-
INVESTIGACIN Y EXPERIENCIAS DIDCTICAS
EL CONCEPTO DE ENERGA EN LOS LIBROS DE TEXTOS: DE LAS
CONCEPCIONES PREVIAS A LA PROPUESTA DE UN NUEVO SUBLENGUA JE
MICHINEL MACHADO, J.L. y D'ALESSANDRO MARTNEZ, A. Escuela de Fsica,
Facultad de Ciencias, UCV, 47586 Caracas 1041-A. Ctedra de
Fisiologa, Escuela Luis Razetti, Facultad de Medicina, UCV.
Departamento de Procesos Biolgicos, USB.
SUMMARY
In this work are studied the already existing interpretations
and conceptions on the concept of energy and other allied concepts
in Basic Physics textbooks commonly used in the initial courses at
university and in courses prior to university leve1 (Basic School)
being given in Venezuela. In this study we have used techniques of
analysis of content and have made a historic analysis to round up
the conclusions of the work. It becomes necessary to build a new
language, simple but internally coherent, and within the current
scientific paradigms. In this work we start the discussion of this
new language within the area of energy and related concepts.
En los ltimos tiempos se han realizado estudios de los factores
que caracterizan el aprendizaje de las ciencias. Algunos de estos
estudios (Sebasti 1987, Moreira 1982, Erickson 1979) han puesto de
manifiesto la existencia de interpretaciones previas o
preconcepciones, por parte de los estudiantes, de los fenmenos
fsicos que pudieran afectar el aprendizaje de la fsica. Entendemos
las pre- concepciones (o conceptos precientficos) como inter-
pretaciones de los fenmenos fsicos que son hechas por los
individuos a partir del uso de evidencias de sentido comn (Gil
1991) como proceso de razonamiento; entendiendo el asentido comn
como un sistema de razonamiento que consiste en: a ) establecer
conclusio- nes a partir de observaciones eminentemente cualitati-
vas y no controladas, b) extrapolar sus evidencias, aceptndolas
acrticamente (Piaget 1969, Gil 1991), c) oposicin al proceso
cientfico de construir el conoci- miento, en el entendimiento de
que el sentido comn est caracterizado por la certidumbre, por la
ausencia de dudas, no toma en cuenta el pensamiento divergente o la
existencia de soluciones alternativas, se centra en el tratamiento
de situaciones puntuales sin hacer uso del razonamiento
inductivo-deductivo y no procesa infor- macin que es obtenida a
travs de la experimentacin controlada. Estas preconcepciones
conducen al estu-
diante, en la mayora de los casos, a falsas concepciones de los
fenmenos.
Por otro lado, parte de las evaluaciones de los compo- nentes
del sistema educativo han sido dirigidas, en nuestro pas, hacia el
libro de texto (Sebasti 1982, Qenza 1986) en sus aspectos de
contenido (calidad cientfica, consistencia lgica y psicolgica) y de
pre- sentacin (adecuacin a la audiencia, congruencia curri- cular,
aspectos tecnogrficos y lingsticos). Tambin en otros pases se han
realizado estudios que consideran el contenido de los textos
(Lehrman 1982a, Lehrman 1982b). En este trabajo, a la luz de la
teora cognitiva de D. Ausubel (Ausubel, Novak y Hanesian 1980), se
diagnos- tica la presencia de preconcepciones de la fsica, y
concretamente relativas a la energa. Distintas investi- gaciones
han sido realizadas en el diagnstico de con- cepciones previas,
relativas al concepto de energa y a otros conceptos que le son
afines, posedas por los estudiantes, as como de propuestas
didcticas que con- duzcan al cambio conceptual de stos (Erickson
1979, Duit 1984, Solomon 1983, Watts 1983,Drivery Warrington 1985).
Pero, poco o nada ha sido hecho con el fin de
ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3), 369-380
-
constatar la presencia de las concepciones previas en los
propios autores de libros de texto, transformndose en fuentes
generadoras de concepciones previas de los estudiantes.
La importancia que las teoras cognitivas asignan al conocimiento
previo del estudiante para el desarrollo de un aprendizaje
significativo nos lleva a prestar atencin a lo que se conceptualiza
en los textos. Las interpretacio- nes de los fenmenos fsicos que
expresan los libros de texto tienen un doble efecto en el
desarrollo del conoci- miento del estudiante: el que se produce por
la lectura directa por parte de ste y el que le presenta el
profesor que tambin hace uso del texto.
Adems, el lenguaje utilizado por la fsica o sublenguaje de la
fsica (Touger 1983) tiene una influencia determi- nante sobre los
autores de los textos, ya que ellos deben presentar la
interpretacin de los fenmenos cientficos en base a determinados
paradigmas, haciendo uso de un sublenguaje que le es propio. En
este particular se constata la presencia de un sublenguaje
caracterstico de teoras fsicas no vigentes (el mecanismo de la
energa y la teora del calrico) como medio de expresar los
paradigmas vigentes, resultando una evidente contradiccin.
A pesar de haber transcurrido casi dos siglos de los
experimentos de Benjamn Thompson (conde de Rumford 1807), del
establecimiento de la ley general de la conser- vacin de la energa
por Mayer, Helmholtz y Joule (1 842- 1847) y del desarrollo de la
teora cintica de los gases, entre otros, por Clausius, Maxwell,
Kronig y Boltzmann (en la segunda mitad del siglo pasado), gran
cantidad de artculos cientficos y libros de texto de diferentes
niveles de la enseanza an estn orientados con trminos y
concepciones provenientes de la teora del calrico. La persistencia
de estas ideas tiene diversas causas; una de ellas, la cual
constituye una de nuestras hiptesis de trabajo, tiene su origen en
la histrica polmica onda vs partcula, energa vs fuerza, interac-
cin a distancia vs interaccin partcula-partculas, como modelos
vlidos para interpretar los fenmenos fsicos y que, evidentemente,
no est resuelta. Adems, existen razones inherentes al concepto de
energa relacionada con la polmica entre la metateora idealista del
energe- tismo (Boltzmann 1986) (La energa y no la materia es la
sustancia del mundo fsico) desarrollada por Ost- wald, Mach y Duhem
(1902) y los mecanicistas. Esta filosofa y la misma polmica han
influido negativamen- te en la difusin de la formalizacin del
concepto de energa y hasta en el propio desarrollo de dicho
concepto.
