Conductividad
03 may, 2013
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PDFLa rapidez del calor
PRESENTACIÓN: La capacidad de conducir calor de un material viene definida por su conductividad térmica. La facilidad o dificultad de un material a modificar su temperatura mediante una transferencia de calor está directamente relacionada con ella como fácilmente puede observarse en innumerables fenómenos cotidianos.
- Interactive Heat Transfer Simulations for Everyone, Charles Xie, Phys. Teach. 50, 237 (2012)
- Why Do Objects Cool More Rapidly in Water Than in Still Air?, Craig F. Bohren, Phys. Teach. 49, 550 (2011)
INTRODUCCIÓN: La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor o en otras palabras, la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. Este fenómeno de conductividad térmica no solo se da en metales, como observaremos a continuación.
OBJETIVO: Comprobar la conductividad térmica del acero y el cobre.
MATERIALES: hilo de cobre (cable de antena), hilo de acero (clip), 3 corchos, 2 velas, globos.
MONTAJE: Cortamos un corcho a la mitad para sostener los extremos de los hilos. Los otros dos corchos los utilizaremos para introducir los hilos en ellos y sostenerlos horizontalmente. Pegamos unas bolitas de cera en cada uno de los hilos (3 o 4 bolas). Llenamos los dos globos, uno con agua y el otro con aire. Encendemos la vela con el mechero. Al acercar el globo lleno de aire a la llama explota inmediatamente, pero al acercar el globo lleno de agua a la llama vemos que no explota.
EXPLICACIÓN: El motivo por el que las bolitas de cera se caen antes del hilo de cobre que en el de acero es provocado por la conductividad térmica de los materiales. Es elevada en los metales (mayor en el cobre) y baja en polímeros o materiales especiales. Por otra parte, al aproximar la vela al globo lleno de aire el calor hace que aumente rápidamente su temperatura y esto hace que explote. Al acercar el globo lleno de agua a la llama sube la temperatura del globo y del agua lentamente, tardando mucho más en calentarse, e impidiendo que el globo se caliente y explote.
CONCEPTOS: conductividad térmica, capacidad calorífica, calor, temperatura, resistividad térmica.
MÁS INFORMACIÓN:
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TEXTOS
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- D.C. Giancoli, Física para Ciencias e Ingeniería, Pearson, 2009.
- D. Halliday, R. Resnick y J. Walker, Fundamentos de Física. CECSA, 2001.
ALUMNADO 2011-2012: Miguel Ángel González, Vicente Domínguez
ENLACE pdf ALUMNADO:
37 responses to "Conductividad"
Me parece ejemplo muy visual para comprender la diferencia de la conductividad térmica entre distintos materiales. Este otro vídeo, es un ejemplo similar para ver igualmente la conductividad pero de una manera distinta.
Me parece muy adecuado el vídeo de la experiencia para llevar a cabo en una clase, ya que no requiere de materiales difíciles de encontrar y el montaje es sencillo. Además es una forma fácil de visualizar la conductividad térmica de los materiales y hacerles comprender que los objetos se hacen de un material u otro dependiendo de sus propiedades, no son elegidos al azar.
Existen múltiples ejemplos en los que se emplea la conductividad térmica de los metales, como es la construcción de radiadores o en instrumentos de cocina como los fondos de las sartenes y ollas. Otro ejemplo, lo constituyen los disipadores de calor de los ordenadores. Normalmente diseñados en cobre o aluminio sobre el microprocesador, porque este genera mucho calor que si no es refrigerado se puede quemar. Sobre el disipador tiene un ventilador para enfriar el metal, y éste al estar sobre el microprocesador, transfiere el calor de la parte caliente al aire.
Me parece un video muy acertado para explicar la conductividad térmica y la transmisión de calor por conducción. Es muy ilustrativo, ya que la vela (foco térmico) solo esta en contacto en 1 punto. Sería interesante enmarcalo en la transmisión de calor y explicar de este modo la conducción.
