Lesson 2.2Understanding Energy Transfers

Phase ChangeLesson Guides

Lesson 2.2

© The Regents of the University of California

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© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved. Permission granted to photocopy for classroom use.

Phase Change—Lesson 2.2—Activity 3

Using the Sim to Observe Energy Transfer

Launch the Simulation. Consider the following question as you work: Why can transferring energy into or out of a substance change molecules’ freedom of movement?

• You have caused phase changes in the Sim before. Before you start this new activity, think about how you created these phase changes in the past.

• Begin with substance A.

• Turn on the kinetic energy and press the play button to start the Sim.

• Transfer energy into the substance.

• Observe what happens to the molecules. Pay particular attention to the molecules’ kinetic energy.

• Answer the first question.

• Once the highest energy possible has been reached, begin to transfer energy out of the substance. Pay particular attention to the molecules’ kinetic energy.

• Answer the remaining questions.

Questions

1. Describe how transferring energy into the substance affected the speed of the molecules.

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2. As the speed changed, what did you notice about the molecules’ freedom of movement?

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3. Did your observations provide evidence to support any of the claims?

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Phase Change—Lesson 2.2—Activity 5

Homework: Reading “What Melts? What Burns?”

You have learned about how a transfer of energy can cause a phase change. Sometimes transferring energy to a substance causes it to burn, and sometimes it causes it to melt. Why is that? Read and annotate the “What Melts? What Burns?” article. Then, answer the questions below.

1. Is burning a phase change? Explain.

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2. What determines whether a material melts or burns when heated?

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Active Reading Guidelines

1. Think carefully about what you read. Pay attention to your own understanding.

2. As you read, annotate the text to make a record of your thinking. Highlight challenging words and add notes to record questions and make connections to your own experience.

3. Examine all visual representations carefully. Consider how they go together with the text.

4. After you read, discuss what you have read with others to help you better understand the text.

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What Burns? What Melts?  D1

Imagine this: You’re camping with your family. It’s a beautiful night, just perfect for sitting around the campfire and making s’mores under the stars. You layer a graham cracker, a piece of chocolate, a marshmallow you’ve toasted over the fire, and another graham cracker—a sweet, sticky treat! You might even leave your whole s’more sitting near the fire to help melt the chocolate. In that moment, the campfire is transferring energy to the wood in the fire and to the chocolate, but they’re responding in very different ways. The wood is burning, while the chocolate in the s’more is melting. What’s the deal?

Melting is a phase change from the solid phase to the liquid phase. The molecules in a solid chocolate bar are packed tightly together and

S’mores are sweet treats made from graham crackers, marshmallows, and chocolate.

can only move in place. When energy is added to the solid chocolate—like thermal energy from a fire—the molecules gain energy and begin to move around more. When they have enough energy and freedom of movement to flow around each other, the chocolate becomes a liquid. It’s important to remember that melting doesn’t change substances into other substances. The molecules that make up your chocolate bar haven’t changed; they’re just moving around more. It’s even possible to make liquid chocolate back into solid chocolate by removing energy—also known as letting the chocolate cool.

The wood in your campfire is also receiving energy from the fire, but it definitely isn’t melting into a liquid. Instead, it’s burning.

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D2 What Burns? What Melts?

Burning, also known as combustion, is a chemical reaction that happens when some materials reach a certain temperature and their molecules react with oxygen. The fire transfers energy to the wood, raising its temperature. When the wood reaches about 150°C (302°F), its molecules begin to break down. Some change into the gas phase and escape into the air; others react with oxygen in the air and give off light and heat. Some parts of the wood don’t burn and are left behind as ash. The combustion reaction keeps repeating itself until it runs out of fuel (like wood) to burn, until its supply of oxygen is cut off, or until its temperature is no longer hot enough to keep breaking down the molecules in the wood. That’s why the fire goes out a little while after

you stop adding new logs. Without fuel to burn, the reaction that causes the fire can’t continue.

So the chocolate on your s’more melts, while the wood in the campfire burns. But why? Every material has a different temperature at which it melts (its melting point) and a temperature at which it burns (its flash point). How the material reacts to heat depends on which of those temperatures is lower. If a material’s flash point is lower than its melting point, that material will burn before it melts. If a material’s melting point is lower than its flash point, it will melt before it burns. Wood’s flash point is lower than its melting point, so it burns. Chocolate’s melting point is lower than its flash point, so it melts.

Combustion is caused when some materials reach a certain temperature and their molecules react with oxygen.

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Cambio de fase—Lección 2.2—Actividad 3

Usar la Simulación para observar la transferencia de energía

Inicia la Simulación. Considera la siguiente pregunta mientras trabajas: ¿Por qué la acción de transferir energía hacia o desde una sustancia puede cambiar la libertad de movimiento de las moléculas?

• Has causado cambios de fase en la Simulación en otras ocasiones. Antes de comenzar esta nueva actividad, piensa en cómo creaste estos cambios de fase en el pasado.

• Comienza con la Sustancia A.

• Enciende “kinetic energy” (energía cinética) y oprime “Play” (Reproducir) para iniciar la Simulación.

• Transfiere energía a la sustancia.

• Observa qué sucede con las moléculas. Préstale atención en particular a la energía cinética de las moléculas.

• Contesta la primera pregunta.

