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EL TRABAJO DE LABORATORIO EN LA FORMACIÓN TERMODINÁMICA.
APRECIACIONES DE LOS ALUMNOS.
Apellido autor 1, Nombre autor 11; Apellido Autor 2, Nombre autor 22; Apellido Autor 3,
Nombre autor 33.
Institución autor 1; 2 Institución autor 2;
e-mail de uno de los autores.
1
3
Institución autor 3.
RESUMEN
Se comentan algunos pasos seguidos para implementación de un laboratorio
de termodinámica, en vistas de un cambio de estrategias para el desarrollo de
la materia. Se recogen luego de la experiencia desarrollada a lo largo de dos
cuatrimestres, las manifestaciones vertidas por los alumnos de ambos ciclos
recogidas a partir de la encuesta oficial de la facultad en que se implementó.
Se concluye en rescatar el grado de aceptación que la práctica de laboratorio
ha conseguido sobre los estudiantes y la necesidad de organizar nuevos ciclos
de investigación tendientes a lograr su optimización.
Palabras clave: laboratorio enseñanza termodinámica competencias.
LA NECESIDAD DE DESARROLLAR UN LABORATORIO
Este trabajo se desarrolla en el marco de un cambio de estrategias para el
desarrollo de Termodinámica, en una carrera de ingeniería. Por diversas
circunstancias, entre ellas los procesos de acreditación de las carreras de
ingeniería en el país, algunos planes de estudio han sido reestructurados.
Como consecuencia, Termodinámica ha debido absorber conceptos
correspondientes a una física del calor. De esta manera se deben desarrollar
en tan sólo un cuatrimestre, contenidos correspondientes a una física básica
del calor en el marco más general de una Termodinámica Técnica.
La nuevas tendencias a nivel mundial en cuanto a los procesos de enseñanza
aprendizaje, entre las que destacamos la formación en competencias [1][2], la
enseñanza para la comprensión [3], el aprendizaje activo [4], la indagación
guiada [5], otros, han puesto en evidencia la necesidad de analizar alternativas
de enseñanza más acordes a esta nueva realidad. En el contexto de la
formación de ingenieros, entre esas alternativas hemos tomado debida cuenta
sobre la necesidad de fortalecer las competencias de tipo prácticas, y entre
ellas se destacan las relacionadas con el trabajo de laboratorio.
Al hablar de trabajo de laboratorio, seguramente, que diferentes docentes
generarán diferentes representaciones del mismo. Con el fin de explicitar los
significados que le asignamos al trabajo de laboratorio, se iniciará la exposición
respondiendo a una pregunta ¿Qué entendemos por trabajo de laboratorio en
el marco de la enseñanza de la ciencia, y en particular de la Física como
materia formativa de futuros ingenieros?
En este contexto tomaremos la respuesta de Andrés Zuñeda [6], quien
considera como actividad de laboratorio, a aquellas actividades que involucran
el contacto con los objetos y fenómenos que son representados por conceptos
y modelos de la disciplina que le dan significado al mundo de los objetos. De
acuerdo a cómo se orienten están actividades, se pueden establecen diferentes
formas de trabajo de laboratorio. Tradicionalmente, se distinguen dos, las
demostraciones y los trabajos propiamente de laboratorio o experimentales.
Las primeras, por lo general, se desarrollan en el marco de las clases de teoría,
y casi siempre se limitan a ilustrar con situaciones reales algún contenido de la
clase. Los segundos tienen su propio tiempo y espacio, y generalmente, son
experimentos, es decir, fenómenos intencionalmente creados con la finalidad
de estudiar alguna relación entre variables, determinar alguna propiedad o
constante física, contrastar algún modelo físico, otros.
En 1997, la American Association of Physics Teachers (AAPT) [7] presentó un
artículo en el cual ratifica la importancia del trabajo de laboratorio en el
estudio de la física, pero a su vez demanda la necesidad de introducir cambios
en la enseñanza realizada en el laboratorio de los cursos introductorios en la
universidad. Para ello propone un conjunto de metas para la enseñanza en el
laboratorio:
I El arte de la experimentación (proporcionar experiencias significativas que
incluyan el diseño de experimentos vistos como investigaciones). Se diferencia
entre las demostraciones, los ejercicios de laboratorio y los experimentos de
laboratorio; siendo éstos últimos los que sugieren para los cursos de
laboratorio, los cuales estarían dirigidos a permitir que los estudiantes
aprendan a tomar decisiones en cuanto al diseño y contribución del
experimento, y reconozcan cómo los productos a obtener dependen de estas
decisiones.
