Cambios de Estado y el Modelo Cinético de Partículas
Fundamentos Microscópicos de los Cambios de Fase
Desde el punto de vista microscópico, se conserva la identidad de las partículas, es decir, su composición y estructura de las sustancias, pero cambian la distancia, el orden y la posibilidad de movimientos (traslación, rotación y vibración). En un proceso de calentamiento, a medida que aumenta la temperatura, la energía cinética media de las partículas se incrementa.
- En los sólidos: La vibración de las partículas aumenta, la estructura pierde fortaleza y rigidez, hasta que las fuerzas de cohesión son vencidas y las partículas se separan y desordenan, pasando al estado líquido.
- En los líquidos: El movimiento de vibración, rotación y traslación de sus partículas se incrementa, alejándose unas de otras hasta que logran vencer todas las fuerzas de cohesión entre ellas y se dispersan al estado gaseoso.
Durante los procesos de enfriamiento, ocurre el efecto contrario: menor movimiento y un mayor efecto de las fuerzas de cohesión entre las partículas, lo que las acerca y aumenta su orden.
Influencia del Calor y la Presión en los Cambios de Estado
Durante el cambio de estado, aunque se comunique calor, la temperatura permanece constante, pues la energía comunicada se invierte en vencer las fuerzas de cohesión entre las partículas y posibilitar su separación y desorden, lo que implica un aumento de energía potencial.
El efecto de la presión se explica porque un aumento de presión sobre un sistema material favorece el acercamiento entre las partículas, lo que se manifiesta cuanto mayor sea la separación entre ellas, como ocurre en los gases.
Concepciones Previas de Estudiantes de Primaria sobre la Materia
Diferenciación entre Objeto y Material
En relación con las semejanzas y diferencias entre objeto y material, los alumnos, desde muy pronto, reconocen que un objeto deja de ser lo que era al romperse, por ejemplo, un vaso de vidrio. Sin embargo, hasta los 7-9 años, no ofrecen explicaciones basadas en diferencias entre objeto y material. De hecho, antes de los 7 años, para describir los objetos les asignan cualidades como el tamaño, el sabor o el color, que pueden corresponder al objeto y/o al material. También utilizan diversas cualidades para clasificar una muestra amplia de objetos que pueden incluir desde un palo, una esponja, un tomate, un poco de arroz, un ladrillo, gel, etc.
Estas cualidades pueden agruparse bajo cinco criterios principales:
- Composición: (es de papel)
- Función: (sirve para comer)
- Localización: (está en la playa)
- Apariencia: (tiene brillo)
- Procesamiento: (es natural)
Los motivos por los que eligen uno u otro criterio son diversos y están relacionados con la edad del alumno, el tamaño del objeto, la familiaridad con el objeto, la forma o la consistencia, etc. Los criterios más utilizados cambian con la edad: el 50% elige la composición a los 5-9 años y la función a los 9-11 años. Lo destacable es que no se observa una progresión clara hacia criterios asociados al concepto de materia.
Desarrollo de Conceptos de Peso, Volumen y Temperatura
En cuanto a las propiedades generales utilizadas para identificar la materia, durante la educación primaria se construyen progresivamente los conceptos de peso, volumen y temperatura, pero estos no llegan a generalizarse por completo. Así, al inicio de la primaria (aproximadamente a los 7 años), los estudiantes comienzan a apreciar que cualquier cosa, por pequeña que sea (un grano de arroz, un trozo de gomaespuma), posee un peso. Sin embargo, no admiten la conservación del peso cuando se realizan cambios de forma (por ejemplo, transformar una bola de plastilina en una salchicha).
Es más adelante, a los 9-10 años, cuando comienzan a admitir la conservación del peso y el volumen en situaciones sencillas, como trocear o modelar la plastilina, o trasvasar líquidos entre dos recipientes distintos; sin embargo, no lo hacen en situaciones más complejas, como sumergir un sólido en un líquido. La generalización del concepto de peso aparece al final de la Primaria (aproximadamente a los 12 años), pero no ocurre lo mismo con el concepto de volumen, que solo lo conservan cuando el objeto es visible (como una bola sumergida en un líquido), pero no cuando ‘desaparece’, como al disolver azúcar en agua.
El término temperatura es reconocido por los niños desde edades tempranas, aunque no lo utilicen espontáneamente en su conversación. La primera idea de temperatura aparece asociada a las sensaciones térmicas que experimentan al tocar los objetos, lo que introduce una concepción dominante y persistente en Primaria: la temperatura es una medida del calor que posee un cuerpo. Por ello, durante la Primaria, aunque los alumnos de 8 a 12 años utilizan y leen el termómetro, asocian la temperatura al tipo de material (por ejemplo, por ser metal), sin contemplar el ambiente y, también, el tamaño del objeto. El 50% de los alumnos de 12 años creen que la temperatura de un cubito de hielo grande será menor que la de uno pequeño, aunque ambos estén en el mismo congelador.
