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Temperaturas extremas

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Taller educativo realizado por los alumnos de 3ºESO del IES El Pinar en la CosmoCaixa (Madrid)

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Temperaturas extremas

  1. 1. TEMPERATURAS EXTREMAS ‘C Taller educativo realizado por los alumnos de 3° ESO del | ES EL Pinar (Alcorcón, Madrid) en el Centro Cultural Cosmocaixa (Alcobendas, Madrid)
  2. 2. TEMPERATURAS EXTREMAS Taller educativo realizado por los alumnos de 3° ESO del IES El Pinar (Alcorcón, Madrid) en el Centro Cultural CosmoCaixa (Alcobendas, Madrid) En este taller los alumnos, con la ayuda de una monitora especializada, recordaron el concepto de temperatura y realizaron diversos experimentos con los me comprobaron cambios en la temperatura producidos por la conductividad, por reacciones químicas, por la electricidad, por la luz, quefueron meddos medante una cámara ternngráficza. Además se pudo comprobar la variación de algunas propiedades fisicoqrímicas de determinados materiales en fundón de la temperatura, tales como su estado, volumen, color, solubilidad, viscosidad, etc. Muchas propiedades fisicoqrímicas de los materiales o de las sustancias varian en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado, su volumen, su color, su solubilidad, su viscosidad, etc. En este taller comprobaremos cómo cambia la temperatura por mndrctividad, por reacciones químicas, por la electricidad o por la luz, y lo veremos gradas a una cámara termográfica. ' , ‘mm l n
  3. 3. Desarrollo ÍBÓTÍCO de ¡OS OODEHÍÓOS 1. Concepto de Temperatura La temperatura es una magnitud reladonada con la energia intema de los objetos y las sustancias, es la energia asodada a los movimientos de las partículas del sistema, cuanto más se muevan las particulas mayor será su temperatura, Todos sabemos intuitivamente comparar temperaturas, frio o calor. Por medo del tacto notamos 1a temperatura‘ ya que unas terminaciones nerviosas situadas en la piel se encargan de ello. Pero es algo subjetivo, es una sensadón, a una misma temperatura unos tenemos fno y otros calor. Toda la materia está formada por particulas en continua agtación, incluso los sólidos, aunqre a simple vista parecen estar en reposo. Los gases tiene mayor libertad de movimiento, tratan de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: tratan de expandirse. Muchas propiedades de los materiales o de las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, liquido, gaseoso), su volumen (botella en el congelacbr), su color (pintura termocrómica) o la solubilidad (CoIaCao) Formas de medir IaITemperatura La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados con diferentes escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional, la unidad de temperatura es el Kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto". Sin embargo, fuera del ámbito científico Ia escala más extendich es la escala Celsius (antes llamada centigrada); Los termómetros ‘nomiales’ se denominan de contacto, porque la temperatura del objeto se transrrite por conducción
  4. 4. En este taller se midió la temperatura a dstancia, con una cámara terrnográfica, aparato me percibe Ia radación infrarroja emitida por los cuerpos detectados y que la transforma en imágenes luminosas para ser visualizada por el ojo humano. Todos los cuerpos emiten cierta cantidad de radiación en forma infrarroja, en tinción de su temperatura. Generalmente, los objetos más calientes emiten más radiación ‘nfrarroja que los menos calientes. Las imágenes que se visualizan en la pantalla, han sido procesadas para que las imágenes se muestren coloreadas, porque son más fáciles de interpretar con la vista. Pero los colores observados no corresponden ala radiación infrarroja percibida, sino que la cámara los asigna arbitrariamente, de acuerdo al rango de ‘ntensidades de longitud de onda infrarroja, por eso se llaman falsos colores. i
