Le leggi della termodinamica

Percorso collegato al Capitolo 10 del volume 1 FISICA. Modelli teorici e problem solving - Secondo biennio e quinto anno, di James S. Walker.

Capitolo 10 Le leggi della termodinamica

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 10 Le leggi della termodinamica mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per 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.

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 paragrafo introduttivo si definiscono i concetti fondanti della termodinamica e il principio zero. Vale la pena di soffermarsi sulla definizione di calore, che non corrisponde esattamente a ciò che si intende nel linguaggio comune: il calore non è contenuto all'interno di un corpo, ma è la forma di energia che si trasferisce da un corpo a un altro quando i due corpi si trovano a temperature diverse.
Il principio zero è piuttosto intuitivo e si presta a essere verificato sperimentalmente. Il testo propone l'attività di Laboratorio PLUS L'equilibrio termico: nell'impossibilità di accedere a un laboratorio, offre comunque uno spunto per proporre un esperimento "qualitativo" da svolgere con del materiale che i ragazzi possono trovare a casa: due recipienti uguali, dell'acqua, un fornello o il forno a microonde, un termometro. Si potrebbe suggerire di mettere uno dei due contenitori in frigorifero (e considerare quindi che la sua temperatura sia quella dichiarata dal display del frigorifero) e scaldare l'altro in modo che raggiunga una temperatura misurabile con il termometro (al massimo 40 °C); poi si dovrebbe versare con attenzione l'acqua fredda nel contenitore di acqua calda e attendere l'equilibrio. Perché l'esperienza fosse quantitativamente attendibile, il recipiente dovrebbe essere isolato; si dovrebbe quindi disporre di un thermos oppure creare un isolamento posticcio con degli stracci. In mancanza di strumentazione adeguata, si potrà comunque apprezzare il fenomeno dal punto di vista qualitativo. Una volta raggiunto l'equilibrio, la temperatura, da misurare con il termometro, dovrebbe essere approssimativamente quella indicata dalla formula.
I ragazzi possono filmare o fotografare le fasi salienti dell'esperienza e condividerle con i compagni su una chat di classe; i commenti ai materiali inviati possono fare da spunto per un confronto aperto sul concetto di equilibrio termico (e di errore sperimentale!)

Paragrafo 2 Il primo principio della termodinamica

La lezione sul primo principio della termodinamica si può sviluppare intorno alle due figure riportate sulle slide: Figura 3 Relazione tra calore ed energia interna di un sistema, e Figura 4 Relazione tra lavoro ed energia interna di un sistema disponibile anche in formato video.
Combinando le due relazioni per una generica trasformazione, si giunge a formulare l'equazione del primo principio.
Importante sottolineare il significato dei segni nell'equazione e il valore del primo principio come legge di conservazione dell'energia. Per dare risalto a quest'ultimo punto si potrebbe chiedere ai ragazzi di pensare agli altri principi di conservazione già visti nel corso dei loro studi di fisica.
L'analisi passo passo del Problem solving 1 Jogging sulla spiaggia, interamente riportato sulle slide, permette di vedere applicato il primo principio della termodinamica a un problema tipico. Al termine si suggerisce di assegnare il Prova tu ai ragazzi, dando loro un tempo stabilito per risolverlo durante la lezione e verificando alla fine la strategia risolutiva di due o tre studenti.
Il box Real Physics proposto nel paragrafo pone un quesito sul moto perpetuo, un concetto rilevante nella storia della fisica e dello sviluppo tecnologico. Per rispondere e approfondire l'argomento si può proporre ai ragazzi il video PBS Are perpetual motion machines possible? (primi 2 minuti e 30; in inglese con possibilità di impostare i sottotitoli in italiano). Alla lezione sincrona successiva, i commenti al video potranno animare un dibattito sul moto perpetuo e sul primo principio della termodinamica.

