conceptos clave
física
transferencia de calor
aislamiento
Ciencia de materiales

Introducción
¿Qué hace cuando hace mucho frío en invierno? Usted probablemente encienda el calentador, los ponen en una capa adicional de ropa o acurrucarse bajo una manta caliente. ¿Pero alguna vez has pensado en Por qué una chaqueta te ayuda a mantenerte caliente? ¿Por qué nuestra ropa está hecha de telas y no de láminas? Descubre las respuestas en esta actividad; ¡tus resultados podrían incluso ayudarte a encontrar la mejor manera de mantenerte caliente en el frío!,

Background
El calor es una forma de energía. Necesitas energía para calentar algo: por ejemplo, una taza de té. Para hacer su té, probablemente use energía de electricidad o gas. Sin embargo, una vez que su té esté caliente, no permanecerá caliente para siempre. Simplemente deje la taza de té sobre la mesa por un tiempo, y ya sabe que se enfriará cuanto más espere. Esto se debe a un fenómeno llamado transferencia de calor, que es el flujo de energía en forma de calor. Si dos objetos tienen temperaturas diferentes, el calor fluye automáticamente de un objeto al otro una vez que están en contacto., La energía térmica se transfiere del objeto más caliente al más frío. En el caso del té, el calor del líquido se transfiere al aire circundante, que generalmente es más frío que el té. Una vez que ambos objetos alcanzan la misma temperatura, la transferencia de calor se detendrá. La transferencia de calor a través del movimiento de fluidos (líquidos o gases) se denomina convección.

otro tipo de transferencia de calor es la conducción, en la que la energía se mueve a través de una sustancia (generalmente un sólido) de una partícula a otra (a diferencia de la convección, donde es la propia materia calentada la que se mueve)., Un mango de olla que se calienta sería un ejemplo de conducción.

el calor también se puede transferir a través de la radiación. Es posible que haya experimentado eso de sentarse alrededor de una hoguera. Aunque no estés tocando el fuego, puedes sentirlo irradiando calor en tu cara incluso si hace frío afuera. Si le gusta beber su té caliente, puede preguntar cómo se puede reducir la transferencia de calor y cómo el té evita que se enfríe. La respuesta es el aislamiento térmico., Aislamiento significa crear una barrera entre el objeto caliente y el frío que reduce la transferencia de calor ya sea reflejando la radiación térmica o disminuyendo la conducción térmica y la convección de un objeto a otro. Dependiendo del material de la barrera, el aislamiento será más o menos efectivo. Las barreras que conducen el calor muy mal son buenos aislantes térmicos, mientras que los materiales que conducen el calor muy bien tienen una baja capacidad aislante. En esta actividad, probarás qué materiales hacen buenos o malos aislantes térmicos con la ayuda de un vaso de agua caliente., ¿Qué material crees que será más efectivo?

Materiales

• Cinco frascos de vidrio con tapas
• Tijeras (y adultos para ayudar con el corte)
• Cinta
• Aluminio
• abrigo de Burbuja
• bufanda de Lana o de otras de lana ropa
• Papel
• agua Caliente
• Termómetro
• Refrigerador
• Temporizador
• Papel para escribir
• Bolígrafo o lápiz

Preparación

• Cortar un trozo de papel de aluminio, el plástico de burbujas y el papel (tener la ayuda de un adulto si es necesario)., Cada pieza debe ser lo suficientemente grande como para caber tres veces alrededor de los lados del frasco de vidrio.
• Tome el pedazo de papel de aluminio y envuélvalo alrededor de los lados de uno de los frascos. Usted debe tener tres capas de papel de aluminio alrededor del frasco de vidrio. Use la cinta para unir el papel de aluminio al frasco.
• a continuación, envuelva otro frasco con el plástico de burbujas para que el vidrio también esté cubierto en tres capas. Asegúrese de pegar el plástico de burbujas en el frasco.
• Use el papel cortado para envolver un tercer frasco en tres capas de papel. Una vez más, Coloque el papel en el frasco de vidrio.,
• tome otro frasco de vidrio y envuelva la bufanda u otra tela de lana alrededor del frasco. Solo haga tres capas de envoltura y asegúrese de que la bufanda permanezca unida al frasco.
• deje el último frasco sin envolver. Este será tu control.

