Il secondo principio della termodinamica

Percorso collegato all’Unità 14 del volume Il racconto della Fisica di Gian Paolo Parodi, Marco Ostili e Guglielmo Mochi Onori.

Unità 14 Il secondo principio della termodinamica

Proponiamo un esempio di percorso didattico relativo all’Unità 14 Il secondo 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:

Le macchine termiche
Il secondo principio della termodinamica
L'entropia: la definizione di Clausius
L'interpretazione statistica del secondo principio
Le fonti energetiche

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. Le macchine termiche

Nello studio del secondo principio della termodinamica si fa continuo riferimento alle macchine termiche ed è per questo che il paragrafo su di esse è proposto all'inizio dell'Unità. Il loro schema di funzionamento è presentato nella figura 3: una sorgente calda fornisce calore, che viene in parte trasformato in lavoro e in parte restituito a una sorgente più fredda. Questa semplice struttura è rintracciabile nello schema di funzionamento di qualunque macchina termica, compresa la centrale termoelettrica; la figura 2 che rappresenta lo schema di una centrale termoelettrica è disponibile in formato video come disegno attivo e può essere attivata durante la spiegazione.
Per lo studio autonomo a casa si può raccomandare lo studio degli esempi svolti:
esempio 1
esempio 2.

Prima di introdurre il concetto di rendimento, si può chiedere a un gruppetto di studenti di preparare un ripasso sui rapporti tra grandezze e sui diversi modi per esprimerli (come numero decimale, frazione o percentuale; dato un rapporto T2/T1, come devono variare T1 e T2 perché il rapporto aumenti?) e di predisporre una slide da presentare ai compagni.
Lo studio del frigorifero e della pompa di calore può essere assegnato ai ragazzi in modalità di didattica capovolta; in una lezione successiva se ne potrà sondare la comprensione sottoponendo ai ragazzi le domande Ragiona e Rispondi alla fine del paragrafo.

Per approfondire si può proporre la lettura PLUS Fisica e realtà Dalla macchina a vapore alle moderne turbine

Per documentarsi sulla figura di Sadi Carnot si può suggerire di leggere la biografia proposta nel paragrafo eventualmente integrandola con la ricerca di ulteriori informazioni in rete (facendo attenzione all'attendibilità delle fonti e ai diversi omonimi celebri dello scienziato, tra cui un nipote presidente della Repubblica francese). A titolo di esempio si segnala l'Intervista impossibile a Sadi Carnot di caffescienza.it.

Paragrafo 2. Il secondo principio della termodinamica

La spiegazione del secondo principio della termodinamica dovrebbe partire ricordando il significato del primo, cioè di conservazione dell'energia: il secondo principio impone una restrizione ai fenomeni termodinamici consentiti dal primo.
Delle sue diverse formulazioni, sono date le due principali: quella di Kelvin-Planck e quella di Clausius. Entrambe si possono proporre ai ragazzi in formato video come disegno attivo

Il secondo principio della termodinamica: enunciato di Kelvin-Planck

Il secondo principio della termodinamica: enunciato di Clausius 

Per aiutare i ragazzi a cogliere la differenza tra trasformazioni reversibili (ideali) e trasformazioni irreversibili (reali), li si può sollecitare a portare esempi tratti dalla vita quotidiana. Si può cogliere inoltre l'occasione per sviluppare in loro qualche competenza di cittadinanza scientifica: potrebbero rilevare i dati energetici di frigoriferi e condizionatori utilizzati a casa e capire così che i dati sono espressi in riferimento a classi energetiche, corrispondenti a fasce di consumo in kWh.
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.

Paragrafo 3. L'entropia: la definizione di Clausius

Questo è il paragrafo centrale dell'Unità: 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 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. Il calcolo dell'effettiva variazione di entropia per trasformazioni specifiche proposto negli esempi 5 e 6 aiuterà a fissare i concetti:
esempio 5
esempio 6.

