lezione-03_06_2015

PARTE IV
1
Termodinamica e Termologia
Difficoltà di Apprendimento e proposte di
Insegnamento
Questionario termologia
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?
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?
5) Quale delle seguenti temperature è più vicina
alla temperatura di ebollizione dell’ossigeno?
a) 100°C
b) 0°C
c) -80 °C
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 ?
7) Come mai ti si appannano gli occhiali quando
entri in una baita di montagna?
TERMOLOGIA: CONCETTI DI BASE

Calore:


Temperatura:


è energia scambiata fra corpi che si trovano a
temperature differenti o nelle transizioni di fase
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


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: percezioni tattili di caldo/freddo in
contraddizione con “definizioni” di temperatura
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:
Q  mcT
Q
  hS T  t   Ta 
t
mcT
 hS T  t   Ta 
t
t

dT
mc


  T  t   Ta   T  t   Ta  T0  Ta  e ;  
dt
hS
POSSIBILE 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

11
PERCORSO INTEGRATO
FISICA-BIOLOGIA-CHIMICA
12
SEQUENZA DIDATTICA: TEMI E
OBIETTIVI TRASVERSALI
Calorimetria
FISICA
ENERGIA
Termochimica
CHIMICA
Flussi energia
BIOLOGIA
ecosistema
Obiettivi
trasversali
nella prospettiva
dell’insegnamento integrato dell’Energia:
Scopi generali
dell’intevento
didattico:

Comprenderegli
glistudenti
aspetti energetici
dei sapere
fenomeni
fisici, chimici e biologici
a) Familiarizzare
all’unicità del
scientifico

Identificare
le diverse
di energia
e riconoscere
come l’Energiai problemi
è trasferita
b) Fornire
agli studenti
gli forme
strumenti
e le metodologie
per comprendere
dele
convertita
mondo reale e agire in maniera consapevole
 Aumentare le conoscenze sul contenuto energetico delle sostanze e degli alimenti
c) Sperimentare il metodo scientifico e allenare gli studenti a imparare “per scoperta”
 Comprendere il ruolo antropico nella catena/rete alimentare e i relativi impatti energetici
d) Irrobustire
le idee degli studenti sulla Natura della Scienza
e ambientali
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SEQUENZA DIDATTICA: IDEE CHIAVE
TRASVERSALI
Idee degli insegnati
Programmi scolastici
IDEE CHIAVE SULL’ENERGIA TRASVERSALI ALLE
DIVERSE DISCIPLINE
(forme, trasferimento, trasformazione, conservazione,
dissipazione dell’Energia; Entropia)
Letteratura
Misconcezioni
SEQUENZA DIDATTICA
14
SEQUENZA DIDATTICA:
STRUMENTI TRASVERSALI
Attività sperimentale
(esperienze che fanno da ponte fra le diverse discipline)
Modelli e modellizzazione
(“processi” di trasferimento, trasformazione, dissipazione
visualizzati nel medesimo modo nelle diverse discipline)
Linguaggio
(stessi termini, omissione di espressioni ambigue)
15
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
(FIS3)
INTERAZIONE MEDIATA
DA CALORE E LAVORO
I PRINCIPIO DELLA
TERMODINAMICA
(CHIM2)
COS’È L'ENERGIA
CHIMICA
Definizione di Energia
chimica. Calcoli e modello
del trasferimento osservato
(BIO1)
CATENE E RETI
ALIMENTARI
Lab – organizzazione
alimentare degli organismi
di un ecosistema
(CHIM3)
REAZIONI ESO E
ENDOTERMICHE
Definizioni.
Modellizzazione di
reazioni (con calcoli)
(BIO2)
TRASFERIMENTO DI
MATERIA = ENERGIA
FRA LIVELLI TROFICI
Modellizzazione
16
SEQUENZA DIDATTICA
(FIS4)
DIREZIONE SCAMBIO
TERMICO, VARIAZIONE
DI ENTROPIA,
SPONTANEITÀ
Calcoli
(FIS5)
II PRINCIPIO DELLA
TERMODINAMICA
Video - Spontaneità dei
fenomeni naturali e
aumento di entropia
(CHIM4)
ΔENERGIA CHIMICA DI
RESPIRAZIONE E
FOTOSINTESI
Calcoli
(FIS6)
ENTROPIA E DISORDINE
Video – Aumento di
disordine e
spontaneità/entropia
(CHIM5)
SPONTANEITA' DELLE
REAZIONI CHIMICHE Vs
ΔENERGIA CHIMICA:
ΔENTROPIA SISTEMI
CHIMICI
(BIO3)
DISSIPAZIONE DI
ENERGIA NEI VIVENTI
PER RESPIRAZIONE
Modellizzazione
(FIS7)
DEGRADAZIONE E
DISSIPAZIONE
DELL’ENERGIA
Altri enunciati del II
principio
(CHIM6)
LEGGE DI GIBBS
Presentazione e calcoli
nei sistemi chimici studiati
(BIO4)
FLUSSO DI ENERGIA
LUNGO TUTTA LA
CATENA ALIMENTARE
Modellizzazione
(BIO5)
DISSIPAZIONE DI
ENERGIA LUNGO LA
CATENA ALIMENTARE E
VARIAZIONE ENTROPIA
Calcoli
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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.”
18
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.”
19
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.
20
RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI
CONTENUTI”
21
RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI
CONTENUTI”
3.5000
3.0000
Punteggio Medio
2.5000
2.0000
Trattamento
Controllo
1.5000
1.0000
.5000
.0000
Forme
Trasferimenti
Conservazione
Trasformazioni
Dissipazione
Entropia
Axis Title
Ciò si osserva in maniera più marcata per gli aspetti chiave…
22
RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI
CONTENUTI”
5.0000
4.5000
4.0000
Punteggio medio
3.5000
3.0000
Trattamento
2.5000
Controllo
2.0000
1.5000
1.0000
.5000
.0000
Fisica
… e le singole discipline
Chimica
Biologia
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RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI
CONTENUTI” [TRATTAMENTO]
24
RISULTATI: “CONCETTI LEGATI AI
CONTENUTI” [CONTROLLO]
Non vi è, invece, differenza tra concetti/discipline
…..
25
RISULTATI: “CONCETTI LEGATI
ALLE DISCIPLINE” [TRATTAMENTO]
26
RISULTATI: “CONCETTI LEGATI
ALLE DISCIPLINE” [CONTROLLO]
27
FINE V PARTE