Explicaciones de procesos termodinámicos a partir del modelo corpuscular : una propuesta didáctica

EXPLICACIONES DE PROCESOS TERMODINÁMICOS A PARTIR DEL MODELO CORPUSCULAR: UNA PROPUESTA DIDÁCTICA CÁRDENAS, M. y RAGOUT DE LOZANO, S. Instituto de Física. Universidad Nacional de Tucumán. Av. Independencia, 1800. (4000) S.M. de Tucumán. Argentina. SUMMARY According to the results of an exploratory research on Thermodynamics, it is concluded that the university students tested prefer explanations which account for underlying mechanisms (batigenous explanations) in physical phenomena analysed during the instruction process. Usage of explanations of this type as a promising didactical resource in the teaching of certain thermodynamic changes in gases is suggested, and two particular processes are used as examples. ALGUNOS ANTECEDENTES En el ensayo «Historia de la explicación en Física», Halbwachs distingue tres tipos elementales de explicaciones dadas a través de la historia de la física: la heterogénea, la homogénea y la «batígena» (del griego bathus, profundo). La explicación heterogénea (o también causal) es aquélla que consiste en hacer intervenir la acción del mundo exterior sobre el sistema físico en estudio, estableciendo fundamentalmente una relación unívoca entre un sistema agente y un sistema paciente. Por ejemplo, el teorema trabajo-energía cinética, en la dinámica de una partícula, permite explicaciones de este tipo. Otro tipo de explicación, la homogénea, es más bien de carácter formal, descriptiva de las cualidades del fenómeno analizado, sin recurrir a agentes externos y justificada por las propias cualidades de forma, privilegiando el «cómo», sin tener en consideración el «porqué». Las leyes de la cinemática son un claro ejemplo de este tipo de explicación. El tercer tipo de explicación descrito por Halbwachs, que denomina explicación batígena, apela a los mecanismosprofc~ndos que dan lugar a los fenómenos, y a partir de los cuales se puede dar cuenta de las leyes que relacionan las variables macroscópicas que caracterizan a los sistemas. Podemos citar como explicación batígena de la elasticidad de los sólidos, el modelo de «resortes» microscópicos que ligan los átomos de la red cristalina, responsables del comportamiento macroscópico observado. La investigación educativa brinda ejemplos (Brown, 1992) que demuestran que este último tipo de explicación no sólo es la que más satisface a los estudiantes, sino que es a veces el mejor recurso para que el aprendizaje de los contenidos sea significativo. Por otra parte, ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1996, 14 (3). 343-349 INVESTIGACIÓN Y EXPERIENCIAS DIDÁCTICAS los docentes sabemos que los estudiantes idean sus mos con la opinión de Easley de que, en general, en los propios modelos de mecanismos explicativos, que normalcursos básicos de física, todas las leyes se presentan mente no coinciden con los científicamente aceptados. como si contuvieran todo el conocimiento cientifico, dando de este modo una visión distorsionada de la Particularmente, en el tratamiento de la termodinámica metodología científica y del desarrollo de la ciencia. en los textos universitarios se analiza la estructura atómica de la materia, pero, tal como lo afirma Martinand En el presente trabajo, haremos un breve análisis de la (1986), este modelo «funciona más bien como una imapresentación usual de los fenómenos térmicos en los gen, y es poco utilizado de forma operatoria». textos más difundidos, en particular de las leyes que describen el comportamiento de los gases, y de algunas En razón de los argumentos expuestos, pensamos que dificultades detectadas en estudiantes cuando tratan de dentro de lo posible los docentes, sobre todo de los explicar el comportamiento de sistemas gaseosos. cursos básicos universitarios (y quizás incluso del nivel medio), debemos emplear las explicaciones batígenas, Propondremos algunos tipos de explicaciones batígenas ya que oportuna y adecuadamente utilizadas pueden que den cuenta de los mecanismos explicativos subyaconstituirse en recursos didácticos de gran valor, al centes en los fenómenos térmicos, haciendo referencia a otorgar significado físico a las variables y relaciones que la teoría cinético-molecular en un nivel adecuado a los las vinculan. cursos básicos de física, y poniendo el énfasis en el modelo elemental del comportamiento mecánico de un Para reforzar lo antedicho, mencionaremos algunos de sistema de partículas. los resultados descritos por Brown (1992), acerca del uso de ejemplos y analogías que permiten a los alumnos construir un mecanismo explicativo de tipo batígeno, para