Tómalo suave
Esta lección explora cómo los ingenieros han enfrentado el desafío de mantener frescos los alimentos, líquidos y otros artículos. Los estudiantes aprenden sobre transferencia de calor, aspiradoras y aislamiento y diseñan un sistema para mantener una taza de agua fría lo más fría posible durante una hora.
- Aprenda sobre aislamiento, transferencia de calor y aspiradoras.
- Aprenda sobre diseño y rediseño de ingeniería.
- Aprenda cómo la ingeniería puede ayudar a resolver los desafíos de la sociedad.
- Aprenda sobre el trabajo en equipo y la resolución de problemas.
Rangos de Edad: Rinde de 8 a 18 porciones
Materiales de Construcción (para cada equipo)
Materiales Requeridos
- Copas de papel
- Termómetro
- Papel de aluminio
- Hojas de plástico
- Telas
- Bolas de algodón
- musgo
- Cartulina
- Straws
- Clips de papel
- Clips de carpeta
- Alfileres de ropa
- Cable
- Cordón
- Espuma de embalaje reciclada
- Bandas de goma
Materiales de Prueba
- Agua
- Hielo
- Jarra más grande
Materiales
- Agua
- Hielo
- Jarra más grande
Proceso
Enfríe el agua en una jarra grande con hielo y tome una lectura de temperatura de la jarra. Pruebe el sistema de aislamiento de cada equipo vertiendo una cantidad igual de agua fría (sin hielo) en la taza de cada equipo. A continuación, los equipos miden la temperatura del agua helada cada 10 minutos durante 1 hora y grafican sus resultados.
Reto de Diseño
Usted es parte de un equipo de ingenieros al que se le ha dado el desafío de construir un sistema de aislamiento utilizando un recipiente para evitar que una taza de agua fría se caliente. El desafío de su equipo es desarrollar un dispositivo para mantener el agua fría más fría que los dispositivos de otros equipos al final de una hora. Deberá idear una forma de tener un termómetro suspendido en el agua y poder leer la temperatura a lo largo de la hora.
Criterios
- Debe mantener el agua más fría en el transcurso de una hora.
- Debe ser una forma de suspender un termómetro en el agua.
- Las lecturas de temperatura deben tomarse cada 10 minutos durante 1 hora.
Limitaciones
- Las lecturas de temperatura deben tomarse cada 10 minutos durante 1 hora.
- Divida la clase en equipos de 2-3.
- Reparta la hoja de trabajo Keep it Cool, así como algunas hojas de papel para dibujar diseños.
- Analice los temas de la sección Conceptos básicos. Considere preguntar a los estudiantes cómo ayuda un termo a mantener caliente su almuerzo.
- Revise el Proceso de Diseño de Ingeniería, el Desafío de Diseño, los Criterios, las Limitaciones y los Materiales.
- Indique a los estudiantes que comiencen a hacer una lluvia de ideas y esbozar sus diseños.
- Proporcione a cada equipo sus materiales.
- Explique que los estudiantes deben diseñar y construir un sistema de aislamiento usando una taza que mantendrá el agua lo más fría posible durante 1 hora. El diseño debe permitir que un termómetro se suspenda en una taza con la temperatura visible. Los equipos tomarán lecturas de temperatura cada 10 minutos durante 1 hora.
- Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para diseñar y construir (se recomienda 1 hora).
- Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
- Los estudiantes se reúnen y desarrollan un plan para su sistema de aislamiento Acuerdan los materiales que necesitarán, escriben / dibujan su plan y presentan su plan a la clase. Los equipos pueden intercambiar materiales ilimitados con otros equipos para desarrollar su lista de piezas ideal.
- Los equipos construyen sus diseños.
- Indique a los estudiantes que tomen lecturas de temperatura cada 10 minutos durante 1 hora. A continuación, deben registrar sus lecturas.
- Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
- Para obtener más contenido sobre el tema, consulte la sección "Explora Más."
Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)
- ¿Qué tan similar era su diseño original a la taza aislada real que construyó? ¿Qué cambió? ¿Por qué?
- ¿Cómo se comparó la variación de temperatura de su equipo con el resto de la clase?
- Si tuvieras la oportunidad de hacer este proyecto nuevamente, ¿qué habría hecho tu equipo de manera diferente?
- ¿Qué le dijo su gráfico sobre la velocidad del cambiador de temperatura de su dispositivo?
- Si pudiera haber utilizado un material componente adicional que no se le proporcionó, ¿cuál elegiría y por qué?
- ¿Su equipo hizo uso de alguna de las cosas que aprendió sobre los frascos de vacío en su diseño? Si es así, ¿cómo y crees que hizo una diferencia?
- ¿Qué aspectos de otros diseños de equipos te parecieron más innovadores? ¿Por qué?
Modificación de Tiempo
La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.
Aislamiento, transferencia de calor y aspiradoras
Aislamiento y aspiradoras
El aislamiento se usa para muchos propósitos. Se necesita aislamiento para evitar que los artículos frágiles se dañen durante el envío. Se utiliza para mantener el aire frío fuera de las casas durante el invierno, se utiliza para separar los cables eléctricos y se utiliza para mantener fríos los artículos fríos y calientes los artículos calientes en un frasco de vacío. Muchos materiales se utilizan como aislamiento, desde telas hasta musgo, plástico, fibra de vidrio y pieles de animales. En el caso de un matraz de vacío, el vacío sirve como aislamiento. Se crea un vacío cuando un volumen de espacio está esencialmente vacío de materia; generalmente cuando se bombea aire. Las bombillas contienen un vacío parcial, generalmente rellenado con argón, que protege el filamento de tungsteno.
Transferencia de calor
El calor se puede transferir de tres formas: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de calor por contacto directo de partículas de materia. Los metales como el cobre, el platino, el oro y el hierro suelen ser los mejores conductores de energía térmica. La convección es la transferencia de energía térmica debido al movimiento de moléculas dentro de los fluidos. La radiación es la transferencia de energía térmica a través del espacio vacío.
termos
Inventado en 1892 por Sir James Dewar, un científico de la Universidad de Oxford, el "matraz de vacío" se fabricó por primera vez para uso comercial en 1904, cuando dos sopladores de vidrio alemanes formaron Thermos GmbH. Hicieron un concurso para nombrar el "frasco de vacío" y un residente de Munich, Alemania presentó "Thermos", que proviene de la palabra griega "Therme" que significa "calor".
Un matraz de vacío es una botella hecha de metal, vidrio o plástico con paredes huecas. La región estrecha entre la pared interior y exterior se evacua de aire por lo que es un vacío. El uso de una aspiradora como aislante evita la transferencia de calor por conducción o convección entre las dos paredes. La pérdida de calor por radiación se reduce aplicando un revestimiento reflectante a las superficies, como la plata.
Por supuesto, el matraz necesita una abertura para agregar o eliminar líquidos fríos o calientes. Curiosamente, la mayor pérdida de calor o frío ocurre en el tapón. Originalmente, el tapón estaría hecho de corcho, y más tarde se usaría plástico porque era más duradero y se podía formar en una forma que coincidiera con la abertura. Un frasco de vacío típico mantendrá el líquido frío durante aproximadamente 24 horas y se calentará hasta 8. Algunos frascos de vacío incluyen una taza ajustada, para facilitar su uso con bebidas.
- Conducción: Transferencia de calor por contacto directo de partículas de materia.
- Restricciones: limitaciones de material, tiempo, tamaño del equipo, etc.
- Convección: transferencia de energía térmica debido al movimiento de moléculas dentro de los fluidos.
- Criterios: Condiciones que debe satisfacer el diseño como su tamaño total, etc.
- Ingenieros: inventores y solucionadores de problemas del mundo. Se reconocen veinticinco especialidades importantes en ingeniería (ver infografía).
- Proceso de diseño de ingeniería: los ingenieros de procesos utilizan para resolver problemas.
