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COLEGIO DE BACHILLERES
Datos generales:
Plantel: 05 Satélite
Academia: Física y Geografía
Identificación de la Planeación Didáctica:
o Asignatura: Física 2
o Semestre: Primero
o Número y nombre del Bloque Temático: 3.- LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
o Propósito del Bloque Temático:
a). Al término de éste bloque el estudiante será capaz de fundamentar opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, comunicar las conclusiones de sus investigaciones, relacionar las expresiones simbólicas con las características de un sistema.
b). Explicar el funcionamiento de dispositivos de uso común y diseñar dispositivos para demostrar conceptos físicos, a partir de la construcción y aplicación de la Ley cero de la termodinámica.
o Tiempo asignado al material: 3 horas
o Número de sesiones: 2 sesiones
Contenido: 3.- Establecer el concepto de temperatura, sistema termodinámico, y temperatura de equilibrio.
Nombre de la actividad: Ley Cero de la termodinámica (dividida en 2 clases, total 3 horas).
El estudiante encontrará que los sentidos no son confiables para determinar la temperatura de un sólido o un líquido, que los objetos que están en un cuarto cerrado tendrán una temperatura de equilibrio con el ambiente del mismo. Estableciendo que es un sistema termodinámico, distinguiendo de manera clara que cuando dos o más cuerpos están en contacto entre si, después de cierto tiempo alcanzaran la temperatura de equilibrio, que será igual para todos los cuerpos.
Problema situado:
A dos alumnos del bachillerato les dejaron investigar una tarea, y el profesor presenta los siguientes cuestionamientos: ¿Por qué se da el cambio climático? ¿Cómo te afecta este problema en tu vida personal? ¿Cómo afecta este problema al mundo?
Y les explica que este problema se presenta por el exceso de calor, debido a los gases de efecto invernadero (consecuencia de la contaminación), y una forma de equilibrar este exceso de calor, la tierra presenta el movimiento de masas de aire que ya están establecidas así como las corrientes marinas. Las masas de aire se encargan de viajar de los polos al ecuador y viceversa, llevando el exceso de calor del ecuador a los polos e intercambiando el frio de los polos al ecuador.
Por lo que es necesario que entiendan primero como se intercambia calor entre los objetos que están en contacto entre sí, o con su medio. Les proporciona las siguientes preguntas:
¿Qué tan confiables son nuestros sentidos?
¿Podemos realizar mediciones con ellos?
¿Por qué el termómetro para medir la temperatura ambiente no marca cero grados centígrados en los objetos que están confinados en un cuarto cerrado por un tiempo, de manera que no entra o sale corriente de aire?
La finalidad es establecer que el problema de cambio climático obedece a un exceso de calor que entra al planeta, debido a que éste es retenido por los llamados gases de efecto invernadero. Esto ocasiona que los casquetes de los polos empiecen a descongelarse, trayendo como consecuencia cambios en el clima que décadas antes no sucedía. Todo por alcanzar nuestro planeta una temperatura de equilibrio, o temperatura media anual. Y su tarea consiste en comprender como se llega a la temperatura de equilibrio entre 2 cuerpos que están en contacto, para poder ayudar a
los 2 jóvenes en su tarea respondiendo las preguntas planteadas, además de proponerles algunas soluciones para combatir el calentamiento del planeta y así reducir el cambio climático de manera gradual.
Desempeños esperados:
Identifica que si están en contacto dos objetos a diferente temperatura cada uno, alcanzarán con el tiempo una temperatura de equilibrio que es la misma para ambas.
Estableciendo del hecho anterior la conservación de la energía en un sistema termodinámico, es decir, calor cedido es igual al calor absorbido. O llamada ley Cero de la termodinámica.
Criterios de evaluación:
Analizar los datos obtenidos de la experimentación para deducir la relación que existe entre el calor absorbido y el calor cedido entre dos cuerpos que están a diferente temperatura.
Concluyendo que la ley cero de la termodinámica es una consecuencia de la conservación de la energía.
Actividades del estudiante: Clase de 1 hora.
(Apertura)
Actividades del docente:
(Apertura)
Previamente se les pide a los alumnos cuestionario anexo __.Los alumnos trabajan en equipo para realizar las actividades que el docente presenta en la fase de inicio.
o Previamente se les pide a los alumnos que por equipo deben traer termómetros que utilizan las peceras,
Problemática establecida.
