Plan de Clase | Metodología Activa | Termodinámica: Entropía

Supuestos: Este Plan de Clase Activo supone: una clase de 100 minutos de duración, estudio previo de los alumnos tanto con el Libro, como con el inicio del desarrollo del Proyecto, y que se elegirá una sola actividad (de las tres sugeridas) para ser realizada durante la clase, ya que cada actividad está diseñada para ocupar gran parte del tiempo disponible.

Objetivos

Duración: (5 - 10 minutos)

Esta etapa del plan de clase tiene como finalidad establecer los objetivos que guiarán las actividades y discusiones en clase. Al definir claramente lo que se espera que los alumnos aprendan, el profesor puede dirigir mejor el uso del tiempo en el aula y garantizar que todas las actividades estén alineadas con los objetivos educativos. La comprensión de la entropía es crucial no solo para el estudio de la termodinámica, sino también para entender muchos procesos naturales e industriales, tornando esta etapa esencial para el éxito del aprendizaje de los alumnos.

Objetivos Principales:

1. Capacitar a los alumnos a entender por qué la entropía del universo siempre es creciente y cómo esto se relaciona con la segunda ley de la termodinámica.

2. Desarrollar habilidades para calcular la variación de entropía en diferentes procesos, como cambios de estado y procesos isotérmicos.

3. Habilitar a los alumnos a identificar y discutir el aumento o la disminución de la entropía en sistemas físicos.

Objetivos Secundarios:

1. Incentivar el análisis crítico y la aplicación de conceptos teóricos en situaciones prácticas.

Introducción

Duración: (15 - 20 minutos)

La etapa de introducción tiene como objetivo enganchar a los alumnos con el tema de la entropía, utilizando situaciones problema que estimulen la reflexión y la aplicación de los conceptos previamente estudiados. Además, se busca contextualizar la importancia de la entropía en el mundo real, incentivando a los alumnos a darse cuenta de cómo el concepto es relevante y está presente en diversas situaciones cotidianas y en aplicaciones prácticas, aumentando así la relevancia y el interés en el estudio del tema.

Situaciones Basadas en Problemas

1. Imagina que tienes una taza de café caliente y una cuchara. Si la cuchara toca el café, el calor se propaga a la cuchara, pero no es posible que la cuchara caliente el café de nuevo. ¿Por qué ocurre esto según la ley de la entropía?

2. Considera dos recipientes, uno con agua caliente y otro con agua fría. Si juntamos los dos recipientes, la temperatura se equilibrará, y el agua tenderá a una temperatura intermedia. ¿Cómo se relaciona esto con la entropía del sistema?

Contextualización

La entropía es un concepto fundamental en la termodinámica que describe la tendencia de los sistemas físicos a desorganizarse. Este concepto puede observarse en muchos aspectos de la vida cotidiana, como en la difusión de aromas en un ambiente, donde las moléculas se dispersan desde el área de mayor concentración hacia todo el espacio, alcanzando una distribución más homogénea. Además, entender la entropía es esencial para numerosas aplicaciones tecnológicas, como en el desarrollo de motores más eficientes y en la generación de energía a partir de fuentes renovables.

Desarrollo

Duración: (75 - 80 minutos)

La etapa de desarrollo está diseñada para permitir que los alumnos apliquen de manera práctica y creativa los conceptos de entropía que estudiaron previamente. Trabajando en grupos, enfrentarán desafíos que exigen profundizar la comprensión teórica y pensar en soluciones innovadoras, lo que no solo refuerza el aprendizaje sino que también desarrolla habilidades de trabajo en equipo y resolución de problemas. Cada actividad está cuidadosamente planificada para ser realizada en grupo, involucrando a todos los miembros activamente y asegurando un ambiente de aprendizaje dinámico y participativo.

Sugerencias de Actividades

Se recomienda realizar solo una de las actividades sugeridas

Actividad 1 - La Saga de la Nevera Eterna

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Aplicar el conocimiento teórico de entropía en la solución de un problema práctico de ingeniería, estimulando el pensamiento crítico y la creatividad.

- Descripción: Los alumnos serán divididos en grupos de hasta 5 personas y cada grupo asumirá el papel de ingenieros en una empresa que desarrolla una nevera capaz de funcionar indefinidamente sin aumento en el consumo de energía. Deberán aplicar conceptos de entropía para explicar cómo sería posible, considerando principios teóricos y realizando cálculos prácticos.

- Instrucciones:

• Revisar brevemente los conceptos de entropía estudiados previamente.

• Discutir en grupo cómo la entropía afecta el funcionamiento de una nevera convencional.

• Proponer una solución teórica para la nevera eterna, explicando cómo se controlaría la entropía.

• Presentar un informe que contenga el modelo teórico, cálculos y justificaciones para la nueva tecnología.

