Transmisión de energía térmica: experimento con cajas y reto de dispositivo solar

Lleven ambas cajas a un lugar soleado.

1. La caja expuesta al sol recibirá energía por radiación electromagnética proveniente del Sol.
2. El aluminio interno de una caja refleja parte de la radiación, mientras que las superficies oscuras la absorben con mayor eficiencia.
3. El aire atrapado dentro de la caja se calienta y, al ser menos denso, asciende; el aire más frío desciende para ocupar su lugar, iniciando un movimiento convectivo.
4. Se deja el conjunto en el sol durante 15 minutos para que el proceso se estabilice.

Escriban en su cuaderno lo que creen que sucederá con cada par de cajas y justifiquen por qué será así.

1. Predicción: la caja con paneles negros o interior oscuro se calentará más que la caja forrada con papel de aluminio.
2. Justificación física: el poder absorbente de las superficies oscuras es alto (emisividad/acoloridad cercana a 1), mientras que el aluminio pulido tiene alta reflectancia y baja emisividad.
3. Segunda predicción: la caja mejor aislada (con doble pared o relleno) perderá menos calor por conducción hacia el exterior.
4. Tercera predicción: la temperatura interna de ambas cajas será mayor que la del aire ambiente, porque la radiación solar es convertida en energía térmica interna.

Respuesta: Se espera que la caja oscura alcance mayor temperatura que la de aluminio, porque las superficies negras absorben más radiación solar mientras que el aluminio la refleja; además, el aire caliente interior inicia una corriente convectiva que distribuye el calor.

Después de 15 minutos, tomen nuevamente la temperatura de cada una de las cajas.

1. Retirar el termómetro sin abrir demasiado la caja para no perder calor.
2. Registrar la lectura de la caja A (oscura) en ^\circ\text{C}.
3. Registrar la lectura de la caja B (aluminio) en ^\circ\text{C}.
4. Calcular la diferencia: \Delta T = T_{\text{oscura}} - T_{\text{aluminio}}.

Registren sus mediciones en su cuaderno.

1. Construir una tabla con columnas: caja, T_{\text{inicial}}, T_{\text{final}} y \Delta T.
2. Anotar unidades ^\circ\text{C} en cada dato.
3. Calcular el incremento: \Delta T = T_{\text{final}} - T_{\text{inicial}}.
4. Ejemplo: si la caja oscura pasó de 24^\circ\text{C} a 46^\circ\text{C}, entonces \Delta T = 46 - 24 = 22^\circ\text{C}.

Anoten sus observaciones y expliquen los resultados obtenidos; expliquen cómo funciona la convección en la atmósfera terrestre y por qué consideran que obtuvieron esos resultados.

1. Observación esperada: T_{\text{oscura}} > T_{\text{aluminio}} > T_{\text{ambiente}}.
2. Explicación de resultados: la superficie negra absorbe mayor cantidad de fotones solares y los convierte en energía térmica; el aluminio refleja la mayor parte de la radiación.
3. Convección atmosférica: el suelo calentado por el Sol transfiere calor al aire en contacto (conducción); el aire caliente, menos denso, asciende y el frío desciende, formando células de convección.
4. Relación: ese mismo movimiento convectivo ocurrió dentro de la caja, distribuyendo el calor y elevando la temperatura medida por el termómetro.

Encuentra y aprende — Ejercicio 1

Organícense en comunidades y elijan alguna propuesta de dispositivo, por ejemplo un horno solar, un calentador solar con botellas de plástico o un sistema aislante térmico.

1. Elegir un dispositivo: horno solar de caja.
2. Diseñar: caja exterior con tapa de vidrio (transmite radiación y atrapa calor), cámara de aire, paredes negras interiores y reflector exterior de aluminio.
3. Materiales: caja de cartón, papel aluminio, pintura negra, vidrio o plástico transparente, aislante (película burbuja).
4. Construir y probar: medir temperatura con y sin reflector para comparar el aporte de la radiación reflejada.
5. Evaluar la sustentabilidad: usa energía solar renovable, no emite \text{CO}_2 y aprovecha materiales reutilizables.

Respuesta: El dispositivo elegido (por ejemplo, un horno solar) aprovecha la radiación solar convertida en calor y lo conserva mediante aislamiento y efecto invernadero en el vidrio, logrando temperaturas útiles para cocinar de forma sustentable.

Respuesta final del experimento: La caja oscura alcanza mayor temperatura que la de aluminio porque absorbe más radiación; la convección distribuye ese calor, igual que en la atmósfera terrestre.