Plan de Clase | Metodología Activa | Termodinámica: Entropía

Premisas: Este Plan de Clase Activa asume: una clase de 100 minutos de duración, estudio previo de los estudiantes tanto con el Libro, como con el inicio del desarrollo del Proyecto y que se elegirá una única actividad (entre las tres sugeridas) para realizarse durante la clase, ya que cada actividad está pensada para ocupar gran parte del tiempo disponible.

Objetivo

Duración: (5 - 10 minutos)

Esta fase del plan de clase tiene como fin establecer claramente los objetivos que orientarán las actividades y debates en el aula. Al precisar lo que se espera que los alumnos aprendan, el profesor puede gestionar de forma más eficaz el tiempo de clase y asegurar que todas las actividades se alineen con los objetivos pedagógicos. Comprender la entropía es esencial no solo para estudiar la termodinámica, sino también para entender numerosos procesos naturales e industriales, lo que convierte este paso en clave para el éxito del aprendizaje.

Objetivo Utama:

1. Capacitar a los alumnos para comprender por qué la entropía del universo tiende a aumentar siempre y cómo se relaciona con la segunda ley de la termodinámica.

2. Desarrollar destrezas para calcular la variación de entropía en distintos procesos, como cambios de fase y procesos isotérmicos.

3. Facilitar que los alumnos identifiquen y debatan sobre el aumento o disminución de la entropía en sistemas físicos.

Objetivo Tambahan:

1. Fomentar el análisis crítico y la aplicación práctica de conceptos teóricos en situaciones reales.

Introducción

Duración: (15 - 20 minutos)

La fase de introducción busca involucrar a los alumnos en el tema de la entropía mediante situaciones problemáticas que inviten a la reflexión y a la aplicación de conceptos ya estudiados. Asimismo, se pretende contextualizar la importancia de la entropía en el mundo real, ayudando a los alumnos a reconocer su relevancia tanto en la vida cotidiana como en aplicaciones prácticas, y de esta forma incrementar su interés por el tema.

Situación Problemática

1. Imagina que tienes una taza de café caliente y una cuchara. Cuando la cuchara entra en contacto con el café, el calor se transmite a la cuchara, pero esta no puede devolver el calor al café. ¿Por qué sucede esto según lo que plantea la ley de la entropía?

2. Piensa en dos recipientes: uno con agua caliente y otro con agua fría. Si se mezclaran, la temperatura se igualaría, alcanzándose un valor intermedio. ¿Cómo se relaciona este fenómeno con la entropía del sistema?

Contextualización

La entropía es un concepto clave en termodinámica que describe la tendencia natural de los sistemas a desorganizarse. Este fenómeno se observa en actividades cotidianas, como la difusión de un aroma en una habitación, donde las moléculas se desplazan desde zonas de alta concentración hacia el resto del espacio, consiguiendo una distribución más homogénea. Además, comprender la entropía resulta fundamental para aplicaciones tecnológicas, desde el desarrollo de motores más eficientes hasta la generación de energía a partir de fuentes renovables.

Desarrollo

Duración: (75 - 80 minutos)

Esta fase de desarrollo permite que los alumnos apliquen de manera práctica y creativa los conceptos de entropía estudiados previamente. Trabajando en equipos, se enfrentarán a desafíos que les obligarán a profundizar en la teoría y a idear soluciones innovadoras, lo que no solo refuerza el aprendizaje, sino que también fomenta el trabajo en equipo y la resolución de problemas. Cada actividad está diseñada para implicar a todos los integrantes y crear un ambiente de aprendizaje dinámico y colaborativo.

Sugerencias de Actividades

Se recomienda realizar solo una de las actividades sugeridas

Actividad 1 - La Saga del Refrigerador Infinito

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Aplicar el conocimiento teórico sobre la entropía para solucionar un problema práctico de ingeniería, fomentando el pensamiento crítico y la creatividad.

- Descripción: Los alumnos se dividirán en grupos de hasta cinco integrantes. Cada grupo asumirá el papel de ingenieros en una empresa que desarrolla un refrigerador capaz de funcionar indefinidamente sin incrementar el consumo de energía. Deberán aplicar los conceptos de entropía para explicar cómo podría ser posible esta idea, teniendo en cuenta principios teóricos y realizando algunos cálculos prácticos.

- Instrucciones:

• Repasar brevemente los conceptos de entropía ya estudiados.

• Debatir en grupo sobre cómo la entropía incide en el funcionamiento de un frigorífico convencional.

• Proponer una solución teórica para lograr el 'refrigerador infinito', explicando cómo se gestionaría la entropía.