Paragrafo 3 Trasformazioni termodinamiche

Argomento di questo breve paragrafo è la definizione di trasformazioni reversibili e irreversibili. La distinzione può costituire uno scoglio per la comprensione della termodinamica ed è quindi utile soffermarsi su di essa. È facile trovare esempi di trasformazioni irreversibili, che sono quelle che comunemente si osservano nella realtà; meno facile sarà far capire agli studenti che cosa si intende per trasformazioni reversibili, perché si tratta di astrazioni, di approssimazioni utili alla descrizione di certe leggi termodinamiche. Nella spiegazione di questi concetti ci si può avvalere della Figura 6 Una trasformazione reversibile ideale, disponibile in formato video e attivabile nel corso di una videolezione.

Paragrafo 4 Trasformazione isobara

Questo paragrafo è il primo di quattro dedicati ai principali tipi di trasformazioni termodinamiche.
L'etimologia può chiarire subito ai ragazzi che nelle trasformazioni isobare la pressione si mantiene costante. La Figura 7 Lavoro in una trasformazione isobara, disponibile anche in formato video, 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. A questo proposito, è presto per parlare di calcolo infinitesimale, ma è comunque utile far osservare ai ragazzi la tecnica di suddividere in rettangoli la superficie sottesa da una curva per calcolarne l'area e far notare loro che questa tecnica è tanto più attendibile quanto più piccola è la base dei rettangoli. L'osservazione prepara il terreno per la futura interpretazione geometrica dell'integrale definito che i ragazzi affronteranno nei loro studi di matematica dell'ultimo anno.
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 agli studenti di cimentarsi nel Prova tu e di ritrovarsi poi per confrontare i risultati ed eventuali difficoltà.
Il calcolo del calore specifico molare di un gas monoatomico a pressione costante è un'utile applicazione delle principali leggi e proprietà dei gas studiate fin qui. Mentre lo si espone si può chiedere il contributo dei ragazzi per ricordare tutti i concetti e le formule necessarie: la formulazione del primo principio della termodinamica, la legge dei gas perfetti, l'espressione della quantità di calore corrispondente a una differenza di temperatura data.

Paragrafo 5 Trasformazione isocora

Anche per questo tipo di trasformazione si può iniziare la spiegazione facendo notare l'etimologia del termine isocora, che indica processi a volume costante.
La spiegazione può svilupparsi a partire dalla Figura 13 Lavoro in una trasformazione isocora, disponibile in formato video, che illustra come in una trasformazione isocora il lavoro compiuto dal o sul sistema sia nullo; i trasferimenti di energia si traducono quindi soltanto in una variazione dell'energia interna del gas: un aumento se il gas assorbe calore, una diminuzione se lo cede.
Una volta calcolato il calore specifico molare a volume costante, si può chiedere agli studenti di riflettere sui due valori - a pressione e a volume costante - e sul perché uno sia maggiore dell'altro. Se lo si ritiene utile, inoltre, si può proporre a un gruppetto di studenti di approfondire il tema dei calori specifici molari nei gas biatomici, un tema che coinvolge il concetto di grado di libertà e consente di riflettere sui due modelli fisici di riferimento per le molecole monoatomiche o biatomiche - il punto materiale e il corpo rigido. Gli studenti incaricati dell'approfondimento potrebbero preparare una o due slide e illustrare le loro scoperte ai compagni in una breve videolezione tenuta da loro stessi.

Paragrafo 6 Trasformazione isoterma

Le trasformazioni isoterme, per le quali il diagramma p-V è un ramo di iperbole equilatera e il 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 piccolo gruppo di studenti (2 o 3) di ripassare le proprietà dell'iperbole equilatera, che dovrebbero aver già studiato nell'ambito della geometria analitica, riportarle su una slide di sintesi con opportune immagini, reperite in rete o autoprodotte, ed esporle ai compagni in una videolezione condotta da loro stessi; analogamente, un altro gruppo potrebbe dedicarsi alle proprietà del logaritmo naturale, che compare nell'espressione del lavoro.

