Capacidade
03 Dec, 2011
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PDFEvitando a calor
PRESENTACIÓN: Cando un pequeno globo con auga achégase a unha chama o globo non explota debido á alta condutividade térmica da goma e porque a auga absorbe rapidamente a calor, cousa que evidentemente non ocorre si está cheo de aire.
- Why Do Objects Cool More Rapidly in Water Than in Still Air?, Craig F. Bohren, Phys. Teach. 49, 550 (2011)
- The coffee and cream problem, Thomas B. Greenslade, Phys. Teach. 32, 145 (1994)
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Esto se debe a que la capacidad calorífica del agua es muy superior a la del aire, por lo que absorbe el calor aumentando lentamente la temperatura del agua y no aumenta la del globo, por lo que no explota. Otro experimento similar es el siguiente con papel mojado en agua.
Efectivamente el papel se quema a 451 grados Fahrenheit (232.78 grados Celsius).
Le cuesta … y justifica el título de la famosa novela de Ray Bradbury llevada al cine por François Truffaut.
El uso del agua para controlar el calor es un proceso muy utilizado en la naturaleza. Un ejemplo es el cuerpo humano, que utiliza el agua del sudor para regular la temperatura corporal, ya que de lo contrario no seríamos capaces de tolerar el calor que el propio cuerpo produce.
Las plantas también utilizan procesos físicos como el reflejo de la luz y la evaporación de agua para mantener la temperatura de las hojas a 21ºC el óptimo para realizar la fotosintesis. A altas temperaturas, las hojas liberan agua que al evaporarse enfría la superficie.
Un dato muy interesante que no conocía; normalmente al pensar en un fenómeno similar al que comentas de las plantas lo primero que se me ocurriría sería la propia regulación térmica del cuerpo humano con procesos como la sudoración y la evaporación del mismo. Como digo, muy interesante aportación!
Unha a aplicación da elevada capacidade calorífica da auga e do seu vapor é a súa utilización en intercambiadores de calor, que son dispositivos que transfiren calor entre dous medios separados por unha barreira ou que se encontren en contacto. Son parte esencial de dispositivos de calefacción, refrixeración ou aire acondicionado por exemplo.
La capacidad calorífica, c, o calor específico, es la energía calorífica necesaria para aumentar 1ºC o 1K (si hablamos de incrementos es lo mismo) la temperatura de 1kg de masa de una sustancia a una presión de 1013 hPa. En el SI se expresa en J/kg·K y es una propiedad característica de las sustancias.
Esto significa que para que un kg de agua aumente 1ºC su temperatura a presión normal, se han de suministrar 4180 J de energía calorífica.
Los materiales comunes poseen una gran capacidad calorífica el agua, la tierra, el granito o metales como el acero tienen valores entre los 500 y 1000 kcal/m³ °C.
Luego se encuentra otro grupo que va de 300 a 500 kcal/m³ °C entre los que se ubica la mayoría de los materiales usuales en la construcción actual, como el ladrillo, el hormigón, las maderas, los tableros de yeso roca y las piedras areniscas.
En un último grupo se encuentra (3 a 35 kcal/m³ °C), los aislantes térmicos de masa como la lana de vidrio, las lanas minerales, el poliestireno expandido y el poliuretano expandido que por su “baja densidad” debido a que contienen mucho aire poseen una capacidad calorífica muy baja pero sirven como aislantes térmicos.
Un caso especial es el aire (0,29 kcal/m³·K; 1,214 J/m³·K), que sirve como un medio para transportar el calor en los sistemas pasivos pero no para almacenar calor en su interior.
El agua tiene una capacidad calorífica alta relativamente, lo que se traduce en que cuando su temperatura cambia, absorbe o pierde una gran cantidad de calor, y por eso resiste el globo a la llama de la vela. Esto es debido, junto con muchas de las propiedades del agua, a los enlaces de hidrógeno. Una caloría provoca una cambio relativamente pequeño en la temperatura del agua debido a que gran parte del calor se utiliza en romper estos enlaces antes de que las moléculas se empiecen a mover libremente. Si la temperatura cayera levemente se formarían de nuevo enlaces de hidrógeno adicionales liberando una gran cantidad de energía en forma de calor.