¿Cómo ayudar a los alumnos del problema situado? Se plantea realizar algunas actividades para comprender como el fenómeno de intercambio de calor entre los objetos y su medio.
una madera, un objeto metálico (pueden usar una silla del salón), un plástico, papel, cartón, pueden utilizar algún espejo como material de vidrio, etc. Una resistencia que se utiliza para calentar agua, y dos recipientes pequeños como los botes de plástico (de 1 litro) donde viene la crema Alpura.
o Previo a la clase se pide a los alumnos investigar en algunos libros de Física, ley cero de la termodinámica, temperatura de equilibro y algunos ejercicios que estén relacionados con la conservación de la energía (Calor absorbido = calor cedido).
Actividad 1
o Los alumnos, pegan los termómetros de plástico que usan las peceras, a los objetos que llevaron a clase. Y deben de observar que temperatura tienen los objetos. De igual manera deben de registrar sus resultados, en reporte escrito.
o (tiempo 10 minutos).
o El profesor da instrucciones para que los alumnos realicen en tiempo sus actividades. Y recomienda que los resultados obtenidos en la experiencia se discutan por equipo y respondan las preguntas planteadas ¿Por qué el termómetro para medir la temperatura ambiente no marca cero grados centígrados en los objetos que están confinados en un cuarto cerrado por un tiempo, de manera que no entra o sale corriente de aire?
o Se plantea que a partir de las dos experiencias ellos debatan los resultados. El docente plantea, como ayudarías a los alumnos de la problemática a responder las preguntas planteadas por su profesor, ¿Qué tan confiables son nuestros sentidos? ¿Podemos realizar mediciones con ellos? El profesor indica que realicen sus actividades correspondientes para responder las preguntas planteadas.
Actividad 2
o Primero los alumnos deben de tener 2 recipientes de plástico con agua, pero solo calientan uno a una temperatura que la mano la pueda tocar. Primero introducir una mano en agua fría y la otra en agua caliente, y enseguida ambas en agua tibia. Tiene que explicar por qué el tacto puede percibir dos sensaciones diferentes de calor para la misma temperatura.
o Se discuten los resultados para que se respondan las preguntas detonadoras, planteadas por el profesor.
(tiempo 10 minutos).
o Docente pide al alumno que defina con sus propias palabras el concepto de temperatura, sistema termodinámico (los objetos del salón y el salón) y temperatura de equilibrio (temperatura ambiental dentro del salón).
o El profesor modela un problema numérico en el salón de clases, donde se establece que la ley Cero de la termodinámica es una consecuencia de la ley de la conservación de la energía.
o Los alumnos atienden instrucciones del profesor para comprender la solución de un problema numérico que involucra los conceptos que generados anteriormente en las otras actividades.
Se plantea ejercicio de aplicación en clase.
o Un señor quiere preparar una limonada de Kool Aid, para esto utiliza un recipiente con 2.5 Litros de agua, que está a temperatura ambiente (23 °C), y agrega 400 gramos de hielo (a 0 °C), antes de agregarle azúcar y Kool Aid, se desea saber cuál es la temperatura de equilibrio (temperatura de la mezcla). Utilizar ecuación de Calor cedido es igual a calor absorbido. Las capacidades calóricas del hielo y del agua las copian de algún libro de Física.
o Se dan instrucciones para la actividad en el laboratorio.
o Se pide a los alumnos que resuelvan problema de aplicación, de manera detallada. Así como otros problemas que deja el profesor para resolverlos extra clase y que deben de integrar con el ejercicio de aplicación en clase.
Actividad 3 los alumnos resuelven el ejercicio de aplicación, en su reporte escrito
(tiempo 35 minutos)
o Alumnos atienden instrucciones para
la actividad experimental
Recursos
PizarrónPlumones,Borrador,Cuaderno de trabajo,Lápiz, pluma, calculadora,Cuestionario resuelto.Evidencias:
1.- Reporte escrito de las 3 actividades, problemas que dejó el profesor en clase, se entregan de manera individual.
Actividades del estudiante:
(Desarrollo)
Práctica de laboratorio 2 horas..
Actividades del docente:
(Desarrollo)
o Previamente se les pide la lectura de archivo “cambio climático”.
Experimento 1
o Los alumnos piden el material. Y que sigan las instrucciones para montaje del equipo y realización de su experimento:
1.- Con la probeta medir 250 ml de agua y verterlo en el matraz de 250 ml.
2.- Colocar el tapón bihorado con el termómetro en la boca del matraz.