lograr la comprensión del principio de acción y reacción en el caso de cuerpos superpuestos. Brown DIFICULTADES,EN EL APRENDIZAJE DE analiza el grado de comprensión que alcanzaron dos LA TERMODINAMICA grupos de alumnos. Uno de ellos fue sometido a una presentación tradicional del tema, a través de fragmenAdemás de las conocidas dificultades de 10s alumnos en tos de libros de texto muy difundidos y de mucho diferenciar los Conceptos de calor y temperatura, el prestigio. A 10s estudiantes del otro grupo, mediante una estudio de la termodinámica presenta serios 0b~tiicu10~ serie de analogías encadenadas («bridging»), se los en su comprensión. Como señalan Rozier Y Viennot orientaba hacia la consecución de un mecanismo expli- (19901, 10s problemas pueden deberse a que, en este cativo, basado en la naturaleza molecular de 10s cuerpos tema de la física, la descripción de los fenómenos se hace sólidos que estaban en contacto, que les permitió elaboa través de varias variables macroscópicas que cambian rar una explicación batígena satisfactoria del principio simultáneamente, ligadas por relaciones funcionales que de acción y reacción. a los alumnos les resulta complicado comprender y manejar, pues generalmente los temas estudiados preDel análisis de 10s resultados obtenidos en la experienviamente sólo requieren el empleo de funciones de una cia, Brown concluye que casi todos los alumnos del variable. segundo grupo lograron el cambio conceptual, desde la arraigada creencia de que los cuerpos en reposo no La mayoría de los textos usados en los cursos básicos de ejercen fuerzas a la concepción científica expresada en nivel universitario se inclinan por la descripción mala tercera ley de Newton, no habiéndose observado los croscópica de los fenómenos térmicos, basada en los mismos resultados en el grupo tratado con un texto conceptos de presión, volumen, temperatura, energía tradicional. interna, etc., en general relacionados con las percepciones directas de los fenómenos. La descripción de los Easley Jr. (1982), en un interesante artículo sobre la mismos fenómenos puede hacerse, como ocurre en la investigación de tipo cualitativo, hace hincapié en la mecánica estadística, usando variables microscópicas necesidad de comprender los mecanismos explicativos asociadas con el movimiento de las partículas que comsubyacentes a los fenómenos naturales como paso preponen el sistema físico en estudio. vio a la cuantificación de las teorías físicas. En el artículo cita a Kuhn (1961), quien, en su análisis de la Las magnitudes macroscópicas que se usan para descrihistoria de la física, muestra que la naturaleza general de bir los procesos termodinámicos están relacionadas con las relaciones entre las variables relevantes de los fenólos valores medios de las magnitudes microscópicas que menos físicos se conoce a partir de las teorías cualitaticaracterizan el proceso molecular correspondiente, pero vas previas antes de que se sepa cómo medir, y que las en general no se explota adec~iadamente el modelo teorías cualitativas están generalmente relacionadas con mecánico microscópico para explicar los procesos terun mecanismo. modinámicos que se describen con las variables macrsscópicas (por ejemplo dilataciones y compresiones de los Creemos que, a semejanza de lo que sucede en la ciencia, gases). también durante el proceso de aprendizaje, un análisis cualitativo previo de los fenómenos favorece la comDe este modo, para la mayoría de los alumnos, el conoprensión de las relaciones que los legalizan, y coincidicimiento de los procesos termodinámicos se reduce a un 344 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1096, 14 (3) manejo automático de relaciones funcionales sin comprensión de la naturaleza de las transformaciones que tienen lugar en los sistemas físicos. En general, el comportamiento de un gas por ejemplo, sólo puede ser medianamente descrito por los alumnos a través de un análisis geométrico de las representaciones gráficas de las funciones con las cuales se expresan las leyes de comportamiento. Nuestro objetivo fue investigar cómo explicaban los alumnos la situación física planteada (calentamiento isobárico), que es uno de los procesos termodinámicos que usualmente se estudia en los cursos de física básica universitaria, y no se dio ninguna consigna específica respecto de qué se entendería por explicación. Se suministró la encuesta a todos los alumnos del curso (N=34), de los cuales 6 no respondieron a la pregunta. Pensamos que, sin entrar en el tratamiento cuantitativo Independientemente de que las explicaciones dadas por riguroso de la mecánica estadística, el docente puede los alumnos