II. Destrezas experimentales y analíticas. La AAPT considera inminente
aprender las destrezas básicas y las herramientas de la física experimental y
del análisis de datos. Sin embargo, en virtud de la gran cantidad de destrezas
existentes plantea la necesidad de precisar el objetivo de aprendizaje en cada
trabajo de laboratorio en atención al problema y a los equipos que se
disponga. Entre los tópicos que considera fundamentales están: manejo de
sistemas mecánicos, eléctricos, térmicos y ópticos; análisis de datos con
diferentes grados de sofisticación, desde lo cualitativo hasta lo cuantitativo;
formas de representación (gráficos, matemáticas) y transformación de datos y
sus relaciones; comprensión de las incertidumbres asociadas a las medidas, y
a su vez, comprensión de las limitaciones de los procesos medidas.
III. Aprendizaje conceptual. Si bien la AAPT diferencia los experimentos de
aquellas experiencias en donde se interacciona con el fenómeno para el
aprendizaje de conceptos, no descarta que los experimentos propuestos como
indagaciones, ayudan a los estudiantes en el dominio de los conceptos,
complementando el aprendizaje que han adquirido mediante las clases de
teoría, las demostraciones o la resolución de problemas.
IV. Comprendiendo el conocimiento base de la física. La propuesta está dirigida
a poner en evidencia la interrelación entre conceptos, hipótesis, teorías, y
observaciones, y la dificultad en separar las inferencias basadas en la teoría de
las derivadas de los datos. Es necesario que los estudiantes establezcan la
relación entre la experiencia concreta y las teorías científicas mediante los
trabajos de laboratorio.
V. Desarrollo de destrezas de aprendizaje colaborativo. La AAPT considera
fundamental para la vida, el desarrollo de destrezas complejas de interacción
social y de resolución de problemas en equipo, para lo cual, propone que el
trabajo de laboratorio en pequeños grupos colaborativos de calidad, es una
alternativa importante, dentro de la educación.
Las metas planteadas por la AAPT no difieren de las propuestas por otros
autores; en general, parece existir consenso en cuanto a la importancia de que
los trabajos de laboratorios sean experimentos de indagación, en donde, la
interrelación teoría- experimento sea evidente, y los aspectos de orden
metodológico propios del laboratorio adquieran significado, en el marco de los
modelos teóricos asumidos o construidos.
En el nivel de formación profesional (técnico o universitario) los trabajos de
laboratorio de física de los primeros años de formación, pueden tener metas
comunes que derivan del aprender física. Sin embargo, dependiendo del
futuro rol profesional de los estudiantes los trabajos de laboratorio pueden
estar contextualizados de manera diferente, o tener demandas específicas
propias del hacer de dicho profesional. Así, en la formación de científicos las
actividades de laboratorio deben también tener como propósito el aprender a
hacer ciencia [8].
Dentro de la formación de los profesores de ciencia, cuyo campo laboral les
exige enseñar ciencia, se tienen demandas diferentes. ¿Qué deberían aprender
en relación a la ciencia estos profesionales?, podríamos hacernos preguntas
abiertas como, los docentes:¿Deberían aprender a hacer ciencia’ o ¿deberían
aprender sobre la naturaleza de la ciencia?, ¿Deberían los docentes aprender a
enseñar ciencia en el contexto educativo? [8].
En la formación de ingenieros, los trabajos de laboratorio deberían partir de
situaciones problema con sabor a ingeniería cuya solución requiera del
conocimiento de la física y promueva el logro de las metas establecidas para el
laboratorio [9]. El ingeniero del mañana deberá tener una comprensión clara y
conocimientos firmes de modo que pueda comprender incluso los problemas
más complejos, formularlos e interpretar sus resultados [10].