Interesantísimo experimento y que con una gran sencillez nos muestra 2 fenómenos de gran repercusión como son la conductividad térmica, en este caso de la goma, que en vez de quemarse y hacer explotar el globo conduce la energía y la capacidad calorífica del agua, que absorbe el calor. Este comportamiento del agua es de gran importancia, porque algo similar ocurre en las células, donde el citoplasma acuoso sirve de protección al núcleo frente a cambios de temperatura bruscos. La capacidad térmica del agua, también es observable en lugares que se encuentran cercanos a grandes masas de agua (islas o la costa) donde se producen variaciones de temperatura más moderadas que en el interior.
Muy interesante y sorprendente para quien lo observe por primera vez. En mi caso casi no daba crédito cuando ví como se podía cocinar una sopa de agua y fideos dentro de una bolsa de plástico, y poniéndola sobre un brasero. Se coció la sopa y el plástico aguantó perfectamente.
Buscando información me queda la duda de qué otras aplicaciones tiene la conductividad térmica al margen de aquellas que se mencionan aquí como los acumuladores.
El experimento en sí, es muy asequible en todos los aspectos y aplicable en una clase de física de casi cualquier nivel de secundaria.
Otro experimento similar es el de hervir agua en un vaso de papel sobre una vela. Aquí os dejo unos enlaces: vídeo 1 – vídeo 2.
En este experimento, si hay suficiente agua en el globo, el calor puede ser muy eficientemente transferido al agua. El agua necesita una gran cantidad de energía para calentarse, por lo que permanece relativamente frío durante un largo tiempo, enfriando al globo. Se pone por lo tanto de manifiesto el primer principio de la termodinámica que relaciona el trabajo y el calor transferido intercambiado en un sistema a través de la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En termodinámica la energía interna de un sistema (U) es una variable de estado, que representa la suma de todas las energías de las partículas microscópicas que componen el sistema. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio (J).
Una variación de esta experiencia podría consistir en introducir un termómetro de laboratorio en el agua del interior del globo y comprobar qué temperatura tiene que alcanzar el agua antes de que la llama haga estallar el globo (si es que llega a hacerlo estallar). Otra posible variación consistiría en utilizar un globo transparente o translúcido, depositar en su interior un colorante soluble, y llenarlo lentamente con agua con cuidado de que la mayor parte del colorante permanezca en el fondo del globo; una vez colocado sobre la llama, debería poder observarse si el agua coloreada del fondo asciende por convección a medida que se calienta.
Esta actividad sería interesante completarla con el uso de una cámara termográfica, a través de la cual se puede observar dónde se trasfiere al energía calorífica de la vela ¿Al globo?¿Al agua?
Fantástico y sencillo experimento para explicar la 1ª ley de la termodinámica incluída en el bloque 4 “Transformacións enerxéticas e espontaneidade das reaccións químicas” de física y química de 1º de bachillerato. La energía ni se crea ni se destruye, se transforma. Con este experimento observamos como el globo hinchado con aire explota rápidamente al contacto con la llama mientras que el globo que contiene agua no. Esto se debe a que en este caso, la energía se invierte en calentar el agua y debido a su alta capacidad calorífica no se llega a producir ebullición y por tanto no se genera vapor (ya que sino se incrementaría la presión dentro del globo y acabaría explotando).
Experimento muy interesante y llamativo para mostrar en el aula, ya que si se propicia un debate previo seguro que la gran mayoría de los alumnos no predecirían el desenlace. Tiene su fundamento en que el agua tiene un calor específico notablemente alto. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua es unas cinco veces mayor que la de la arena. La tierra se enfria más rápido que el mar una vez que se mete el sol, y el agua que se enfría más lentamente puede liberar calor a la tierra cercana durante la noche.
Con este experimento podemos introducir aos alumnos a función que ten o sudor no mantemento da temperatura corporal. O globo sería a nosa pel e a auga o sudor que nos recubre cando fai moito calor (a vela). A evaporación do sudor require dun aporte de enerxía, o calor latente de evaporación. Esta enerxía é captada pola auga para aumentar a súa temperatura, evitando que aumente a temperatura do nosos corpo e que explote o globo. A alta capacidade calorífica da auga permite baixar bastante a temperatura corporal.