- Hábitos de la mente de ingeniería (EHM): Seis formas únicas en que piensan los ingenieros.
- Transferencia de calor: el calor se puede transferir de tres formas: conducción, convección y radiación.
- Aislamiento: se utiliza para mantener fríos los artículos fríos y calientes los artículos calientes en un frasco de vacío.
- Iteración: Probar y rediseñar es una iteración. Repetir (múltiples iteraciones).
- Prototipo: Modelo funcional de la solución a probar.
- Radiación: transferencia de energía térmica a través del espacio vacío.
- Frasco de vacío: una botella de metal, vidrio o plástico con paredes huecas. La región estrecha entre la pared interior y exterior se evacua de aire por lo que es un vacío. El uso de una aspiradora como aislante evita la transferencia de calor por conducción o convección entre las dos paredes.
Enlaces a Internet
Lectura Recomendada
- Esquema de transferencia de calor de Schaum (ISBN: 978-0070502079)
- 1001 inventos que cambiaron el mundo (ISBN: 978-0764161360)
Actividad de Escritura
Escribir un ensayo o un párrafo sobre la ingeniería ha cambiado las opciones de aislamiento de viviendas durante los últimos 200 años.
Alineación con los marcos curriculares
Nota: Los planes de lecciones de esta serie están alineados con uno o más de los siguientes conjuntos de estándares:
- Estándares de educación científica de EE. UU. (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Estándares de ciencia de la próxima generación de EE. UU. (http://www.nextgenscience.org/)
- Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Principios y estándares para las matemáticas escolares del Consejo Nacional de Profesores de Matemáticas de EE. UU. (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Estándares Estatales Básicos Comunes de EE. UU. Para Matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
- Estándares de Informática de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (edades 4-9)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades de objetos y materiales
- Luz, calor, electricidad y magnetismo.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
- Habilidades para distinguir entre objetos naturales y objetos hechos por humanos.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en desafíos locales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- La ciencia como esfuerzo humano
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (10-14 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades y cambios de propiedades en la materia.
- Transferencia de energía
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (10-14 años)
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en la sociedad
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Historia de la ciencia
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Estructura y propiedades de la materia.
- Conservación de energía y aumento del desorden.
- Interacciones de energía y materia.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Perspectivas historicas
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 3-5 (Edades 8-11)
Energía
- MS-PS3-3. Aplicar principios científicos para diseñar, construir y probar un dispositivo que minimiza o maximiza la transferencia de energía térmica.
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 3-5-ETS1-1. Defina un problema de diseño simple que refleje una necesidad o un deseo que incluya criterios específicos para el éxito y limitaciones de materiales, tiempo o costo.
- 3-5-ETS1-2. Genere y compare múltiples soluciones posibles a un problema basándose en qué tan bien es probable que cada una cumpla con los criterios y limitaciones del problema.
- 3-5-ETS1-3.Planificar y realizar pruebas justas en las que se controlen variables y se consideren puntos de falla para identificar aspectos de un modelo o prototipo susceptibles de mejora.
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 6-8 (Edades 11-14)
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- MS-ETS1-1 Definir los criterios y limitaciones de un problema de diseño con suficiente precisión para asegurar una solución exitosa, teniendo en cuenta los principios científicos relevantes y los impactos potenciales en las personas y el medio ambiente natural que pueden limitar las posibles soluciones.
- MS-ETS1-2 Evaluar las soluciones de diseño de la competencia mediante un proceso sistemático para determinar qué tan bien cumplen con los criterios y limitaciones del problema.
Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades
La naturaleza de la tecnología
- Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
- Estándar 3: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las relaciones entre las tecnologías y las conexiones entre la tecnología y otros campos de estudio.
Tecnología y Sociedad
- Estándar 4: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos culturales, sociales, económicos y políticos de la tecnología.
- Estándar 5: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos de la tecnología en el medio ambiente.
- Estándar 6: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la sociedad en el desarrollo y uso de la tecnología.