En esta investigacin documental en la que se analiza el discurso
de una serie de autores, se utilizan tcnicas de anlisis de
contenido, complementndose con un anli- sis histrico del desarrollo
del concepto de energa y otros que le son afines.
Se detectan interpretaciones que pueden ser clasificadas en tres
tipos:
-Un primer grupo que expresa deficiencias del autor en el
conocimiento de las teoras fsicas vigentes.
- Un segundo grupo con caractersticas tpicas de las
preconcepciones.
-Un tercer grupo que refleja la existencia de un sublen- guaje,
ya tradicional, pero deficiente, donde influye en forma
determinante, por un lado, la permanencia de la concepcin
mecanicista de la energa (por ejemplo, la energa es la capacidad
para hacer trabajo) y, por el otro, la teora del calrico. La
persistencia de tal sublenguaje, creemos que se debe a que abrevia
o simplifica, en algunos casos, la explicacin de ciertos fenmenos
fsi- cos. Tal abreviacin o simplificacin, aunque puede tener
utilidad didctica, refuerza las preconcepciones.
Se hace necesario construir un nuevo lenguaje, sencillo, pero
coherente internamente y con los paradigmas cien- tficos vigentes.
En este trabajo iniciamos la discusin de ese nuevo lenguaje en el
rea de la energa y concep- tos afines.
Tcnica de anlisis del contenido
En vista de que esta investigacin es una indagacin documental en
la que se analiza el discurso de una serie de autores, se utiliz la
tcnica de anlisis de contenido (Ander-Egg 1980, Berelson 1952), que
es un mtodo de investigacin para el estudio objetivo, sistemtico y
cuantitativo del contenido manifiesto en las comunica- ciones, en
la cual se efecta una recopilacin de datos que permite obtener
informacin o tendencias conteni- das en ellas, con el propsito de
estudiar ideas, signifi- cados, temas o frases, y no las palabras o
estilos con las que stas se expresan. La descripcin detallada de la
tcnica no es pertinente en este momento.
Muestra bibliogrfica
En este trabajo se analiz una muestra (Tabla 1) que consiste en
cinco libros de fsica bsica del nivel univer- sitario y diecisiete
libros de texto que son utilizados para las asignaturas Estudio de
la Naturaleza y Fsica en cursos previos (escuela bsica) a la
universidad.
Los conceptos de energa y calor
Para poder hacer el anlisis de los textos fue necesario
establecer definiciones paradigmticas de la energa y del calor.
Trabajos de distintos autores (Lehrman 1973, Lehrman 1982a, Lehrman
1982b, Zemansky 1970, Barrow 1988, Holton 1986, Michinel,
D'Alessandro y Ortega 1992, Michinel y D'Alessandro 1993) nos han
permitido establecer estas definiciones, a partir de las
caractersticas que le son propias, en los siguientes trminos:
Energa es una magnitud fsica que se presenta bajo diversas
formas, est involucrada en todos los procesos
ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994,12 (3)
-
Tabla 1
Libros revisados
Universitarios
- Resnick, Robert y Halliday, David, Fsica (Parte l), Editorial
Continental, 1983. - Sears, Francis y Zemansky, Mark, Fsica,
Editorial Aguilar, 1971.
- Serway, Raymond, Fsica, Editorial Interamericana, 1985.
- Alonso, Marcelo y Finn, Edward, Fsica (volumen 1 -mecnica-),
Editorial Addison Wesley Iberoamericana, 1986. - Tipler, Paul,
Fsica (volumen l) , Editorial Reverte, 1985.
Noveno grado
- Breijo, Benigno y Zabala, Alfredo, Fsica 9, Editorial Monfort.
- Brett, C. Ely y Surez William, A., Fsica 9 Grado-Escuela Bsica,
la edicin, Ediciones Eneva, 1987, Caracas-Venezuela.
- Camero, D. Facundo y Crespo, L. Arturo, Fsica 9 Grado-Escuela
Bsica, Caracas-Venezuela.
- Garca, G. Hiplito, Fsica Bsica 9 Grado, Ediciones Eneva,
Caracas-Venezuela.
- Mendiola, Esteban, Fsica. 9 Grado de Educacin Bsica, l a
edicin, Editorial Biosfera, Caracas-Venezuela.
- Requena, O. Jos M., Fsica. Teora. 9 Grado Educacin Bsica,
Editorial Romor.
- Rodrguez, G. Jess y Reyes Manuel, Fsica. 9 Grado. Tercera
Etapa-Educacin Bsica, Ediciones CO-BO, 1989, Caracas-Venezuela.
- Snchez Enoc, Fsica 9 grado, Ediciones CO-BO, Serie Ohm,
Caracas-Venezuela, 1988.
Sptimo grado
- Caballero, P. Andrs y Ramos, P. Froiln, A., Estudios de la
naturaleza (teora y prctica). 7' grado, Editorial Logos, 2" edicin.
- Cenicero, Justo y lvarez Ren, Estudio de la naturaleza. 7 grado.
Escuela Bsica, Editorial Larense, C.A., 1987. - Feliu Zomaira de,
Tineo Amelia y Gonzlez Reinaldo, Estudio de la naturaleza. 7"
grado, Ediciones Co-Bo, 1989.
- Fernndez Fernando, Estudio de la naturaleza. Tgrado, Ediciones
Eneva y Editorial Logos, 1988.
- Guenni Vitali, Proverbio Fulgencio y Martn Reinaldo, Estudio
de la naturaleza 74 Educacin Bsica, Editorial Teduca y Santillana,
1989.
- Higuera de Ch. Mery, Sarabia Jos, Mora de S. Josefa, Estudio
de la naturaleza, 7"grado. Educacin Bsica, Editorial Bsica
(Edibas). -Hoyos Jess, F. y Camacaro, Juan, Estudio de la
naturaleza. 7grad0, Editorial Eneva, 1991.