Procedimiento

• Llene cada frasco con la misma cantidad de agua caliente de la llave.
• Use el termómetro para medir la temperatura en cada frasco. Ponga su dedo dentro del agua de cada frasco (tenga cuidado si el agua del grifo está muy caliente)—¿Cómo se siente la temperatura del agua?,
• anote la temperatura de cada frasco y cierre las tapas. ¿Todas las temperaturas son iguales o hay diferencias? ¿Qué tan grandes son las diferencias?
• abra su refrigerador y ponga los cinco frascos dentro. Asegúrese de que todavía están bien envueltos. Siente la temperatura de la nevera—¿cómo se siente su temperatura?
• ponga el termómetro en la nevera. ¿Qué temperatura lee el termómetro cuando lo pones en la nevera?
• Una vez que todos los frascos estén en la nevera, cierre la puerta de la nevera y ajuste el temporizador a 10 minutos., ¿Qué crees que pasará con los frascos y el agua caliente durante ese tiempo?
• después de 10 minutos abrir la nevera y sacar todos los frascos fuera. ¿Los frascos se sienten diferentes?
• abra cada frasco, uno a la vez, y mida la temperatura del agua con su termómetro. Además, siente la temperatura con el dedo. ¿Cambió la temperatura? ¿Cómo cambió según el termómetro?
• repita la medición de la temperatura para cada frasco y anote la temperatura para cada material de envoltura. ¿La temperatura en cada frasco cambió de la misma manera?, ¿Qué material de envoltura resultó en el cambio de temperatura más bajo y cuál resultó en el más grande?
• Para una mejor comparación, calcule la diferencia de temperatura desde el principio y el final de la prueba para cada frasco (temperatura que comienza versus temperatura después de 10 minutos en el refrigerador). A partir de sus resultados, ¿puede saber qué material es el mejor o más débil aislante térmico?
• Extra: ¿las temperaturas seguirán cambiando de manera similar para cada material? Puede cerrar cada frasco de nuevo y volver a ponerlos en la nevera durante otros 10 minutos., ¿Son los resultados diferentes esta vez o los mismos?
• Extra: ¿la temperatura del agua cambia igual en la nevera que en el congelador o a temperatura ambiente? Repita la prueba, pero esta vez en lugar de poner los frascos de vidrio en la nevera, póngalos en el congelador o manténgalos a temperatura ambiente. ¿Cuánto cambia la temperatura del agua en 10 minutos? ¿Los diferentes materiales de envoltura se comportan de manera diferente?
• Extra: intenta encontrar otros materiales que creas que son aislantes térmicos buenos o malos y pruébalos. ¿Qué material funciona mejor?, ¿Se te ocurre una razón?
• Extra: si saca los frascos de la nevera después de 10 minutos, probablemente todavía mida una diferencia de temperatura entre el agua dentro del frasco y la temperatura dentro de la nevera. Puede mantener los frascos de vidrio más tiempo en la nevera y medir su temperatura cada 15 a 30 minutos. ¿Cuánto tiempo se tarda hasta que la temperatura del agua no cambia más? ¿Cuál es la temperatura final del agua dentro del vaso?
• Extra: además de elegir el material aislante adecuado, ¿cuáles son otras formas de mejorar el aislamiento térmico?, Repita esta prueba con un solo material de envoltura. Esta vez cambia el grosor de tu capa aislante. ¿Encuentra una correlación entre el grosor de la capa de aislamiento y el cambio de temperatura en la nevera?

observaciones y resultados
¿su agua caliente se enfrió significativamente durante los 10 minutos dentro de la nevera? Aunque la temperatura de la nevera es muy baja, su agua caliente tiene una temperatura alta., A medida que la energía térmica fluye del objeto caliente al objeto frío, la energía térmica de su agua caliente se transferirá al aire frío circundante dentro del refrigerador una vez que coloque los frascos de vidrio dentro. El mecanismo más importante de transferencia de calor en este caso es la convección, lo que significa que el aire justo al lado del frasco caliente se calienta con el agua caliente. Luego, el aire caliente se reemplaza con aire frío, que también se calienta. Al mismo tiempo, el aire frío enfría el agua dentro del frasco. El calor del agua caliente es transportado por el flujo de aire frío alrededor de la taza., Si dejaste los frascos en la nevera el tiempo suficiente, es posible que hayas observado que la temperatura cambia hasta que el agua caliente alcanza la temperatura dentro de la nevera. Sin una diferencia de temperatura entre el agua y la nevera, la transferencia de calor se detendrá.

El calor del agua también se pierde a través de la conducción: la transferencia de calor a través del material, que depende de la conductividad térmica del material en sí. El frasco de vidrio puede conducir el calor relativamente bien. Nota que cuando toca el frasco de vidrio con el agua caliente, el vaso también se siente caliente., ¿Qué efecto tuvieron los diferentes materiales de envoltura? Debería haber notado que con los materiales de envoltura, la temperatura del agua después de 10 minutos dentro de la nevera era más alta en comparación con el control sin envolver. ¿Por qué? Envolver el frasco de vidrio reduce la transferencia de calor del agua caliente al aire frío dentro de la nevera. El uso de materiales de envoltura que tienen una conductividad térmica muy baja reduce la pérdida de calor a través de la conducción. Al mismo tiempo, el aislante también puede interrumpir o reducir el flujo de aire frío alrededor del frasco de vidrio, lo que resulta en una menor pérdida de calor a través de la convección.,

una forma de reducir la convección es crear bolsas de aire alrededor del frasco, por ejemplo, mediante el uso de aislantes como Plástico de burbujas, tela o lana, que tienen muchas bolsas de aire. El aire en general es un buen aislante térmico, pero puede transmitir calor a través de la convección. Sin embargo, si las bolsas de aire dentro del material aislante están separadas entre sí, el flujo de calor de una bolsa de aire a otra no puede ocurrir fácilmente. Esta es la razón por la que debería haber medido la temperatura más alta en el frasco envuelto en burbujas y el frasco envuelto en tela., Esto también explica por qué la mayoría de nuestra ropa está hecha de telas y por qué te calientas cuando te pones una chaqueta adicional. El papel y el papel de aluminio facilitan el escape del calor porque no tienen muchas bolsas de aire.

más para explorar
transferencia de calor: para niños,de real World Physics Problems
How Animals Stay Warm with Blubber, de Scientific American
How Does a Thermos Work?(pdf), de Daily Science
Science Activity para todas las edades!, de Science Buddies

esta actividad te la presentamos en colaboración con Science Buddies