La materia que a nosotros nos ocupa, Termodinámica, es la parte de Física que
más se apoya en Ingeniería, por ello es muy importante en la formación de
ingenieros. Las diferentes concepciones sobre enseñanza de las ciencias, y en
particular de Termodinámica clásica, se enfrentan hoy con una nueva realidad
tecnológica, social y cultural. La formación en competencias, la enseñanza
para la comprensión, el aprendizaje activo, aparecen como las corrientes más
aceptadas para superar los desafíos actuales y consideramos que en ese
sentido debemos orientar nuestras acciones.
Pero, históricamente, en nuestro espacio de trabajo no se ha priorizado el uso
del laboratorio. Un claro indicador era la ausencia de un laboratorio específico,
el grado de dispersión y la falta de mantenimiento del escaso material
existente, la ausencia total de actividades de este estilo en la materia.
A partir de nuestra tarea se ha gestionado una serie de recursos para el
equipamiento básico de un laboratorio y su posterior utilización, lo cual no
garantizaba por sí mismo la obtención de buenos resultados. En función de la
disponibilidad de equipos y la extensión horaria disponible, fue necesario
reflexionar sobre cuáles serían las actividades más apropiadas en función de la
teoría que se ofrece e indagar si las mejoras en los aprendizajes ocurren
según lo esperado, analizando para ello resultados inmediatos y diferidos.
En el año 2008, se presentó ante el Consejo Directivo de la facultad un
proyecto con los siguientes objetivos generales:
• Organizar un laboratorio de Termodinámica en la Facultad de Ingeniería.
• Contextualizar un conjunto de prácticas de laboratorio orientadas a la
formación básica en tópicos como Estado, Calor, Temperatura, Energía
interna, Entropía.
• Elaborar un conjunto de experiencias orientadas a la formación ingenieril:
determinación de exergías, ciclos termodinámicos, procesos frigoríficos,
climatización.
• Indagar la incidencia, en la comprensión Termodinámica, de la práctica de
laboratorio. Valorando en ese proceso la visión de los propios estudiantes.
Como resultado de esa labor, se seleccionaron y desarrollaron una treintena de
experiencias (ver anexo), aunque no siempre debidamente probadas frente a
los grupos de alumnos. Era el punto de inicio. De allí que, según lo sugiere la
AAPT, la premisa fue exponer ante los mismos la realidad del laboratorio y
proponer abiertamente la necesidad de “- ponerse el mameluco y comenzar a
trabajar”. El desafío propuesto sirvió, tal vez, para motivar al grupo llegando a
elaborar, entre aciertos y errores, actividades interesantes.
En nuestro ámbito, la meta referida de nutrir la enseñanza de Termodinámica
con el trabajo de laboratorio, comenzó a concretarse desde la presentación del
citado proyecto [11] y la decisión de la secretaría académica de otorgar su
colaboración al respecto, asignando un espacio físico, gestionando por su
intermedio recursos adicionales, etc. Como parte del plan de trabajo de la
asignatura, fueron presentadas respecto al plan anterior las siguientes
mejoras, en el cuatrimestre que acaba de concluir:
Se hace hincapié en el concepto de competencias.
• Formación lógico-deductiva: Conocimiento y empleo de expresiones
cuantitativas. Modelización de los fenómenos de la naturaleza. Profundidad en
la fundamentación teórica.
• Formación experimental de laboratorio: Diseño de experimentos. Análisis de
resultados.
• Resolución de problemas de ingeniería: Aplicación de conocimientos de
ciencias básicas.
• Experiencia en actividades de proyecto y diseño de sistemas, componentes o
procedimientos: Aplicación integrada de conceptos fundamentales de ciencias
básicas.
• Capacidad para la toma de decisiones.
• Habilidades para la comunicación escrita.
Por ello se acentúan:
el trabajo en el laboratorio de termodinámica,
el trabajo con problemas especiales (investigación, diseño, final abierto),
el uso de textos directivos,
el tiempo destinado a otras actividades, más allá de las clases magistrales,
el uso de programas informáticos,
la elaboración de informes.
LOS TRABAJOS DE LABORATORIO Y LA EVALUACIÖN DE LOS APRENDIZAJES
QUE PROMUEVEN
Un factor importante en el aprendizaje, y en particular en el aprendizaje de la
ciencia es la evaluación que se lleva a cabo. En relación con los trabajos
prácticos, cuando son desarrollados en el marco de un curso que incluye
diferentes tipos de actividades de enseñanza (exposiciones, resolución de
problemas, trabajos de laboratorio, otros) se observa que los trabajos de
laboratorio son prácticamente ignorados en las actividades de evaluación que
se practican en las aulas lo cual contribuye a que los estudiantes menosprecien
este tipo de trabajo y consideren que la inversión de tiempo es una pérdida
[6].
