La termodinamica

Percorso collegato al Capitolo 11 del volume Fisica. Idee e concetti – Secondo biennio e quinto anno, di James S. Walker.

Capitolo 11 La termodinamica

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo al Capitolo 11 La termodinamica, mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile 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. La temperatura e il comportamento termico dei gas ideali

In questo primo paragrafo si introducono alcuni dei principi base della termodinamica (zero assoluto, modello del gas ideale, equazione di stato dei gas perfetti).
Seguendo la traccia delle slide si può spiegare ai ragazzi come lo zero assoluto sia stato ottenuto per estrapolazione, osservando la contrazione dei gas al diminuire della temperatura e il fatto che un gas non possa avere un volume nullo.
Per quanto riguarda il modello di gas ideale, potrebbe essere interessante fare una riflessione su quanto il modello sia rappresentativo dei gas reali; se le conoscenze di chimica della classe lo consentono, si possono chiedere ai ragazzi degli esempi di gas reali il cui comportamento possa essere realisticamente approssimato dal modello.
La legge di stato dei gas ideali, che chiude il paragrafo, riunisce in una potente equazione tutte le grandezze termodinamiche importanti. Si potranno guidare i ragazzi nel riconoscimento dei tipi di proporzionalità che legano le grandezze a due a due: pressione e volume, pressione e temperatura, volume e temperatura.
Per vedere un'applicazione dell’equazione di stato, infine, si può studiare il caso proposto nel box Real Physics: in che senso la legge spiega il comportamento degli pneumatici nelle giornate calde? Le risposte dei ragazzi potrebbero dar luogo a un confronto utile per intercettare eventuali dubbi, da chiarire con spiegazioni mirate.

Paragrafo 2. Le leggi dei gas ideali

Per introdurre le leggi dei gas ideali si potrebbe partire con una considerazione storica: gli studi che portarono alla formulazione di queste leggi furono sì condotti su modelli ideali, ma con fini applicativi, legati alla necessità di costruire macchine efficienti: ne avrebbero giovato alcune delle principali tecnologie che resero possibile la Rivoluzione Industriale.
Per illustrare un problema tipico sulla legge di Boyle si suggerisce di analizzare passo passo la scheda Problem solving 1 Sotto pressione. Le schede Problem solving sono interamente riportate sulle slide e - con la loro scansione in descrizione, strategia, soluzione - aiutano a trasferire un metodo nella risoluzione dei problemi.
Per sostenere e incoraggiare lo studio dei ragazzi a casa si può segnalare il video TED-Ed L'ABC dei gas: Avogadro, Boyle, Gay Lussac (in inglese, con possibilità di attivare i sottotitoli in italiano), in cui le leggi dei gas sono spiegate senza formule, con uno stile narrativo arguto che ne mette in luce efficacemente il significato fisico.

Paragrafo 3. La teoria cinetica dei gas

La spiegazione della teoria cinetica dei gas in genere aiuta i ragazzi a capire il senso delle grandezze termodinamiche, che vengono ricondotte al comportamento delle molecole. Facendo riferimento alla Figura 7 Moto delle molecole di un gas ideale all’interno di un contenitore, riportata sulle slide, si potranno invitare i ragazzi a ipotizzare loro stessi l'origine molecolare della temperatura (riconducibile alla velocità di traslazione) e della pressione (dipendente dagli urti delle molecole sulle pareti del recipiente). Una volta colto il senso fisico, ci si potrà poi addentrare nei dettagli quantitativi della spiegazione.
Per la parte applicativa si consiglia di proporre i problemi di Applica subito: se ne può analizzare uno passo passo insieme ai ragazzi e assegnare l'altro per lo studio a casa.

L'argomento del paragrafo è oggetto dell'approfondimento Dialogo con la storia La teoria cinetica dei gas e l'avvento dei metodi statistici: lo si può assegnare a casa, per inquadrare storicamente la nascita della teoria. A integrazione della scheda si può segnalare il video della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) Boltzmann, il genio del disordine si tratta di un vero e proprio documentario (della durata di quasi 1 ora), con testimonianze di scienziati e storici della scienza che, mentre ricostruiscono il ritratto di Ludwig Boltzmann, ripercorrono le tappe principali dello sviluppo della termodinamica.

