8. il concetto di energia energia, … pubblicitari, nei discorsi dei politici. ecco alcuni esempi:...

nonèunamela - Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze (SENDS) 1

8. IL CONCETTO DI ENERGIA

ENERGIA, PORTATORI DI ENERGIA E DIFFERENZE

Introduzione

La parola “energia” è di uso comune nella vita quotidiana, negli articoli di giornali e riviste, nei volantini pubblicitari, nei discorsi dei politici. Ecco alcuni esempi:

– Accidenti, oggi mi sembri pieno di energia – Un pizzico di X ti fornisce immediatamente energia – Di quali fonti di energie rinnovabili abbiamo bisogno?

Il fatto è che l’energia si trova dappertutto intorno a noi e ne parliamo continuamente anche se non abbiamo la più pallida idea di cosa essa sia esattamente. Se si chiedesse a dieci persone cosa sia l’energia, molto probabilmente si otterrebbero risposte diverse. Gli studenti sentono la parola energia usata in molti contesti, e si trovano più o meno a loro agio con i suoi diversi significati. Di conseguenza, gli insegnanti potrebbero parlare di energia senza porsi particolari problemi di comprensione da parte degli studenti, purché usino la parola energia attribuendole un significato socialmente condiviso. Da questo punto di vista, cominciare a insegnare la nozione di energia non pone nessun problema. Però si deve tenere presente che il concetto di energia è un concetto scientifico che, come tale, non può essere costruito facendo riferimento alle concezioni di senso comune. Se si passa all’ambito scientifico, si constata che l’energia è abitualmente definita come la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro. Però questa definizione non è adeguata perché l’energia di per se stessa non è la causa di niente. L’energia è un concetto molto formale. Noi non siamo in grado di percepirla con i nostri sensi: non possiamo vederla, toccarla o odorarla. Ciò che percepiamo con i nostri sensi, sono le conseguenze dei trasferimenti di energia. Un trasferimento di energia da un sistema a un altro avviene sempre con la conservazione della quantità di energia, apparentemente in diretto conflitto con il modo di pensare quotidiano, secondo il quale l’energia è acquisita, prodotta, persa, consumata, sprecata, ecc. Di conseguenza, un insegnante che affronti la nozione di energia da un punto di vista scientifico, si scontra presto con le concezioni di senso comune corre il rischio di essere frainteso. Ne segue che insegnare il concetto di energia è effettivamente un vero problema. Forme di energia?

Per descrivere e spiegare un gran numero di sistemi e processi si ammette l’esistenza di una entità fisica, l’energia, che ha la proprietà di essere universale: può essere utilizzata per sistemi macroscopici e microscopici e per i processi più svariati. Però ha anche la caratteristica di non manifestarsi sempre allo stesso modo: questo è il motivo per cui venne adottata l’espressione forme di energia per indicare i vari modi in cui questa si manifesta. Si parla quindi di energia cinetica, energia termica o calore, energia di legame, energia gravitazionale, energia radiante, energia elastica, energia elettrica, energia chimica, energia nucleare, energia eolica, ecc. Tuttavia non è sempre chiaro a quale criterio si faccia riferimento per definire una forma di energia: ad esempio, l’energia di una pila è energia elettrica o energia chimica? È sufficiente questo esempio per mettere


