PARTE V TFA I ciclo Didattica della Fisica 2012-2013 1
Termodinamica e Termologia Difficoltà di Apprendimento e proposte di Insegnamento TFA I ciclo Didattica della Fisica 2012-2013
Esperimento emblematico Hai due tavolette delle stesse dimensioni e grandi circa come un quaderno, una di metallo e l altra di legno; deponi su di esse due cubetti di ghiaccio identici, estratti dal frigo contemporaneamente. I due cubetti si scioglieranno: a) insieme; b) prima quello sul legno; c) prima quello sul metallo; d) i dati non sono sufficienti.
Questionario termologia TFA I ciclo Didattica della Fisica 2012-2013
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: 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 Riferimenti: Palermo e Udine
UNO SCHEMA DI PROPOSTA SU PROCESSI TERMICI Fase 1: Introduzione ai processi termici di riscaldamento/raffreddamento di sostanze. Fase 2: Raffreddamento/riscaldamento di liquidi: ruolo del liquido e del recipiente nell andamento di T(t) fino all equilibrio termico. Fase 3: Raffreddamento/riscaldamento di solidi: ruolo della conducibilità termica. Fase 4: Modellizzazione dei processi di raffreddamento/riscaldamento di varie sostanze.
MODELLIZZAZIONE DEI PROCESSI: EQ. DI NEWTON Scambio di calore Q mc T Rapidità dello scambio Q t hs T t T a quindi: mc T t hs T t T a dt dt t a a 0 a ; T t T T t T T T e mc hs
FINE V PARTE