La spiegazione delle trasformazioni isoterme si potrà avvalere come sempre dell'ausilio delle slide. Su di esse è riportato per intero il Problem solving 3 Quanto calore?, in cui si spiega passo passo come calcolare la quantità di calore che produce un'espansione a temperatura costante. Lo si può spiegare ai ragazzi durante una lezione sincrona e, al termine, si può chiedere loro di cimentarsi nel Prova tu: come sempre si suggerisce di far svolgere quest'ultimo in un tempo stabilito e di fare delle domande allo scadere del tempo per verificare il corretto svolgimento e la comprensione dei concetti coinvolti.

Per rinforzare lo studio a casa si può segnalare il video del Politecnico di Milano Trasformazioni di un gas ideale: i primi 4 minuti offrono un'esposizione delle trasformazioni isoterme chiara e alla portata dei ragazzi della scuola secondaria di secondo grado.

Paragrafo 7 Trasformazione adiabatica

Nel corso della spiegazione sulle trasformazioni adiabatiche si può attivare il video relativo alla Figura 19 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 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 analizzando l'espressione della legge: non PV = costante come per l'isoterma, ma PVγ = costante.
Per l'applicazione dei concetti che riguardano le trasformazioni adiabatiche si suggerisce di illustrare il Problem solving 4 Compressione adiabatica ed energia interna e il Problem solving 5 Riscaldamento adiabatico; in entrambi i casi, le schede meritano di essere analizzate passo passo facendo svolgere il Prova tu ai ragazzi.
Al termine del paragrafo il testo propone uno spunto di applicazione a un fenomeno naturale, che è quello del vento caldo favonio (Föhn): se lo si ritiene utile, si può affidare ai ragazzi una breve ricerca che permetta loro di rispondere consapevolmente alla domanda riportata sulle slide; in particolare, gli studenti dovrebbero saper dire perché il vento favonio può essere considerato un fenomeno adiabatico.

Paragrafo 8 Il secondo principio della termodinamica

Del secondo principio della termodinamica si forniscono l'enunciato di Clausius e quello di Kelvin. Il primo è schematizzato nella Figura 23 Enunciato di Clausius, disponibile in formato video e attivabile nel corso di una videolezione. Per la spiegazione del secondo si può fare riferimento alla Figura 24 Funzionamento di una macchina a vapore, che mostra il principio di funzionamento di una macchina termica, e alla Figura 25, che lo schematizza.
Il testo illustra la dimostrazione dell’equivalenza dei due enunciati con un procedimento per assurdo: se si nega uno dei due enunciati, anche l'altro risulta falso.
Il secondo principio della termodinamica si può "leggere" anche nella definizione di rendimento: è utile far osservare che se fosse possibile trasformare in lavoro tutto il calore prelevato da una sorgente calda, il rendimento sarebbe uguale a 1, mentre esso è minore di 1 per qualunque macchina termica, in accordo con il secondo principio.
Il Problem solving 6 Il calore che diventa lavoro è utile per capire bene la relazione tra calore assorbito, calore ceduto, lavoro e rendimento di una macchina: è riportato sulle slide e può essere analizzato passo passo con i ragazzi.

Paragrafo 9 I cicli termodinamici

Oggetto di questo paragrafo è il contributo alla termodinamica di Sadi Carnot: si esamina il ciclo di Carnot, che definisce le fasi del ciclo di una macchina ideale e il suo teorema sul massimo rendimento di una macchina.
Per descrivere le macchine frigorifere si può fare riferimento alla Figura 29 Confronto tra macchina termica e frigorifero, che ne illustra il principio di funzionamento, confrontato a quello delle macchine termiche.
Per aiutare i ragazzi a fissare le idee può essere utile porre loro i quesiti dei box Real physics riportati sulle slide: ne può nascere un dibattito aperto utile per intercettare dubbi ed eventuali fraintendimenti.
Per sostenere lo studio a casa si può segnalare il documentario di RaiScuola Sadi Nicholas Carnot, La macchina termica. L'universo della meccanica, che ripercorre la vita di Carnot e le sue importanti intuizioni. Per la parte applicativa, si suggerisce invece di raccomandare agli studenti l'analisi attenta dell’esercizio svolto 4 e dell’esercizio svolto 5.