in evidenza che il concetto di forma di energia è alquanto confuso: ciò dipende dal fatto che la distinzione dell’energia in forme diverse può essere basata su considerazioni sia di natura tecnica sia di natura scientifica. Dal punto di vista scientifico, la distinzione dell’energia in diverse forme è basata su due criteri: uno relativo all’energia contenuta nei sistemi; l’altro relativo ai flussi di energia. Il primo fa riferimento al modo in cui l’energia viene immagazzinata in una regione dello spazio (energia interna); il secondo, al modo in cui l’energia viene trasferita da una regione dello spazio a un’altra. In base al primo, l’energia viene distinta in cinetica e potenziale; questi sono i modi di immagazzinamento o di stoccaggio dell’energia. In base al secondo, si distinguono l’energia elettrica, l’energia meccanica, l’energia termica, ancora l’energia cinetica, ecc.: questi sono i modi di trasferimento dell’energia. Purtroppo i libri di testo parlano di forme di energia facendo riferimento a entrambi i criteri, senza mai esplicitarli; però l’idea di «forma di energia» è fuorviante nell’insegnamento quando è basata sui modi di trasferimento dell’energia, ai quali si fa riferimento in concomitanza con fenomeni in cui entrano in gioco il calore, l’elettricità, il movimento. Questa mancanza di rigore contribuisce a confondere le idee degli studenti, e rende più difficoltoso il processo di concettualizzazione. L’idea che hanno oggi i fisici dell’energia può essere sintetizzata in questa frase: l’energia è una entità immateriale la cui quantità non cambia nei molteplici fenomeni che avvengono nell’universo. Si tratta di un principio matematico, di un concetto fondamentale di tutta la fisica dell’interazione, costruito sulla base di due postulati: il primo, di natura quantitativa, afferma che la quantità di energia nell’universo rimane costante, ossia si ha conservazione dell’energia; il secondo, di natura qualitativa, sostiene che l’energia, ogni volta che viene trasferita da un sistema a un altro, perde di qualità, ossia si ha degradazione dell’energia. L’energia non è una sostanza, non è una proprietà dei corpi: “L’energia non fa intervenire un elemento nuovo che si collocherebbe accanto a contenuti fisici quali luce e calore, elettricità e magnetismo; il suo significato è quello di una correlazione oggettiva, espressa sotto forma di legge, tra tutti questi contenuti...Concepita come cosa, l’energia sarebbe un elemento che riunirebbe contemporaneamente movimento e calore, magnetismo e elettricità, pur non essendo alcuno di questi fenomeni. Concepita come principio generale, l’energia diventa un prodotto del pensiero che permette di riunire tutti questi fenomeni, malgrado le loro diversità empiriche, in un unico sistema di operazioni intellettuali”. Così scrive Cassirer1 e dello stesso avviso è Richard Feynman, premio Nobel per la fisica nel 1965, il quale scrive: “… vi è una certa quantità, che chiamiamo energia, che non cambia nei molteplici mutamenti subiti dalla natura. Il concetto è astratto, poiché si tratta di un principio matematico: esso afferma che esiste una quantità numerica che non cambia qualsiasi cosa accada. Non è la descrizione di un meccanismo o di un fenomeno concreto, è soltanto il fatto singolare di poter calcolare un numero, e dopo aver osservato i mutamenti capricciosi della natura, ricalcolarlo ottenendo sempre lo stesso risultato.”2 A sua volta, Popper sostiene che l’energia è uno di quei “…concetti indefiniti che compaiono solo come asserzioni caratterizzate dal più alto livello di universalità, e il cui uso è stabilito dal fatto che sappiamo in quale relazione logica stanno, nei loro confronti, gli altri concetti…”.3

Poiché l’entità energia non è materializzata in nessun oggetto concreto, l’acquisizione del concetto si rivela irta di difficoltà: è infatti impossibile identificarne gli attributi essenziali con un processo di astrazione empirica che permetterebbe di isolarli analizzando una collezione di oggetti appartenenti tutti alla stessa categoria. Tuttavia è possibile fare riferimento a dispositivi e fenomeni in cui entra in

1 E. Cassirer, Substance et fonction - Eléments pour une théorie du concept, Minuit, Paris, 1977 2 Feynman R., La fisica di Feynman. Masson Italia, Milano, 1992 3 Popper K., La logica della scoperta scientifica. Einaudi, Torino, 1970


gioco l’energia e concettualizzarla utilizzando il concetto di «catena energetica»4. Viene così chiamata una modellizzazione dei trasferimenti di energia alla quale gli allievi possono pervenire grazie a modelli intermedi o precursori, costruiti dagli allievi a partire da situazioni reali e da sistemi concreti, ossia da aspetti fenomenologici che essi sono in grado di controllare dal punto di vista empirico/sperimentale. L’idea di energia viene introdotta come invariante, ossia come qualcosa che è sempre presente in una grande varietà di fenomeni che mettono in gioco entità materiali (come l’acqua, il vento, i combustibili) e entità immateriali (come l’elettricità, la luce) che funzionano da portatori di energia.