  5. 5. 2. Temperatura máxima La temperatura más alta me se ha alcanzado, se supone que se alcanzó durante el Big Bang y se ha calculado en unos .1.0.3.2.. ‘.‘C, (100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) lo que equivale a 100 quintillones de grados, es decir 100 millones de millones de millones de millones de millones de grados. Otro ejemplo de elevadas temperaturas, Io podemos encontrar en las estrellas, por ejemplo el Sol que es de oolor amarillo tiene una temperatura superficial de unos _5_.00.0‘? C (en el interior hay millones de grados), hay estrellas de color azul (como Rigel en la constelación de Orión) con una temperatura superficial es de unos 10.000° C. también hay estrellas rojas. a unos 3000°. C, (como Betelgeuse, también enla constelación de Orión). Por debajo de esa temperatura no se emite luz. Un ejemplo, más cercano. de altas temperaturas es Ia llama de un mechero, la llama tiene diferentes colores, azul, luego la amarilla y por ultimo la roja, donde cada color corresponde a una temperatura. La temperatura va disminuyendo hacia el exterior porque transfiere su calor al aire que esta mucho mas frio
  6. 6. Actividad: El globo ignifugo Materiales: — 2 Globos, uno de ellos lleno de agua — Mechero o vela Procedimiento: Un voluntario infla un globo enciende el mechero y pone el globo sobre la llama. ¿Qué pasará? El globo explota. Se funde la goma, el aire sale de golpe y el globo explota. Se realiza la misma operación con el globo lleno de agua. ¿Explotará? El globo no explota, el agua absorbe el calor, e impide que la goma del globo se caliente tanto como para romperse. EI agua tiene una gran capacidad calorifica, es decir que para aumentar su temperatura necesita mucha energia. Por mucho que se caliente no pasada de los .100?! ) y a esa temperatura el globo no explota
  7. 7. Actividad: Los colores de los fuegos artificiales Los vivos y variacbs colores que se consigien al estalar un fuego artificial se debe a que en el ‘nterior llevan un paqiete de productos qrirricos especiales, principalmente sales de metales yóxidos metálicos. Los electrones de los átomos de cada elemento se encuentran en m principio en su estado más estable, es decir, ni absorben ni eniten energia, pero al verse expuestos ante un impulso energético externo, corno es el calor dentro delfuego artificial, pasan a un estado excitado con ma mayor energía. Cuando la fuente de energía "deja de excitado", los electrones regresan a su estado anterior y emiten la energia absorbida en forma de luz. Cada elemento libera una cantidad diferente de energia, y esta energia es lo que determina el color o long'tud de onda de luz que se emite. Por ejemplo, cuancb el nitrato de socio se calienta, los electrones de los átomos de sodio absorben la energia y pasan a su estado excitado. Cuando regresan a su estado fundamental, libera unos 200 lfilojulios por molécula, o lo que es lo mismo, la energia de la luz amarilla. El color azul se crea a partir de cantidades variables de compuestos de cloruro de cobre, rniertras que el rojo viene de estroncio y sales de litio y el verde de sulfato de cobre Los colores secundarios se obtienen mezclando los ingredientes de sus parientes de color primario. Una mezda de cobre (azul) y el estroncio (rojo) da como resultado una luz de color púrpura.
  8. 8. 3. Temperatura minima La temperatura que teóricamente se puede alcanzar es el cero absoluto (:27.3_‘. ‘C). Ni siquiera, lo másfrío que eidste, en el espacio interestelartiene dima temperatura. El universo está a 3°K por encima del oero absoluto, esa pequeña temperatura es Ia radiación que rueda de la explosión del Big- Bang. En cuanto salimos de nuestra atmósfera la temperatura disminuye considerablemente, por ejemplo Ja. _.Estación. ..Es. nacial internacional cue está a GOQKm. de lafllerra está a unos -130° C Experimentalmente se han conseguida temperaturas cercanas a cero absoluto.