- Estándar 7: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de la influencia de la tecnología en la historia.
Diseño
- Estándar 8: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los atributos del diseño.
- Estándar 9: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del diseño de ingeniería.
- Estándar 10: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la resolución de problemas, la investigación y el desarrollo, la invención y la innovación y la experimentación en la resolución de problemas.
Habilidades para un mundo tecnológico
- Estándar 11: Los estudiantes desarrollarán habilidades para aplicar el proceso de diseño.
Aplicación de tecnología para resolver problemas
Planificación y trabajo en equipo de ingeniería
Formas parte de un equipo de ingenieros que se ha enfrentado al desafío de construir un recipiente para evitar que se caliente una taza de agua helada. Tendrá muchos materiales para usar, como papel de aluminio, láminas de plástico, tela, bolas de algodón, musgo, cartón, vasos de papel adicionales, cinta adhesiva, vasos, pajitas, clips, alfileres de ropa, alambre, hilo, espuma de embalaje reciclada, tela, bandas de goma y otros materiales fácilmente disponibles. El desafío de su equipo es desarrollar un dispositivo para mantener el agua fría más fría que los dispositivos de otros equipos al final de una hora. Deberá idear una manera de que un termómetro descanse en el agua y pueda leer la temperatura a lo largo de la hora.
Fase de investigación
Lea los materiales que le proporcionó su maestro, incluidos los que tratan sobre la transferencia de calor.
Fase de planificación y diseño
Piense en las diferentes formas en que puede utilizar los materiales proporcionados para mantener fría el agua helada. Recuerde que debe dejar un espacio para que un termómetro mida la temperatura fría al principio y luego una hora después de que se construya su diseño. En el cuadro a continuación, dibuje un diagrama de su taza aislada planificada e incluya una lista de las piezas que cree que podría necesitar. Puede ajustar esto más tarde y también agregar más materiales durante la construcción. Presente este plan a su clase.
|
Materiales necesitados:
|
Fase de Construcción
Construya su sistema de aislamiento alrededor de la taza con el agua fría que se le proporcionó. Recuerde encontrar un método para mantener un termómetro suspendido en el agua sin dejar de leer la temperatura. Puede realizar los ajustes que desee durante la construcción, incluido el pedido de materiales adicionales que pueda necesitar. También puede intercambiar materiales con otros equipos si tienen elementos adicionales que necesita.
Pruebas en el aula
Tu maestro se enfriará y verterá una cantidad igual de agua fría en el dispositivo de cada equipo. Tome lecturas de temperatura cada diez minutos durante una hora y luego registre sus resultados en formato gráfico. En los cuadros a continuación, marque sus temperaturas y luego complete las preguntas de reflexión.
Temperatura original del agua | Temp a los 10 minutos | Temp a los 20 minutos | Temp a los 30 minutos | Temp a los 40 minutos | Temp a los 50 minutos | Temperatura final a 1 hora | Diferencia de temperatura del original al final |
|
Mayor diferencia de temperatura en su salón de clases | Mayor diferencia de temperatura en su salón de clases |
|
Reflexión
Complete las preguntas de reflexión a continuación:
- ¿Qué tan similar era su diseño original a la taza aislada real que construyó? ¿Qué cambió? ¿Por qué?
- ¿Cómo se comparó la variación de temperatura de su equipo con el resto de la clase?
- Si tuvieras la oportunidad de hacer este proyecto nuevamente, ¿qué habría hecho tu equipo de manera diferente?
- ¿Qué le dijo su gráfico sobre la velocidad del cambiador de temperatura de su dispositivo?
- Si pudiera haber utilizado un material componente adicional que no se le proporcionó, ¿cuál elegiría y por qué?
- ¿Su equipo hizo uso de alguna de las cosas que aprendió sobre los frascos de vacío en su diseño? Si es así, ¿cómo y crees que hizo una diferencia?
- ¿Qué aspectos de otros diseños de equipos te parecieron más innovadores? ¿Por qué?