- Mazparrote, Serafin y Milln, Justo, Estudio de la naturaleza.
7" Grado de Educacin Bsica, Editorial Biosfera.
- Ruiz lvaro, Estudio de la naturaleza. 7" Grado, Editorial
Tringulo, Caracas-Venezuela, 1988.
de cambio de estado, se transforma y se transmite, depende del
sistema de referencia y fijado ste se conser- va.
Calor es la transferencia de energa de un cuerpo
(multiparticulado) a otro determinada exclusivamente por una
diferencia de temperatura entre ellos.
De acuerdo con esta definicin, fundamentada en la primera ley de
la termodinmica (AE=W+Q), el calor no es una forma de energa sino
que, al igual que el trabajo, modifica la energa de un sistema
mediante una transfe-
ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3)
rencia de la misma. As, los trminos de energa calrica, energa no
almacenada, energa en trnsito, y trminos similares, para referirse
al calor, son inadecuados.
La presentacin de resultados se har por bloque de concepto, sin
un sealamiento especfico a cada autor (salvo en aquellos casos
donde sea necesario para el
371
-
Tabla 11
Relaciones entre subleguaje paradigmtico y no paradigmtico.
entendimiento del contenido de este trabajo), ya que no Del
concepto de energa nos preocupa en esta investigacin cuantificar ni
identi- ficar la posicin de 10s autores respecto a un determina- En
los libros de nivel universitario y en los de 10s aos do concepto,
sino sealar las diversas conceptualizacio- superiores de la escuela
bsica analizados no se define nes que existan. Un anlisis detallado
de cada libro de la de manera explcita la energa a pesar de que el
trmino escuela bsica se realiz en otro trabajo (Michinel y es
profusamente utilizado, ya que se hace referencia a D'Alessandro
1993). vocablos tales como: energa, energa cintica, de movi- 372
ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3)
Justificacin terica
AE=W+Q
AE=W+Q
AE/At=W/At+Q/At
AE/At=W/At+Q/At
El calor depende del proceso que siga un sistema para ir de un
estado a otro
AE=W+Q
Por ejemplo, en un gas ideal:
-
E t6rmica = 3KTI2
Einfema= CEC + Ep confe
El calor no puede ser proporcionado porque no puede ser
posedo
Sublenguaje paradigmtico
Definicin paradigmtica sealada con anterioridad en el
trabajo
Proceso de transferencia de energa debido a una diferencia de
temperatura
No debe hablarse de flujo de calor, sino de tasa de
transferencia de energa debido a la diferencia de temperatura
Mecanismos de transferencia de la energa trmica
El calor no est contenido en los cuerpos, porque no es una
funcin de estado. Se debe hablar de aumento o disminucin de la
energa
El calor no es energa, es un mecanismo para transferir la
energa
La energa trmica es aquella parte de la energa interna de un
sistema que depende exclusivamente de la temperatura
La energa interna slo algunas veces es exclusivamente de carcter
trmico
Aumentar la temperatura
Trmino
Energa
Calor
Flujo de calor
Mecanismo de propagacin del calor
Calor absorbido Calor cedido
Calor suministrado Calor sustrado
Energa calrica
Energa trmica
Energa interna
Calentar
Smbolo, especificaciones equivalente
E
Q
Comente calonfica Q/At
Conduccin Convencin Radiacin
Q, Qc QsM Q ST
Q
Calor o energa calrica
Energa trmica
Calor
Sublenguaje no paradigmtico
Energa es la capacidad para hacer trabajo
Flujo de energa AEIAt
Flujo de calor o tasa de transferencia de calor
Mecanismos de propagacin del calor
El calor puede estar contenido en los cuerpos
El calor es una forma de energa
Calor
La energa interna es siempre de carcter trmico
Proporcionar calor
-
-- -
Tabla 111 Y
Tabla IV
Caractersticas del concepto de energa, trabajo y calor
expresadas Caractersticas de los conceptos de energa, trabajo y
calor, a la luz por los libros-textos. de paradigmas vigentes.
Energa
- Es la capacidad para hacer trabajo. - Es una magnitud fsica
que se presenta en diversas formas.
- Involucrada en los procesos de cambio de estado (fundamental-
mente mecnicos y en algunos textos se considera que deben ser
exclusivamente mecnicos). - Puede ser o no una funcin de
estado.
- Se transforma.
- Se transmite.
- Se conserva.
Trabajo - Es un proceso para transformar, transmitir o
intercambiar la energa.
- Es una forma de energa.
-Su magnitud se expresa en las mismas unidades que la
energa.
- Involucrado en fenmenos fundamentalmente mecnicos y en algunos
libros de textos se seala que exclusivamente mecnicos.
- Algunos expresan la idea de su posesin por los cuerpos.
Calor
- Es un proceso para transferir la energa.
- Es una forma de energa.
- Es posedo por los cuerpos.
- Se presenta cuando existe una diferencia de temperatura entre
sistemas.
- Su magnitud se expresa en las mismas unidades que la
energa.
miento, potencial, trmica, calrica, en trnsito, interna,
elctrica, qumica, mecnica, luminosa, sonora, estados energticos,
etc. El hecho de que el trmino pueda ser definido en niveles
anteriores no es una justificacin suficientemente razonable, ya que
otros trminos igual- mente definidos en esos niveles (por ejemplo,
fuerza y calor) son nuevamente definidos en los textos de este
nivel. Adems los problemas que se presentan con el concepto de
energa en los niveles previos son suficien- temente graves (y
semejantes a los que sealamos ms adelante) para que sea necesario
abordarlos, nuevamen- te, de forma adecuada.
En los libros correspondientes a los cursos ms bajos de la
escuela bsica se conceptualiza la energa como la capacidad para
realizar trabajo, idea que ha sido clara-
Energa
- Es una magnitud fsica que se presenta en diversas formas.
- Involucrada en los procesos de cambio de estado (mecnicos o
no). - Es una funcin de estado
- Se transforma.
- Se transmite.
- Depende del sistema de referencia.
- Se conserva (en un sistema de referencia fijo). -Est asociada
a un sujeto (onda o partcula) para su transmi- sin o
intercambio.