Ademais deste experimento, tamén me fixei no que o autor cita no seu pdf. Parécenme os dous moi ilustrativos e didácticos á hora de explicar a conductividade térmica en diferentes materias. No caso do segundo, no que o globo non explota gracias á auga. Foi un experimento que se fixo ao grande no programa de «El hormiguero», onde intentaron explotar unha bola con auga cunha fogueira.
Me parece un experimento sencillo y muy adecuado para explicar el distinto grado de transferencia del calor de los distintos materiales.
Añado un vídeo en el que explica la sensación de frío-calor al tocar diferentes objetos. Me pareció algo muy curioso la primera vez que me lo explicaron que cuando tocas diferentes objetos, estos se encuentran a la misma temperatura pero la sensación térmica que provocan en el usuario es distinta, dependiendo ésta de la capacidad de conductividad térmica del objeto.
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¿Por qué unos materiales tienen diferente conductividad a otros? En el siguiente enlace se explica cómo en los metales la conductividad térmica varía de manera similar a la conductividad eléctrica, ya que los electrones transportan no sólo corriente eléctrica sino también energía electrónica. En el caso de los no metales, la conductividad depende más de otros factores como las vibraciones de red.
Por cierto, en el anterior enlace también se incluye una tabla con las conductividades térmicas de diferentes materiales de la vida cotidiana, y creo que esa información entra en conflicto con el resultado del experimento del segundo vídeo: según el vídeo, el cobre tiene menos conductividad térmica que níquel, hierro y aluminio; y según dicha tabla el cobre tiene más conductividad térmica que los otros tres metales…
Tal y como demuestra este experimento, la conductividad térmica es una propiedad específica de cada material. Hasta hace poco se creía que el diamante era el material con mayor conductividad térmica, sin embargo, se ha descubierto que el arseniuro de boro podría superarlo. En este vídeo se puede observar otro experimento para demostrar la diferencia de conductividad térmica entre el aire y el agua.
En el caso de los metales, la conductividad térmica está muy relacionada con la conductividad eléctrica, de forma que los mejores conductores térmicos suelen ser también los mejores conductores eléctricos. Este fenómeno es explicado por la Ley de la conductividad de Wiedemann-Franz, y se basa en que tanto en el transporte calorífico como el eléctrico, están implicados los electrones libres del metal.
La conductividad del calor entre diferentes materiales y la rapidez con la que ésta se produce es la base de diferentes procesos industriales. Por ejemplo, en el sector de la automoción es importante la conductividad del calor que se produce en el intercooler, con el fin de conservar la masa de aire comprimida para ser utilizada en el turbo. De ahí que dichos componentes estén fabricados de materiales conductores que a su vez son resistentes a la corrosión, al estar en contacto con diferentes medios. Se puede observar una explicación de este hecho en el siguiente vídeo.
En el vídeo se observa de manera gráfica la conductividad de distintos metales. Como dice Mercedes la conductividad térmica está relacionada conductividad eléctrica y esta a una temperatura determinaban es proporcional , pero aumentando la temperatura, aumenta la conductividad térmica mientras disminuye la conductividad eléctrica.
Los dos vídeos me parecen buenos. En el segundo, donde se presentan varios metales simultaneamente, es una manera muy sencilla de que comparen las distintas conductividades y comprobar que concuerdan con los datos teóricos.
Montaje sencillo para los institutos de bajo presupuesto, y para evidenciar con muchos materiales las diferentes conductividades que tienen, y aun me atreveria a relacionarlo con la explicación del enlace metálico.
Una experiencia muy sencilla es utilizar dos termómetros que nos servirán para medir la velocidad con la que se transfiere el calor, para ello los cogemos rodeándolos con los dedos y asegurándonos que ambos están a la misma temperatura. Podemos estudiar la influencia del tipo de material, para ello utilizamos tiras rectangulares iguales de distintos materiales rodeando los termómetros y podemos observar en cual de ellos asciende la temperatura más rápidamente. Para enfriarlos los ponemos en contacto con la ventana de aluminio del laboratorio. Podemos también la influencia de espesor de la lámina y también la influencia del área de la misma.