fueran o no correctas, podemos diferenciar acrecentar la comprensión de los procesos termodinámiclaramente dos tipos: cos analizados en los cursos básicos, mediante el empleo de explicaciones batígenas que den cuenta, de forma a) las basadas fundamentalmente en la ecuación de simplificada, de los mecanismos de interacción entre el estado de los gases ideales, combinada en algunos casos sistema considerado y su ambiente. con el primer principio de la termodinámica o alguna referencia a los aspectos moleculares (N=12); b) las que tratan de explicitar un mecanismo subyacente al fenómeno, haciendo mención de la naturaleza moleLAS EXPLICACIONES QUE PREFIEREN cular de la materia, sin usar formalismos de ningún tipo LOS ALUMNOS (N= 16). En el transcurso de una investigación exploratoria sobre las concepciones de los estudiantes respecto a conceptos y procesos relacionados con los fenómenos térmicos, se tomó como grupo de estudio a los cursantes (N=34) de la asignatura Física General (cuatrimestral) de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Nacional de Tucumán, alumnos de las carreras de Geología y Licenciatura en Ciencias Biológicas. La asignatura pertenece al segundo año de ambas carreras, a las que los estudiantes accedieron sin curso de ingreso. En el primer año, habían cursado además de Matemática y Química General e Inorgánica -ambas cuatrimestralesotras tres asignaturas específicas de la correspondiente carrera. El cuestionario que se suministró constaba de 8 ítems de respuesta abierta, referidos a contenidos que habían sido desarrollados en el curso de Física (calor y temperatura, equilibrio térmico, dilatación térmica, gases ideales), pero presentados de manera diferente a los ejercicios de final de capítulo de los libros de texto. Debe destacarse que en el curso se empleó un enfoque mcroscópico, como es lo usual en la bibliografía de uso generalizado en nuestro medio (Halliday-Resnick, Tipler, Strother, Cromer, etc,). El programa de la asignatura no incluía la teoría cinético-molecular de la materia. En este trabajo nos limitaremos a analizar las respuestas a uno de los ítems incluido en el cuestionario, tomado de un trabajo de Rozier y Viennot (1990), en el que las autoras analizan cómo proceden los estudiantes cuando se enfrentan con problemas que involucran más de dos varjables. El ítem seleccionado es el siguiente: Este resultado no esperado de que más de la mitad de los alumnos que respondieron a la pregunta recurrieran a «mecanismos» para explicar el aumento de la temperatura y del volumen del gas, cuando, como ya se puntualizó, durante el curso sólo se había trabajado con el enfoque de la termodinámica clásica (macroscópico) y fundamentalmente en base del análisis de diagramas presión-volumen, indicaría la preferencia de los estudiantes por las explicaciones del tipo que Halbwachs denomina batígenas. Muchas de las respuestas del tipo a fueron correctas, pero algunas mostraban un manejo automático de la ecuación de estado de los gases, o sólo una correcta interpretación geométrica del diagrama (P,V) correspondiente al proceso isobárico, pues los alumnos hacían luego acotaciones que revelaban la escasa comprensión del proceso físico de transferencia de energía mostrado. Por ejemplo, en la respuesta que se transcribe: P=cte, proceso isobárico. Si nos llevamos por la gráfica, vemos claramente que la presión es constante pero que el volumen varía de V a 2V, y la temperatura aumenta también. Esto ocurre porque, al ser calentado, las temperaturas aumentan, el volumen también debido a que las moléculas se encuentran más lejos entre sí. Un gas perfecto es calentado a La primera parte de la respuesta es correcta y, si su autor .. ' .... . : 3 '. . , .. . ., presión constante. Tanto su volumen no hubiera agregado el párrafo final, podríamos pensar - como su temperatura aumentan. que su comprensión del tema es satisfactoria. Sin embar0 ¿Puede explicar por qué? go, es claro que también está buscando dar una explicaENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1996, 14 (3) 345 ción batígena, en la cual se manifiestan errores concepremos explicaciones batígenas de sólo dos procesos que tuales. comúnmente se estudian en dichos cursos. La mayoría de las respuestas del tipo b fueron incorrectas, y en ellas se pusieron de manifiesto las preconcepciones acerca del comportamiento de las moléculas del gas, y las confusiones entre diferentes magnitudes físicas. Esto no debe sorprender, pues en el curso no se había realizado un estudio detallado de los procesos que suceden a nivel microscópico. Citamos como ejemplo la siguiente respuesta: El vol~cmen aumenta porque