Actividad 2 - El Misterio del Cubo de Hielo Perfecto

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Entender el cambio de estado del agua y aplicar el concepto de entropía para explicar por qué ciertos procesos son irreversibles.

- Descripción: En esta actividad lúdica, los alumnos deberán investigar por qué un cubo de hielo, al derretirse en un vaso de agua caliente, no puede volver a su forma original. Utilizarán conceptos de entropía para explicar esta transformación y realizarán experimentos simples para ilustrar el proceso.

- Instrucciones:

• Discutir en grupo qué ocurre con las moléculas de agua al cambiar de estado.

• Predecir qué sucederá con el cubo de hielo en diferentes temperaturas de agua.

• Realizar el experimento, midiendo la temperatura y la masa del hielo durante el proceso.

• Presentar una explicación basada en la entropía para los resultados observados.

Actividad 3 - El Desafío del Motor Perpetuo

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Explorar la aplicación práctica de los conceptos de entropía y la segunda ley de la termodinámica en ingeniería, promoviendo el trabajo en equipo y la habilidad de presentación.

- Descripción: Los alumnos serán desafiados a diseñar un modelo de motor que pueda operar de forma continua sin la necesidad de una fuente de energía externa. Usarán los principios de la termodinámica, con un enfoque especial en la entropía, para desarrollar un concepto teórico y construir un prototipo simple para demostrar su funcionamiento.

- Instrucciones:

• Revisar los conceptos de entropía y la segunda ley de la termodinámica.

• Brainstorming en grupo para desarrollar un concepto para el motor perpetuo.

• Construcción del prototipo usando materiales simples disponibles en el aula.

• Presentar el proyecto, explicando cómo se controla la entropía en el motor.

Retroalimentación

Duración: (15 - 20 minutos)

La finalidad de esta etapa es consolidar el aprendizaje de los alumnos, permitiéndoles articular lo que aprendieron y escuchar las perspectivas de sus compañeros. La discusión en grupo ayuda a reforzar la comprensión de los conceptos de entropía y la segunda ley de la termodinámica, además de promover habilidades de comunicación y argumentación. Este momento también sirve para que el profesor evalúe la comprensión de los alumnos y aclare cualquier duda remanente.

Discusión en Grupo

Para iniciar la discusión en grupo, el profesor debe pedir a cada grupo que comparta sus descubrimientos y soluciones al problema propuesto. Es importante que el profesor aliente a los alumnos a explicar el razonamiento detrás de sus soluciones y cómo aplicaron los conceptos de entropía. El profesor puede usar preguntas como '¿Cuál fue el mayor desafío que enfrentó su grupo al intentar controlar la entropía?' para guiar la discusión y garantizar que todos los alumnos estén involucrados.

Preguntas Clave

1. ¿Cómo la comprensión de la entropía ayudó a su grupo a resolver el problema propuesto?

2. ¿Hubo algún punto en el que el concepto de entropía parecía contradictorio o difícil de aplicar? ¿Cómo superaron eso?

3. ¿De qué manera lo que aprendieron sobre entropía hoy puede ser aplicado en situaciones prácticas en ingeniería o tecnología?

Conclusión

Duración: (10 - 15 minutos)

La finalidad de esta etapa del plan de clase es asegurar que los alumnos tengan una comprensión clara y consolidada de los conceptos de entropía, además de percibir su aplicabilidad y relevancia. Al resumir los principales puntos, conectar la teoría con las actividades prácticas y destacar la importancia del estudio, los alumnos son capaces de integrar el conocimiento adquirido y reconocer la entropía como un concepto fundamental y ubicuo en la física y en la vida cotidiana.

Resumen

En esta etapa final, el profesor debe resumir los puntos clave abordados sobre la entropía, destacando su relación con la segunda ley de la termodinámica y cómo influye en procesos naturales y tecnológicos. Es esencial recapitular los ejemplos prácticos discutidos y las soluciones propuestas por los alumnos en las actividades, como la 'Nevera Eterna' y el 'Motor Perpetuo', para reforzar el aprendizaje.

Conexión con la Teoría

El profesor debe explicar cómo las actividades prácticas, como 'La Saga de la Nevera Eterna' y 'El Desafío del Motor Perpetuo', conectaron la teoría de la entropía con aplicaciones concretas, demostrando su relevancia y aplicabilidad. Esta conexión práctica ayuda a los alumnos a visualizar la teoría en acción, facilitando la comprensión y la memorización de los conceptos estudiados.

Cierre

Por último, el profesor debe enfatizar la importancia del estudio de la entropía en la comprensión de procesos cotidianos y en el desarrollo de tecnologías más eficientes. Comprender la entropía no solo enriquece el conocimiento científico de los alumnos, sino que también los capacita a pensar críticamente sobre el impacto de los procesos termodinámicos en nuestro mundo.