A conductividade térmica é unha característica que posúen os metais que se deriva da mobilidade que teñen os electróns dos átomos unidos mediante o enlace químico que denominamos metálico. Non todos os metais conducen a calor de igual forma ou coa mesma facilidade. Grazas as dúas experiencias que se mostran nos anteriores vídeos podemos observar como os distintos metais empregados transmiten a calor a diferentes velocidades. Paréceme moi enxeñosa a idea de pegar anaquiños de cera ao longo do metal para comprobar como se derreten cando aumenta a temperatura do fío de metal debido á calor que se propaga dende as velas. Hai que dicir que da segunda parte do experimento que se comenta, onde se demostraría a diferenza entre a capacidade calorífica do aire e a da auga, non se aporta ningún vídeo. No seguinte enlace si se pode observar o que lles ocorre aos globos. Esta experiencia supón unha oportunidade para exemplificar a gran capacidade de absorción de calor da auga, propiedade vital para os seres vivos. Ambos experimentos resultan moi apropiados para realizar na aula.
Este é o enlace que comentaba.
Moi sinxelo e moi interesante. Fácil para presentalo na aula e moi doado de elaborar polos propios alumnos. É o tipo de actividade manipulativa que se pode realizar en calquera momento xa que non se precisan materias complicados e non leva moito tempo… así que perfecta!
Enxeñoso e sinxelo. Axuda a comprender o concepto de condución de calor e a diferente coductividade dos distintos materiais. Paréceme interesante engadir algún material non metálico á experiencia, como unha variña de vidro.
No hay una contradicción entre los dos videos?
La conductividad térmica del cobre es casi cinco veces mayor que la del hierro, el segundo vídeo efectivamente da entender lo contrario…
No caso da condutividade eléctrica, existe unha relación entre esta e a salinidade dunha mostra de auga. De feito, para calcular a salinidade moitas veces emprégase un condutímetro, xa que nos dará unha idea aproximada da súa salinidade (tendo en conta que tamén varía coa temperatura e a presión, tal e como se explica aquí). Se o centro dispón dun condutímetro pódeselle propoñer aos alumnos que midan a condutividade de diversas mostras de auga procedentes de distintos lugares (chuvia, billa, río, mar…), ou mesmo, como vai variando a salinidade nun río conforme se vai achegando á súa foz. Nestrouta ligazón aparecen distintos valores típicos de condutividade.
La transferencia de calor por conducción, consiste en la transferencia de energía dentro de un material, sin ningún tipo de movimiento del material en su conjunto. La tasa de transferencia de calor depende del gradiente de temperatura y la conductividad térmica del material. Con las experiencias que se observan en los vídeos se puede comprobar fácilmente la conductividad térmica de diferentes metales. Los datos numéricos de estas conductividades se pueden comprobar en la siguiente página.
En la red, además, se puede encontrar material didáctico muy interesante para utilizar en el aula, como el siguiente pdf.
Esta actividad manipulativa resulta de gran interés para ilustrar el concepto de conductividad térmica, tanto al alumnado de la ESO como al de bachillerato. Se trata de un experimento muy visual que permite que los estudiantes observen como se trasmite el calor por los materiales, fenómeno que no es percibido por el ojo humano. El hecho de colocar trocitos de vela sobre los hilos hace que el alumnado pueda percibir que es lo que está ocurriendo en dichos hilos. Asimismo, al utilizar hilos de materiales que tienen distinta conductividad térmica, los estudiantes pueden observar como la conductividad térmica depende del material del que está constituido el hilo. En este sentido, esta actividad manipulativa explica el motivo por el cual determinados elementos u objetos son construidos específicamente con unos materiales determinados y no con otros. Es un experimento simple y económico, ya que se puede realizar con materiales caseros de forma sencilla. Por lo tanto, su realización no implica una importante inversión de dinero. Una sugerencia podría ser utilizar mantequilla en lugar de cera, tal y como se puede observar en el segundo video. Además, os dejo otra actividad manipulativa que permite completar el concepto de conductividad térmica. Espero que os sea de utilidad.
