El efecto del calor: experimentos sencillos con sólidos, líquidos y gases

¿Por qué los elefantes se echan agua en la espalda?  ¿De dónde sale la niebla?, ¿Por qué los trenes hacen ese ‘traqueteo’ al avanzar? Tus alumnos tendrán las respuestas para estas preguntas  cuando hayan comprendido los efectos del calor en sólidos, líquidos y gases.

Con esta colección de experimentos comenzamos a investigar cómo el calor altera las propiedades de los tres estados de la materia. Analizaremos cómo el calor puede transformar sólidos, líquidos y gases de un estado a otro. Al igual que los científicos, revisaremos nuestros resultados después de cada experimento para ver cómo podemos mejorar el diseño experimental.

Los cinco experimentos necesitan materiales sencillos que pueden realizarse con alumnos de 7 a 11 años (el revisor del artículo sugiere que son adecuados para alumnos de 10 a 13 años). Para realizar todos los experimentos se necesita un día completo de clase, pero también se puede dividir en varias sesiones en diferentes días. Antes de comenzar preguntaremos a los alumnos qué son los sólidos, líquidos y gases según su apariencia y propiedades^w1.

Propiedades que cambian

1) Construye un termómetro: los gases se expanden al calentarlos

Este experimento introduce la idea de que el calor expande los gases. Los alumnos fabricarán su propio termómetro basado en este principio.

Materiales

Para cada grupo:

• Una botella de plástico rígida con tapón
• Plastilina o arcilla de modelar^®
• Una paja para beber transparente
• Tijeras
• Colorante alimentario (opcional)
• Agua del grifo

Procedimiento

1. Haz un agujero con las tijeras en el centro del tapón de la botella que sea suficiente para que quepa la paja.
    
2. Llena la botella hasta la mitad con agua.
    
3. Añade unas gotas de colorante y mezcla bien.
    
4. Enrosca el tapón, introduce la paja hasta que se sumerja en el agua pero asegúrate de que no toque el fondo de la botella.
    
5. Usa plastilina para sellar el orificio y fijar la paja al tapón. El sellado no debe permitir la entrada o salida de aire.
    
6. Coloca una mano en la parte superior de la botella, ¿Qué le sucede al líquido de la paja y por qué?
    

¿Qué ha sucedido?

El calor de tu mano calienta el aire del interior de la botella. El calor se expande y empuja al agua, haciendo que suba el nivel en la paja.

Preguntas para los alumnos

1. ¿El agua, ha subido por el calor o por la presión que has ejercido con tus manos?
    
2. ¿Cómo se puede comprobar experimentalmente?
   
   Respuestas: la botella es rígida y, suponiendo que no se ha deformado, el líquido sube por la paja debido al calor, no a la presión. Puedes comprobarlo poniendo las manos muy cerca de la botella, sin llegar a tocarla y ver cómo sube el líquido por la paja.

2) Observa cómo crece una aguja de coser: los sólidos también se expanden al calentarlos.

En el experimento anterior bastaba el calor de las manos para que el gas se expandiera de manera apreciable. Sin embargo un mismo aumento de temperatura hace que los sólidos se expandan mucho menos que los gases. En el siguiente experimento  utilizaremos un mecanismo sencillo pero lo suficientemente sensible como para observar la dilatación de una aguja de coser al calentarla con una vela.

Materiales

• Una aguja de punto metálica
• Dos botellas de vidrio vacías (por ejemplo de vino)
• Un corcho que ajuste en una de las botellas
• Unas llaves u otro objeto para colocar como peso al final de la aguja (por ejemplo, plastilina)
• Unos libros (u otros  objetos en los que apoyar el montaje)
• Una alfiler o aguja de coser de forma cilíndrica
• Una pajita
• Una vela pequeña
• Cerillas

Procedimiento

1. Coloca un corcho en una botella hasta la mitad.
    
2. Introduce la parte afilada de la aguja de punto en el corcho para que quede justo por encima del cuello de la botella.
    
3. Apoya el otro extremo de la aguja sobre la segunda botella.
    
4. Clava la aguja de coser en la paja de refresco, a un tercio de la longitud de uno de sus extremos. El agujero debe ser lo suficientemente estrecho para que la paja pueda girar.
    
5. Coloca la aguja de coser (con la paja ensartada) sobre la boca de la segunda botella, debajo de la aguja de punto formando ángulo de 90º.
    
6. Cuelga un peso (por ejemplo, unas llaves) en el extremo libre de la aguja de punto.
    
7. Coloca la paja hacia en vertical.
    
8. Coloca una pila de libros entre las dos botellas.
    
9. Coloca la vela sobre los libros. Ajusta la altura para que la vela esté a unos 3 cm de la aguja de punto.
    
10. Enciende la vela, ¿qué le sucede a la paja? ¿Por qué?
     

¿Qué ha sucedido?

El calor de la vela hace que se expanda la aguja. Al dilatarse a lo largo se mueve y hace girar a la aguja de coser. La paja aumenta los pequeños movimientos de la aguja.

Preguntas para los alumnos

1. Hemos visto que los sólidos, líquidos y gases se expanden al calentarlos, pro ¿qué le sucede a los líquidos?
   
   Respuesta: los líquidos no son una excepción, también se expanden al ser calentados.
    
