Máquinas térmicas

Identificación del problema e introducción

Los alumnos suelen tener dificultades en el ámbito de la termodinámica, los conceptos de calor , máquina térmica y la conversión de calor en trabajo , presentan ciertas dificultades desde el momento en que no tenemos muchas oportunidades de encontrar paradójicamente sistemas termodinámicos simples en la vida diaria del alumno, además las costumbres del lenguaje coloquial no ayudan a mejorar las cosas.

En este pequeño trabajo se presenta la elaboración de una experiencia casera , práctica, que ayude al alumno a comprender la transformación del calor en trabajo y los procesos asociados aparte de la utilización de la metodología científica y el empleo de los conceptos termodinámicos simples.

Análisis y fundamentación teórica del problema

Cómo se ha indicado en la identificación del problema , no es tarea sencilla para el alumno la comprensión de como el calor se transforma en trabajo , esto será debido a que asi como podemos comprobar fácilmente la degradación del trabajo en forma de calor en una escena tan habitual como puede ser frotar nuestras manos , no nos resulta tan evidente el hecho de que el calor sea capaz de mover un objeto mecánico , aún cuando conozcamos la máquina de vapor y aún cuando estemos acostumbrados a utilizar multitud de máquinas térmicas a diario. Que el calor pueda mover un objeto mecánico suele producir extrañeza y en muchas ocasiones el mero hecho de observarlo nos producirá cierta admiración , la misma admiración que encontramos en el proceso inverso al generar grandes temperaturas realizando una cierta cantidad de trabajo. Esa extrañeza nos ayuda a comprender , no obstante, la naturaleza caótica del calor , nos enseña su cara menos amable como energía degradada , la misma palabra no ayuda a comprender que el calor pueda ser el que mueva un ventilador , por ejemplo. Además el hecho de que hoy en día estemos habituados a utilizar todo tipo de aparatos eléctricos impide que estemos ' acostumbrados' a los fenómenos relacionados con el calor.

Cómo decíamos , el lenguaje común no nos es muy útil para mejorar la comprensión de conceptos termodinámicos pues el uso de conceptos como calor o temperatura se producen de forma confusa en el lenguaje hablado.

Además Es sabido que otro escollo importante dentro del alumnado suele constituir el reconocimiento del calor como energía en transito , además los mecanismos de transmisión del calor nunca son bien retenidos y menos en el caso de la convección que suele ser un mecanismo difícil de aprehender.

Aparte la propuesta de una experiencia casera permite que el alumno pueda utilizar el método científico en cualquier parte y enfrentarse a aquellas dificultades experimentales que surgen en cualquier laboratorio además de ayudarle a descubrir las variables que presentan importancia tanto a nivel experimental como a nivel conceptual. En nuestro caso el alumno podrá intentar encontrar los requisitos esenciales en una máquina térmica como son la necesidad de una diferencia de temperaturas y la necesidad de que el elemento motor se caliente y se enfríe.

Propuesta de trabajo en consonancia con el análisis del problema

La propuesta de trabajo se trata de la construcción de forma casera de una máquina térmica simple:

Material

Un vaso de tubo de cristal , plástico o de otro material.

Vela plana

palillo

alfiler y/o chincheta

trozo de plástico( separadores de colores en archivadores o carpetas)

cola o pegamento

Procedimiento

El palillo debe tener al menos a misma longitud que el diámetro del vaso de tubo , si no fuera así utilizaríamos un palo que tuviera esa dimensión mínima.

Con el trozo de plástico construimos un pequeño molinillo que quepa y pueda girar dentro del vaso de tubo. Para ello hacemos un cuadrado de plástico, cortamos por las diagonales sin llegar al centro y doblamos en forma de molinillo , por último atravesamos con el alfiler o con una chincheta . Si se quiere se puede poner un poco de cola o pegamento para que quede el molinillo bien sujeto al alfiler o chincheta

 

Ahora atravesamos el palillo con el alfiler o chincheta de tal forma que posteriormente podamos colocar el molinillo en el centro del vaso.

Colocamos la vela en el fondo del vaso y la encendemos , acto seguido colocamos el palillo encima de la boca del vaso de tubo intentando que el molinillo quede en el eje del mismo perpendicular al plano del palillo. Para ello es necesario sujetar el palillo al vaso , con cola termofusible.

Una vez hecho eso , ya tenemos nuestra máquina térmica y si todo se ha hecho correctamente y se ha sido escrupuloso en el procedimiento el calor de la vela hará moverse el molinillo.

Veamos las consideraciones didácticas

Orientaciones didácticas

La actividad se puede realizar en el aula , como demostración de cátedra o como tarea con el grupo clase , pienso que lo mejor es emplearla como experiencia casera para que el alumno trabaje en casa.

Se debe aportar un guión para que el alumno construya la máquina, este guión puede ser más abierto o menos abierto dependiendo de la tipología del alumno , el objetivo que se persiga o cualquier otra consideración.

Además se aporta un cuestionario previo al alumno en el que se elaboren preguntas como ¿qué es una máquina térmica? , ¿conoces máquinas térmicas en tu vida diaria?, ¿qué sabes de ellas ? , ¿cómo funcionan? , o ¿cómo podemos transformar el calor en trabajo? , ¿ qué entiendes por convección? , etc.. , como antes las preguntas dependerán del nivel al que vaya dirigida la actividad.

Se aportará un cuestionario posterior a la construcción y la observación de la máquina en las que el alumno debe indicar las dificultades de construcción que ha tenido si ha funcionado a la primera o si no lo ha hecho , debe también explicar con sus palabras como funciona la máquina y debe reflexionar sobre como mejorarla. Por ejemplo , la máquina funcionará de forma óptima con un tubo de metacrilato en lugar de con un vaso de tubo , pero esto debe intentar descubrirlo el alumno por su cuenta, por ese motivo sería bueno recurrir a un debate dirigido con la clase una vez que la experiencia se ha realizado, en la cual el profesor explicará los detalles más complejos en los que el alumno ha podido no inferir.

Se intentará que el alumno reflexione sobre las variables importantes en la máquina térmica como dijimos previamente , la existencia de una zona a elevada temperatura y una a menor temperatura, etc..

Por último para niveles superiores se puede trabajar que reflexionen sobre procedimientos aproximados para calcular el rendimiento de nuestra máquina.

Por último sería muy útil emplear el pistón de Hyman para mostrar el proceso inverso de forma motivadora . El pistón de Hyman también se puede construir de forma sencilla, pero aquí se mostraría a los alumnos como experiencia de cátedra por ejemplo después del debate dirigido, con el pistón de Hyman podemos quemar un trozo de papel realizando una compresión súbita de aire.