1 PARTE IV

Termodinamica e Termologia Difficoltà di Apprendimento e proposte di Insegnamento

Questionario termologia

2) Quando ti immergi nell’acqua di una piscina in una giornata di estate calda, l’acqua ti appare dapprima fredda, poi meno fredda. Quando esci senti freddo per un po’, specialmente se c’è vento, poi senti di nuovo caldo. Perchè? 3) Immagina di estrarre dal frigorifero a 4°C due bottiglie uguali contenenti acqua e di porne una all’esterno alla temperatura di 40°C ed un’altra in una stanza con un condizionatore acceso che mantiene la temperatura a 20°C. Se vuoi bere l’acqua a circa 10°C, in quale ambiente pensi che l’acqua raggiungerà prima la temperatura da te desiderata ? c 4) Se identiche quantità di olio e di acqua, inizialmente alla stessa temperatura, vengono poste in due pentole identiche e riscaldate su due fornellini identici, quale dei due liquidi dovrebbe raggiungere prima la temperatura di 80°C? 1) In una stanza, la cui temperatura è di 18° C, ci sono: un cane, un acquario con pesci rossi, un maglione di lana, un tavolo di marmo, una sedia di legno, un attaccapanni di metallo, un bidone di plastica. Per ognuno di essi la temperatura è maggiore, minore o uguale alla temperatura della stanza?

5) Quale delle seguenti temperature è più vicina alla temperatura di ebollizione dell’ossigeno? a) 100°C b) 0°C c) -80 °C 7) Come mai ti si appannano gli occhiali quando entri in una baita di montagna? 6) Immagina di estrarre dal frigorifero a 4°C due bottiglie uguali contenenti acqua e di porne una all’esterno alla temperatura di 40°C ed un’altra in una stanza con un condizionatore acceso che mantiene la temperatura a 20°C. Se vuoi bere l’acqua a circa 10°C, in quale ambiente pensi che l’acqua raggiungerà prima la temperatura da te desiderata ?

TERMOLOGIA: CONCETTI DI BASE Calore: è energia scambiata fra corpi che si trovano a temperature differenti o nelle transizioni di fase Temperatura: la si può introdurre mediante il principio zero Relazione  Q = m*c*  T: una differenza di temperatura non è un indicatore della presenza di calore scambiato e uno scambio di calore non implica necessariamente variazione di temperatura. un  T può indicare che il sistema ha variato la sua Energia Interna (con Lavoro) senza scambio di calore! nelle transizioni di fase c’è scambio di calore e non c’è differenza di temperatura

CONCEZIONI ALTERNATIVE SU TEMPERATURA E CALORE Nel linguaggio comune i termini calore e temperatura sono spesso usati in modo indifferenziato Possibile causa: percezioni tattili di caldo/freddo in contraddizione con “definizioni” di temperatura Difficoltà ad attribuire una temperatura ad alcuni corpi che non siano l’acqua (il ghiaccio è sempre freddo, il metallo normalmente è freddo ma se fonde è sempre caldo, il sale o la sabbia non hanno temperatura, ecc..) Possibile causa: proposte didattiche in cui si studia solo l’equilibrio Calore è un fluido che si sposta da un corpo all’altro ed è spesso confuso con Energia Termica e/o Energia Interna Possibile causa: linguaggio comune (“ chiudi la porta, altrimenti il calore esce ”) e proposte didattiche focalizzate solo su conduzione in mezzi materiali (irraggiamento non è usualmente trattato)