el nivel de agitación de las moléculas aumenta, por lo tanto, necesitan más espacio entre ellas. La temperatura aumenta porque al estar las moléculas más agitadas chocan unas con otras y liberan energía que se transforma en calor. Aunque en esta explicación se evidencian muchas confusiones y errores conceptuales, hay una intención de buscar un mecanismo explicativo profundo, apelando a la estructura molecular del gas. Calentamiento de un gas ideal a presión constante Los textos de uso corriente analizan este proceso para calcular el trabajo realizado por el gas al producirse el fenómeno, con el fin de evaluar uno de los términos de la formulación matemática del primer principio de la termodinámica. Sin embargo, ni aún en el libro de Eisberg y Lerner (Vol. 2, 1984), que es uno de los pocos que presenta discusiones frecuentes de las bases microscópicas de los fenómenos macroscópicos, se hace una descripción de lo que sucede desde el punto de vista molecular cuando se produce una expansión isobárica. Si bien el primer principio brinda un balance energético que da cuenta del fenómeno, no provee al estudiante de un mecanismo explicativo del mismo. Entonces, ¿cómo explicar por qué aumentan la temperatura y el volumen de un gas cuando éste es calentado isobáricamente? (como en el caso de la explicación solicitada a los estudiantes en el cuestionario mencionado anteriormente). Las explicaciones batígenas aportadas por los estudianAquí no demostraremos que la presión p que un gas tes muestran dos aspectos importantes para la didáctica contenido en un recipiente de volumen Vejerce sobre las de la física: paredes del mismo es: Revelan las concepciones erróneas y las confusiones másfiecuentes en el tema. Manifiestan una necesidad natural de los alumnos de encontrar «mecanismos» explicativos subyacentes, como paso previo a la cuantificación que proveen las leyesfisicas, y a la cabal comprensión del significado de las mismas, en coincidencia con lo señalado por Brown (1992) y Easley (1982). Como consecuencia de lo anterior, pensamos que sería un valioso recurso didáctico, para mejorar la comprensión y facilitar el aprendizaje, que el docente proporcionara a los alumnos explicaciones batígenas fundamentadas en la teoría cinético-molecular de la materia, durante el estudio de la termodinámica. De esta manera se favorecería la construcción, por parte de los estudiantes, de wzodelosfisicos, en lugar de centrar el aprendizaje en el manejo de relaciones funcionales entre variables, que, si no se presentan cuidadosamente, pueden fomentar el manejo puramente matemático de las mismas, perdiéndose así el significado físico de las variables de estado y de interacción que describen los procesos en estudio. LAS EXPLICACIONES BATÍGENAS DE ALGUNOS PROCESOS Nos limitaremos, como es habitual en los cursos de física básica, al tratamiento de sistemas en estado gaseoso. Por razones de espacio, y a modo de ejemplo, proporcionadonde N es el número de moléculas, m la masa de cada molécula y v2 es el valor medio del cuadrado de las velocidades de las moléculas (Tipler, 1978, p. 315), y daremos por comprendida la interpretación cinética de la temperatura como medida de la energía cinética promedio de traslación de las moléculas de un gas ideal (Tipler, p. 479) ... y nos basaremos en estos resultados para dar una explicación batígena del proceso de expansión isobárica: «El movimiento constante de las partículas que componen los cuerpos encierra la naturaleza de los fenómenos térmicos.)) Cuando se ponen en contacto dos sistemas que se encuentran a diferentes temperaturas, los átomos (o moléculas) constituyentes de cada uno de ellos chocarán (interactuarán) con los del otro y se transmitirán energía mutuamente. El cuerpo que cede energía es el que está a mayor temperatura, y el que la recibe es el de temperatura menor. Esta energía intercambiada como consecuencia única de la diferencia de temperaturas (energía cinética promedio) entre los dos sistemas es lo que se denomina «calor». 