  9. 9. En el taller se va a trabajar con nitrógeno liquido que está a —196 “C. El nitrógeno liquido tiene numerosas aplicaciones, entre las que destacan la criogenización de tejidos, células reproductores, celulas madre, conseguir supermndrctores, quemar verrugas. ... . z. -s nel iojnrraiggggpq¿ t. i ' ‘A jj LW 4.- Difusión térmica La transferencia de calor o dfusión térmica es el paso de energia térmica desde un cuerpo más caliente a otro más frio. Cuando un objeto sólicb o fluido, está a una temperatura diferente de su entorno o de otro cuerpo con el que se encuentre en contacto la transferencia de calor, siempre ocurre desde el cuerpo más caliente almas frio, hasta que se alcanza el eqiilibrio térmico, esto es, hasta cue los dos cuerpos se encuentran a la misma temperatura. En la práctica, la transferencia de calor nunca puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
  10. 10. 5.- Estados de la materia Para cualcuier agregado material, modificando las condiciones de temperatura y/ o presión, pueden obtenerse distintos estados de agregación de la materia. Podemos hablar de cuatro estados de la materia, cada uno de los cuales oon sus caracteristicas particulares. - Estado sólido: los átomos se encuentran entrelazados fomiancb generalmente estructuras cristalinas, lo que mnfiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente duros y resistentes. Tieneforrna propia yvolumen definido. - Estado líquido: Si incrementamos la temperatura de un sólido hasta la desaparición de su estnictura cristalina alcanzamos el estado liquido. Los líquidos son capaces de fluir y adaptarse a la fonna del recipiente cue lo contiene, no tienen forma definida. Aún existe cierta cohesión entre los átomos del cuerpo, auncue mucho menos intensa que en los sólidos. - Estado gaseoso: Si incrementamos aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. La cohesión entre los átomos o moléculas del gas es casi nula de modo que son capaces de ocupartodo el espacio del recipiente que lo contiene, portanto no tiene niforma ni volumen definido. Pueden comprimirsefacilmente y ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene. — Plasma: Al plasma se le llama ‘el cuarto estado de la materia‘. Es un gas en el cue los átomos se han roto, formado por electrones negativos e iones positivos. Cuanto más caliente esta el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar los electrones. A diferencia de los gases fríos, los plasrnas conmcen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos.
  11. 11. 6.- Cambios de estado Se denomina cambio de estado al paso de la materia por distintos estados de agregación sin me ocurra un cambio en su composición. En condiciones normales de presión y temperatura (1 atmósfera y 20° C) existen compuestos tanto en estado sólido como liquido y gaseoso. Si se varia la presión manteniendo constante la temperatura o la temperatura manteniencb constante la presión se puede pasar de un estado de agregación a otro. LOS cambios de estado más comunes SDHC LIQUIDO - de sólido a líquido: fusión Fusión «EE""’°’°“‘“ - de liquido a gas: evaporación ‘ _ - - de sólido a gas: sublimación (progresiva) Solidificación/ condensación - de gas a sólido: sublimación inversa o i sublimación regresiva ' - de gas a líquido: condensación s“""“““¡"’“ ¡“em souoo . cas - de liquido a sólido: solidificación sublimación
  12. 12. 'l. — Reacciones Térmicas Una foma de variar la temperatura es mediante reacciones cuimicas, cuando dos sustandas entran en contacto pueden variar su temperatura y la del entrono que las rodea, pueden ser de dos tipos: exotérmirzs y endotémicas 7.1. Reacciones exotérmicas, es decir que generan un aumento de la temperatura Actividad: Reacción del sodio con agua El sodio es el metal alcalíno que a pesar de ser muy abundante en laNaturaleza (2.6% dela mrteza terrestre) no se encuentra en estado puro ya cue el sodio esta’ tan oerca de ser estable (sólo tiene que librarse del electrón) que, en cuanto se encuentra con cualqiier otro elemento que sea electronegativo (que cuiera ganar electrones) reacciona con él inmediatamente y forma compuestos. El sodio reacciona con casi cualcuier cosa cue pueda aceptar electrones. Cuando se encuentra con agua (y no tiene que ser en un vaso, puede ser simplemente la humedad del ambiente o la de la piel o mucosas), reacdona para dar hidróxido sódico (sosa cáustica) e hidrógeno: 2 Na + 2 Hp a 2 NaOH + H;
  13. 13. Esta reacción, es una reacción potencialmente peligrosa porque es muy exotérmica, es decir, libera una gran cantidad de calor. Si se utiliza una cantidad de sodio muy grande, el calor producido sobre la superficie del bloqre funde el socio del interior cue luego reacciona de golpe con el agua, y se predice una explosión. En esta actividad, se utilizará una pequeña cantidad de sodio por lo que la reacción se producirá poco a poco, y se podrá observar que se trata de una reaccion exotérmiczl en la que se desprende calor, por la llama amarilla qie aparece en cuanto el Na entra en contacto con el agua. No obstante, por si a caso, se utilizó una pantalla protectora. ‘Jetirlo rie ïÉi: tii»: eii el Lïrio Lerioïe (pincha en el título para ver el vídeo) En 1947, nueve toneladas de sodio, excedentes del arsenal militar estadounidense, son vertidos en barriles de más de tonelada y media cada uno, en las aguas del lago Lencre, situado al este del estado de Washington, por parte del WarAssets Administration.