La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que describe el transporte de energía en forma de calor a través de un cuerpo como resultado de un gradiente térmico. La conductividad térmica varía en función al tipo de material y en este experimento se compara el acero con el cobre. Me parece un buen experimento puesto que es muy representativo y explica a la perfección esta propiedad física de la materia y además se utiliza material sencillo y poco costoso. En este enlace se muestra un experimento muy semejante a este en el que se varían algunos materiales.
Es importante que los alumnos entiendan este concepto pues es algo que afecta a su vida cotidiana por ejemplo en el caso de la cubertería con mangos de madera que se hace para romper la conducción del calor y no quemarnos al coger el cubierto.
Me ha gustado mucho este experimento, me parece muy apropiado para estudiantes de educación secundaria. Es una actividad muy visual y realmente fácil de desarrollar en el aula donde los alumnos pueden observar de manera directa lo que ocurre. Además van a poder experimentarlo con una gran variedad de materiales diferentes, lo que puede dar mucho juego en el aula para que ellos propongan que material les gustaría probar y realizar juegos, en plan apuestas, de que material creen ellos que conduce más rápidamente el calor. Además, sería interesante enlazar este concepto con el de conductividad eléctrica con experimentos similares.
Esta actividad manipulativa me parece muy acertada para realizar en 4º de ESO. Aunque pueda parecer sencilla, dado que los materiales son fáciles de encontrar y la explicación podría resumirse en una frase, permite despertar la curiosidad sobre el efecto del calor sobre los cuerpos y así iniciar los contenidos B5.2 y B5.4 del bloque 5 (a enerxía) de física y química de una manera motivadora para el alumnado.
Pueden emplearse hilos de distintos materiales y además de estudiar la conductividad térmica y propiedades físicas de los mismos, realizar una investigación sobre las propiedades químicas de cada uno y como estas afectan o interactúan con los resultados térmicos que se observan.
Creo que experiencia resulta de muy fácil aplicación y presenta ventajas a la hora de llevar la teoría a la práctica. Esta experiencia se puede aplicar en 4º de ESO y en los dos cursos de Bachillerato, ya que se establece en el curriculum educativo de estos niveles. Dicha experiencia permitiría la introducción de contenidos que permitan a los alumnos establecer relaciones entre conceptos sobre los formas de intercambio de energía como el trabajo y el calor o los efectos del calor sobre los cuerpos, permitiendo que los estudiantes puedan describir de una forma sencilla las transformaciones que experimentan los cuerpos al adquirir o perder energía, etc. En el siguiente enlace, del portal educativo FISICALAB, se hace una muy buena y breve descripción apoyada con ilustraciones sobre la conductividad.
Explicación muy visual y sencilla de entender para dominar el concepto de conductividad térmica. Otra alternativa en la que se puede aplicar el concepto de conductividad térmica es la realización de un experimento en el que sobre una vela encendida se coloque un colador metálico relleno de tiras de papel. Durante ese experimento se puede llegar a observa cómo a pesar de estar el papel sobre la llama, éste no arde. Esto es debido a que para que el papel llegue a quemarse, debe alcanzar una temperatura de 233ºC aproximadamente mientras que por otro lado, la elevada conductividad térmica del colador impide que el papel logre dicha temperatura necesaria para arder.
Fantástico vídeo para ilustrar o concepto de conductividade térmica comparada entre diferentes materiais: aluminio, latón, níquel, ferro, cobre e aceiro inoxidable. Este concepto cobra grande importancia na bioloxía nos programas de reintroducción de especies de aves xa que ó instalar caixas aniñadeiras, estas teñen que ser de materiais que non posúan grande conductividade térmica como é o caso da madeira. Se instalásemos unha caixa de metal, o fracaso estaría garantido.