3.- Coloca el matraz en la parrilla tener cuidado de que el termómetro no toque las paredes del matraz y conectarla a la corriente eléctrica.
4.-esperar que el agua alcance una temperatura de 60 °C, esta
PROCEDIMIENTO:
Profesor da instrucciones para el montaje de los equipos, y su experimentación:
o Se realiza una evaluación continua con los alumnos, que atiendan instrucciones, y tomen bien los datos obtenidos del experimento.
o Plantea en el pizarrón los objetivos y cuáles son los desempeños esperados.
se considera como la temperatura inicial del agua caliente.
5.- Verter con la probeta 500 ml de agua de la llave en otro matraz de 500 ml.
6.- Colocar el tapón bihorado con el termómetro en la boca del matraz. Y medir su temperatura, esta será la temperatura inicial del agua fría.
7.- opcionalmente se puede medir la masa del agua de cada uno de los matraces (el que contiene el agua caliente y el que contiene el agua fría) en una balanza granataria, o se puede tomar el valor de la densidad del agua, es decir, 1 ml = 1 gramo para calcular sus masas respectivas.
8.- En un recipiente se vierte el agua fría y se colocan el matraz con el agua caliente y su respectivo tapón bihorado, en este momento registrar la primera lectura de los termómetros como se muestra en la fig. 1,
Fig. 1 montaje del equipo.
9.- Una vez que se tienen las masas de agua (una caliente y la otra fría, se registran en la tabla 1.
11.- Tomar las lecturas de la temperatura da cada masa de agua, cada 2 minutos, hasta que ambas temperaturas se iguales.
Registro de datos
Tiempo (minutos) Agua fría
M1 = 500 g
temperatura
Agua caliente
M2 = 250 g
temperatura
0 T1 T1
2 T2 T2
4 T3 T3
6 T4 T4
8 T5 T5
10 T6 T6
Etc. Tn Tn
¿Cuál fue la temperatura de equilibrio experimental?
Actividad 1
o Escribe en el pizarrón la tabla con los datos que deben de anotar, para realizar los posteriores cálculos.
Determinar la energía del sistema.
Los alumnos pueden calcular el calor absorbido, o el calor cedido, se deja al criterio del profesor.
Se recomienda que los alumnos realicen sus cálculos en el cuaderno, de Manera individual, porque se les revisará al final de la clase, para que posteriormente entreguen su reporte escrito.
Actividad 2
o El docente indica que la temperatura final de su experimento es la temperatura de equilibrio (cuando el agua caliente y el agua fría alcanzan la misma temperatura).
o Explicación del profesor.
Si 2 cuerpos están en contacto siendo diferentes sus temperaturas, después de un tiempo se alcanza el equilibrio térmico, donde el calor absorbido por el cuerpo más frio, será igual al calor cedido por el cuerpo más caliente. Quedando establecido el enunciado en la siguiente ecuación.
(1) donde
C2 = capacidad calórica del agua en cal/g °C.
m2 = masa del agua fría en g
t2 = temperatura inicial de agua fría en °C
C1 = capacidad calórica del agua en cal/g °C
m1 = masa del agua caliente en g
t1 = temperatura inicial de agua caliente en °C
t = temperatura de equilibrio
CALOR ABSORBIDO O CALOR CEDIDO.
∆Q=m∙c ∙ (∆T ) donde
Calcular la temperatura de equilibrio, utilizando la ley cero de la termodinámica.
Actividad 3
Determinar el error entre la temperatura de equilibrio calculada y la obtenida en el experimento.
Experimento 2.
∆T= T2 – T1
T2 = temperatura final en °C
T1 = temperatura inicial en ° C
m = masa de cualquier muestra en g o Kg
C = capacidad calórica de cualquier muestra en cal/g °C o KJ/Kg °C.
o TEMPERATURA DE EQUILIBRIO
De la ecuación (1), despejando y reagrupando terminos, la temperatura de equilibrio queda expresada de la siguiente
manera:
t=c1m1t 1+c2m2 t2c1m1+c2m2
(3)
o Error de cálculo.
error={(t experimental−t )texperimental }×100% (3)
o Los alumnos preparan material para segunda experiencia, y determinar la temperatura de equilibrio de tres masas de agua a diferente temperatura cada una
1.- Se obtienen 3 muestras de agua, como sigue:
o 200 ml de agua a temperatura ambiente (muestra 1),
o 300 ml de agua a 50 °C (muestra 2),
o 200 mL de agua a 75°C (muestra 3).
