Il primo principio della termodinamica

Percorso collegato al Capitolo 14 del volume Dialogo con la Fisica – Secondo biennio e quinto anno, di James S. Walker.

Capitolo 14 Il primo principio della termodinamica

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 14 del volume 2, Il primo principio della termodinamica, mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per i docenti e gli studenti sia sotto forma di libro digitale statico (ITE), sia sotto forma di libro liquido (ITE plus) e costituisce una solida base dalla quale partire per condividere sia le pagine da studiare, sia le risorse digitali correlate.
Per semplificare il lavoro, i link qui forniti consentono l’attivazione diretta di tutti i materiali, che sono reperibili anche accedendo a My Pearson Place con il codice associato al volume.
Ricordiamo che l’intera Guida per il docente in formato PDF è scaricabile dall’ITE (Area docenti).

Per cominciare: preparare i materiali

Da questo link è possibile scaricare le Lezioni in Power Point, un unico file relativo all’intero capitolo, organizzato per paragrafi, che può essere adattato e modificato a proprio piacimento, eventualmente estrapolando i contenuti relativi a uno o più paragrafi.
Facciamo presente che le slide contengono, oltre a un’esposizione sintetica della teoria, anche l’intero testo dei Problem solving nell’ordine in cui compaiono nel volume.

Ricordiamo che è possibile registrare la propria voce sulle slide in PPT (scarica il PDF per vedere come fare) ed esportare un video da condividere con gli studenti nella modalità concordata con la scuola per erogare le lezioni a distanza.

Consigliamo di prevedere dei momenti di “lezione frontale” in formato video (in diretta o registrati), della durata massima di 10-15 minuti, intervallati da momenti esercitativi o di confronto, come proposto di seguito per i paragrafi considerati.

Paragrafo 1. Introduzione alla termodinamica

In questo primo paragrafo si definiscono alcuni concetti fondamentali della termodinamica. Vale la pena soffermarsi in particolare sulla distinzione tra sistema chiuso, aperto e isolato, concetto che ricorre in tutta la termodinamica ed è spesso fonte di fraintendimenti per i ragazzi. Lo si può fare con l'aiuto della figura 1 Sistemi aperti, chiusi e isolati, semplice ma efficace, riportata sulle slide.
Il principio zero della termodinamica, che completa il paragrafo, formalizza una proprietà piuttosto intuitiva.
Se lo si ritiene utile, a completamento di questo paragrafo di avvio si può suggerire ai ragazzi l'ascolto della breve introduzione proposta dal Politecnico di Milano nel video Introduzione alla termodinamica, in cui si sottolinea la necessità, nello studio dei fenomeni termodinamici, di un approccio diverso da quello microscopico, e quindi di nuove grandezze e nuovi metodi.

Paragrafo 2. Il primo principio della termodinamica

La spiegazione del primo principio della termodinamica si può basare sull'analisi delle figure 4 e 5, che permettono di ricavare per gradi la relazione che sussiste tra energia interna, calore e lavoro di un sistema termodinamico. La figura 5 Relazione tra lavoro ed energia interna di un sistema termodinamico è disponibile anche in modalità video e può essere visualizzata durante la spiegazione.
Una volta esaminata l'equazione del primo principio, è importante soffermarsi sui segni delle grandezze.
Utile anche sottolineare il significato del primo principio come principio di conservazione dell'energia. Per dare risalto a questo punto si può chiedere ai ragazzi di pensare ed enumerare gli altri principi di conservazione visti nel corso dei loro studi di fisica.

La lezione può proseguire con lo studio del Problem solving 1 Jogging sulla spiaggia, interamente riportato sulle slide. Lo si può analizzare insieme ai ragazzi e poi, al termine, si può assegnare loro il Prova tu, che permette di cimentarsi in un problema analogo con dati diversi. Si può lasciare un tempo stabilito e poi confrontare le soluzioni raccogliendo eventuali dubbi che fossero emersi nel corso dello svolgimento.

Il paragrafo contiene anche un cenno a un problema storico, quello del moto perpetuo. Per parlarne si può assegnare a casa la scheda Dialogo con la storia Il moto perpetuo e le relative domande, che esplorano gli aspetti storici e i risvolti culturali dell'argomento. Se lo si ritiene utile, si può suggerire inoltre la visione del video PBS Are perpetual motion machines possible? (primi 2 minuti e 30; in inglese con sottotitoli in italiano). La disamina delle risposte e i commenti al video potranno animare un dibattito live sul moto perpetuo e il primo principio della termodinamica.

Paragrafo 3. Trasformazioni termodinamiche

Argomento di questo paragrafo è la definizione di trasformazioni reversibili e irreversibili. È facile trovare esempi di trasformazioni irreversibili, che sono quelle che comunemente si osservano nella realtà; meno facile è capire che cosa si intende per trasformazioni reversibili, perché si tratta di astrazioni, di approssimazioni utili alla descrizione di leggi termodinamiche. Nella spiegazione di questi concetti ci si può avvalere della Figura animata 8 Una trasformazione reversibile ideale.

Paragrafo 4. Trasformazione isobara

Questo paragrafo è il primo di quattro dedicati ai tipi di trasformazioni termodinamiche. L'etimologia potrà chiarire subito ai ragazzi che nelle trasformazioni isobare la pressione si mantiene costante. La Figura animata 9 Lavoro in una trasformazione isobara illustra l'espansione/compressione di un gas che assorbe/cede calore e compie un lavoro positivo/negativo. Fondamentale è l'analisi dei diagrammi p-V e la loro interpretazione matematica: le slide ne riportano diversi, non sono solo per trasformazioni isobare, ma anche per altri tipi di trasformazione.
Per esercitarsi a ricavare il lavoro come area sottesa dal grafico in un diagramma p-V si può illustrare passo passo la scheda Problem solving 2 Area di lavoro. Anche in questo caso, al termine si potrà proporre ai ragazzi di cimentarsi con il Prova tu e di ritrovarsi poi per confrontare i risultati ed eventuali difficoltà.

