Enseñando a los estudiantes de secundaria sobre el equilibrio radiativo de la Tierra, oí que este concepto es bastante difícil de entender.
Como no encontré muchos artículos adecuados en internet, decidí escribir uno.
Esta entrega trata sobre el equilibrio térmico y los modos de transferencia de energía, y la próxima entrega tratará sobre el equilibrio radiativo de la Tierra.
Espero que muchos estudiantes que gustan de la ciencia lean y se beneficien de este artículo.
1. ¿Por qué se enfría el agua caliente?
Durante una clase de tercer año de secundaria, siempre hay una pregunta que hago a los estudiantes antes de enseñar sobre el equilibrio radiativo.
¿Por qué la temperatura de un recipiente con agua caliente baja si se deja durante mucho tiempo?
En cierto modo, es un fenómeno totalmente natural y de sentido común, pero quizás para los estudiantes de secundaria explicarlo científicamente es algo más complejo.
A veces, estudiantes que recuerdan lo que aprendieron en el segundo año de secundaria usan el equilibrio térmico para explicarlo.
Entonces, esta vez vamos a ver en detalle cómo ocurre el equilibrio térmico.
2. Equilibrio térmico
El equilibrio térmico es cuando dos objetos con diferentes temperaturas alcanzan la misma temperatura y no hay flujo de calor.
Como se muestra arriba, al colocar dos objetos con diferentes temperaturas juntos, con el tiempo alcanzan la misma temperatura.
En este punto, se dice que no hay flujo de calor entre los dos objetos y que han alcanzado el equilibrio térmico.
Entonces, ¿qué es el calor?
3. Calor y transferencia de energía
Generalmente, cuanto más alta es la temperatura de un objeto, más energía posee, y cuanto más baja es la temperatura, menos energía posee.
La energía se mueve del lado de mayor energía al de menor, es decir, la energía se transfiere del objeto caliente al objeto frío y eso es lo que llamamos calor.
El objeto que libera energía baja su temperatura, mientras que el objeto que recibe energía aumenta su temperatura.
Este flujo de calor continúa hasta que ambas temperaturas se igualan.
La transferencia de calor es un fenómeno natural como el flujo de agua desde un lugar alto a uno bajo.
Por eso, la transferencia de energía se compara mucho con el flujo de agua.
4. Modos de transferencia de calor
El calor se transfiere de tres maneras principales: convección, conducción y radiación. La convección implica el movimiento simultáneo de energía y materia.
En la conducción, la energía se transfiere a través de un material sin movimiento del mismo.
Por ejemplo, mientras cocinas ramen en el video de abajo, puedes comprenderlo a través de 1) convección y 2) conducción.
En el video de arriba, el muñeco es absorbido hacia el interior de la chimenea debido a la convección.
El aire dentro de la chimenea se calienta, y el aire caliente escapa por la chimenea.
Para llenar el espacio vacío dejado por el aire que sale, el aire de la habitación se ve atraído hacia dentro de la chimenea, creando un flujo.
Este flujo es lo que empuja al muñeco hacia dentro.
Entonces, ¿por qué la persona frente a la chimenea siente el calor?
Todo el aire caliente calentado por el fuego de la chimenea escapa por la chimenea, por lo que el calor sentido no es debido a la convección.
La conducción en el aire es bastante más lenta que la convección.
Por lo tanto, la energía de la chimenea se transfiere a la persona principalmente a través de la radiación en vez de conducción o convección.
La radiación emitida por la chimenea, como infrarrojos y luz visible (luz), transfiere energía a las personas.
Este modo de transferencia de energía se llama radiación.
6. Conclusión: ¿Por qué se enfría el agua caliente?
Es hora de responder la pregunta inicial. ¿Por qué el agua caliente se enfría y alcanza el equilibrio térmico?
1) La energía se mueve de objetos con temperatura alta a objetos con temperatura baja.
2) Los métodos de movimiento de energía son convección, conducción y radiación.
2-1) Convección: al poner la mano sobre el agua caliente, el calor se transfiere junto con el aire caliente.
2-2) Conducción: al tocar el recipiente, puedes sentir la temperatura transferida desde el agua.
2-3) Radiación: no es visible, pero la energía se libera en forma de ondas electromagnéticas como infrarrojos y microondas.
3) Por lo tanto, el agua caliente se enfría porque la energía se libera al entorno más frío mediante convección, conducción y radiación.Espero que comprendan bien el equilibrio térmico y los modos de transferencia de energía para el futuro currículo escolar.
Para más información sobre el equilibrio radiativo de la Tierra, consulte el siguiente enlace.
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