2. ¿Qué problemas puede causar en puentes o vías de tren la expansión por calentamiento?
   
   Respuesta: ver las imágenes de la derecha.

Cambios de estado

Ahora los alumnos han visto los efectos del calor en sólidos y gases: se expanden. También saben que a los líquidos les sucede lo mismo. Pero, ¿qué sucede cuando calentamos más las sustancias (figura 1)? Pregunta a tus alumnos sobre una barra de oro; es sólida a temperatura ambiente, a 100ºC e incluso a 500ºC. ¿Qué sucede cuando aumentamos más la temperatura a 1064 ºC? A esta temperatura sucede algo sorprendente: el oro sólido se transforma en líquido. Si seguimos calentando (hasta 2856ºC) el líquido hierve y se convierte en gas.

Por supuesto que se trata de un ejemplo extremo; la mayoría de nosotros nunca veremos oro gaseoso. Pero cualquiera en clase ha visto al agua cambiar de estado: del hielo sólido al agua líquida (0ºC), y de allí a gas, vapor de agua (100ºC). El calor, además de producir la expansión, hace que las sustancias cambien de estado. Cada sustancia requiere una cantidad de calor diferente: necesitamos más calor para hacer hervir el oro que el agua. Pero, al menos en teoría, todas las sustancias pueden existir en los tres estados de agregación.

En los siguientes experimentos veremos qué le sucede cuando pasamos un líquido a gas y viceversa.

3) De líquido a gas: evaporación sobre tu dedo.

Antes de que comience a hervir, una parte del líquido ya pasa a gas –pregunta a tus alumnos sobre el vapor que sale de una cacerola un rato antes de que comience a hervir. En este experimento los alumnos verán que incluso las yemas de sus dedos generan suficiente calor como para pasar pequeñas cantidades de líquido a gas. Este proceso se llama evaporación.

Materiales

• Un vaso con agua

Procedimiento

Este experimento se realiza mejor al aire libre o en lugares donde haya corriente de aire, por ejemplo, cerca de una ventana abierta.

1. Moja tu dedo en agua y retíralo del vaso.
    
2. ¿Qué ves y qué sientes?
    

¿Qué ha sucedido?

El agua se evapora y abandona tu dedo, dejándolo seco. Tu dedo nota frío. Es porque el calor de tu cuerpo se ha transferido al agua líquida y se ha escapado con el vapor de agua.

Preguntas para los alumnos

1. En este experimento calentamos agua líquida, pero ¿qué sucede si calentamos un sólido? Piensa en lo que sucede cuando calientas mantequilla.
   
   Respuesta: los sólidos se funden con el calor.
    
2. ¿Cómo podemos mejorar el experimento?
   
   Resuesta: ¿qué pasa si tu dedo no nota más frío porque el agua está ya fría? Para analizar esta idea podemos usar agua a temperatura corporal, (37ºC). Inténtalo –deberías obtener el mismo resultado.
    

3. Usando lo que has aprendido explica por qué los elefantes en ocasiones, se echan agua en su lomo.
   
   Respuesta: los elefantes hacen esto para refrescarse aprovechando el poder refrigerante de la evaporación.
    

4) De gas a líquido: condensación en una bolsa

Los alumnos han comprobado que al calendar el líquido pasa a gas (evaporación) pero es un proceso reversible: si enfriamos lo suficiente un gas, pasará a líquido mediante un proceso llamado condensación. En el siguiente experimento los alumnos investigarán la condensación.

Materiales

• Una bolsa de plástico transparente
• Una goma elástica
• Un trozo de tela
• Agua

Procedimiento

1. Moja la tela con agua del grifo y escurre bien para eliminar el exceso de agua.
    
2. Coloca la tela en la bolsa de plástico. Asegúrate de que queda también aire en el interior de la bolsa y ciérrala.
    
3. Deja la bolsa en un lugar cálido como un radiador o bajo la acción de la luz del Sol durante una hora. ¿Qué observas?

¿Qué ha sucedido?

Se forman gotitas de agua en la superficie interior de la bolsa.

¿Cómo? El agua se evapora de la tela mojada y así el aire del interior de la bolsa contiene gran cantidad de vapor de agua. La superficie de la bolsa está lo bastante fría como para transformar el vapor de agua, de nuevo en agua líquida.

Preguntas para los alumnos

1. En este experimento hemos enfriado un gas (vapor de agua) pero ¿qué sucede cuando enfriamos un líquido? Piensa cómo podríamos fabricar cubitos de hielo
   
   Respuesta. Los líquidos se congelan y se convierten en sólidos al enfriarlos.
    
2. ¿Cómo podríamos modificar el experimento para que las gotas aparecieran más rápido?
   
   Respuesta: enfriando la superficie de la bolsa, por ejemplo colocando cubitos de hielo cerca conseguiríamos que la condensación fuera más rápida.
3. ¿Qué produce la niebla, la evaporación o la condensación?
   
   Respuesta: la niebla se forma cuando el vapor se enfría y se condensa formando nubes de gotitas de agua cerca del suelo (como una nube pero muy baja).

Agradecimiento

Las instrucciones para construir un termómetro están adaptadas de la web California Energy Commission’s Energy Quest. Allí hay más ideas para proyectos de ciencias.