346 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1996, 14 (3) Cuando se calienta el recipiente que contiene el gas, por La energía suministrada al gas permite incrementar la ejemplo, colocándolo en contacto con un baño de agua energía interna del mismo y realizar trabajo sobre el caliente, la energía media de un átomo de la pared es medio ambiente, ya que hay un aumento de la Ec media mayor que la de una molécula del gas, pero esta diferende las moléculas entre el estado inicial del gas y el estado cia no se mantiene. Por efecto del bombardeo constante final de equilibrio. de las moléculas del gas sobre la pared, los átomos de la pared transfieren energía a las moléculas del gas en la mayoría de los choques (en promedio). La expansión adiabática de un gas ideal Es usual en la bibliografía analizar esta clase de procesos limitándolos a los que se producen en forma cuasiestática, y empleando las ecuaciones de Poisson o el primer principio para evaluar el trabajo realizado por el gas durante una expansión de este tipo. En particular, los procesos adiabáticos son estudiados con cierto detalle por constituir dos de las etapas del motor ideal de Carnot, de gran importancia teórica. Sin embargo, los textos de física básica, en general, no discuten los procesos microscópicos que tienen lugar en el sistema. Esto es lo que sucede microscópicamente cuando calentamos el gas, de modo que el flujo de energía de la pared hacia el gas aumenta la energía cinética promedio de las moléculas del gas, lo que macroscópicamente se manifiesta por un aumento de su temperatura. Un preconcepto muy arraigado entre los alumnos es que el aumento de la energía cinética promedio de las moléculas implica necesariamente que las moléculas se «alejan» unas de otras y ocupan mayor volumen, extrapolando el comportamiento de la materia en estado sólido. Si el recipiente fuera de volumen constante, un calentamiento, al aumentar la energía cinética promedio de las moléculas, haría aumentar la presión del gas confinado, pero, en el caso que estamos analizando, el recipiente cuenta con un émbolo que se puede deslizar. Al aumentar instantáneamente la presión p, debido al aumento de la Ec (y, por lo tanto, de la temperatura T), se produce un estado de desequilibrio entre las presiones sobre ambas caras del émbolo, de modo que hay una fuerza neta hacia arriba que lo levanta aumentando el volumen y, por lo tanto, realizando trabajo. Por efecto de los choques contra una pared móvil, la velocidad media de las moléculas disminuye (Apéndice). Esta disminución de la velocidad, y por consiguiente de la Ec, trae como consecuencia una disminución infinitesimal de la temperatura, que da lugar a que el gas continúe absorbiendo energía (calor) del baño que está a una temperatura mayor, a través de las paredes que son diatérmanas. Este proceso continuará hasta que se logre el equilibrio térmico, que se alcanzará cuando el baño y el gas estén a la misma temperatura. Esta explicación es, está claro, totalmente compatible con lo que expresa el primer principio de la termodinámica. Podemos dar una explicación batígena de la expansión adiabática cuasiestática, considerando el gas como un sistema de partículas confinado en un recipiente cilíndrico, cuyas paredes son aislantes térmicos, cerrado por un émbolo que se puede desplazar. Esto implica, macroscópicamente, que no hay intercambio de calor entre el sistema y el medio ambiente. Microscópicamente significa que, durante los choques entre las moléculas del gas y las de la pared, no hay, en promedio, intercambio de energía (como «calor»). Si la presión del gas es mayor que la del ambiente, se produce una expansión adiabática, porque aparece una fuerza neta que empuja el émbolo, desplazándolo. /,Y qué ocurre con la velocidad de las moléculas que chocan contra una pared móvil? Como se demuestra en el apéndice, en el choque de una partícula con una pared móvil, como ocurre en una expansión, el módulo de la velocidad de la partícula después de «rebotar» contra la pared es menor que el módulo de la que tenía inicialmente. Al considerar todas las moléculas que chocan con el émbolo, en valores promedio, hay una disminución de la energía cinética media de traslación y, por lo tanto, de la temperatura del gas, que ha realizado un trabajo. O sea que, en forma simultánea, mientras disminuye la temperatura del gas y aumenta el volumen, reduciéndose el número de moléculas por unidad de volumen, se produce una disminución de la presión. El proceso continúa hasta que la presión del gas iguala la presión externa y se interrumpe la producción de trabajo. El resultado neto de este proceso es la realización de trabajo mecánico, y la disminución de la energía cinética media del gas o, lo que es lo mismo, de la energía interna del sistema por tratarse de un gas ideal. De acuerdo con el primer principio de la termodinámica, se cumple que la disminución de la energía interna del gas es igual al trabajo realizado por éste sobre el ambiente durante la expansión: Q = W + AU, donde AU = Uf - Ui -AU=W ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1996, 14 (3) 347 ALONSO, M. y FINN, E. (1976). Física, Vol. 1 y 111. Bogotá: Fondo Educativo Interamericano, S.A. BROWN, D. (1992). 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