En la convocatoria de la Escuela de Ingenieros Aeronáuticos y del Espacio (en adelante EIAE), para las ayudas a la innovación educativa y a la mejora de la calidad de la enseñanza del año 2011, se reconoce como objetivo número 5 el “reforzamiento de la orientación práctica de la enseñanza”, contemplando para ello la “implementación de infraestructuras e-labs”, el “desarrollo de contenidos para experiencias prácticas en e-labs”, y el “desarrollo de prácticas de laboratorio convencional con metodología en red”. En respuesta a dicha convocatoria se presenta en este documento una propuesta docente que pretender avanzar en tal dirección, cuyo objetivo inmediato es la implementación y desarrollo de una práctica real de laboratorio que pueda ser accesible (en términos de control y medida) a larga distancia desde un ordenador (internet); es decir: una e-lab. Físicamente la práctica se llevaría a cabo en el laboratorio de Termodinámica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos y estaría accesible, mediante un ordenador conectado a la red, por los alumnos matriculados en la asignatura de Termodinámica impartida en la EIAE. El instrumental o equipamiento que aparezca en la pantalla de su ordenador corresponderá a un equipo real que en ese instante realiza las acciones de control y medida que se le están indicando. Mediante esta práctica se conseguirían ciertos objetivos que la diferencian de las prácticas presenciales. Entre otros,

• Dar mayor responsabilidad al alumno en el aprendizaje. En este caso el rol del profesor pasa a ser el de facilitador de competencias y organizador de contenidos.

• Flexibilidad para el alumno. La práctica podría estar operativa durante 24 horas al día, lo que además redunda en una mayor capacidad potencial de alumnos que pudiesen realizar la práctica.

• El alumno podría repetir la práctica varias veces si tiene el interés y la curiosidad de comprobar y/o descubrir múltiples aspectos de la misma.

Para que esta propuesta llegue a ser una realidad es necesario adquirir ciertos equipos de laboratorio para los que se solicita ayuda económica. Esta propuesta está realizada por un equipo de docentes de las asignaturas de Termodinámica y Termodinámica Aplicada de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos. En concreto los profesores Antonio Barrero Gil, Isabel Pérez Grande, y José Granha Otero, siendo el coordinador el profesor Antonio Barrero Gil.

(I) Descripción de la práctica y fundamento teórico

El objetivo de la e-lab es la caracterización dinámica de un termómetro. Para ello se efectúan cambios bruscos en la temperatura y se registra la evolución temporal de la temperatura que mide el termómetro hasta alcanzar una nueva situación de equilibrio estático (temperatura constante). Es evidente que este proceso de transición al equilibrio está gobernado por un sistema de ecuaciones de conservación (masa, cantidad de movimiento y energía) muy complejo de resolver analíticamente o numéricamente. Un modelo fenomenológico simplificado pasa por considerar que entre el termómetro a temperatura T  (sonda de determinada superficie A , masa m  y capacidad térmica c) y el medio circundante a temperatura T_e  existe una delgada capa de transición (capa límite) donde tiene lugar la transferencia de calor por convección principalmente [se desprecian efectos de radiación en primera instancia]. Entonces, en primera aproximación, se puede establecer un balance entre la variación de energía en la unidad de tiempo en la sonda y la que le llega por convección a través de su superficie, de manera que,

mdT/dt=hA(T_e-T)     (1)

 donde h es un coeficiente de transferencia de calor por convección que, lejos de ser constante, depende de varios parámetros (siendo habitualmente el más significativo el número de Reynolds). Ahora bien, si la diferencia de temperaturas  T_e-T es pequeña es razonable considerarlo, en primera instancia, como constante. Entonces, si T_e es además constante, la Eq. 1 es una ecuación diferencial ordinaria de primer orden cuya solución, bien conocida, viene dada como,

T(t)=T_e-[T_e-T(0)]e^{-t/\tau} (2)

 Aquí, T(0)  es la temperatura inicial de la sonda y \tau=mc/(hA)  es la denominada constante de tiempo (nótese que tiene dimensiones de tiempo), que es un parámetro indicativo de la velocidad del proceso de equilibrio y que depende de las características del termómetro y del medio circundante. Podemos escribir \tau=CR  donde el parámetro C=mc  está asociado al termómetro y R=1/(hA) sería un parámetro asociado a las características del medio circundante.

La ecuación (2) proporciona por tanto un método experimental para determinar \tau  si se provoca un salto escalón de temperatura y se registra la evolución temporal de la temperatura hasta alcanzarse el nuevo estado de equilibrio.

(II) Aparato experimental.