• Una vez que la energía más alta posible haya sido alcanzada, comienza a transferir energía afuera de la sustancia. Préstale atención en particular a la energía cinética de las moléculas.

• Contesta el resto de las preguntas.

Preguntas

1. Describe cómo la acción de transferir energía a una sustancia afectó la rapidez de las moléculas.

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2. Mientras la rapidez cambiaba, ¿qué notaste acerca de la libertad de movimiento de las moléculas?

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3. ¿Tus observaciones proporcionaron evidencia para respaldar alguna de las afirmaciones?

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Cambio de fase—Lección 2.2—Actividad 5

Tarea: leer “¿Qué se quema? ¿Qué se derrite?”

Has aprendido sobre cómo una transferencia de energía puede causar un cambio de fase. A veces la acción de transferir energía a una sustancia causa que esta se queme, y a veces causa que se derrita. ¿Por qué es así? Lee y añade apuntes al artículo “¿Qué se quema? ¿Qué se derrite?”. Luego, contesta las siguientes preguntas.

1. ¿Es la acción de quemarse un cambio de fase? Explica.

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2. ¿Qué determina si un material se derrite o se quema cuando es calentado?

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Pautas de la Lectura Activa

1. Piensa cuidadosamente sobre lo que lees. Presta atención a tu propia comprensión.

2. Mientras lees, añade apuntes al texto para tener un registro de tus ideas. Destaca las palabras difíciles, y agrega notas para apuntar tus preguntas y hacer conexiones con tu propia experiencia.

3. Examina cuidadosamente todas las representaciones visuales. Considera cómo se relacionan con el texto.

4. Después de leer, discute lo que leíste con otros/as estudiantes para ayudarte a comprender mejor el texto.

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¿Qué se quema? ¿Qué se derrite? D1

Imagina esto: Estás acampando con tu familia. Es una hermosa noche, perfecta para sentarse alrededor de la fogata haciendo s’mores bajo las estrellas. Pones una capa de galleta graham, un pedazo de chocolate, un marshmallow que has tostado en el fuego y otra galleta graham encima: ¡una delicia dulce y pegajosa! Hasta puede que dejes tu s’more entero al lado de la fogata para ayudar a que se derrita el chocolate. En ese momento, la fogata está transfiriendo energía a la leña en el fuego y al chocolate, pero estos están respondiendo de maneras muy diferentes. La leña se está quemando, mientras que el chocolate en el s’more se está derritiendo.

¿Qué pasa?

El derretimiento es un cambio de fase, de fase sólida a fase líquida. Las moléculas en una barra

S’mores son dulces postres hechos de galletas graham, marshmallows y chocolate.

de chocolate sólida se encuentran comprimidas y pueden solo moverse en su sitio. Cuando energía es agregada al chocolate sólido, por ejemplo energía térmica de una fogata, las moléculas obtienen energía y comienzan a moverse más de un lado a otro. Cuando tienen suficiente energía y libertad de movimiento para fluir unas alrededor de otras, el chocolate se convierte en líquido. Es importante recordar que el derretimiento no cambia las sustancias. Las moléculas que componen la barra de chocolate no han cambiado; solo se están moviendo más de un lado a otro. Hasta es posible hacer que el chocolate líquido vuelva a ser chocolate sólido al quitarle energía... lo que es conocido también como dejar que el chocolate se enfríe.

¿Qué se quema? ¿Qué se derrite?

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D2 ¿Qué se quema? ¿Qué se derrite?

La leña en tu fogata también está recibiendo energía del fuego, pero no se está derritiendo en líquido para nada, sino que se está quemando. Quemar, también conocida como combustión, es una reacción química que sucede cuando algunos materiales alcanzan una cierta temperatura y sus moléculas reaccionan con el oxígeno. El fuego transfiere energía a la leña, elevando su temperatura. Cuando la leña alcanza alrededor de 150°C (302°F), sus moléculas comienzan a descomponerse. Algunas cambian a fase de gas y escapan al aire; otras reaccionan con el oxígeno en el aire y despiden luz y calor. Algunas partes de la leña no se queman y quedan como cenizas. La reacción de combustión continúa repitiéndose hasta que se acaba el combustible (como la leña) para quemar, hasta que su abastecimiento de oxígeno es suspendido, o hasta que su temperatura no sea lo suficientemente caliente como para descomponer las moléculas en la leña. Es por eso que el fuego se apaga poco después

de que dejas de agregar nuevos leños. Sin combustible para quemar, la reacción que causa el fuego no puede continuar.

Así que el chocolate en tu s’more se derrite, mientras la leña de la fogata se quema. ¿Pero por qué? Todos los materiales tienen una temperatura diferente a la cual se derriten (su punto de fusión) y una temperatura a la cual se queman (su punto de ignición). Cómo reaccione el material al calor depende de cuál de esas temperaturas sea más baja. Si el punto de ignición de un material es más bajo que su punto de fusión, ese material se quemará antes de derretirse. Si el punto de fusión del material es más bajo que su punto de ignición, se derretirá antes de quemarse. El punto de ignición de la leña es más bajo que su punto de fusión, así que se quema. El punto de fusión del chocolate es más bajo que su punto de ignición, así que se derrite.

La combustión es causada cuando algunos materiales alcanzan una cierta temperatura y sus moléculas reaccionan con el oxígeno.

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Lesson 2.2Understanding Energy Transfers

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