Catene energetiche e portatori di energia

Consideriamo un oggetto tecnico molto semplice: una torcia elettrica, costituita di un involucro (che può avere svariate forme), una pila elettrochimica o accumulatore e una lampadina. Da un punto di vista funzionale, si dice che la torcia serve per illuminare. Se poi si prendono in considerazione i singoli componenti della torcia da un punto di vista funzionale, si dice che la pila fa accendere la lampadina e la rappresentazione funzionale è la seguente:

Possiamo ora considerare lo stesso oggetto tecnico (la torcia elettrica) dal punto di vista distributivo, ossia dell’energia e del suo trasferimento all’interno dell’oggetto tecnico. Avremo allora una rappresentazione di questo tipo (rappresentazione distributiva):

Una rappresentazione distributiva presuppone che all’inizio della catena vi sia un componente che cede energia senza riceverne durante il funzionamento del dispositivo esaminato: questo componente assume la funzione di deposito di energia. L’analisi della catena, da un punto di vista funzionale, consente di affermare che una lampadina viene accesa solo quando si ha necessità di illuminare un luogo che possiamo genericamente identificare con l’ambiente. Quindi, l’ultimo componente della catena energetica è l’ambiente che riceve energia senza fornirne. La sua funzione è quella di discarica; il termine discarica viene usato proprio per significare che l’energia che vi viene trasferita è energia degradata, cioè riutilizzabile con minore efficacia. La lampadina assume quindi la funzione di trasferitore di energia in quanto la riceve dalla pila e la fornisce all’ambiente. In generale, dal punto di vista distributivo, ogni catena sarà costituita da un deposito da cui l’energia fluisce attraverso una serie di trasferitori fino a una discarica finale. Abbiamo detto in precedenza che l’energia è sempre associata a un portatore: nel caso del sistema pila®lampadina®ambiente, qual è il portatore? In questo caso, il flusso di energia si avvale del contributo di più portatori: il portatore associato al trasferimento di energia dalla pila alla lampadina è un’entità immateriale ossia l’elettricità. Il trasferitore lampadina riceve energia dal portatore elettricità e la fornisce all’ambiente con il portatore luce. L’analisi del processo, consente di evidenziare che interviene un altro portatore il quale trasferisce all’ambiente quella parte di energia 4 G. Lemeignan, A. Weil-Barais, Bilan du travail realisé à propos d’Energie. Rapport de recherche, LIREST, Université Paris VII, 1988

pila lampadina cede energia

riceve energiafa

pila lampadina accendere


non utilizzabile per illuminare l’ambiente: è il portatore calore. Lo schema distributivo può essere ora completato in questo modo:

Non tutti i portatori sono dello stesso tipo. Per esempio, nel caso di un’autovettura, il serbatoio funziona da deposito di energia e il carburante funziona da portatore di energia. Se l’elettricità è un’entità immateriale, il carburante è un’entità materiale. In un primo tempo, quindi, si possono distinguere due tipi di portatori: entità materiali ed entità immateriali. Sempre nel caso di un’autovettura, dal trasferitore motore fluisce energia alle ruote grazie a organi meccanici (albero motore) che sono anch’essi portatori materiali. Consideriamo ora un impianto di riscaldamento con caldaia a GPL (gas di petrolio liquefatto). In questo caso, il deposito di energia è il serbatoio GPL, il quale è il portatore di energia alla caldaia; questa, mediante il portatore acqua calda, trasferisce energia al radiatore che, a sua volta, trasferisce energia all’ambiente mediante il portatore aria calda. Lo schema distributivo è dunque il seguente:

Gli allievi comprendono però, chi prima e chi dopo, che i portatori acqua calda e aria calda (entità materiali) possono essere sostituiti da un unico portatore: il calore (entità immateriale). Acqua e aria si raffreddano trasferendo energia rispettivamente al radiatore e all’ambiente; in seguito sono nuovamente disponibili per trasferire energia con il portatore calore. Un unico portatore può essere associato a tutti quei trasferimenti in cui l’energia fluisce da un corpo più caldo a uno meno caldo. Per analogia, gli allievi adottano una simile generalizzazione per tutti i portatori che trasferiscono energia grazie al loro movimento (turbine, alberi motore, ecc.): le entità materiali a cui era stato assegnato il ruolo di portatore vengono sostituite dal portatore movimento, entità immateriale. Studiando il mulinello di Joule, dato che gli studenti sono abituati a interpretare i fenomeni macroscopici con il modello particellare, anche il portatore calore viene riconosciuto come portatore movimento, poiché i fenomeni a cui questo è legato vengono associati ai moti caotici delle molecole. Il livello di formulazione del concetto cambia: il concetto di portatore inizialmente associato a entità materiali viene gradualmente associato a entità immateriali. Questa conquista mentale predispone chi apprende a riconoscere nei portatori di energia le grandezze estensive che permetteranno di passare dal registro qualitativo a quello quantitativo: questo livello potrà essere affrontato in una fase successiva. In seguito, si fa riferimento ad altri dispositivi studiati da Joule, mediante i quali è possibile approfondire i concetti sin qui introdotti. Viene allora mostrato come diversi dispositivi producano lo stesso effetto: usando lo stesso deposito, la caduta di un grave, si utilizzano trasferitori e tecniche diverse per fare in modo che l’aumento di temperatura di una quantità costante di acqua sia della stessa entità. Il componente iniziale di una catena energetica è sempre fissato in funzione di esigenze contingenti. In effetti, se si risalisse al termine primo di tutte le catene energetiche, si arriverebbe alla conclusione

pila lampadina ambiente luce

calore elettricità DISCARICA DEPOSITO

energia energia

TRASFERITORE

Serbatoio Caldaia

Radiatore Ambiente gpl Aria

calda Acqua calda

DISCARICA DEPOSITO

energia energia energia

TRASFERITORE TRASFERITORE


che vi è un unico deposito e precisamente il Sole; parimenti, vi è un’unica discarica finale, ossia l’ambiente. Tutti gli altri componenti della catena sono trasferitori di energia e assumono la funzione di deposito quando si decide di fissare in modo arbitrario l’inizio della catena in un certo componente. Catene energetiche e differenze

