Variación de la densidad del aire con la temperatura

Tipo de actividad:

Trabajo Grupal

Tiempo de aplicación:

Distribuir las seis actividades (de una a dos horas de duración) en un mes aproximadamente, según consideración del docente y cualidades del grupo.

Propósitos:

Comprender que el aire es una solución de diferentes gases, que al variar la temperatura varía el volumen del aire y, por lo tanto, su densidad. Conocer el modo de proceder de las ciencias, la importancia del trabajo previo al experimento, de la experimentación en sí misma y, sobre todo, de las discusiones e interpretaciones que provocan los experimentos.

Criterios de evaluación:

Se evalúa todo el proceso de los niños, su participación en las actividades individuales y grupales, la comprensión del manejo de variables, la apertura a poder aprender de sus pares. Se plantean dos situaciones problemáticas para evaluar la comprensión de los contenidos.

Contenido:

• Las soluciones gaseosas, el aire.
• La variación de la densidad con la temperatura.

Actividades:

Diferenciación entre mezclas de diferente tipo: homogéneas y heterogéneas

Se les presenta: un té (lo preparamos delante de ellos), un frasco con agua y arena, agua gasificada, agua mineral sin gasificar, arena y piedras.

¿Son todas mezclas?, ¿cómo las clasificaríamos? Pueden surgir diferentes formas de clasificarlas. Luego de registrar todas las formas, nos centramos en aquellas de las que se pueden diferenciar los componentes a simple vista, por estar en fases diferentes. Esas son las mezclas heterogéneas, las que están en una sola fase son mezclas homogéneas. Seguramente muchos niños ya conozcan estos conceptos referentes a mezclas, pero siempre es bueno abordarlos nuevamente para darles otro enfoque a medida que avanzan en la escolaridad.

Les mostramos ahora una botella “vacía”, solamente con aire. Les preguntamos ¿qué tenemos acá? ¿Nada? ¿Será una mezcla también? ¿Qué componentes tiene el aire? Se sugiere abordar estas preguntas teniendo en cuenta que los diferentes estados de la materia y sus características ya han sido trabajados por los niños anteriormente y desde la lupa del modelo corpuscular de la materia. Para responder estas preguntas seguramente tengamos que recurrir a un libro o a Internet. En sitios sugeridos, aportamos algunos enlaces para obtener esa información.

Representar mediante gráficos o dibujos, la composición del aire.

La densidad

Una buena forma de abordar por primera vez el concepto de densidad, es a través de la historia de Arquímedes (Ver “Eureka Eureka”) del descubrimiento de la densidad como característica de las diferentes sustancias. Luego de leerla, podemos comparar sustancias y ver las diferentes densidades.

Una manera sencilla de hacerlo es con líquidos, ya que podemos compararlos de dos maneras, manteniendo constante la masa o manteniendo constante el volumen.

1. Colocar en una balanza de brazos iguales dos vasos idénticos, agregar, poco a poco, líquidos diferentes a cada uno. Puede ser agua a uno y acetona al otro. Luego de que los brazos de la balanza queden equilibrados nuevamente, comparar volumen de líquido que contiene cada vaso poniéndolos uno al lado del otro y comparando las alturas (cuanto más grandes los vasos, mejor se podrá observar la diferencia. La gasolina también es buena para compararla con agua, ya que tiene una densidad notoriamente menor a la del agua).
2. Colocar en dos vasos idénticos el mismo volumen de líquido, en un vaso agua, en el otro acetona. Con balanza, comparar la masa de los dos vasos.

Si utilizamos sólidos, tenemos que conseguirlos de la misma masa y luego comparar los volúmenes sumergiéndolos en un líquido. Otra opción es conseguir dos cubos de diferentes maderas que tengan el mismo volumen. Tener en cuenta que si queremos medir el volumen de la madera debemos medirla o sumergirla en agua protegida por nylon, ya que puede absorber agua.

Dilatación del aire por efectos del calor

Para abordar temas relacionados al aire, los niños deben entender el aire como otra forma de materia. No es algo fácil de internalizar, a pesar de trabajarlo en diferentes instancias y contextos. Para ello, una buena forma es buscar elementos que contengan aire adentro: un globo inflado, una pelota que no sea maciza, una bolsa inflada. Allí sí se evidencia que está el aire.
Con la variación de la temperatura, varía el volumen del aire, muchos niños tienen un conocimiento cotidiano muy cercano a este: “si la pelota está un poco desinflada, hay que dejarla un rato al sol”. ¿Es mágico? Evidentemente, no: el sol no hace magia con la pelota y no sopla hacia adentro, pero ¿por qué esa estrategia es tan eficaz? Esa reflexión la abordaremos con los niños.

Les solicitamos hacer la prueba con alguna pelota medio desinflada que tengamos en la escuela (si lo hacemos con más de una, o con algún globo también, mejor). “La dejamos al sol y vemos qué sucede después”, eso será lo que probablemente planteen los niños. Los docentes tendremos que fundamentar que eso no alcanza, tenemos que ser más estrictos. Algunos compañeros pueden verla antes y después del sol y ver que se infló y otros ver que no se infló. ¿Cómo podemos registrar si se infla o no? Si no surge alguna idea, les podemos proponer medir el diámetro antes y después de estar al sol o dibujar su silueta antes y después (esta forma es menos precisa, pero puede ser otra manera de hacerlo), si lo registramos de las dos maneras podemos evaluar ambas estrategias.