Por otra parte, la evaluación del aprendizaje adquirido con los trabajos
prácticos no puede realizarse con pruebas de papel y lápiz, ya que son en
esencia dos tareas diferentes, este tipo de práctica puede tener su origen en la
visión del trabajo de laboratorio como medio para enseñar teoría.
Pareciera entonces que hay necesidad de diseñar formas de evaluación ad hoc
para el trabajo práctico consistentes con el tipo de actividad y con las metas
que se pretende alcanzar con cada laboratorio. Algunas experiencias en este
sentido han sido desarrolladas en diferentes países, por ejemplo, se puede
mencionar la evaluación a través de los denominados portafolios, donde cada
estudiante va acumulando sus trabajos prácticos y anotaciones, y sobre los
cuales reflexiona en función de las metas de aprendizaje explícitas. También se
ha ensayado la evaluación progresiva, mediante observaciones por parte del
docente, de las ejecuciones de los estudiantes durante el desarrollo del trabajo
de laboratorio. En cualquier caso, la evaluación debe estar en función de los
objetivos de aprendizaje y difiere de la evaluación del aprendizaje que no
implica actividad práctica.
En nuestro caso, el sistema de evaluación se basa en la realización de dos
exámenes parciales, uno al finalizar el desarrollo de la Termodinámica Clásica
y otro al finalizar el desarrollo de la Termodinámica Técnica. Los mismos
constan de tres secciones: una parte de cuestiones teórico-prácticas de
carácter conceptual, con un valor del 30% en la nota final del examen, la
realización de problemas numéricos con un valor del 50% y las prácticas de
laboratorio correspondientes, el 20% de la nota final.
Para la presentación al examen teórico práctico, es condición necesaria, la
previa aprobación de la actividad de laboratorio. Su evaluación se basa en la
observación directa del desempeño del estudiante y en la defensa de los
informes requeridos (el estudiante presenta las experiencias realizadas, los
cálculos correspondientes y la discusión de los resultados),
Actividades complementarias:
Para una mejor contribución con las tareas de enseñanza aprendizaje, se
solicita periódicamente la presentación de los informes de laboratorio y de las
prácticas de problemas, debidamente resueltas. Siendo una valiosa
oportunidad para aclarar las cuestiones pendientes.
A efectos de atender situaciones de riesgo, el alumno involucrado y/o el
profesor pueden acordar clases especiales de consulta (tutorías).
Con carácter, en ocasiones, voluntario, se propone al alumno la realización de
problemas de aplicación con una especial dificultad, la realización de trabajos
monográficos de interés científico o tecnológico, o la presentación de una
colección de problemas adicional a cada tema.
La calificación de estas actividades servirá para ponderar la nota obtenida, de
acuerdo con el sistema de evaluación descrito en el apartado anterior y los
criterios de acreditación siguientes.
Dada la rigidez temporal del régimen cuatrimestral, se hizo necesario optimizar
el uso del tiempo. Una herramienta clave en dicho proceso, fue el estricto
cumplimiento del plan propuesto y la posibilidad de brindar a los estudiantes
una materia previamente elaborada mediante textos directivos y prácticas
ofrecidas con la debida anticipación.
Criterios de acreditación:
El estudiante debe demostrar un adecuado conocimiento de los pilares
termodinámicos: Estado, Primer Principio y Segundo Principio, y un desempeño
básico en las aplicaciones tecnológicas.
Se considera:
Promocionado: al estudiante que haya alcanzado en ambas instancias de
evaluación una calificación igual o superior a los cuatros puntos.
Regularizado∗: cuando no habiendo alcanzado la condición anterior, pero
participado activamente en el desarrollo del curso, haya presentado todos los
trabajos solicitados (informes de laboratorio, guías de ejercicios, problemas y
cuestiones debidamente resueltos, visitas, etc.). Los profesores pueden
realizar al respecto una serie de preguntas.
No regularizado: cuando no cumpla los requerimientos anteriores.
Ausente.