Trabajo - Es un proceso para transformar, transmitir o
intercambiar la energa.
-No es una funcin de estado.
- No es una forma de energa.
- No se conserva.
-Su magnitud se expresa en las mismas unidades que la
energa.
- Involucrado en fenmenos mecnicos o no.
- No lo poseen los cuerpos.
Calor
- Es un proceso para transferir la energa.
- Se presenta slo cuando existe una diferencia de temperatura
entre sistemas multiparticulados interactuantes.
- No es una funcin de estado.
- No es una forma de energa.
- No se conserva.
- Su magnitud se expresa en las mismas unidades que la
energa.
- Involucrado en fenmenos mecnicos o no.
- No lo poseen los cuerpos.
mente analizada y rebatida por distintos autores (Lehrman 1973,
Hierrezuelo y Montero 1988), debido a su contradiccin interna,
insuficiencia conceptual e in- consistencia fsica. Las tablas 111 y
IV, que resumen las caractersticas de los conceptos de energa,
calor y traba- jo, asignadas en los textos analizados y vista a la
luz de los paradigmas vigentes, muestran lo sealado.
En algunos de los textos de nivel universitario se seala en
forma dispersa algunas de las propiedades que carac-
ENSERANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3)
-
terizan la energa (la energa se presenta en varias for- mas, se
conserva, se transforma y se transmite), pero no se expresa, como
lo sealamos antes, un concepto com- pleto de ella.
En algunos casos se expresa la idea utilitaria del trmino cuando
se relaciona, parafrasendose su acepcin coti- diana, con el costo
de los combustibles y su uso de distintas maneras (electricidad en
el hogar, alimentos, etc.). Esto se relaciona con las concepciones
previas diagnosticadas en estudiantes (Hierrezuelo y Montero 1988),
en las cuales se considera la energa como una clase muy general de
combustible, frecuentemente rela- cionado con aquellos procesos que
hacen confortable la vida. Se considera la energa como el
combustible en s mismo y no como una propiedad de l. Igualmente
coincide con la identificacin que hacen los estudiantes, de la
energa, con algo necesario para que las cosas trabajen, sobre todo
las cosas que producen confort. De all que consideren que los
automviles, aviones ... tienen energa; pero un objeto en reposo,
las nubes, por ejemplo, no hacen trabajo para nosotros y, por lo
tanto, no tienen energa.
Se llega a sealar que el concepto de energa es conse- cuencia de
otros conceptos (fuerza, movimiento) o le- yes, manteniendo la idea
histrica de su aparicin a partir del concepto de vis viva (Holton
1986). Coincide esta idea, detectada en los textos analizados, con
la identificacin entre fuerza y energa encontrada en los
estudiantes (Duit 1984).
Del trabajo En la totalidad de los textos analizados se
considera el trabajo como una forma de energa. En algunos se
presenta la idea de manera bastante contradictoria, ya que, si en
un principio tratan de zafarse de esta concep- cin, durante el
desarrollo del tema regresan a ella, consiguindose prrafos como el
siguiente:
De manera anloga, el trabajo no es algo que el sistema contenga
en una cantidad definida. Sobre un sistema se puede efectuar una
cantidad definida de trabajo, tal como lo ilustra el apartato de
Joule. El trabajo, como el calor, involucra una transferencia de
energa. En la mecnica, el trabajo interviene en aquellas
transferen- cias de energa en la que no intervenga la temperatura.
Si se transmite energa calorfica por diferencia de tempe- ratura,
el calor puede distinguirse del trabajo definiendo el trabajo como
la energa que se transmite de un sistema a otro de tal manera que
no est involucrada directamen- te una diferencia de temperatura ...
(Resnick-Halliday). Son evidentes las contradicciones internas en
el prrafo, ya que no slo los sistemas no contienen una cantidad
definida de trabajo, sino que no tienen trabajo; los sistemas
tienen energa y ellos (o sobre ellos) hacen (o se puede hacer)
trabajo para intercambiar esta energa con otros sistemas.
Mediante la siguiente cita podemos ejemplificar lo que se ha
sealado:
Se ha visto que es posible transferir energa entre un sistema y
su entorno, de dos maneras: una es trabajo realizado por (o sobre)
el sistema; este modo de inter- cambio coiiduce a cambios
mensurables en las variables macroscpicas del sistema, como la
presin y el volu- men del gas; la otra es la transferencia de
calor, la cual se lleva a cabo a nivel microscpico y se manifiesta
por cambios en la temperatura ... (Serway). Sin embargo el autor ha
sealado antes que:
c.. se ve que los efectos de realizar trabajo mecnico sobre un
sistema y los de agregar calor directamente, como una llama, son
equivalentes. Es decir, tanto el calor como el trabajo son formas
de energa ... Se evidencia una permanente confusin entre forma de
energa y forma de intercambio o transferencia de la energa. La
siguiente analoga puede aclararnos an ms el problema: una mercanca
puede ser transportada de un sitio a otro por medio de un automvil,
un avin, un animal de carga, etc.; es errneo afirmar que los medios
de transporte (el trabajo o el calor) utilizados son la mercanca
(la energa). As mismo, ni el calor ni el trabajo son energa aunque
tengan las mismas unidades que ella.
Otra situacin que se presenta es el tramposo artificio que se
utiliza para analizar los efectos (el trabajo) de la llamada fuerza
de roce para que emerja el trmino de calor. En la mayora de los
textos analizados se desarro- lla el tema del trabajo aplicado a
una partcula (puntual) y de repente, sin que medie mayor
explicacin, se habla de una fuerza de roce (que es un promedio de
las fuerzas intermoleculares que operan cuando dos superficies es-
tn en contacto) sobre una partcula, que produce una disipacin de
energa y un aumento de energa interna, evento caracterstico de
cuerpos masivos (multipartcu- las) y no de una partcula. Si uno de
los cuerpos es una partcula, no se ejercer sobre ella ninguna
fuerza de roce, debido a que no posee superficie. Quizs la falsa
concepcin provenga del hecho de que la fuerza de roce deslizante no
dependa de la superficie de contacto entre los cuerpos, lo cual es
obviamente cierto, ya que, como sealamos antes, es un promedio de
superficie. Pero, si no hay superficie de contacto (porque uno de
los cuerpos es una partcula), no existen fuerzas intermoleculares y
tampoco fuerza de roce.