• Presentar un informe que incluya el modelo teórico, los cálculos y la justificación de la nueva tecnología.

Actividad 2 - El Misterio del Hielo Perfecto

> Duración: (60 - 70 minutos)

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

- Descripción: En esta actividad lúdica, los alumnos investigarán por qué un cubo de hielo, al derretirse en un vaso de agua caliente, no puede recuperar su forma original. Emplearán conceptos de entropía para explicar esta transformación y realizarán experimentos sencillos que ilustren el proceso.

- Instrucciones:

• Debatir en grupos sobre lo que ocurre con las moléculas de agua al cambiar de estado.

• Predecir cómo se comportará el cubo de hielo en función de la temperatura del agua.

• Llevar a cabo el experimento, midiendo la temperatura y la masa del hielo durante el proceso.

• Presentar una explicación fundamentada en el concepto de entropía para justificar los resultados obtenidos.

Actividad 3 - El Reto del Movimiento Perpetuo

> Duración: (60 - 70 minutos)

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

- Descripción: Los alumnos se enfrentarán al reto de diseñar un modelo de motor que funcione de forma continua sin necesidad de una fuente de energía externa. Utilizarán principios termodinámicos, poniendo especial énfasis en la entropía, para desarrollar un concepto teórico y construir un prototipo sencillo que demuestre su funcionamiento.

- Instrucciones:

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

• Realizar una lluvia de ideas en grupo para desarrollar un concepto de motor perpetuo.

• Construir un prototipo con materiales sencillos disponibles en el aula.

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

Retroalimentación

Duración: (15 - 20 minutos)

El objetivo de esta fase es consolidar el aprendizaje de los alumnos, permitiéndoles articular lo que han aprendido y escuchar las perspectivas de sus compañeros. La discusión en grupo refuerza la comprensión de los conceptos de entropía y de la segunda ley, a la vez que fomenta competencias comunicativas y argumentativas. Además, ofrece al profesor la oportunidad de evaluar la comprensión general y aclarar posibles dudas.

Discusión en Grupo

Para iniciar la discusión en grupo, el profesor debe solicitar a cada equipo que comparta sus hallazgos y las soluciones propuestas al problema planteado. Es fundamental que anime a los alumnos a explicar el razonamiento detrás de sus ideas y cómo han aplicado los conceptos de entropía. El docente puede utilizar preguntas como: '¿Cuál fue el mayor reto que afrontó vuestro grupo al intentar gestionar la entropía?' para guiar la conversación y asegurar la participación de todos.

Preguntas Clave

1. ¿De qué manera contribuyó vuestra comprensión de la entropía a resolver el problema planteado?

2. ¿En algún momento el concepto de entropía os resultó contradictorio o difícil de aplicar? ¿Cómo lo superasteis?

3. ¿De qué forma se podría aplicar lo aprendido sobre la entropía a situaciones prácticas en ingeniería o tecnología?

Conclusión

Duración: (10 - 15 minutos)

El fin de esta fase es lograr que los alumnos adquieran una comprensión clara y consolidada de los conceptos de entropía, así como una percepción real de su aplicabilidad e importancia. Resumir los puntos clave, vincular la teoría con las actividades prácticas y destacar la relevancia del tema permite integrar los conocimientos adquiridos y reconocer la entropía como un concepto fundamental en la física y en la vida diaria.

Resumen

En esta fase final, el profesor debe recapitular los puntos clave abordados sobre la entropía, subrayando su relación con la segunda ley de la termodinámica y su impacto en procesos tanto naturales como tecnológicos. Es importante repasar los ejemplos prácticos discutidos y las soluciones propuestas en actividades como 'La Saga del Refrigerador Infinito' y 'El Reto del Movimiento Perpetuo' para afianzar el aprendizaje.

Conexión con la Teoría

El profesor debe explicar cómo actividades prácticas, como 'La Saga del Refrigerador Infinito' y 'El Reto del Movimiento Perpetuo', han enlazado la teoría de la entropía con aplicaciones concretas, demostrando su relevancia y utilidad. Esta conexión práctica ayuda a los alumnos a visualizar la teoría en acción, facilitando su comprensión y memorización.

Cierre

Por último, el profesor debe enfatizar la importancia de estudiar la entropía para comprender los procesos cotidianos y desarrollar tecnologías más eficientes. Entender la entropía no solo enriquece el conocimiento científico, sino que también capacita a los alumnos para analizar de forma crítica el impacto de los procesos termodinámicos en nuestro día a día.