; f) Y si los líquidos fues<strong>en</strong> los mismos, ¿cuál <strong>de</strong><strong>el</strong>los llegará primero a 50°C?Se pi<strong>de</strong> observar la sigui<strong>en</strong>te situación:AguaAguadon<strong>de</strong> <strong>el</strong> segundo recipi<strong>en</strong>te ti<strong>en</strong>e <strong>el</strong> doble <strong>de</strong> agua que <strong>el</strong> primero. Si inicialm<strong>en</strong>te ambos están atemperatura ambi<strong>en</strong>te y si se cali<strong>en</strong>tan con mecheros idénticos, hasta que alcanc<strong>en</strong> la temperatura <strong>de</strong>50°C, <strong>en</strong>tonces se pregunta: g) ¿En cuál <strong>de</strong> los dos recipi<strong>en</strong>tes llegará <strong>el</strong> agua primero a la temperatura<strong>de</strong> 50°C?. Justifica tu respuesta.h) Si se <strong>su</strong>ministra la misma cantidad <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía (flujo <strong>de</strong> <strong>calor</strong>) a ambos recipi<strong>en</strong>tes, ¿crees que latemperatura d<strong>el</strong> agua <strong>en</strong> los dos recipi<strong>en</strong>tes será la misma?. Explica tu respuesta.Sistematizando: En la primera situación, las cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> agua recib<strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong><strong>calor</strong> <strong>de</strong> los mecheros, pues se manti<strong>en</strong><strong>en</strong> expuestas a <strong>el</strong>la por tiempos difer<strong>en</strong>tes, pero alcanzanuna misma temperatura. En la segunda situación, las cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> agua recib<strong>en</strong> la misma cantidad<strong>de</strong> <strong>calor</strong> alcanzando difer<strong>en</strong>tes temperaturas. Así: i) ¿Calor y temperatura son la misma cosa?; y j)si los líquidos son difer<strong>en</strong>tes, ¿qué po<strong>de</strong>mos concluir?562


Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001En este niv<strong>el</strong> se recomi<strong>en</strong>da al doc<strong>en</strong>te dirigir la discusión a que se establezca la <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong>ncia d<strong>el</strong>a cantidad <strong>de</strong> <strong>calor</strong> <strong>su</strong>ministrada con la masa, <strong>el</strong> material y la variación <strong>de</strong> temperatura. Por lotanto, se <strong>de</strong>be concluir que si no hay difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> temperaturas no hay flujo <strong>de</strong> <strong>calor</strong>.La discusión pue<strong>de</strong> g<strong>en</strong>erarse a partir <strong>de</strong> las sigui<strong>en</strong>tes situaciones:1 2AguaAgua1+ 220 o C 20 o CT=?¿Qué pasará ahora, <strong>en</strong> función <strong>de</strong> la difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> temperaturas?3 4AguaAgua3+ 420 o C 40 o CT=?k) ¿Cuál será la variación <strong>en</strong> la temperatura d<strong>el</strong> agua “más fría”?; l) ¿Cuál será la variación <strong>en</strong> latemperatura d<strong>el</strong> agua “más cali<strong>en</strong>te”?; m) Esa variación <strong>en</strong> la temperatura d<strong>el</strong> agua “cali<strong>en</strong>te” y d<strong>el</strong> agua“fría” ¿sería la misma si la cantidad <strong>de</strong> agua no fuese la misma <strong>en</strong> los dos recipi<strong>en</strong>tes?Para ampliar este niv<strong>el</strong> se plantean también problemas particulares (sobre temperatura <strong>de</strong>ebullición), experi<strong>en</strong>cias para realizar <strong>en</strong> <strong>el</strong> laboratorio (sobre conducción térmica, cal<strong>en</strong>tami<strong>en</strong>topor convección, etc.) y un test <strong>de</strong> evaluación (Lang da Silveira, 1996).563


Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001CONCLUSIONESEl <strong>calor</strong> es una forma particular <strong>de</strong> transfer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía por virtud <strong>de</strong> una difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>temperatura y que se aplica <strong>en</strong> procesos dinámicos. Se recomi<strong>en</strong>da que se acompañe <strong>de</strong> losvocablos transfer<strong>en</strong>cia o flujo. El <strong>en</strong>fatizar que “no es un <strong>su</strong>stantivo” no es porque sea una reglasino una petición para favorecer <strong>su</strong> compr<strong>en</strong>sión y para pres<strong>en</strong>tar <strong>en</strong> la forma mas clara posible los<strong>concepto</strong>s ci<strong>en</strong>tíficos <strong>de</strong> la Termodinámica Clásica. En este aspecto ayuda mucho <strong>el</strong> conectar estos<strong>concepto</strong>s con la visión microscópica <strong>de</strong> la materia.Se propone que para distinguir <strong>en</strong>tre <strong>calor</strong> y temperatura primero se conozcan las i<strong>de</strong>as previas<strong>de</strong> los alumnos y luego se estudie experim<strong>en</strong>talm<strong>en</strong>te la r<strong>el</strong>ación <strong>de</strong> las variables flujo <strong>de</strong> <strong>calor</strong>,temperatura, naturaleza y masa <strong>de</strong> las <strong>su</strong>stancias <strong>en</strong> intercambios térmicos mediante la discusión<strong>en</strong>tre pares, la indagación, <strong>el</strong> análisis d<strong>el</strong> <strong>de</strong>sarrollo histórico, etc. Y como actividad <strong>de</strong>retroalim<strong>en</strong>tación se propone analizar <strong>el</strong> test <strong>de</strong> evaluación.BIBLIOGRAFIAAlbert E., 1978. “Dev<strong>el</strong>opm<strong>en</strong>t of the concept of heat in childr<strong>en</strong>” Sci. 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Memorias d<strong>el</strong> XVI Congreso Nacional <strong>de</strong> TermodinámicaMéxico D.F. d<strong>el</strong> 3 al 5 <strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 2001Hornack, F.M.., 1984. “Further Reflections on Heat” J. Chem. Educ. 61, 869Lang da Silveira, F. & Moreira, M.A., 1996. “Validación <strong>de</strong> un test para verificar si <strong>el</strong> alumno poseeconcepciones ci<strong>en</strong>tíficas sobre <strong>calor</strong>, temperatura y <strong>en</strong>ergía interna” Enseñanza <strong>de</strong> las ci<strong>en</strong>cias14, 75Linn, M.C., & Songer, N.B., 1991. “Teaching thermodynamics to middle school stu<strong>de</strong>nts: What areappropriate cognitive <strong>de</strong>mands?” J. Res. Sc. Teach. 28, 885Macedo, B. & Soussan, G., 1985. “Estudio <strong>de</strong> los conocimi<strong>en</strong>tos preadquiridos sobre las nociones<strong>de</strong> <strong>calor</strong> y temperatura <strong>en</strong> alumnos <strong>de</strong> 10 a 15 años” Enseñanza <strong>de</strong> las ci<strong>en</strong>cias 3, 83McDermott, L.C., 1996. Physics by inquiry. New York: WileyMichin<strong>el</strong>, J.L. & D´Alessandro, A., 1994. “El <strong>concepto</strong> <strong>de</strong> <strong>en</strong>ergía <strong>en</strong> los libros <strong>de</strong> textos : <strong>de</strong> lasconcepciones previas a la propuesta <strong>de</strong> un nuevo <strong>su</strong>bl<strong>en</strong>guaje” Enseñanza <strong>de</strong> las Ci<strong>en</strong>cias 12,369Nachimias, R., Stavy, R. and Avrams, R., 1990. A microcomputer-based diagnostic system fori<strong>de</strong>ntifying stu<strong>de</strong>nts’ conceptions of heat and temperature Int. J. Sci. Educ. 12, 123–32O<strong>de</strong>tti, H.; Falicoff, C.; Contini, L. & Humpola, P., 2001. “Apr<strong>en</strong>dizaje universitario; análisis sobre<strong>el</strong> tema <strong>calor</strong> y temperatura <strong>en</strong> los cambios <strong>de</strong> estado” Educación Química 12, 27Peckham, G. D. & McNaught, I. J., 1993. “Heat and work are not "forms of <strong>en</strong>ergy" (AA). J.Chem.Educ. 70, 103Pessoa, A.M. y Castro, R.S., 1992. “La historia <strong>de</strong> la ci<strong>en</strong>cia como herrami<strong>en</strong>ta para la <strong>en</strong>señanza <strong>de</strong>física <strong>en</strong> secundaria: un ejemplo <strong>en</strong> <strong>calor</strong> y temperatura” Enseñanza <strong>de</strong> las Ci<strong>en</strong>cias 10, 289Pozo, J.I. & Gómez Crespo, M.A., 1998. Apr<strong>en</strong><strong>de</strong>r y <strong>en</strong>señar ci<strong>en</strong>cia MorataRomer, R. H., 2001. “Heat is not a noun” Am. J. Phys. 69, 107Swartz, C.E. & Miner, T.D., 1996. Teaching Introductory Physics : A Sourcebook SpringerTaber, K.S., 2000. “Finding the optimum lev<strong>el</strong> of simplification: the case of teaching about heat andtemperature” Phys. Educ. 35, 320-325.Thomaz M.F., Malaquias I.M., Val<strong>en</strong>te M.C. and Antunes M.J., 1995. “An attempt to overcomealternative conceptions r<strong>el</strong>ated to heat and temperature” Phys. Educ. 30, 19–26Tripp, T. B., 1976. “Definition of heat (TE)” J. Chem. Educ. 53, 782Vázquez, J., 1987. “Algunos aspectos a consi<strong>de</strong>rar <strong>en</strong> la didáctica d<strong>el</strong> <strong>calor</strong>” Enseñanza <strong>de</strong> lasCi<strong>en</strong>cias 5, 235Zemansky, M.W. & Dittman, R.H., 1996. Heat and Thermodynamics McGraw Hill & Co565

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