RESULTADOS
Nos ha sorprendido la actitud y el reconocimiento de los estudiantes, aún de
aquellos que eventualmente no promocionaron la materia. En las encuestas
realizadas a los alumnos, en virtud del sistema de seguimiento académico
establecido oportunamente por resolución del Consejo Directivo de la Facultad,
se reflejaban los siguientes reconocimientos y propuestas:
ENCUESTA PARA ESTUDIANTES
Esta encuesta tiene como objetivo conocer la opinión de los estudiantes
respecto de las prácticas educativas desarrolladas en un intento de aportar y
contribuir al sistema de seguimiento académico.
Obligaciones docentes:
El profesor cumple con el horario de clases asignado. Los auxiliares cumplen
con el horario de clases prácticas asignado. No se suspenden clases sin previo
aviso.
Metodología de enseñanza:
Se explica claramente el programa de la materia. Se recuperan en clase las
experiencias y conocimientos de asignaturas anteriores. El profesor explica de
manera sistemática y con claridad. Las clases evidencian elaboración y
organización.
Evaluación:
Se explican las formas de evaluación y los criterios de aprobación de la
materia. Se explica el sistema de calificación y la interpretación de la escala de
∗
según el régimen aprobado por el CD, la condición de regularizado permite cursar correlativas
pero no promocionar las mismas.
valor a utilizar. Se da a conocer las calificaciones en días posteriores
inmediatos al examen. Hay correspondencia entre los temas dados y los
temas evaluados.
Recursos materiales y bibliográficos:
Los recursos (textos, libros, web, apuntes, etc.) utilizados le sirvieron para los
temas tratados. La cantidad de recursos fue suficiente para atender los
diferentes temas abordados. La cantidad de recursos materiales (kit de
laboratorios, equipos, instrumentos, etc.) fue suficiente para atender las clases
prácticas.
Actitud del profesor:
Genera instancias de participación individual y/o grupal. Demuestra buena
voluntad y predisposición para contestar dudas. Tiene buen trato con los
alumnos.
Actitud del alumno:
Asisto a clases teóricas y soy puntual. Asisto a clases prácticas y soy puntual
Consulto mis dudas al profesor y/o auxiliares. Me esfuerzo para estar al día
con la materia.
Satisfacción del estudiante:
¿En qué medida está Ud. satisfecho con el desarrollo general de esta materia?
La encuesta oficial revela un 100% de conformidad respecto al dictado de la
materia.
Fundamente la respuesta dada anteriormente y si Ud. quisiera hacer algún otro
comentario o sugerencia puede utilizar el reverso de esta hoja.
Como resumen de los dos cursos en que fuera implementado el laboratorio y la
nueva metodología de enseñanza, en el reverso de la hoja se encontraron
comentarios como los siguientes:
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Reconocen un balance adecuado, en cantidad, alternancia, etc, entre teoría
y práctica: “… -la teoría es suficiente para abordar los temas”, “- la
presentación de los temas creo fue muy buena, el paralelismo permanente
entre la teoría y lo práctico, lo real, ayuda mucho mejor a la comprensión”
“-… privilegiando la interpretación de los conceptos frente a los desarrollos
matemáticos….”
Destacan la realización de visitas a efectos observar en la práctica los
fenómenos que se describen en la teoría.
Agradecen la introducción de trabajos y experiencias en el Laboratorio. (en
formación), el sistema experto utilizado para la resolución de algunos
problemas (Cyclepad, EES, TEST).
“-… se ve simultáneamente la teoría y la práctica en hechos reales. Es un
incentivo para seguir la materia. Así también es el caso de los problemas
de investigación, de diseño abierto,….”
“-… ayudan a que el alumno aprenda y salga de la monotonía de la
matemática.”
Señalan que no hay aspectos negativos.
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Sugieren que se pueda terminar de organizar la teoría al estilo en que lo
está la práctica (año 2008). Ya que esto les permite hacerse rápidamente
de los fundamentos y luego profundizarlos en el acervo bibliográfico.
La materia organizada de esta manera aparece como “una isla” entre
materias con un carácter tan marcadamente teórico, atendiendo esto a que
se está formando ingenieros.