En la mayora de los textos analizados se hace un uso limitado
del concepto de trabajo cuando se refiere exclu- sivamente al
trabajo externo. De modo que se excluyen trabajos del tipo
muscular, qumico, etc. Pareciera que los sistemas activos, como por
ejemplo el msculo, no realizan trabajo.
Del calor
En el concepto de calor se profundizan las confusiones que se
han sealado respecto al trabajo. Se le define, de manera
incorrecta, como una forma de energa, en un momento, y, en otro, se
le considera como un mecanis- mo. Por ejemplo, dos textos
sealan:
ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994,12 (3)
-
Como vimos en el captulo 16, se suministra o se quita calor a un
sistema en virtud de la diferencia de tempera- tura que existe
entre l y su medio exterior. El calor se considera como positivo
cuando entra al sistema, y como negativo cuando sale. Desde el
punto de vista de la termodinmica, trabajo y calor son medios de
transferir energa; esto es, mtodos mediante los cuales puede
aumentarse o disminuirse la energa de un sistema. (Sears-Zemansky).
Actualmente admitimos que entre dos cuerpos que se encuentran en
estas condiciones existe un flujo de ener- ga, a la cual llamamos
calor. (Seas-Zemansky). El calor es la energa transferida entre dos
sistemas y que est exclusivamente relacionada con la diferencia de
temperatura existente entre ellos. (Sears-Zemansky). La teora del
calrico sobre el calor continu siendo prestigiosa incluso cuarenta
aos despus de realizado el trabajo de Thompson, pero fue
gradualmente cayendo en desuso a medida que eran observados ms
ejemplos de la no conservacin del calor. Hasta 1840 no floreci la
teora mecnica moderna. Desde su punto de vista, el calor es otra
forma de energa, intercambiable con las diversas formas de energa
mecnica ya discutidas. (Tipler). Los experimentos de Joule y otros
experimentos de- mostraron que ni el calor ni la energa mecnica se
conservan independientemente, pero que la energa mecnica perdida
iguala el calor producido (medidos en las mismas unidades). Lo que
se conserva es el total de la energa mecnica y la energa trmica.
(Tipler). Si aadimos calor al agua, elevamos su temperatura, pero
tambin podemos elevar su temperatura agitando o realizando trabajo
sobre el agua de alguna forma que no se suministre calor. (Tipler).
El calor es interpretado, y as se expresa en la totalidad de los
textos analizados, como una propiedad de los cuerpos y no como un
mecanismo para la transferencia de energa trmica. Expresiones tales
como: depsito de calor, cantidad de calor de un cuerpo, calor que
fluye, calor que se transfiere, calor que se pierde o se gana,
calor generado por un cuerpo, calor que se agrega o se suprime,
calor que se extrae, calor que se conduce, calor que entra o sale
de un cuerpo, calor que se inter- cambia, que se absorbe, que se
desprende, calor devuel- to, calor que se propaga ... son muy
comunes y reflejan la falsa idea de que el calor es una propiedad
de los cuerpos. Si fuera as, es evidente que se pudiera medir el
calor de un cuerpo o de un sistema en un momento dado de alguna
manera, aunque fuera tericamente.
Se confunde en muchos casos el calor con la energa trmica y
hasta se le asigna el trmino de energa calo- rfica o calrica.
Se considera el calrico como un paradigma superado, y en algunos
de los textos analizados se seala explcita- mente, pero se contina
utilizando algunos de los trmi- nos que son caractersticos de esta
teora; por ejemplo:
capacidad calrica, flujo de calor, calor latente, calor
escondido, cantidad de calor, calor especfico, calor de fusin,
calor de vaporizacin, calor de condensacin, calor de solidificacin,
flujo calorfico, corriente calo- rfica.
En la gran mayora de los libros analizados se habla de procesos
de transmisin, propagacin o mecanismos de transmisin del calor para
referirse a la conveccin, conduccin y radiacin. Estos sealamientos
son incorrectos porque el calor es un proceso y no una energa; ms
adecuado sera hablar de procesos de inter- cambio trmico o procesos
para la variacin de la tem- peratura.
Algunos libros analizados de la escuela bsica, para ilustrar el
concepto de calor y con el fin de diferenciarlo de la temperatura,
hacen uso de analogas tales como: calor es a cantidad de lquido
como temperatura es a nivel del lquido, promoviendo la falsa idea
de que los cuerpos poseen calor como el lquido posee masa.
Se evidencia, a travs de los resultados, la existencia de
interpretaciones o concepciones previas, que para enten- derlas de
manera sistemtica pueden ser clasificadas en tres tipos:
-Un primer tipo que expresa deficiencias del autor en el
conocimiento de las teoras fsicas vigentes. Un ejemplo es cuando el
autor expresa la posibilidad de medir el calor y lo confunde con la
temperatura; se evidencia la creencia de que existe una sustancia
material, como el calrico, que es poseda por los cuerpos en mayor
canti- dad cuando est a mayor temperatura y viceversa.
-Un segundo tipo tiene caractersticas de las interpreta- ciones
o concepciones previas tpicas. As pudieran ser consideradas las
posiciones de autores que reconocen, por ejemplo, que la teora
cintica es el paradigma cientfico para interpretar los procesos de
intercambio de energa trmica y, sin embargo, utilizan trminos que
rememoran la teora del calrico.
Coincidimos con otros autores (Hierrezuelo y Montero 1988)
cuando sealan: Un error frecuente entre los alumnos, y que tambin
se encuentra en algunos libros de textos, es confundir energa con
trabajo. Pensamos que en esto influye la definicin usualmente
utilizada en los libros: energa es la capacidad para realizar
trabajo. Se consideran el calor y el trabajo como otras formas de
energa. Esta interpretacin es incorrecta, ya que sabe- mos que
tanto el calor como el trabajo son nombres que damos a dos tipos de
procesos de intercambio de energa. No podemos decir que la energa
se transforma en trabajo. La energa puede transformarse o
transmitirse por medio del trabajo, pero nunca transformarse en
trabajo. El trabajo sea mecnico, elctrico o magntico se refiere
siempre a un proceso.