Comprensión de los Estados de Agregación
En cuanto a la diversidad de los materiales, la comprensión de los alumnos está limitada por sus conocimientos sobre los estados de agregación y sobre las mezclas y sustancias puras. Así, durante la educación primaria, tienen dificultades para reconocer los diferentes estados de agregación de la materia, llegando a creer, a los 8 años, que el aire no pesa o tiene un peso negativo. A esta edad, tampoco consideran como líquidos y sólidos, respectivamente, a los líquidos viscosos o a los sólidos en polvo, agrupándolos en una categoría aparte.
Para los alumnos, los conceptos de sólido y líquido responden a prototipos que no se corresponden con sólidos en polvo (como la harina) o líquidos viscosos (como la miel). El prototipo de sólido es un metal: un objeto duro, rígido, pesado y con forma difícil de cambiar. El prototipo de líquido es el agua: una sustancia que se derrama y fluye con facilidad. Al finalizar la educación primaria (a los 12 años), todos los alumnos han generalizado sus ideas sobre los líquidos, pero no ocurre lo mismo con los sólidos.
El estado gaseoso es más problemático. El aire, que debería ser el prototipo, rara vez es considerado como ejemplo de gas por los más pequeños, quienes asocian la palabra ‘gas’ a casos venenosos o inflamables, mientras que el aire lo relacionan con la respiración y la vida. Dado que no tienen percepciones visuales directas con el aire, consideran el aire y los gases como algo invisible e inmaterial. Por ello, como se mencionó, a los 8 años piensan que el aire no pesa. Más adelante, a los 11-12 años, aunque reconocen que el aire está en todas partes, no todos admiten la difusión, un fenómeno clave para comprender el comportamiento mecánico de los gases; así, el 50% cree que dos gases que avancen por los extremos de un tubo solo se mezclarán en el límite de separación. Sin embargo, con la enseñanza adecuada, a estas edades adquieren ideas de peso y volumen asociadas a los gases, lo que resulta necesario para que los alumnos les otorguen un estatus material.
Dificultades con Mezclas y Sustancias Puras
A estas edades, también tienen dificultades para diferenciar mezclas y sustancias puras, debido a dos hechos principales.
- Interferencia entre lenguaje vulgar y científico: Como consecuencia del predominio del sentido común al asignar significado a términos como ‘sustancia pura’ o ‘sustancia compuesta’. Para los alumnos, ‘sustancia pura’ no es algo que se contrapone a ‘mezcla’ (lo cual es necesario para diferenciar materiales con uno o más componentes), sino que es sinónimo de ‘no contaminado’. Así, la miel, el zumo natural o el aire de la montaña son considerados ‘sustancias puras’. De igual modo, los términos ‘mezcla’ y ‘sustancia compuesta’ se consideran sinónimos, lo que dificulta la diferenciación de las sustancias puras en simples (como el oxígeno) y compuestas (como el agua).
- Falta de discriminación de propiedades: No discriminan, en las propiedades de la materia, entre aquellas que son generales (comunes al estado de agregación) y las que son específicas de cada sustancia, lo cual es necesario para identificar y diferenciar las sustancias puras y, de modo más amplio, los materiales.
Interpretación de Propiedades Específicas y Cambios Materiales
Por último, en cuanto a las propiedades específicas y los cambios de los materiales, sus ideas sobre las mismas están determinadas por dos hechos.
- Ausencia de interacción entre sistemas: No consideran la interacción entre sistemas, lo que lleva a considerar que las propiedades son algo intrínseco a los materiales; así, creen que hay materiales solubles o que flotan con independencia de cualquier otro factor. Este hecho hace que las propiedades se entiendan en términos dicotómicos (conductor-aislante, soluble-insoluble, etc.), y no se reconozca su variabilidad.
- Predominio de la percepción: El fuerte predominio de la percepción hace que los cambios sean interpretados en términos descriptivos, señalando aquellos aspectos más evidentes, aunque estos vayan cambiando a lo largo de la primaria. Así, el proceso de disolución es explicado por los más pequeños mediante las acciones que realizan: ‘echar azúcar y agitar hasta que desaparece’. Más adelante, se centran en lo que le ocurre a uno de los componentes, por lo general el soluto: ‘se distribuye por todo el líquido haciendo que se vuelva dulce’. En definitiva, para cada cambio, construyen un prototipo que describe los aspectos más visibles del proceso, pero que se aleja de cualquier interpretación científica profunda.