Establecen comparaciones con cursos anteriores, a través de charlas con
otros estudiantes, destacando “… un giro positivo… ante una visión más
práctica de la termodinámica”
Destacan la motivación que despiertan las visitas y el laboratorio (“-…más
aún cuando ya se han cursado dos años de pura teoría”), “-… son
adecuadas y constructivas”
“- las dudas siempre fueron bien atendidas, con total disponibilidad”
Destacan “... la actitud positiva del profesor, siempre está dispuesto a
contestar dudas o ayudar a los alumnos, y es bueno que la actitud sea que
los alumnos aprendan… a veces dejada de lado por otros profesores”
“ la forma en que se planteó la práctica”, “… muy bien organizada la
práctica….”, “…los problemas plantean situaciones reales”
Destacan la utilización de un texto directivo en el desarrollo de la teoría “…permite un ritmo de trabajo más rápido y se asocian ideas de manera
más puntual
“… se ve la predisposición a responder consultas y sobre todo a apoyar al
alumno para que aprenda, utilizando las instancias de evaluación para
evaluar y no para castigar como suele ocurrir en otras materias.”
Presentan reiteradas críticas a otras materias, y hacia algunos colegas.
CONCLUSIONES
Para la AAPT, el éxito en el logro de los objetivos de laboratorio planteados se
demuestra por la comunicación de los resultados. Los estudiantes deben
desarrollar los conocimientos técnicos de manera clara, convincente
presentación de informes de diseño experimental, las observaciones, análisis y
conclusiones en una variedad de formatos que van desde discusiones
informales y presentaciones orales de los documentos oficiales e informes de
laboratorio que se adhieren a las directrices aceptadas para la presentación
formal. En ese sentido se sigue trabajando en procura de mejorar nuestra
actividad. Es necesario para nosotros, estimular el desarrollo del laboratorio
de física del calor y termodinámica. La investigación sobre la eficacia de
diferentes métodos de laboratorio para la enseñanza y el debate sobre las
ventajas relativas de los distintos enfoques son fundamentales para la mejora
de la enseñanza de laboratorio. Para ello se requieren adecuadas actividades
de reflexión y planificación.
Nuestra experiencia nos ha demostrado que es preciso sincerar ante los
alumnos las reales posibilidades del medio y el grado de avance real,
generando actitudes comprometidas con el desarrollo del curso.
A través del análisis cualitativo de la información recopilada, se pusieron de
manifiesto indicadores suficientes para reconocer una mejora significativa en
los desempeños de comprensión del grupo piloto en relación con el grupo
testigo. Entre esos indicadores podemos destacar: los resultados de las
evaluaciones formales, la observación participante, la indagación al estudiante,
la calidad de los informes elaborados, la disposición positiva, la defensa de sus
ideas, etc. Se espera realizar mediciones diferidas en el tiempo, a efectos
obtener nuevos datos que contribuyan a un nuevo ciclo de investigación.
BIBLIOGRAFÍA
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[11] GAGO L, STARK N, MONGELLI M, (2008) El Trabajo de Laboratorio en el
Desarrollo de Competencias y la Comprensión Termodinámica.
Fac Ing
UNLPam
Actividades para el Laboratorio de Termodinámica
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Normas Generales
Instrumentación- Errores – Teoría de medidas.
Temperatura I – Generalidades
Temperatura II – Termometría
Termómetro de gas a presión constante – a volumen constante
Presión - Manómetro de Bourdon
Presión – Barómetro de Mercurio
Masa - Balanza de platos
Equivalente en agua de un calorímetro
Calor específico de un sólido
Calor de fusión del hielo
Calor de vaporización del agua
Equivalente mecánico del calor – Ley de Joule
Calor de disolución de una sal.
Gas ideal – Ley de Boyle Mariotte
Gas ideal – Ley de Charles
Constante adiabática- Experiencia de Clement Desormes
Dilatación Térmica
Tensión Superficial
Máquina Térmica y Diferencia de Temperatura
Rendimiento de una Máquina Térmica (Estudio detallado)
Eficiencia de una Bomba de Calor
Máquina Térmica – Carga para un óptimo desempeño
Termoelectricidad Efectos Seebeck y Peltier
Motor Stirling
Rendimiento Exergético
Ciclo Joule Brayton
Psicrometría
Acondicionador de aire
Conductividad Térmica
Radiación Térmica
Células de combustible
Capacitor térmico.
e. o.