Otro ejemplo de que el agua es un gran regulador térmico lo encontramos en nuestros océanos. Los expertos de la NASA se han referido a los océanos como los grandes termostatos globales del planeta. La temperatura de los océanos afecta considerablemente a la temperatura del aire, ya que se encuentran en contacto directo, produciendo un efecto regulador del clima. Sin embargo, no solo influyen en la temperatura del aire si no también en la de la propia tierra. Esto ocurre mediante las corrientes, como por ejemplo la corriente del Golfo, que atraviesa todo el océano Atlántico y proporciona a Inglaterra y Escocia un clima mucho más templado que lo estimado para sus latitudes. No obstante, cabe destacar que los océanos regulan la temperatura en gran medida por las propias características del agua, entre ellas, su capacidad calorífica. Mientras que la tierra, el aire y las formaciones rocosas se calientan con mucha más facilidad (hay que administrar menor cantidad de calor para aumentar su temperatura) y con mayor rapidez, el agua se comporta soportando mucho más estos cambios de temperatura, ya sea para frío como para calor, permitiendo y facilitando la vida en nuestro planeta.
Experimento muy sencillo y económico para que los alumnos puedan asimilar el concepto de capacidad termorreguladora del agua. Además de facilitar la comprensión del concepto, permite concienciar sobre la importancia del agua tanto en el control de la temperatura corporal como para todos los aspectos de la vida. La importancia de la masa vegetal como reservorio de agua, el por qué de las temperaturas suaves en ciudades costeras y extremas en las de interior, etc.
El agua, nunca dejará de sorprendernos. Como se mencionó en un comentario anterior, le indicaría al alumnado a que escriban o digan cual será el resultado del experimento por adelantado, de forma que generaremos expectación y quizá numerosas sorpresas. Además de en física, es un experimento muy útil para explicar las propiedades y funciones biológicas del agua. Concretamente en bachillerato con las biomoléculas inorgánicas, también en los cursos de la ESO como en 4º con los ciclos bioquímicos, concretamente el Ciclo del agua, o bien en 1º al estudiar la hidrosfera (Propiedades del agua y importancia del agua para los seres vivos). El siguiente documento hace un repaso de las propiedades del agua y su importancia. El experimento de los globos, ha sido uno de los seleccionados por Javier Santaolalla al ir al programa de divulgación científica Órbita Laika, para explicar la capacidad calorífica del agua y como gracias a ella los océanos y mares influyen en el clima. En la siguiente página de Science in School, tenemos en el interior un problema matemático donde nos comparan la capacidad calorífica de la atmósfera y del océano. Para finalizar en la revista Eureka nos encontramos con este artículo en el que nos muestran experiencias sencillas y sorprendentes con globos, una de ella ya la conocéis.
Otro llamativo ejemplo de la alta capacidad calorífica del agua son las torres de refrigeración que se construyen para enfriar los sistemas de las centrales eléctricas. Si bien están más relacionadas popularmente con centrales nucleares debido a una famosa seria de dibujos animados, este tipo de torres de refrigeración también están presentes en la geografía gallega en las centrales térmicas de carbón, destacando las de Cerceda y As Pontes.
Gracias a esto incluso se pode cociñar dentro dunha bolsa plástica, o cal pode sacarnos dun apuro nunha situación de supervivencia.
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que determina la cantidad de calor que se puede movilizar en esa sustancia. La conductividad térmica de los metales es elevada (y por eso la cuchara metálica en el café caliente se calienta rápido), mientras que la de otros compuestos como la madera es mucho menor (y por eso es difícil quemarse con una cuchara de palo). Como curiosidad citar el dióxido de vanadio, una sustancia que tiene una conductividad térmica extremadamente baja respecto a lo esperado, lo que abre un abanico de nuevos usos para este compuesto.
El agua tiene un calor específico muy elevado y por eso el globo se quema y no explota. Como han comentado anteriormente, esto tiene una gran importancia para la regulación de la temperatura en la costa y es el motivo de que tengamos temperaturas más suaves. Este experimento, igual que este otro vídeo, me parecen muy interesantes para realizar en un aula de secundaria ya que son experimentos muy llamativos, como si fueran trucos de magia.