Esta es una práctica muy fácil y sencilla para explicar a los alumnos, y que ellos visualicen, la diferente conductividad térmica de los metales. Además, con la experiencia del globo se puede introducir el concepto de capacidad calorífica. Para esto último, sirve también la experiencia mostrada en otro de los proyectos de este blog.
Experimentos muy sencillos para explicar a los alumnos la capacidad de conducción térmica de distintos materiales. Los sólidos metálicos son buenos conductores térmicos, es decir, transfieren calor fácilmente; sin embargo, existen materiales que actúan como malos conductores y que pueden ser utilizados como aislantes térmicos. Otro ejercicio sencillo para explicar estos dos conceptos sería introducir agua caliente (a igual temperatura) en tres vasos de vidrio, uno sin aislar, otro recubierto de poliestireno expandido y un último situado dentro de un vaso tipo Dewar. Al cabo de varios minutos, si se observan los vasos con una cámara termográfica se podrá ver la resistencia que presenta cada uno de los materiales al paso del calor. Por ejemplo, el vaso Dewar actúa como un buen aislante térmico al reducir la transferencia de energía y mantener la temperatura del agua caliente durante más tiempo.
Los conceptos de temperatura, calor, conducción…son de los más complejos de entender para los alumnos de Educación Secundaria. Existen numerosos artículos que exploran esta temática y describen experiencias y metodologías en casos prácticos que se han llevado a cabo en el aula. En este sentido me parece muy interesante el caso descrito por Schönborn, Haglund & Xie en el que utilizan cámaras termográficas para facilitar la comprensión de conceptos relacionados con calor y temperatura, con alumnos de 12 y 13 años. El artículo se titula: “Pupils’ early explorations of thermoimaging to interpret heat and temperature”
Tal como se ya han comentado, estos conceptos que para algunos parecen sencillos de entender, son de los que más cuesta entender a los alumnos de secundaria. Muchos avanzan cursos sin tener claro la diferencia entre calor y temperatura, o un material conductor y aislante. Este tipo de actividades junto con el uso de las cámaras termográficas pueden ayudar a que esto cambie.
É unha actividade moi ilustrativa. Chámame a atención como o aluminio, tan usado fai anos como material barato para portas e ventás é tan ineficaz térmicamente. Tamén me chama a atención o latón, que é a aleación máis empregada na fontanería e fabricación de instrumentos de vento pola baixa interación coa auga, así como polo seu baixo prezo, me pregunto se realmente as súas características de condutividade térmica son as máis axeitadas para estas tarefas…
Es interesante utilizar este tipo de demostraciones para complementar las explicaciones teóricas impartidas en el aula, algo que les ayudará además de a entenderlo, a comprenderlo, ya que la transmisión de calor es un fenómeno que no se puede apreciar visualmente a no ser que se realicen experimentos de este tipo. Concretamente la actividad presentada me parece muy adecuada para llevarlo a cabo en una clase, ya que los materiales se pueden conseguir fácilmente, a un bajo coste y el montaje es sencillo. Así podrán observar las diferentes conductividades de los materiales.
Este fenómeno se da en muchas situaciones de la vida cotidiana, por lo que me parecería interesante plantear al alumnado la siguiente pregunta: ¿Por qué los metales se sienten más fríos en el invierno y más calientes en el verano?
Los materiales con una mayor constante de conductividad térmica (como los metales) conducen bien el calor en ambas direcciones; hacia adentro o hacia afuera del material. Si tu piel entra en contacto con un metal que está a una temperatura más baja, este absorbe rápidamente energía térmica de tu mano y se siente particularmente frío. Similarmente, si el metal está más caliente que tu mano, éste le transfiere calor rápidamente y se siente particularmente caliente.
Estupenda demostración de las diferencias que existen entre materiales en términos de conductividad. Está claro que las intervenciones de este tipo resultan las más instructivas para los chavales. En el siguiente enlace se muestran experimentos sobre energía para hacer con niños, que se pueden hacer no solamente en clases, si no también en casa.