Paragrafo 5. Trasformazione isocora

Anche per le trasformazioni isocore si può seguire lo stesso schema seguito per il paragrafo sulle trasformazioni isobare: riflessione sull'etimologia del termine, visualizzazione della Figura animata 15 Lavoro in una trasformazione isocora, analisi del diagramma p-V e introduzione della grandezza calore molare a volume costante.
Per la parte applicativa si può assegnare ai ragazzi il problema Applica subito proposto al termine del paragrafo, chiedendo loro di provare a risolverlo senza guardare lo svolgimento e di consultarlo solo per controllare, alla fine, la correttezza del procedimento.

Paragrafo 6. Trasformazione isoterma

Le trasformazioni isoterme, il cui diagramma p-V è un ramo di iperbole equilatera e il cui lavoro è una funzione logaritmica del volume, offrono lo spunto per un approfondimento interdisciplinare di matematica: per questo si potrebbe pensare a una lezione in modalità capovolta, chiedendo a un gruppo di due o tre ragazzi di ripassare le proprietà dell'iperbole equilatera, che dovrebbero aver studiato nell'ambito della geometria analitica, riportarle su una slide di sintesi con opportune immagini reperite in rete ed esporle ai compagni in una videolezione condotta da loro; lo stesso potrebbe fare un altro gruppo con le proprietà del logaritmo naturale, che compare nell'espressione del lavoro.

La spiegazione delle trasformazioni isoterme si potrà avvalere come sempre dell'ausilio delle slide, mentre per lo studio a casa si può segnalare il video del Politecnico di Milano Trasformazioni di un gas ideale: i primi 4:30 minuti offrono un'esposizione delle trasformazioni isoterme chiara e alla portata dei ragazzi di una scuola secondaria.

Paragrafo 7. Trasformazione adiabatica

Nel corso della spiegazione sulle trasformazioni adiabatiche si può attivare la Figura animata 21 Una trasformazione adiabatica, in cui è mostrato un cilindro a pistone termicamente isolato dall'ambiente che va incontro a una compressione e a una dilatazione, con conseguenti variazioni di temperatura e pressione. Nella figura animata è mostrato anche il diagramma di questo tipo di trasformazioni nel piano p-V: è bene osservare insieme ai ragazzi che la curva assomiglia a un'iperbole, ma non lo è, come si può facilmente dedurre osservando l'espressione della legge: non PV = costante come per l'isoterma, ma PVγ = costante.

Bisognerà poi soffermarsi sulla natura dell'esponente gamma e sulla sua validità per gas ideali monoatomici o biatomici. Questo potrebbe essere lo spunto per una breve incursione interdisciplinare nella chimica. I ragazzi potrebbero documentarsi a casa sui gas monoatomici preparandosi sui seguenti punti:

- Come è fatta la molecola di un gas monoatomico.
- Quali sono in natura i gas monoatomici.
- Come è fatta la molecola dei principali gas che costituiscono la miscela dell'aria: N2, O2, CO2, Ar.

Nella lezione successiva si potrebbero riprendere questi concetti per capire come si applicano nello studio dell'energia di un sistema termodinamico. Nel confronto che ne potrebbe nascere si potrebbe inserire anche una riflessione sul valore dei modelli in fisica e ricordare i modelli di corpo puntiforme e corpo rigido già visti nell'ambito della cinematica e della dinamica.

Per l'applicazione dei concetti che riguardano le trasformazioni adiabatiche si suggerisce di illustrare passo passo la scheda del Problem solving 3 Compressione adiabatica ed energia interna, interamente riportata sulle slide. Al termine, come sempre, si può dare ai ragazzi un tempo stabilito per risolvere il Prova tu e poi chiedere a due o tre di loro di illustrare il proprio svolgimento.

Infine, per riassumere le proprietà di tutte le trasformazioni viste si può fare riferimento alla tabella Trasformazioni termodinamiche di un gas ideale monoatomico, con cui si conclude la serie di slide di questa lezione. La stessa tabella può essere un utile strumento anche per lo studio a casa.

Per il ripasso e la verifica in autonomia

Al termine di ciascuna lezione o di un gruppo di lezioni lo studente può avvalersi di una serie di strumenti multimediali per il ripasso e la verifica, assegnabili di volta in volta al momento opportuno e accessibili dall’ITE (libro digitale).

Per il ripasso è disponibile l’Audiosintesi (testo illustrato + audio) di tutti i paragrafi. 

Per l’autoverifica in autonomia è disponibile il Test interattivo di fine capitolo.

E inoltre in My Pearson Place…

Invitiamo a esplorare tutti i materiali associati all’opera in adozione dalla pagina di ingresso al prodotto in My Pearson Place.

Da qui è possibile accedere, in particolare:
• all’intera Guida per il docente in formato PDF;
• a un ricco Crea Verifiche, con il quale comporre verifiche personalizzate, selezionando gli esercizi per argomento e per livello di difficoltà, ed esportando i file in formato .docx;
• al Didastore, dove ad esempio, nell’Area docente, sono disponibili le stesse verifiche fornite in Guida in formato editabile (docx), e nella sezione Palestra sono disponibili ulteriori batterie di test, tutti con autocorrezione.

La lezione è offerta dalla redazione di Pearson per le Scienze, il nuovo marchio editoriale per l'area scientifica della Scuola secondaria, nell'ambito del progetto Pearson Kilometro Zero, imparare e formarsi a distanza.

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