  14. 14. El ejército estacbunidense utilizaba el sodio para fabricar tetraetilplomo, antidetonante usada para aumentar el octanaje de la gasolina con plomo (ahora en desuso por su alto poder contaminante). Para deshacerse de este peligroso elemento, fue Ianzacb en barriles ladera abajo a las aguas del Iago Lenore, con las consiguientes explosiones resciltantes que puedes observar en el vídeo, a lo cue se debe sumar la catástrofe ecológca que supone este vertido ya cuela sosa cáustica resultante (Iejía) de la reacción altera el pH del agua haciendolo almlino ymatando todo rastro de vida animal y vegetal existente. ‘La revista de ciencia Popular Science afirman que dcho Iago era de por si alcalino y que portanto, no existían peces en éf. .. 7.2. Reacciones endoténnicas, disminuyen la temperatura, o ocho de otra forma, ‘roban’ calor del entorno para poder reaccionar. ,21 l í. j 5 r i’; s w', ' T ! _3: fu’ ‘s; f‘ ¿I a "'. l : " ‘f e 1 S el); ' jm‘ x I‘. 3. I - ' n _* ' l a , ... / _
  15. 15. _. -- ÜAÍZV‘ - 8.- Luz y calor Otra forma de variar la temperatura es medante la luz. .. Todos hemos comprobado cuando nos da Ia luz del Sol como aumenta la temperatura, gran parte del calor recibido es por la radiación infrarroja, pero imagnemos cue hay dos personas juntas una con una camiseta blanca y la otra con una camiseta negra ¿Estarán a la misma terrlperatura? La raclación infrarroja que reciben es la misma, pero el me tiene la camiseta negra está más caliente. La luz blanca es la mezda de todos los colores, por ejemplo, cuando incide sobre una superficie verde, se absorben todos los colores excepto el verde cue es reflejado. El blanc) refleja todos los colores, mientras que el negro los absorbe todos, por lo qJe se calienta más.
  16. 16. 9.- Electricidad y calor Mediante la electricidad también podemos variar la temperatura, por ejemplo si tocamos una bombilla ‘de las normales‘ podemos llegar a quemarnos. La corriente eléctrica va por los cables y llega ala bombilla, que tiene un filamento muy, muy fino y la electricidad sigue pasando, pero cuanto menor es la sección del conductor, mayor es la resistencia que ofrece a la electricidad, esa resistencia se transforma en calor, hasta volverlo incandescente, emitiendo luz (efecto Joule). Sin embargo una bombilla de bajo consumo no se calienta tanto, por lo que es mucho más eficiente que las inoandescentes que transforman el 90% de Ia electricidad que consumen en calor, En realidad las bombillas de bajo consumo son muy similares a los tubos fluorescentes. ..