POSSIBILI RIMEDI Specificare che gli oggetti inanimati non hanno una temperatura propria ma hanno la temperatura che deriva dall’essere in equilibrio con un ambiente esterno Specificare che gli esseri umani e gli animali hanno una temperatura propria Richiamare l’esperienza che nel toccare oggetti di materiali diversi si hanno sensazioni diverse. La conclusione errata può essere che i corpi hanno un diverso “grado di caldo”. Quando si “misura” la temperatura in base alla sensazione tattile si mette in contatto un termostato con un oggetto e quindi stiamo osservando un fenomeno ”transiente” in cui avvengono dei fenomeni di trasporto. Focalizzarsi sul fatto che il calore si trasferisce attraverso la superficie della mano al corpo. Durante il contatto fra la mano e il corpo avviene un trasporto di energia (trasferimento di calore per conduzione) fra la mia mano e il corpo, che ha una certa durata. Tale trasporto giustifica le differenze nelle sensazioni

PROCESSI VS. STATI Nelle trattazioni usuali della termodinamica: si studiano sistemi descritti dalle variabili P, V, T all’equilibrio i processi vengono studiati come “trasformazioni fra stati di equilibrio” non esiste il tempo! Vantaggi di una trattazione per processi: risolvere difficoltà su Temperature e Calore riconoscere quando e come gli stati del sistema evolvono in nuovi stati. correlare i processi osservabili alla rappresentazione formalizzata della variabile temperatura introdurre gli studenti ad una prospettiva interpretativa della termodinamica

PER REINTRODURRE IL TEMPO… Scambio di calore Rapidità dello scambio quindi:

11 P OSSIBILE PERCORSO Riscaldamento e raffreddamento di liquidi Andamento esponenziale  variazioni temperatura proporzionali a  T Esperimenti su equilibrio termico acqua  introduzione  Q Ritornare a primi exp e dedurre che  Q dipende da  T Esperimenti su equilibrio termico acqua-solido Introdurre c Esperimenti su calori latente Collegamenti con altre discipline

12 P ERCORSO I NTEGRATO F ISICA -B IOLOGIA -C HIMICA

13 S EQUENZA DIDATTICA : TEMI E OBIETTIVI TRASVERSALI Scopi generali dell’intevento didattico: a) Familiarizzare gli studenti all’unicità del sapere scientifico b) Fornire agli studenti gli strumenti e le metodologie per comprendere i problemi del mondo reale e agire in maniera consapevole c) Sperimentare il metodo scientifico e allenare gli studenti a imparare “per scoperta” d) Irrobustire le idee degli studenti sulla Natura della Scienza Obiettivi trasversali nella prospettiva dell’insegnamento integrato dell’Energia: Comprendere gli aspetti energetici dei fenomeni fisici, chimici e biologici Identificare le diverse forme di energia e riconoscere come l’Energia è trasferita e convertita Aumentare le conoscenze sul contenuto energetico delle sostanze e degli alimenti Comprendere il ruolo antropico nella catena/rete alimentare e i relativi impatti energetici e ambientali FISICA ENERGIA CHIMICABIOLOGIA Calorimetria ENERGIA Termochimica Flussi energia ecosistema

14 S EQUENZA DIDATTICA : IDEE CHIAVE TRASVERSALI IDEE CHIAVE SULL’ENERGIA TRASVERSALI ALLE DIVERSE DISCIPLINE (forme, trasferimento, trasformazione, conservazione, dissipazione dell’Energia; Entropia) Idee degli insegnati LetteraturaMisconcezioni Programmi scolastici SEQUENZA DIDATTICA

15 S EQUENZA DIDATTICA : STRUMENTI TRASVERSALI Modelli e modellizzazione (“processi” di trasferimento, trasformazione, dissipazione visualizzati nel medesimo modo nelle diverse discipline) Attività sperimentale (esperienze che fanno da ponte fra le diverse discipline) Linguaggio (stessi termini, omissione di espressioni ambigue)