- Un tercer tipo refleja la existencia de un sublenguaje, ya
tradicional pero deficiente, donde influye, en forma determinante,
por un lado la permanencia de la concep- cin mecanicista de la
energa y por el otro la teora del calrico. La persistencia de tal
sublenguaje, creemos
ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1994,12 ( 3 )
-
que se debe a que abrevia o simplifica, en algunos casos, la
explicacin de ciertos fenmenos fsicos. Tal abreviacin o
simplificacin, aunque puede tener utilidad didctica, refuerza las
falsas concepciones.
Este tipo de interpretacin se hace evidente cuando se hace un
anlisis histrico de la aparicin de los concep- tos de energa,
trabajo y calor, y se constata que desde el propio origen de tales
trminos hay una influencia que frena el desarrollo de los mismos e
impide una coheren- cia con los paradigmas actuales. El concepto de
energa nace limitado por la concepcin mecanicista, derivado, como
ya lo sealamos, del concepto de fuerza viva o vis viva. El trmino
trabajo se origina limitado al trabajo externo, el de calor a las
concepciones que se tenan antes de la intepretacin de los
experimentos de Thomp- son y amb.as estn condenadas a nuestro modo
de ver por una interpretacin incorrecta de la primera ley de la
termodinmica (AE = W+Q). Dicha interpretacin con- sidera el trabajo
W y el calor Q como formas de energa y no como los posibles
procesos para que se produzca la variacin de energa AE; la ecuacin
sealada no indica que W+Q es la energa sino que W y Q generan un
cambio en la energa.
Este ltimo tipo de interpretacin previa es tal vez el ms
importante porque es un factor de generacin de los otros dos. Un
ejemplo de ello es la resistencia al cambio del generalizado
concepto de que la energa es la capacidad para hacer trabajo, a
pesar de las profundas crticas que se le han hecho. De all que
propongamos la necesidad de construir un nuevo sublenguaje que
permita la sustitu- cin del actual.
La recurrencia en lo que los autores opinan de la energa,
trabajo, calor y otros conceptos afines nos llev a la necesidad de
hacer una revisin histrica de la represen- tacin que pudieran tener
los creadores o promotores, ms relevantes, de estos conceptos. Esa
revisin es resumida a continuacin.
vzs VIVA Y LA ENERGA CINTICA El principio de conservacin de la
energa tiene sus orgenes en el planteamiento (1669) de Huygens
(1629- 1695), el cual propuso que en el caso especial de choques
perfectamente elsticos, adems de la cantidad de movi- miento, se
deba conservar otra magnitud: la vis viva o fuerza viva, el
producto de la masa por la velocidad al cuadrado. Posteriormente,
se introduce el concepto de trabajo y se obtuvo el resultado: W =
Trabajo = Fuerza. Desplazamiento = 112 (Avis viva) que no es otra
cosa que el teorema del trabajo y la energa cintica aplicada a una
partcula:
Segn Holton (1986) los antiguos atomistas griegos explicaron las
diferencias de temperatura de los cuerpos -la denominada intensidad
o grado de calor- por un esquema conceptual, imaginando el calor
como una sustancia especial, no perceptible directamente, atmica en
estructura como las restantes, que se difunda a travs de los
cuerpos rpidamente y que, posiblemente posea algn peso.
Posteriormente, en el siglo XVII, se tenauna idea ms precisa
(Holton 1986), se trataba de un fluido, tenue, capaz de entrar y
salir a travs de los "poros" ms pequeos, y cuya magnitud dependa de
la temperatura, era imponderable y, quizs, semejante al fluido
sutil y omnipresente de Descartes o los teres invocados por alguien
para explicar la gravitacin, la propagacin de la luz y el calor
radiante, la transmisin de las fuerzas elctricas y magnticas,
etc..
La consolidacin de la teora del calrico, especialmente debido a
los resultados concluyentes que se obtuvieron al colocar en
contacto cuerpos a diferentes temperaturas (Black 1728-1799)
concluyeron en la ley de la conserva- cin del calor (o del
calrico): El calor ni se crea ni se destruye, pero s puede ser
transferido de un cuerpo a otro.
En trminos formales:
AQ, + AQ, = O con
donde A y B son dos cuerpos, por ejemplo, un bloque caliente de
metal y una cierta cantidad de agua fra. La ecuacin anterior
significa que el calor perdido por A es igual al calor ganado por
B, y se cumple siempre y cuando el sistema formado por los dos
cuerpos est aislado y no haya cambios qumicos ni de estado fsico.
Obsrvese que el hecho de suponer que Q es proporcio- nal a T
sugiere, como de hecho lo asumieron errnea- mente los seguidores de
la teora del calrico, que el calor es posedo por los cuerpos (Q es
proporcional a T). Formalmente, si escribimos AQ=M,Ce(T, - Ti),
enton- ces, se puede asumir falsamente QpM,CeT, y Qi = MCeTi como
una propiedad del cuerpo.
Black introdujo los trminos calora, capacidad calorfi- ca, calor
latente (o calor de fusin) y calor sensible. La conservacin del
calrico fue sometida a pruebas expe- rimentales, entre otros
cientficos, por Benjamn Thompson, conde de Rumford (1753- 18
14).