La práctica consta de un baño térmico (A) [vasija con una determinada cantidad de agua (250 ml aproximadamente)], 2 termopares (B), cada uno de ellos con una relación superficie/volumen de sonda diferente, una guía lineal motorizada (C), una tarjeta para adquisición de datos y control del sistema de calentamiento (D) y de la guía, así como un ordenador conectado a una red de datos (internet) (E), con webcam. Además habrá distintos elementos de control y seguridad, como un sensor de nivel de agua (F), y un sensor de la temperatura del baño (G); véase Fig. 1.

(III) Realización de la práctica

Una vez que el alumno se conecte al ordenador que gestiona la práctica (se le proporcionará una dirección IP para ello) verá en la pantalla una interfaz (es la interfaz del programa que controla desde el ordenador del laboratorio el experimento). Podrá observar, entre otras cosas, la temperatura que marcan todos los termopares, la temperatura del agua, y el nivel de la misma. A continuación el alumno deberá imponer la temperatura del baño de agua (nunca podrá indicar una temperatura superior a 80 ºC, si lo hiciese le aparecería un aviso en la pantalla), y accionar en la interfaz el botón de calentado. En ese momento, a través de una de las salidas analógicas de la tarjeta de adquisición, se enviará la señal al calentador que se encenderá. El alumno podrá observar en un cuadro de la interfaz  cómo cambia la temperatura del baño. Cuando se haya alcanzado el valor de consigna un aviso aparecerá en pantalla. Entonces el alumno podrá proceder a aplicar el salto escalón de temperatura y registrar la evolución temporal de ésta aplicando un botón. Tras aplicar el botón, un comando mandado a través del puerto serie RS-232 moverá la guía lineal hacia arriba (o hacia abajo) hasta sacar (introducir) los termopares del baño y dejarlos expuestos al aire (agua); es decir se ha provocado un salto escalón. Al mismo tiempo la tarjeta de adquisición estará adquiriendo las señales de los termopares a caracterizar dinámicamente. Al finalizar el proceso, se grabará en el ordenador un fichero con las temperaturas de los termopares en cada instante de tiempo, que podrá el alumno descargarse para su posterior análisis. Finalmente, se incluirá un cuestionario dirigido al alumno, donde podrá comentar aspectos técnicos y operacionales. Además se pretende incorporar un registro para obtener información estadística que pueda resultar de interés (por ejemplo, horario de conexión preferido).

(IV) Cronograma de trabajo

Se contemplan las siguientes tareas:

1. Petición de ofertas y adquisición de material de laboratorio necesario (objeto de esta propuesta).

2. Recepción de dicho material y prueba de su adecuado funcionamiento.

3. Desarrollo del software de control y adquisición [será realizado con la ayuda del software MATLAB, desarrollando un ejecutable con interfaz gráfica (GUIDE)].

4. Montaje de la práctica.

5. Período de pruebas. Acceso remoto.

6. Acceso de la práctica por parte del alumnado.

Se estima que estas tareas podrían estar terminadas en un plazo no superior a los tres meses desde que la subvención está disponible por parte de los peticionarios.

Tal como se ha comentado, el aparato experimental para la realización de la práctica estará situado en el laboratorio de Termodinámica de la EIAE. Estarán responsabilizados de su desarrollo y funcionamiento los profesores Antonio Barrero Gil, Isabel Pérez Grande y José Granha Otero, siendo el coordinador el profesor Antonio Barrero Gil, y responsable primero de la planificación, organización, dirección y control de los recursos para lograr el objetivo que persigue esta propuesta. Asimismo se cuenta con el soporte del personal laboral adscrito al laboratorio y se contempla la incorporación de un becario, que realizaría tareas de apoyo al desarrollo y buen funcionamiento de la práctica. Para un adecuado seguimiento del proyecto se prevé realizar reuniones periódicas entre el grupo de trabajo, donde se analizarán las actuaciones realizadas hasta la fecha y se elaborará una lista de nuevas acciones.

(I) Viabilidad

El grupo de trabajo, y en concreto el plantel formado por los tres profesores mencionados en esta propuesta tiene acreditada experiencia previa en el desarrollo y manipulación de equipos de laboratorio, adquisición de datos, control de instrumentos electrónicos, programación, etc.

(II) Evaluación

Para evaluar el proyecto, se propone al alumno  un cuestionario, donde podrá comentar aspectos técnicos y operacionales y plantear sugerencias. Además se pretende incorporar un registro para obtener información estadística que pueda resultar de interés (número de conexiones semanales, horario de conexión preferido, etc.).