La direzionalità dei fenomeni naturali stabilita dal secondo principio apre ad affascinanti considerazioni sulla storia e sul destino termodinamico dell'Universo: a questo proposito, per dare un'idea dell'immenso potere descrittivo della grandezza entropia si può suggerire la visione del video TEDEdxPolitecnico di Milano La straordinaria fisica del quotidiano: si parte dall'idea di freccia del tempo e si finisce per vedere il concetto di entropia applicato per interpretare la vita e l'intera storia dell'Universo, dal Big Bang (entropia minima) alla sua "morte termica" (entropia massima).
In una lezione successiva, i commenti e le domande che il video avrà suscitato potranno animare un dibattito con i ragazzi.

Anche il terzo principio della termodinamica, introdotto al termine di questo paragrafo, offre spunti per degli approfondimenti. Si potrebbe per esempio chiedere a un gruppo di studenti di documentarsi su quali sono le temperature più basse mai raggiunte in laboratorio e sul condensato di Bose-Einstein. I ragazzi incaricati potrebbero organizzare le loro scoperte su due o tre slide e presentarle ai compagni in una breve videolezione condotta da loro, sincrona o registrata.

Paragrafo 4. L'interpretazione statistica del secondo principio

In questo paragrafo si interpreta il secondo principio della termodinamica dal punto di vista statistico. Per preparare la lezione e creare interesse intorno alla figura di Boltzmann si può assegnare ai ragazzi, in modalità di didattica capovolta, la scheda Ludwig Boltzmann, meccanica statistica e irreversibilità e, a integrazione, suggerire la visione del documentario della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) Ludwig Boltzmann, il genio del disordine.

I concetti di entropia, disordine e probabilità costituiscono un apparato concettuale complesso e richiedono una spiegazione dettagliata in modalità sincrona. Si può fare riferimento alle slide, e in particolare alla figura 16, che illustra il semplice modello probabilistico utilizzato nel testo. Tutta l'analisi si basa su nozioni di calcolo delle probabilità e offre quindi un’ottima occasione di lavoro interdisciplinare fisico-matematico. Anche l'equazione di Boltzmann, che mette in relazione l'entropia di un macrostato con il numero di microstati associati, offre lo spunto per un approfondimento interdisciplinare sulle proprietà dei logaritmi: se lo si ritiene utile si può chiedere a due o tre studenti di preparare una slide su tali proprietà, da presentare ai compagni nel corso della videolezione.
Il paragrafo include infine un cenno alle variazioni di entropia dei processi biologici: tutti gli esseri viventi possono essere considerati sistemi termodinamici aperti che scambiano energia e materia con l’ambiente. A questo proposito sarà utile richiamare i contenuti del video La straordinaria fisica del quotidiano già proposto per il paragrafo precedente.
Al termine si consiglia di assegnare le domande Ragiona e Rispondi; le risposte potranno animare un confronto tra i ragazzi e rivelare eventuali dubbi da chiarire.

Paragrafo 5. Le fonti energetiche

L'ultimo paragrafo offre uno spunto per arricchire la consapevolezza dei ragazzi sui problemi di cittadinanza scientifica correlati al concetto di disordine e aumento di entropia. Se ne può assegnare lo studio a casa e proporre un dibattito aperto nella lezione successiva. (L'argomento è particolarmente opportuno in questo periodo, in cui il nostro sistema socioeconomico, basato sul consumo e la crescita continua, è messo in crisi dall'emergenza della pandemia e deve essere a maggior ragione ripensato sulla base di un modello sostenibile). Le domande Ragiona e Rispondi alla fine del paragrafo possono aiutare ad alimentare la componente tecnica del dibattito; i commenti alla scheda di approfondimento Fisica&società Sviluppo sostenibile di p. 178 lo possono arricchire con considerazioni socioeconomiche.

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 22-24
Risposta ai quesiti 59-61.

Per il CLIL

Si può proporre agli studenti la scheda A bit of Physics The second Law of Thermodynamics, che presenta una lettura in inglese, accompagnata dalle versioni in francese e tedesco, unitamente agli speakeraggi nelle tre lingue:
Inglese
Francese
Tedesco

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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