Lesson 2.4Investigating Energy Transfer

Thermal EnergyLesson Guides

Lesson 2.4

© The Regents of the University of California

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Investigating Energy Transfer

Thermal Energy—Lesson 2.4—Activity 2

Use the Sim to examine how the temperature and energy of Samples A and B change after the samples come into contact.

1. Open the Simulation.

2. Add two samples of equal size.

3. Turn on the View Kinetic Energy toggle.

4. Make Sample A much hotter than Sample B. Record the starting temperatures of both samples in the table below.

5. Turn on the View Energy Transfer toggle.

6. Push the samples together and wait until the energy stops transferring. Record the final temperatures of both samples in the table below.

Sample A Sample B

Starting temperature (°C)

Final temperature (°C)

Before coming into contact, the molecules of Sample A had _____________________ the molecules of Sample B. (circle one)

more kinetic energy than    less kinetic energy than    the same kinetic energy as

Once the energy stopped transferring, the molecules of Sample A had _____________________ the molecules of Sample B. (circle one)

more kinetic energy than    less kinetic energy than    the same kinetic energy as

Before the samples came into contact, the temperature of Sample A was _____________________ the temperature Sample B. (circle one)

higher than    lower than    the same as

Once the energy stopped transferring, the temperature of Sample A was _____________________ the temperature Sample B. (circle one)

higher than    lower than    the same as

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Investigating Energy Transfer (continued)

1. Switch to Analyze and scroll back to the beginning of the run.

2. Focus on the Thermal Energy graph.

3. Record the total energy of the samples after you made one hot and one cold.

4. Scroll forward and record the total thermal energy after the run ends.

Sample A Sample B

Starting thermal energy (kJ)

Final thermal energy (kJ)

The thermal energy of Sample A ________________. (check one)

 increased

 decreased

 stayed the same

The thermal energy of Sample B ________________. (check one)

 increased

 decreased

 stayed the same

Why did the transfer of energy between the two samples stop?

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Thermal Energy—Lesson 2.4—Activity 2

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Homework: Reading “Molecule Collisions and Newton’s Cradle”

As you read the article “Molecule Collisions and Newton’s Cradle,” annotate it with your own ideas and questions. When you have finished, answer the question below.

When a moving object collides with an object that isn't moving, what happens to the kinetic energy of each object?

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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.

Thermal Energy—Lesson 2.4—Activity 5

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Molecule Collisions and Newton’s Cradle C1

Molecule Collisions and Newton’s CradleHave you ever seen a toy called a Newton’s Cradle? The Newton’s Cradle has spheres, usually made of steel, hanging from a frame. If you pull the sphere on one end away from the others and let go, it swings back and stops when it hits the sphere next to it. Almost immediately, the last sphere on the other end of the row swings up to almost the same height that you pulled the first sphere up to. Then the last sphere swings back and stops when it hits the sphere next to it, and the first sphere swings up and out again. The two spheres on the ends keep swinging out and back, while the spheres in the middle stay in one place.

Why do the spheres on each end of the Newton’s Cradle swing back and forth, while the ones in the middle stay in place? The kinetic energy the first sphere has while it swings is transferred to the next sphere in line. However, that next sphere can’t move because the sphere next to it is in the way. Instead, it transfers the kinetic energy to the next sphere without moving. The energy is transferred along the line of spheres in this way until it gets to the last one, which isn’t blocked by another sphere. That one swings up and away to the same height and with the same speed as the first sphere swung down, and the whole process

A Newton’s Cradle is a toy with spheres hanging from a frame. The way energy is transferred from sphere to sphere is similar to the way energy is transferred when molecules collide.

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repeats in the opposite direction. If some energy wasn’t converted to thermal energy, the spheres would keep moving in this way forever, but in the real world, they do eventually slow down and stop.

The physics concepts that explain Newton’s Cradle also explain the collisions between molecules. When one molecule collides with another, energy is transferred from one molecule to another and both molecules experience a change in kinetic energy—just like the spheres in the Newton’s Cradle. We know they’ve experienced that change because they change direction or speed. However, the total amount of energy the two molecules have doesn’t change. Energy can’t be created or destroyed, so we know it’s just transferred from one molecule to the other during the collision.

When you pull the sphere on the end of the Newton’s Cradle up and then let it swing back down and collide with the sphere next to it, the sphere on the other end swings up and away.

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Investigar la transferencia de energía

Energía térmica—Lección 2.4—Actividad 2

Usa la Simulación para examinar cómo la temperatura y energía de las Muestras A y B cambian después de que las muestras entran en contacto.

1. Abre la Simulación.

2. Agrega dos muestras del mismo tamaño.

3. Prende la opción “View Kinetic Energy” (Ver energía cinética).

4. Haz que la Muestra A sea mucho más caliente que la Muestra B. Apunta las temperaturas iniciales de ambas muestras en la siguiente tabla.

5. Prende la opción “View Energy Transfer” (Ver transferencia de energía).

6. Empuja las muestras para juntarlas y espera hasta que la energía deje de transferirse. Apunta las temperaturas finales de ambas muestras en la siguiente tabla.