LOS EXPERIMENTOS DE RUMFORD Estos experimentos (indagacin
concerniente al origen del calor generado por friccin [1796] y el
artculo publicado por el London Philosophical Transaction [1799] se
pueden clasificar en dos grupos. Uno de ellos demos- tr la
imponderabilidad del calrico y el otro su no
ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3)
-
conservacin. En uno de los experimentos de este ltimo grupo
(realizado por Thompson, en Munich, cuando fue comisionado por el
gobierno de Baviera para dirigir una fbrica de caones), con el fin
de evitar el calentamiento excesivo, el taladro del can se mantena
lleno de agua, y como sta herva durante el proceso de taladrado, el
depsito tena que llenarse continuamente. Se admita que para hervir
el agua haba que suministrarle calrico y la produccin continua del
mismo se explicaba por la hiptesis de que cuando la materia se
divide finamente (como suceda en el proceso de taladrado) disminuye
su capacidad para retener el calrico, el cual, desprendido de esta
forma, haca hervir el agua. Rumford observ, sin embargo, que el
agua de refrigeracin continuaba hir- viendo cuando la herramienta
se pona tan roma (desgas- tada) que no cortaba. Esto es, la
herramienta roma constitua, todava, aparentemente un depsito
inextin- guible de calrico mientras se realizara trabajo mecni- co
para hacer girar la herramienta. Con este experimento se demostr
que el calrico poda ser creado por friccin y no haba una
desaparicin correspondiente de calrico en ningn otro sitio (y, por
lo tanto, no exista conservacin). Rumford lleg con este y otros
experi- mentos a la misma conclusin de Galileo y Newton, que
sostenan (sin comprobacin experimental) que el calor era una
manifestacin del movimiento molecular atmico.
EL CALOR RADIANTE Debido a que se pensaba que el calor viajaba a
travs del espacio (que se supona que era la regin comprendida entre
el Sol y la Tierra), el calor no poda ser simplemen- te, un modo de
movimiento de la materia, sino una sustancia diferente. De all
pudiera derivarse la falsa concepcin de la radiacin como una forma
de propaga- cin del calor, que es usual encontrar en los libros de
texto de fsica de diferentes niveles. Como los experi- mentos
realizados durante las primeras tres dcadas del siglo XIX
demostraron que el hoy mal denominado calor radiante posea todas
las caractersticas de la luz (re- flexin, refraccin, interferencia,
polarizacin, etc.), se produjo por extensin natural, para ese
entonces, que cualquier tipo de calor tena las propiedades de la
luz. Actualmente sabemos que el tanto la luz (visible) y el calor
radiante son ambas radiacin electromagntica. Como la teora
corpuscular (de Newton) sobre la luz era dominante, se sostuvo que
el calor era tambin una sustancia compuesta de partculas. Una vez
que la teora corpuscular fue desplazada por la teora ondulatoria,
se sostuvo (despus de 1825) una teora ondulatoria del calor (en la
cual era considerado como un movimiento vibratorio del ter).
VON MAYER. JOULE. EL EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR. VON
HELMHOLTZ Mayer (1814-1878)
rimento de expansin libre de Gay Lussac (Holton 1986), una
equivalencia entre el calor y el trabajo de: 1 calora = 3,6 joules.
Mayer extendi su principio de indestruc- tibilidad y
convertibilidad de la energa a los procesos qumicos, astronmicos y
biolgicos.
James Prescot Joule (1818-1889) Joule obtuvo, a travs de una
serie de experimentos, el denominado equivalente mecnico del calor.
Cuando el trabajo mecnico se convierte en calor, en cualquier
circunstancia, la razn entre el trabajo realizado y el calor
desarrollado tiene un valor constante y mensura- ble. El valor
aceptado hoy da es 4,184 joulelcal. Uno de los experimentos ms
importantes efectuados por Joule ha sido descrito por George Gamow
en su libro Biografa de la Fsica: Para sus experimentos, Joule
empleaba un aparato que consista en una vasija llena de agua que
contena un eje giratorio con varias paletas batidoras insertas en
l. El agua de la vasija no poda girar libremente al mismo tiempo
que las paletas por virtud de unas tablillas especiales insertas en
las paredes de las vasijas que aumentaban la friccin interior. El
eje con sus paletas era movido por un peso suspendido a travs de
una polea, y el trabajo efectuado por el peso en su descenso era
transformado en calor de rozamiento que se comunicaba al agua.
Conociendo la cantidad de agua en la vasija y midiendo la elevacin
de la temperatura, Joule poda calcular la cantidad total de calor
producido. Por otra parte, el producto del peso impulsor por la
distancia de su descenso suministraba el valor del traba- jo
mecnico. Es importante observar el uso inapropiado del trmino
equivalente mecnico del calor, ya que en el experi- mento en
cuestin el trabajo no se convierte en calor sino que produce una
variacin de la energa interna. Es un experimento donde no existe un
proceso (calor) de cambio de energa como producto de una diferencia
de temperatura.
Herman Von Helmholtz (1821-1894) Este cientfico alemn demostr la
validez del principio de conservacin de la energa y extendi la
validez del principio a los diversos campos de la fsica. En un
artculo publicado en 1861 en Proc. of the Roya1 Znstitution lo
aplic a la fisiologa.
Como emerge del resumen anterior, el anlisis histrico pone de
manifiesto que desde el propio origen de los conceptos que son
objeto de estudio en este trabajo se ha desarrollado un sublenguaje
inadecuado. As que, pare- ce necesario promover la formulacin de un
nuevo sublenguaje que sea coherente con los paradigmas ac- tuales
de la fsica y que no sea fuente de preconcepciones acerca de la
energa y otros conceptos afines.
Mayer sostuvo junto con Rumford que el calor deba ser La tabla
11 resume el inicio de creacin de ese sublengua- una forma de
movimiento y obtuvo, utilizando el expe- je alternativo, claro y
coherente con los paradigmas ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3)
377
-
cientficos actuales (la ley general de la cconservacin de la
energa y la teora cintica molecular). Igualmente, el desarrollo
matemtico que se formula abajo, y que permite establecer una
relacin adecuada entre la conservacin de la energa y la primera ley
de la termodinmica, es tambin parte del sublenguaje que debe
desarrollarse, ya que las deficiencias del viejo sublenguaje no slo
estn en el marco del lenguaje gramatical, sino tambin en los
aspectos algrebraicos del mismo.
LA CONSERVACIN DE LA ENERG~A Y LA PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA Actualmente sabemos que la primera ley de la termodi-
nmica es la extensin, a un sistema de muchas partcu- las, del
teorema del trabajo y de la energa cintica, con el aadido de una
fuente trmica. En lo que sigue dedu- ciremos dicha ley, comenzando
con el teorema del traba- jo y la energa cintica. Si el sistema
considerado es de muchas partculas.