  17. 17. Actividad: Combustión del acero con electricidad Materiales: - Lana de acero (estropajo metálico) - Pila de 9 voltios Procedirriento: Basta tocar un poco cb lana de acero con los dos polos ch una pila de 9 voltios para que arda. Precauciones: ¡Cuidam con la lana de acero cuando está ardiendo! La pila no se debería mantener mucho tiempo en contacto con el acero y no sólo para evitar que la lana arda de forma descontrolada, sino porque puede calentarse en exceso y agotarse en muy poco tiempo. Explicación: La combustión del acero (aleación de hiero y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación) es una reacción de oxidación (combinación del Hierro con oxígeno que desprende energia) que se realiza muy rápidamente.
  18. 18. Cuando el hierro o el acero se oxldan, el desprendimiento de calor es tan lento que puede dsiparse sin que la temperatura suba apenas, pero si ‘ayudamos’ al material dándole energia con una pila, por ejemplo, el calor se genera mudro más deprisa delo cue se pierde y la temperatura sube hasta alcanzarse el punto de ignición (unos 1000.30 para el acero) a partir del cual la combustión continúa hasta que se agotan el oxigeno o el combustible. g ' , , , , El mecanismo por el q. re se transfiere energia a la lana de acero mediante la pila, es el de la - - - ' + resistencia eféctnca. Un conductor, como el acero, está fcrmacb (verfigura) por una red de pr Z prat-so iones positivos (en azul) ya su alrededorun ‘mar’ de electrones casi libres (en rojo) que se . . . . mueven aleatoriamente, Cuando se aplica una diferencia de potencial con la pila, esos electrones empiezan a moverse además hacia el polo positivo y al hacerlo chocan de vez en cuando contra los " T ' " iones positivos o mntra otros electrones. En estas colisiones parte de la energia que hace circular la corriente se trasforma en calor. En este proceso interviene el diámetro de las fibras de la lana de acero, de unos 0.02. mm, ya que al ser el filamento extremadamente fino su resistencia es grande y disipa mucho menos el calor,
  19. 19. , i “r1 10.- Comportamiento de materiales a bajas temperaturas El volumen de los materiales puede verse afectado por la temperatura. La mayoría de las cosas se contraen cuando se erfirían y se expanden mando se calientan. El agua es una excepdón porqie se expande cuando se transforma en hielo. Los ingenieros deben tener en cuenta la contracción térmica para construir grandes estructuras: vías de ferrocarril, puentes, edificios. .. siendo fundamentales las juntas de dlatación. La elasticidad de los sóridos puede también verse afectadas por la temperatura. La elasticidad describe como un cuerpo puede volver a su forma orignai y tamaño después de haber sido retorcirb y estirado. Cuando ios sólidos se enfrían se hacen duros y quebradizos, pierden su elasticidad.
  20. 20. Por otra parte, sabemos me las temperaturas frías pueden matar tejidos en el cuerpo humano. La congelación ocurre cuando se forman cristales de hielo en las células vivas, habitualmente a temperaturas por debajo de —12° C. La rama de la medcina que lo estudia se llama ‘criomedcina’, la téaiica concentra un frío extremado en los tejidos enfennos, matándolos. Los cinijanos utilizan una sonda superfría para introducir pequeñas cantidades de nitrógeno líquido en el área infectada. Actividades con hielo seco El hielo seco o nieve carbónica es dióxido de carbono en estado sólido, sublima a la temperatura de . -,IB.5.. ‘.‘C, Pasando directamente de sólido a gas. El hielo seco, al sublimar, desprende gran cantidad de gas dóxido de carbono. Podemos aprovechar el gas que se genera para hinchar globos sin esfuerzo. En esta experiencia introdudmos vanos fragmentos de hielo seco en el interior de un guante de látex. A mntinuación, cerramos el guante mediante un nudo y vemos cómo inmedatamente el guante comienza a inflarse como consemenda de la presión que ejerce el gas que se libera en su interior. Podemos sacar el hielo seco del recipiente en que se conserva con una cuchara metálica, observando que se produce un sonido característico, debido al enfriamiento rápido del metal. Si lo ponemos sobre una chapa de acero el metal mmienza a chirriar. El metal, en contacto con el hielo seco, se enfría muy deprisa. El proceso es tan rápido me, aunque el rnetal es muy buen conductor del calor, qieda una zona muy fría y otra todavia permanece a temperatura ambiente. Necesita un poco de tiempo para que se igualen las temperaturas. Esto provoca que haya zonas que al eríriarse se contraigan rápidamente, dando lugar a tensiones locales en el metal que predicen vibraciones que a su vez, generan el sonido. Podemos aprovechar el gas para crear niebla El hielo seco sumergido en un tímido sublima muy deprisa generando gran cantidad de C0; que burbujea continuamente.