Paragrafo 4. Il primo principio della termodinamica

La lezione sul primo principio della termodinamica si può sviluppare intorno alle due figure riportate sulle slide: Figura 8 Relazione tra calore ed energia interna di un sistema e Figura 9 Relazione tra lavoro ed energia interna di un sistema, disponibile anche in formato video, come Figura animata.

Combinando le due relazioni per una generica trasformazione, si arriva a formulare l'equazione del primo principio.
Importante sottolineare il significato dei segni delle grandezze 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 ricordare e riflettere sugli altri principi di conservazione già visti nel corso dei loro studi di fisica.
L'analisi passo passo del Problem solving 2 Jogging sulla spiaggia, interamente riportato sulle slide, può essere un buon modo per esplorare le possibilità applicative del primo principio della termodinamica. 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 uno o due studenti.

Il paragrafo comprende anche un'introduzione alle macchine termiche, esaminando i principi di funzionamento e il rendimento. La spiegazione del funzionamento di una macchina a vapore si può avvalere della figura animata Funzionamento di una macchina a vapore.

Paragrafo 5. Le trasformazioni termodinamiche

L'analisi dei diversi tipi di trasformazioni termodinamiche è un utile esercizio di applicazione del primo principio della termodinamica e si può avvalere come sempre della traccia delle slide.
Nel corso della lezione si possono attivare le figure animate:
Lavoro in una trasformazione isobara
Trasformazione adiabatica

Per vedere una trasformazione adiabatica applicata a un fenomeno naturale, infine, si può cogliere lo spunto offerto dal box Real physics e incaricare due o tre ragazzi di documentarsi su che cosa sia il föhn e perché si possa considerare un fenomeno adiabatico (con raccomandazione di prestare attenzione all'attendibilità delle fonti). Potranno illustrare ai compagni le loro scoperte preparando una o due slide e presentandole in una videolezione condotta da loro.

Paragrafo 6. Il secondo principio della termodinamica

Esistono diversi enunciati del secondo principio della termodinamica e i ragazzi fanno fatica a cogliere il significato di ciascuno e la correlazione tra l'uno e l'altro. Il paragrafo dedicato all'argomento, tuttavia, è sintetico e chiaro e può essere compreso bene dai ragazzi: lo si può assegnare a casa in preparazione alla lezione. In una lezione sincrona, invece, ci si potrebbe affidare alla spiegazione rigorosa ma accessibile offerta dal Politecnico di Milano nel video Secondo Principio della Termodinamica: vi si illustrano i due enunciati di Kelvin-Planck e di Clausius e si spiega il significato della loro equivalenza.

Paragrafo 7. L'entropia

L’entropia è un argomento notoriamente ostico, che merita una spiegazione approfondita accompagnata da esemplificazioni. La figura 21 Aumento di entropia da ghiaccio ad acqua mostra un esempio convincente di aumento del disordine nel passaggio da ghiaccio ad acqua.
Questo stesso esempio è approfondito nel video TED-Ed What is enthropy? (in inglese, con possibilità di attivare sottotitoli in italiano); lo si può visualizzare insieme ai ragazzi: si tratta di una spiegazione che va oltre quanto esposto nel loro libro di testo, ma è un ottimo supporto se si vuole approfondire il significato dell'entropia in chiave probabilistica.

Per approfondimenti interdisciplinari

Il capitolo offre diversi spunti di approfondimento interdisciplinare, in particolare con la storia e la filosofia.
Per parlare del moto perpetuo si può assegnare a casa la scheda Dialogo con la storia Il moto perpetuo, con le relative domande. In aggiunta alla scheda, per comprendere meglio in che cosa consiste il moto perpetuo si può suggerire il video PBS Are perpetual motion machines possible? (primi 2 minuti e 30; in inglese con sottotitoli in italiano). La disamina delle risposte alla scheda e i commenti al video potranno animare un dibattito live sul moto perpetuo e il primo principio della termodinamica.

L'approfondimento Dialogo con la Filosofia Il significato dei due principi della termodinamica, infine, aiuta a chiarire il senso dei due principi e il significato della grandezza entropia.

Per il CLIL

Al termine di questo capitolo, per il CLIL è disponibile la scheda di approfondimento The second Law of Thermodynamics, completa di apparato didattico e di audio in lingua inglese.

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 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.

Scopri le altre iniziative del progetto >>
Scopri le altre lezioni di area scientifica >>