Il primo principio della termodinamica

Percorso collegato all’Unità 13 del volume Il racconto della Fisica di Gian Paolo Parodi, Marco Ostili e Guglielmo Mochi Onori.

Unità 13 Il primo principio della termodinamica

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo all’Unità 13 Il primo principio della termodinamica mediante il quale è possibile organizzare la didattica a distanza.
Il testo di riferimento è disponibile per gli studenti sotto forma di libro digitale (ITE) 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

Da questi link:

Stato e trasformazioni di un gas
Le leggi dei gas
Il gas perfetto
La teoria cinetica dei gas
Il primo principio della termodinamica

è possibile scaricare le lezioni in Power Point, un file per ciascun paragrafo; le presentazioni possono essere adattate e modificate a proprio piacimento, eventualmente estrapolando i contenuti relativi a uno o più paragrafi.

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) intervallati da momenti esercitativi o di confronto, come proposto di seguito per i paragrafi considerati.
Anche in una lezione a distanza è importante proporre agli studenti numerose attività, raccogliere le loro spiegazioni e discuterle criticamente.

Paragrafo 1. Stato e trasformazioni di un gas

In questo primo paragrafo si introducono le grandezze, i concetti e la terminologia che accompagneranno i ragazzi nello studio di tutta la termodinamica. Se ne può assegnare lo studio a casa in modalità di didattica capovolta, suggerendo anche l'attivazione del disegno attivo Le trasformazioni termodinamiche, che aiuta a familiarizzare con il modello del gas in un cilindro a pistone.
Per rendere lo studio più efficace e affermare l'importanza dell'attività sperimentale, si può proporre ai ragazzi di riprodurre a casa, se possibile, l'esperimento illustrato in figura 2: con un palloncino potranno sperimentare come variano le tre principali grandezze termodinamiche (temperatura, volume, pressione) in diverse trasformazioni: gonfiando il palloncino, riscaldando l'aria al suo interno, raffreddandola. Si potrebbe chiedere loro di documentare i momenti più significativi delle prove con foto e video da condividere su una chat di classe; i commenti ai materiali inviati, insieme alle risposte alle domande Ragiona e Rispondi alla fine del paragrafo, potranno animare un confronto fra gli studenti e far emergere eventuali dubbi o nodi da chiarire.

Paragrafo 2. Le leggi dei gas

La spiegazione delle leggi dei gas può seguire la traccia delle slide e fare riferimento agli esperimenti effettuati a casa dai ragazzi con il palloncino (o osservati in figura 2): la prima legge di Gay-Lussac, in particolare, formalizza e quantifica ciò che i ragazzi dovrebbero aver osservato, e cioè l'espansione o la contrazione del volume del gas all'aumentare o al diminuire della temperatura. Attivando il disegno attivo La prima legge di Gay-Lussac si può apprezzare la rappresentazione grafica della legge.
Utile sottolineare come l’espressione delle leggi di Gay-Lussac in funzione della temperatura assoluta permetta una significativa semplificazione della loro forma e come lo zero assoluto si ricavi estrapolando queste leggi, come temperatura limite per la materia.
Per la legge di Boyle, si può anche suggerire la visualizzazione del video Boyle's Law Experiment - Balloon test: vi si mostra come, con materiali di recupero, sia possibile verificare la relazione di proporzionalità inversa tra pressione e volume di un gas. Qualora fosse possibile, si possono invitare i ragazzi a riprodurre l'esperimento a casa e, anche in questo caso, a documentare l'attività con un video analogo a quello proposto.
Le domande Ragiona e Rispondi alla fine del paragrafo possono essere lo spunto per animare un confronto tra i ragazzi e intercettare eventuali punti oscuri, da chiarire con spiegazioni mirate nella lezione successiva.

Paragrafo 3. Il gas perfetto

In questo paragrafo si introduce il modello del gas perfetto, sul quale è formulata la teoria cinetica dei gas. È importante che gli studenti colgano che il modello è un'idealizzazione e si rendano conto di quali gas in natura, e in quali condizioni fisiche, sono descrivibili dal modello. Si potrebbe proporre a questo proposito una breve incursione interdisciplinare nella chimica, invitando i ragazzi a documentarsi a casa sui seguenti punti:

- Come è fatta la molecola dei principali gas che costituiscono la miscela dell'aria: azoto, ossigeno, anidride carbonica, argon.
- Quali e quanti sono in natura i gas monoatomici;
- Quali sono le caratteristiche dei gas monoatomici.

Nella lezione successiva si potrebbero riprendere questi concetti per capire che peso hanno nello studio dei gas e, in particolare, nelle ipotesi della teoria cinetica.
Nella spiegazione sulla legge di stato dei gas ideali si potranno guidare gli studenti nel riconoscimento dei tipi di proporzionalità che legano le grandezze a due a due: pressione e volume, pressione e temperatura, volume e temperatura.
Nell’ambito della lezione si può inoltre suggerire di leggere l’approfondimento di Fisica e meteorologia Neve, rugiada, brina ed eventualmente di integrarlo con ulteriori ricerche in rete (con attenzione all'attendibilità delle fonti).
Le domande Ragiona e Rispondi alla fine del paragrafo possono essere lo spunto per intercettare eventuali dubbi da chiarire.