16 SEQUENZA DIDATTICA (FIS1) SCAMBIO TERMICO FRA MASSE DI ACQUA Lab – calorimetro: ricavata legge di equilibrio (FIS2) SCAMBIO TERMICO METALLO ACQUA Lab – calorimetro: ricavata legge fondamentale della calorimetria (CHIM1) L'ENERGIA CHIMICA Lab – calorimetro: osservata energia termica trasferita al calorimetro da una reazione chimica (CHIM2) COS’È L'ENERGIA CHIMICA Definizione di Energia chimica. Calcoli e modello del trasferimento osservato (FIS3) INTERAZIONE MEDIATA DA CALORE E LAVORO I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA (CHIM3) REAZIONI ESO E ENDOTERMICHE Definizioni. Modellizzazione di reazioni (con calcoli) (BIO1) CATENE E RETI ALIMENTARI Lab – organizzazione alimentare degli organismi di un ecosistema (BIO2) TRASFERIMENTO DI MATERIA = ENERGIA FRA LIVELLI TROFICI Modellizzazione

17 SEQUENZA DIDATTICA (FIS7) DEGRADAZIONE E DISSIPAZIONE DELL’ENERGIA Altri enunciati del II principio (FIS5) II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Video - Spontaneità dei fenomeni naturali e aumento di entropia (CHIM4) ΔENERGIA CHIMICA DI RESPIRAZIONE E FOTOSINTESI Calcoli (CHIM5) SPONTANEITA' DELLE REAZIONI CHIMICHE Vs ΔENERGIA CHIMICA: ΔENTROPIA SISTEMI CHIMICI (FIS6) ENTROPIA E DISORDINE Video – Aumento di disordine e spontaneità/entropia (CHIM6) LEGGE DI GIBBS Presentazione e calcoli nei sistemi chimici studiati (FIS4) DIREZIONE SCAMBIO TERMICO, VARIAZIONE DI ENTROPIA, SPONTANEITÀ Calcoli (BIO3) DISSIPAZIONE DI ENERGIA NEI VIVENTI PER RESPIRAZIONE Modellizzazione (BIO4) FLUSSO DI ENERGIA LUNGO TUTTA LA CATENA ALIMENTARE Modellizzazione (BIO5) DISSIPAZIONE DI ENERGIA LUNGO LA CATENA ALIMENTARE E VARIAZIONE ENTROPIA Calcoli

18 OPINIONI DEGLI STUDENTI: PRO Comprensione dei “concetti” “Studiare diverse materie che trattano lo stesso argomento nello stesso periodo è utile a collegare i concetti.” “…ha semplificato concetti difficili…” Comprensione dei fenomeni naturali “…è stato interessante approfondire tanto un argomento e fare collegamenti con il mondo reale.” Maggiore coinvolgimento degli studenti “Sicuramente è stato molto interessante non imparare a compartimenti stagni ma collegando le materie. E’ stato più facile apprendere perché gli alunni sono stati più attivi nella lezione.”

19 OPINIONI DEGLI STUDENTI: CONTRO Organizzazione “Una volta persa una lezione si perdeva il filo logico e non si riusciva a seguire nemmeno le lezioni delle altre materie..” “…troppo tempo, dopo abbiamo dovuto correre sugli altri argomenti…” Discordanza con i libri scolastici e il “normale procedere” “Studiare senza un testo è stato difficile.” “Gli appunti dati per fisica erano difficili da comprendere.”

20 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI CONTENUTI” La linea scura nel mezzo del rettangolo indica la mediana. La base rappresenta il 25esimo percentile mentre il top rappresenta il 75esimo. Il 50% dei i casi è nella scatola. I segmenti esterni alle scatole indicano il 95% della distribuzione.

21 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI CONTENUTI”

22 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI CONTENUTI” Ciò si osserva in maniera più marcata per gli aspetti chiave… …..

23 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI CONTENUTI” … e le singole discipline

24 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI CONTENUTI” [T RATTAMENTO ]

25 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI CONTENUTI” [C ONTROLLO ] Non vi è, invece, differenza tra concetti/discipline …..

26 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI ALLE DISCIPLINE” [T RATTAMENTO ]

27 RISULTATI: “CONCETTI LEGATI ALLE DISCIPLINE” [C ONTROLLO ]

FINE V PARTE