1 . En el caso especial de una partcula:
ya que no puede existir trabajo interno porque no existen
fuerzas internas. En este caso, tambin se obtiene:
donde hemos considerado que:
Wtotal=Wconservativo+Wno conservativo
y la energa mecnica de la partcula es
Em=Ep+Ec=Energa potencial + Energa cintica
2. Si tenemos muchas partculas:
donde hemos supuesto que todas las fuerzas internas son
conservativas. As que el teorema del trabajo y la energa cintica
adopta la siguiente forma:
Wextemo=-AEcsisterna+AEpinternaa sistema
si definimos:
Wpropia sistema=Ecsistema+E~internaa sistema
entonces:
Wextemo=AEpropia sistema
con
Epropia. sistema = C+ m , la segunda sumatoria es iI
efectuada sin repetir pares.
Si bajo cualquier circunstancia,
entonces, la energa propia del sistema es constante. Este
resultado tambin se obtiene cuando el sistema est aislado.
3. Si tenemos muchas partculas y adems existe una fuente trmica,
se cumple que:
Wexterno+Q=AEpropia sistema Considerando que la energa cintica
del sistema se puede descomponer como:
donde el primer trmino es la energa cintica de las partculas
referidas al centro de masa del sistema y el segundo trmino es la
energa cintica de traslacin del centro de masa respecto a un
referencia1 externo. De esta manera podemos reescribir:
Wexterno+Q=AEinterna sistema+AEccentro de masa con:
-
Einterna sistema-ECinterna+E~interna sistema
Si el trabajo externo se descompone en trabajo de las fuerzas
conservativas y trabajo de las fuerzas aplicadas (no conservativas
y fuerzas de las cuales no sabemos su origen), entonces:
Waplicada al sistema+Wconservativo+Q=AEinterna sistema+AEccentro
de masa
como
Wconservativo=-AE~externa
entonces:
Waplicada al ~ i s t e m a + ~ = ~ ~ i n t e r n a ~ i s t e m a
+ ~ ~ ~ c e n t r o de masa +AEpexterna Si definimos:
y tambin:
Elmal sistema=Epropia+E~externa
ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994,12 (3)
-
con:
Epropia=Einterna sistema+Eccentro de masa
entonces:
Waplicado al sistema +Q=AEtotal sistema
que es la formulacin general actual de la primera ley de la
termodinmica.
CASOS ESPECIALES Si todas las fuerzas externas son
conservativas, enton- ces:
AEtotal sistemaZAEinterna sistema
As que: - Waplicado+Q = O =AEtotal sistema-AEinterna sistema
Y
Einterna sistema= 'OnStante
a) Si la fuerza externa neta es nula (Fexterna=O), entonces:
AEccentro de masa='
y si adems se cumple:
Waplica
-
DUIT, R., 1984. Learning the energy concept in school, empirical
MICHINEL, J.L., D'ALESSANDRO, A., 1993. Concepciones result
fromPhylippines and West Germany, PhysicsEducation, no formales de
la energa en textos de fsica para la Escuela 19, pp. 59-66. Bsica.
Revista de Pedagoga, 33, pp. 41-59. Venezuela.
ERICKSON, G.L., 1979. Children's conceptions of heat and
MOREIRA, M.A., 1982. Energy, entropy and irreversibilit~.
temperature, Science Education, 63(2), pp. 221-230. Mimeografiado.
(Ro Grande del Sur: Brasil).
GARCA COLN, S., 1972. Introduccin a la Termodinmica Clsica.
(Editorial Trillas: Mjico).
GIL PREZ, D., 199 1. Enseanza de las Ciencias, en Enseanza de
las ciencias y las matemticas. Tendencias e innovaciones. Publicado
por la organizacin de Estados Iberoamericanos para la educacin, la
ciencia y la cultura (programa IBERCIMA). (Editorial popular:
Madrid).
HIERREZUELO, J. y MONTERO, A., 1988. Energa, en La ciencia de
los alumos. Su utilizacin en la didctica de la fsica y la qumica.
(EditorialLaia y Ministerio de Educacin y Ciencia: Barcelona).
HOLTON, G., 1986. Introduccin a los conceptos y teoras en las
cienciasfisicas. (Editorial Revert).
LEHRMAN, R.L., 1982a. Physics texts: An evaluative review, The
Physics Teacher, 20, pp. 508-518.
LEHRMAN, R.L., 1982b. Confused physics: A tutorial critique, The
Physics Teacher, 20, pp. 519-523.
LEHRMAN, R.L., 1973. Energy is not the ability to do work, The
Physics Teacher, 11(15), pp. 15-18.
MICHINEL, J.L., D'ALESSANDRO, A. y ORTEGA, H., 1992. Energa y
sistemas: Conceptos relevantes para aprender Fsica dirigido a
estudiantes de Medicina, Revista de Ensino de Fsica, 14,
Brasil.
PIAGET, J., 1969. Psicologa y Pedagoga. (Ariel: Barcelona).
QUENZA, S.E., 1986. La evaluacin de los materiales educativos
impresos. (Ediciones El Mcaro: Macaray-Venezuela). SEBASTI,
J.M., 1982. Bases conceptuales y metodolgicas
para la evaluacin de los libros de texto en el rea de las
ciencias naturales. Tesis de grado de MSc, UCV.
SEBASTI, J.M., 1987. Algunos patrones de interpretacin espontnea
frente a situaciones de dinmica clsica. Mimeografiado, (USB:
Caracas-Venezuela).
SOLOMON, J., 1983. Learning about energy: How pupils think in
two domains, European Journal of Science Education, 5, pp.
49-59.
TOUGER, J.S., 1983. Analyzing the linguistic structure of
physical concepts: Possible implications for educational research
and for physics pedagogy, International summer workshop: Research
on Physics Education. (La Londe les Maures: Francia).
VOLKENSHTEIN, M.V., 1985. Biofisica. (Editorial MIR: Mosc).
WATTS, M., 1983. Some altemative views of energy, Physics
Education, 18, pp. 213-217.
ZEMANSKY, M.W., 1970. The use and misuse of the word heat in
physics teaching, The Physics Teacher, pp. 295-300.
380 ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (3)