Per familiarizzare con i cicli termodinamici e con la loro rappresentazione nel diagramma p-V si può proporre infine l'attività di Laboratorio con Geogebra Ciclo termodinamico, a pagina 397 del libro: la scheda descrive passo passo come disegnare un ciclo termodinamico e come calcolarne il rendimento; dal libro digitale è disponibile il link al file .ggb scaricabile dell'attività già svolta.

Si segnala inoltre l'Approfondimento Il ciclo del motore a scoppio, completo di un calcolo del rendimento in funzione del volume da cui si evince la necessità di comprimere la miscela.

Paragrafo 10 L'entropia

In questo paragrafo si definisce l'entropia, grandezza fisica tanto celebre quanto difficile da comprendere a fondo; richiede una spiegazione attenta, ma offre anche interessanti spunti di approfondimento.
Nel corso di una lezione sincrona, con l'aiuto delle slide si possono sottolineare i seguenti punti:

• l'entropia è una funzione di stato;
• dà una misura dell'irreversibilità di una trasformazione e permette di dare un’espressione quantitativa al secondo principio;
• nel primo principio si afferma che l’energia si conserva, nel secondo che l’entropia aumenta;
• la variazione di entropia è nulla per trasformazioni reversibili, sempre maggiore di zero per trasformazioni irreversibili.

Il calcolo dell'effettiva variazione di entropia per trasformazioni specifiche proposto nel Problem solving 7 La variazione di entropia del pezzo di ghiaccio aiuterà a fissare i concetti; come sempre si consiglia di seguirlo passo passo insieme ai ragazzi e, al termine, assegnare loro il Prova tu in un tempo stabilito.
Il Problem solving 8 L'entropia non si conserva! permette di toccare con mano che in un fenomeno termodinamico tipico, quale il trasferimento di calore da una sorgente calda a una sorgente fredda, la variazione di entropia è maggiore di zero, cioè l'entropia non si conserva.
Nell'ottica di una riflessione su un tema di cittadinanza scientifica si segnala l'Approfondimento Qualità dell'energia e cogenerazione.

L'ultima parte del paragrafo parla di entropia come misura del disordine e del suo significato probabilistico. Per rinforzare questi concetti e dare ai ragazzi un'idea del potere descrittivo dell'entropia si segnala la conversazione TEDEdxPolitecnico di MilanoU La straordinaria fisica del quotidiano: nel video si parte dall'idea di entropia come freccia del tempo e la si utilizza per un'intepretazione dell'intera storia dell'Universo, dal Big Bang (entropia minima) alla "morte termica" (entropia massima). Vale la pena di proporne la visione nel corso di una lezione sincrona, in modo da interrompere il video al bisogno e chiarire eventuali punti oscuri. I commenti e le domande che certamente suscita potranno animare un dibattito utile e interessante.

Paragrafo 11 Il terzo principio della termodinamica

Conclude il capitolo il terzo principio della termodinamica, che pone un limite inferiore alla scala delle temperature raggiungibili. Il paragrafo, breve e discorsivo, si presta a essere proposto ai ragazzi in modalità di didattica capovolta: se ne può assegnare lo studio a un piccolo gruppo, chiedendo eventualmente un approfondimento sulle temperature più basse mai raggiunte in laboratorio. I ragazzi incaricati possono organizzare le loro scoperte su due o tre slide e presentarle ai compagni in una breve videolezione, sincrona o registrata.

Al termine del capitolo si può proporre la lettura della scheda La fisica risponde L'ordine e gli organismi viventi, a pagina 406 del libro, che invita a una riflessione sull'entropia e il disordine nei processi biologici e si interroga sulla capacità dei viventi di contrastare l'aumento di entropia nell'Universo.

Per il CLIL e per la verifica in autonomia

Al termine di questo capitolo, per il CLIL è disponibile la scheda di approfondimento Enthalpy and chemical processes completa di apparato didattico e di audio in lingua inglese.

Per l’autoverifica in autonomia è disponibile la versione interattiva della Verifica di conoscenze e abilità 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;
• al Didastore, dove sono disponibili altri contributi digitali per l’approfondimento e per la verifica.

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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