Paragrafo 4. La teoria cinetica dei gas

La teoria cinetica dei gas è un argomento complesso e merita una trattazione approfondita. Si suggerisce allora, qualche giorno prima della lezione, di affidare a un gruppo di due o tre ragazzi un ripasso dei concetti della meccanica utili alla sua comprensione:

- L'energia cinetica di un punto materiale (come si esprime e cosa rappresenta).
- Che cosa vuol dire che un urto è elastico.
- Il principio di conservazione dell'energia meccanica.

Gli incaricati potrebbero realizzare una slide ciascuno e guidare il ripasso dei compagni in una breve videolezione condotta da loro.
La lezione potrebbe continuare con l'analisi guidata delle ipotesi della teoria cinetica, proponendo osservazioni che aiutino a capire il significato fisico e la fondatezza di tali ipotesi: per esempio, per apprezzare la verosimiglianza dell'ipotesi di gas rarefatto si può far notare che il gas ha una densità dell'ordine di 1000 volte inferiore a quella di un solido o di un liquido, ed è quindi legittimo assumere che le sue molecole si trovino a distanze mediamente 10 volte superiori a quelle tra molecole di solidi e liquidi. La lezione introduttiva dei compagni, poi, aiuterebbe a comprendere le ipotesi sull'elasticità degli urti e sul tipo di moto delle molecole.
Una volta illustrata la correlazione tra grandezze termodinamiche e grandezze microscopiche, si potranno rivisitare le leggi dei gas alla luce della teoria cinetica.

Per approfondire, nell'ambito di questo paragrafo si può proporre ai ragazzi la scheda di Fisica e realtà Gas a tutta velocità e la relativa attività. I commenti alla scheda e le risposte alle domande Ragiona e Rispondi proposte alla fine del paragrafo potranno essere lo spunto di apertura di un confronto utile per verificare gli apprendimenti e far emergere eventuali fraintendimenti.

Paragrafo 5. Il primo principio della termodinamica

Un punto importante per affrontare la spiegazione del primo principio della termodinamica è guidare i ragazzi a familiarizzare con il formalismo matematico del piano di Clapeyron. Nella spiegazione ci si può avvalere del disegno attivo Le trasformazioni termodinamiche sul piano di Clapeyron e del disegno attivo Il lavoro come area.

È importante sottolineare che il primo principio si può vedere come il bilancio energetico tra ciò che entra e ciò che esce dal sistema in termini energetici ed è pertanto un principio di conservazione dell’energia. La rivisitazione delle trasformazioni dei gas già incontrate offrirà un'ottima palestra per iniziare ad applicarlo.

Infine, per parlare di trasformazioni adiabatiche si suggerisce di partire da un momento di confronto con i ragazzi, a cui si potrebbero porre le seguenti domande:

- Perché la pompa della bicicletta si riscalda quando gonfiamo una ruota?
- Perché il gas che esce dalle bombolette spray dà una sensazione di freddo?

Le risposte alle domande Ragiona e Rispondi proposte alla fine del paragrafo potranno essere lo spunto di apertura di un confronto utile per verificare gli apprendimenti e far emergere eventuali fraintendimenti.

Per un'applicazione dell'argomento del paragrafo si segnala la scheda di Fisica e realtà Il motore a scoppio dell'automobile in cui il funzionamento del motore è analizzato dal punto di vista termodinamico.

Al termine dell'Unità, l'approfondimento di Fisica e filosofia Legge e principio offre un'interessante riflessione sull'uso dei termini legge o principio per indicare alcune conoscenze scientifiche. Mentre si definiscono i requisiti che tali conoscenze devono avere per poter essere chiamate leggi o principi, si comprendono i concetti di universalità, predittività, necessità. La lettura si può proporre ai ragazzi per il loro studio autonomo, eventualmente integrata con la ricerca in rete di informazioni biografiche sulle figure dei principali pensatori citati. A titolo di esempio, per una classe particolarmente forte in inglese si segnala il video The school of life David Hume (in inglese, con possibilità di impostare i sottotitoli in italiano).

Per la verifica in autonomia

Al termine di ciascun paragrafo o dell’intera unità, per l’autoverifica lo studente può accedere alle risposte dei quesiti proposti. A titolo di esempio:

• Risposta ai quesiti 37-41
• Risposta ai quesiti 64-68

Per il CLIL

Si può proporre agli studenti la scheda A bit of Physics What is cryogenics? che presenta una lettura in inglese, accompagnata da traduzione in italiano, francese e tedesco, unitamente agli speakeraggi nelle tre lingue, accessibili dal libro digitale (ITE).

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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