Muestra A Muestra B

Temperatura inicial (°C)

Temperatura final (°C)

Antes de entrar en contacto, las moléculas de la Muestra A tenían _____________________ las moléculas de la Muestra B. (encierra una en un círculo)

más energía cinética que    menos energía cinética que   la misma energía cinética que

Una vez que la energía dejó de transferirse, las moléculas de la Muestra A tenían _________________ las moléculas de la Muestra B. (encierra una en un círculo)

más energía cinética que    menos energía cinética que   la misma energía cinética que

Antes de que las muestras entraran en contacto, la temperatura de la Muestra A era _________________ la temperatura de la Muestra B. (encierra una en un círculo)

más alta que    más baja que    igual a

Una vez que la energía dejó de transferirse, la temperatura de la Muestra A era _____________________ la temperatura de la Muestra B. (encierra una en un círculo)

más alta que    más baja que    igual a

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Investigar la transferencia de energía (continuación)

1. Cambia a “Analyze” (Analizar) y desplaza la pantalla hacia atrás al inicio de la corrida.

2. Concéntrate en la gráfica de “Thermal Energy” (Energía térmica).

3. Apunta la energía total de las muestras después de hacer una caliente y una fría.

4. Desplaza la pantalla hacia adelante y apunta la energía térmica total después de que termine la corrida.

Muestra A Muestra B

Energía térmica inicial (kJ)

Energía térmica final (kJ)

La energía térmica de la Muestra A ________________. (marca una)

 aumentó

 disminuyó

 permaneció igual

La energía térmica de la Muestra B ________________. (marca una)

 aumentó

 disminuyó

 permaneció igual

¿Por qué se detuvo la transferencia de energía entre las dos muestras?

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Energía térmica—Lección 2.4—Actividad 2

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Tarea: leer “Colisiones de moléculas y el péndulo de Newton”

Mientras lees el artículo “Colisiones de moléculas y el péndulo de Newton”, añádele apuntes con tus propias ideas y preguntas. Cuando hayas terminado, contesta la siguiente pregunta.

Cuando un objeto en movimiento colisiona con un objeto que no está en movimiento, ¿qué sucede con la energía cinética de cada objeto?

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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.

Energía térmica—Lección 2.4—Actividad 5

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Colisiones de moléculas y el péndulo de Newton C1

Colisiones de moléculas y el péndulo de Newton¿Has visto alguna vez un juguete llamado péndulo de Newton? El péndulo de Newton tiene esferas, por lo general hechas de hierro, que cuelgan de un marco. Si jalas la esfera de un extremo en dirección opuesta de las otras y la sueltas, la esfera se columpia de vuelta y se detiene al chocar con la esfera a su lado. Casi inmediatamente, la última esfera al otro extremo de la fila se columpia hasta casi la misma altura a la que jalaste la primera esfera. Entonces, la última esfera se columpia de vuelta y se detiene al chocar con la esfera a su lado, y la primera esfera se columpia hacia

afuera de nuevo. Las dos esferas a los extremos continúan el vaivén hacia afuera y de vuelta, mientras las esferas en el centro permanecen en el lugar.

¿Por qué se columpian las esferas en cada extremo del péndulo de Newton, mientras que las que están en el centro permanecen en su lugar? La energía cinética que tiene la primera esfera mientras se columpia es transferida a la próxima esfera en la línea. Sin embargo, la próxima esfera no puede moverse porque la esfera próxima está en su camino. Como

Un péndulo de Newton es un juguete con esferas que cuelgan de un marco. La manera en que la energía es transferida de esfera a esfera es similar a la manera en que la energía es transferida cuando las moléculas colisionan.

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C2 Colisiones de moléculas y el péndulo de Newton

consecuencia, la esfera le transfiere la energía cinética a la próxima esfera sin moverse. La energía es de esta manera transferida a través de la fila de esferas hasta que llega a la última, la cual no está bloqueada por otra esfera. Esta se columpia hacia arriba y afuera hasta la misma altura y a la misma rapidez con la que la primera esfera se columpió de vuelta, y todo el proceso se repite en la dirección opuesta. Si alguna energía no fuera convertida en energía termal, las esferas continuarían moviéndose de esta manera para siempre, pero en la vida real bajan la rapidez y se detienen eventualmente.

Los conceptos de física que explican el péndulo de Newton explican también las colisiones entre moléculas. Cuando una molécula colisiona con otra, la energía es transferida desde una molécula a otra y ambas moléculas experimentan un cambio de energía cinética, tal como las esferas en el péndulo de Newton. Sabemos que han experimentado ese cambio porque cambian de dirección o rapidez. Sin embargo, la cantidad total de energía que tienen las dos moléculas no cambia. La energía no puede ser creada ni destruida, así que sabemos que solo es transferida de una molécula a otra durante la colisión.

Cuando jalas la esfera de un extremo del péndulo de Newton y luego la sueltas para que se columpie de vuelta y colisione con la esfera contigua, la esfera al otro extremo se columpia hacia arriba y afuera.

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