2.- Primero se mezclan las muestras a) y b) en un recipiente.
Donde:
t = temperatura de equilibrio teórica.
t experimental = temperatura de equilibrio experimental
o Profesor sigue la secuencia de la actividad de laboratorio.
o Explicación del profesor.
Se tienen 3 muestras de agua, que se mezclan 2 de ellas, y al último la tercera, para calcular la temperatura de equilibrio final.
Se aplica primero entre las 2 muestras, usando la ec. (3).
3.- dejar pasar de 1 a 2 minutos en lo que se equilibran sus temperaturas, tomar la temperatura de la mezcla y registrarla.
Ver figura.
4.- agregar la muestra c) a la mezcla en el mismo recipiente y esperar 2 o 3 minutos, y registrar la temperatura.
Actividad 1.
Determina de manera teórica la temperatura final de equilibrio de las 3 muestras. Realiza los cálculos necesarios y
tmezcla=c1m1t 1+c1m2 t2c1m1+c1m2
Después se utiliza la temperatura de la mezcla se con la temperatura de la última muestra. Quedando la siguiente expresión.
t final=c1mmezcla tmezcla+c1m3 t 3c1mmezcla+c1m3
Dónde:
T final = temperatura de equilibrio final
m mezcla = masa de la mezcla = m1 + m2 (masas de las muestras 1 y 2 respectivamente).
m3 = masa de la muestra 3
T3 = temperatura de muestra 3
Puesto que las 3 muestras son de agua, se usa el mismo valor del Cp.
transcribe estos resultados a tu reporte escrito.
Actividad 2
En base a la temperatura final de equilibrio experimental y la calculada, determina el error entre estos dos valores de temperatura, como lo realizaste en el experimento 1.
Preguntas de razonamiento, para conclusiones.
o ¿Al analizar los resultados, que puedes concluir de los resultados entre la temperatura de equilibrio real y la calculada?
o ¿Crees que se cumple el principio de conservación de la energía?
o Abordando la problemática, el cambio climático que es consecuencia del exceso de calor debido a los gases de efecto invernadero, que a su vez se deben a la quema de combustibles fósiles, ¿Qué puedes hacer como estudiante para disminuir este problema?
o ¿Qué actividades propondrías a la gente de tu comunidad para que ellos participaran de alguna forma a disminuir el problema del cambio climático?
o Calculo de temperatura de equilibrio final.
o t final=c1mmezcla tmezcla+c1m3 t 3c1mmezcla+c1m3
o Error de cálculo.
error={(t experimental−t final)t experimental }×100%
Donde:
t final = temperatura de equilibrio teórica.
t experimental = temperatura de equilibrio experimental
Recursos: parrilla de calentamiento, 1 probeta de 250 ml, 2 matraz de 250, tapón bihorado, 2 termómetros de 100 °C, 1 recipiente, cronometro.
Evidencias: actividad experimental, evaluación continua durante la experimentación.
Actividades del estudiante:
(Cierre)
Actividades del docente:
(Cierre)
o Alumnos atienden el cierre de la actividad, en equipos analizan un documento “cambio climático”, y se les pide que relacionen lo visto en clase con la problemática establecida.
o Realizan de manera individual las actividades que sugiere el profesor.
o ¿Crees que se cumple el principio de conservación de la energía?
o Se discute algún mapa conceptual de los
RETROALIMENTACIÓN
.
o Profesor pide a los alumnos que realicen como actividad de cierre lectura sugerida.
o Como producto de la lectura se les pide a los alumnos que entreguen mapa conceptual del cambio climático, con sus causas, consecuencias y posibles soluciones.
o Que analicen la lectura y redacte una reflexión personal, indicando que aportaciones haría él, para reducir el problema ambiental.
o Que redacte una reflexión personal, explicando como el exceso de calor en nuestra atmosfera se distribuye en el ecuador y los polos, usando la Ley cero de la termodinámica.
Profesor da el cierre basado en las aportaciones de algunos alumnos.
alumnos y algunas reflexiones escritas.
Recursos: plumones, borrador, pizarrón, cuaderno, lápiz, pluma, calculadora,
Evidencias:
Reporte escrito de la práctica que entregarán en próxima clase.
Mapa conceptual y reflexiones de la lectura “Cambio climático” anexo de los problemas resueltos en la fase de retroalimentación.
Instrumentos de evaluación:
o lista de cotejo para el reporte escrito.
o rúbrica para ejercicios de la fase de inicio.