  21. 21. AI contacto con el aire hace que condensen pequeñas gotas de agua cue se encuentran en el ambiente originando una típica neblina. Si añadimos hielo seco a un vaso que contiene agua la sublimación es bastante rápida y aún más si añadmos BÏJLLH caliente (pincha para ver el vídeo). El resultado es una niebla más densa me el aire y por eso se dirige hacia el suelo. El efecto de niebla es todavía más intenso porcue al burbujear arrastra pequeñas gotitas de agua En el cine o el teatro utilizan máquinas de niebla, me echan un chorro de humo de fonna continua hasta me todo el suelo se cubre de niebla. En discotecas o espectáculos musicales lanzan el humo a través de varias máquinas consiguiendo un efecto espectacular: Podemos aprovechar el gas para conseguir bebidas humeantes. Efecto muy utilizado en el cine, sólo se debe añadr unos trozos de hielo seco a un líquido de color llamativo.
  22. 22. Actividades con nitrógeno líquido El nitrógeno líquido es nitrógeno puro en estado líquido. Es inerte, incoloro, inodoro, no es corrosivo ni inflamable, pero es extremadamente frío (-195,8 "C). Ala hora de manipularlo se deben tomar precauciones, debido: - Asu baja temperatura que puede producir qiernamras. - A que se expande rápidamente al pasar de líquido a Gas (tasa de expansión 1: 694), con lo me se genera una gran fuerza, sobre todo si el nitrógeno se evapora súbitamente, - A medda are el nitrógeno se evapora reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como un asfixiante, especialmente en espacios confinados. El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido, y podria producir asfixia sin ninguna sensación o advertencia previa. L --‘ __-_ . ... ..- —-- r __ l. -_ l’ ¿m7. . ’_ÏL . -> El nitrógeno Iíqrido en contacto con el aire, a temperatura ambiente se evapora rápidamente, produciendo gran cantidad de gases a baja temperatura que flotan durante un cierto tiempo.
  23. 23. La baja densidad del nitrógeno liquido hace que rluya rápidamente cuancb se deja salir con cuidado 2‘ desde el contenedor. t x la. ‘ “i Í Los objetos normales cambian de características físicas cuando se introducen en nitrógeno líqiido. Un tubo de goma elástica que se enfría en nitrógeno se vuelve extremadamente duro y no se puede poner deredro ni estirarhasta que se calienta de nuevo a temperatura ambiente. Cuando se introduce un guante de goma en nitrógeno líquido, el guante se queda rr'gidoyduro, yse fragrnenta cuando se le estruja entre las manos. Un globo inflado experimenta un extraño efecto cuando se introduce en nitrógeno líquido. El gas dentro del gobo se contrae y el globo se desinfla. Cuando el globo se saca del nitrógeno tímido, al elevarse la temperatura, el gas del interior del gobo vuelve a expandirse y el gobo recupera su tamaño inidal. Esta es una demostración cualitativa de la ley de Charles: a presión constante, existe una relación lineal entre el volumen de una cantidad fija de gas, y la temperatura del mismo.
  24. 24. Se tira nitrógeno al suelo. observamos me las gotas de nitrógeno Iícuido se mueven por el suelo a gran velocidad, sin apenas fricción, ya que se deslizan sobre una capa de nitrógeno gas que se forma continuamente al entrar en contacto el nitrógeno líquido, muyfrío, con el suelo caliente, capa que actúa como aislante entre la superficie sólida y el nitrógeno líquido (efecto Leidenfrost). Gota de líquido swtenida por la capa de vapor 0.2 mm por mm Superficie caliente

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