También les sugerimos pesar (masar) la pelota antes y pesarla después de estar expuesta al sol. Seguramente algunos piensen que si está más inflada, pesará más. Es interesante que vean que la masa no varía, sobre todo para que se entienda que no hay más aire dentro de la pelota, sino que esa misma cantidad de aire ocupa más espacio. Por otro lado, podríamos probar otras formas de calentar la pelota, que no sea al sol, para entender que el efecto no es el sol, sino calentarse. 

Antes de ponernos a realizar las pruebas, tenemos que dejar registrado lo que vamos haciendo, simplemente para tener notas de todo el proceso, en principio, es un insumo para el grupo mismo: ¿Cuál es nuestra pregunta o problema? ¿De qué manera buscamos la respuesta? Se explica detalladamente cuál será el experimento a realizar ¿Qué creemos que va a suceder? Muchas veces, con niños de quinto y sexto año que están acostumbrados a la elaboración de diseños experimentales, las discusiones que se dan para definir el diseño y sobre lo que creen que puede suceder son muy ricas y es bueno registrarlas. Esto es un momento muy importante en el trabajo en ciencias, las discusiones, el trabajo en equipo, la elección de un experimento y no otro, implica también una teoría de fondo que enmarca el trabajo, y los niños y niñas, además de entender los conocimientos científicos que estamos trabajando, deben conocer cómo se trabaja en ciencias, los procesos que la ciencia realiza.

Luego de realizado el experimento y de registrar todo lo que sucedió debemos explicar eso que vimos. Vemos que aumenta el diámetro de la pelota, esa es la evidencia, pero ¿por qué? ¿Aumentó su masa? ¿Tiene más aire dentro?  Para responder el por qué tenemos que guiarlos hacia el hecho de que la pelota está al sol, así observan la importancia del calor ¿por qué eso sucede si está al sol? ¿Qué papel cumple el sol? Deben llegar a comprender que algo del sol llega al aire, pasando por el cuero o la goma de la pelota, por la goma del globo. Eso que recibe, hace que el aire ocupe más lugar. Finalizando la actividad se le puede poner nombre a ese algo que llega al aire dentro de la pelota, es calor, o energía en forma de calor. Dependiendo del grupo, su historia, sus conocimientos, el docente irá tomando decisiones en cuanto a cómo seguir avanzando en el razonamiento.

Si es necesario, hay otros experimentos complementarios que pueden ser realizados:

• Para ver los efectos de enfriar y calentar aire, poner en el pico de una botella un globo desinflado. Colocar la botella en un recipiente que contenga agua caliente, luego llevarlo al agua fría, muy fría. De esta manera, se verá que el volumen de aire dentro del globo y botella aumenta con el aumento de calor y disminuye si le saco calor (al ponerlo en agua fría).
• En el video adjunto se puede ver otro experimento donde se evidencia también la dilatación del aire dentro del un frasco por efectos del calor humano.

Densidad del aire

Luego de comprender que el aire se dilata, tiende a aumentar su volumen al recibir calor, retomamos el tema de la densidad.
Dos objetos con la misma masa y diferente volumen tienen densidades diferentes, quiere decir que la misma masa ocupa más espacio que otra. Al cambiar la cantidad de espacio que ocupó el aire, también cambió su densidad, cambió la relación masa/volumen ¿Sigue siendo la misma sustancia? Sin dudas que sí, es aire, el mismo aire, pero en condiciones diferentes. Lo que sucedió fue un cambio físico, ya que no cambió la naturaleza de la sustancia, otro ejemplo de cambio físico es un cambio de estado de agregación (por ejemplo, la evaporación).

Nosotros habíamos comparado densidades con objetos de diferente naturaleza, dos maderas diferentes, dos líquidos completamente distintos. Pero ahora estamos viendo que la misma sustancia, aire, cambia su volumen. Importante evidencia de que los objetos no están aislados del medio que los rodea, sino que realizan intercambios con el mismo, en este caso, intercambio de energía.

Evaluación

Para la evaluación proponemos dos situaciones problemas, la primera se trata de la dilatación en gases, la segunda en sólidos metálicos.​

• Problema 1. Para el cumpleaños de Guadalupe, que es en agosto, inflamos y colgamos muchos globos. Pero cerca de la hora de cortar la torta, varios se explotaron solos. ¿Puedes explicar por qué sucede esto en muchos cumpleaños? Esta situación requerirá tener en cuenta el cambio de la temperatura ambiente, por lo que es importante el dato de que es en agosto, un mes muy frío.
• Problema 2. Después de usar agua caliente de la canilla por unos minutos, luego de cerrada, tenemos que volver a cerrarla unos tres o cuatro minutos después porque empieza a perder agua. Cuando usamos la canilla fría no sucede ¿A qué se debe eso?

Esta situación seguramente deba ser analizada por equipos de trabajo, se la puede presentar primero individualmente para luego trabajarla en grupos, es una situación que requerirá mucha discusión y entablar varias comparaciones con la situación de los gases, además se hace necesario recurrir a conocimientos de la vida cotidiana en cuanto a las canillas y su funcionamiento.

Sitios sugeridos:

Software Eureka Eureka sugerido para la actividad sobre densidad.

Bibliografía:

Furman, Melina; de Podestá, María Eugenia; La aventura de enseñar Ciencias Naturales, Buenos Aires, Aique Grupo Editor, 2009.
Dibarboure, María; ...y sin embargo se puede enseñar ciencias naturales; Montevideo, Aula XXI- Santillana, 2009.

Materiales:

PC o laptop (XO) para ver el video o buscar información, libro de texto, entre otros.
Algunos de los materiales necesarios para realizar los experimentos: pelota, globos, botella, agua caliente, agua fría, botellas, recipientes.

Sugerencias:

Para los datos de la composición del aire, se puede recurrir al libro de texto de sexto año.