Ogni volta che si ha trasferimento di energia lungo una catena, è possibile rappresentare l’evento con uno schema distributivo. Tra un componente e il successivo, tra un patatoide e il seguente, si disegnano le frecce il cui verso indica come si trasferisce l’energia. Come mai proprio in quel verso? Ogni trasferimento di energia prevede un portatore; ogni trasferimento di energia è originato dalla differenza di qualche grandezza fisica (temperatura, pressione, concentrazione, altezza, ecc.). Tra due punti della catena, qualche grandezza possiede valori differenti; sarà un flusso spontaneo di energia a colmare questa differenza, in modo che i valori diventino uguali. Per esempio, nei dispositivi studiati da Joule, un grave posto a un certo livello di altezza scende spontaneamente a un livello inferiore se libero da vincoli; se un corpo più caldo viene posto a contatto con un corpo meno caldo, si determina un flusso di energia dal primo al secondo corpo, flusso che termina quando la loro temperatura assume lo stesso valore; un flusso di energia capace di far girare le pale eoliche si origina quando la pressione di una massa d’aria è maggiore della pressione di un’altra massa d’aria: tale differenza fa sì che l’aria si muova dalla zona ad alta pressione a quella a bassa pressione e questo flusso è il vento. In tutti questi casi, differenti livelli corrispondono a differenti potenziali di energia. Qualsiasi sistema, posto in certe condizioni e sottoposto a certi vincoli, si trova a un certo livello, in altre parole possiede una certa energia potenziale. Quindi, se si fornisce energia a un sistema in modo non spontaneo, si origina una differenza in qualche grandezza fisica, che farà assumere al sistema un maggiore potenziale energetico; però, se il sistema non sarà sottoposto a opportuni vincoli, tenderà spontaneamente a trasferire la quantità di energia necessaria a eliminare la differenza. Per esempio, se si agita intensamente l’acqua contenuta in un bicchiere con il portatore movimento, si trasferisce energia al sistema acqua la cui temperatura aumenta rispetto a quella dell’ambiente. A questo punto, se il sistema acqua non viene opportunamente isolato dall’ambiente, una parte della sua energia fluirà spontaneamente dall’acqua all’ambiente; fino a quando le rispettive temperature non avranno lo stesso valore. È possibile interpretare questi fenomeni ricorrendo al movimento delle particelle di cui sono costituiti i corpi, quindi i sistemi da noi studiati: per esempio, se durante un trasferimento il moto delle particelle avviene in modo caotico, ossia in tutte le direzioni e versi, a livello macroscopico si parla di portatore calore. Il concetto di calore è legato alle conoscenze di senso comune, dato che la sensazione di caldo è percepibile con i sensi. Però questo concetto di senso comune può evolvere se si passa al livello microscopico, mettendo il calore in relazione con il movimento caotico delle particelle che costituiscono i corpi. In questo modo si perviene a una prima definizione dell’entropia, concepita come il portatore di energia che è responsabile della sua dissipazione e quindi della sua degradazione. Al termine di queste riflessioni, è possibile elencare alcuni attributi essenziali del concetto di energia. L’energia:

1. Può essere immagazzinata in un sistema. 2. Può fluire da un sistema a un altro sistema.

L’energia possiede altri attributi essenziali relativi alle sue proprietà qualitative e quantitative e precisamente:

3. Nei trasferimenti l’energia si conserva in quantità. 4. Nei trasferimenti l’energia si degrada in qualità.


I trasferimenti di energia avvengono dunque attraverso il movimento delle molecole, o più generalmente delle particelle di cui sono costituiti tutti i sistemi. Del resto, queste particelle sono continuamente in moto all’interno di un sistema anche quando non ci sono flussi di energia né in entrata né in uscita dal sistema. Dunque, una parte dell’energia immagazzinata in un sistema è associata al movimento delle particelle: si chiama per questo motivo energia cinetica. Quindi non si può dire che è l’energia che fa muovere le particelle, ma piuttosto che le particelle hanno energia cinetica.

Rendimento e potenza di un trasferitore di energia

Questa sequenza può essere completata introducendo i concetti di rendimento e di potenza di un trasferitore di energia. Le espressioni riguardanti il rendimento e la potenza di una macchina sono talmente utilizzate nel linguaggio comune che vale la pena di riflettere a proposito dei concetti di rendimento e potenza di un dispositivo. Ogni trasferitore affida l’energia a portatori diversi, ma uno di questi ha la caratteristica di far perdere di qualità all’energia trasportata: l’entropia. Ogni trasferitore riceve una certa quantità di energia; una parte di questa viene fornita a un successivo trasferitore ed è considerata «utile»; un’altra parte viene dissipata nell’ambiente, portata dall’entropia. È questo il motivo per cui di ogni trasferitore si calcola il rendimento, ossia il rapporto tra l’energia utile e l’energia ricevuta: tanto minore è la frazione di energia trasferita dal portatore entropia, tanto maggiore è il rendimento di un trasferitore. Spesso si fa riferimento alla potenza di un trasferitore di energia. Per esempio, se si prende in considerazione la potenza del motore di un’automobile, si fa riferimento alla quantità di energia che esso trasferisce nell’unità di tempo alle ruote con il portatore movimento; usando le parole di un allievo, si tratta di considerare la velocità con cui il trasferitore fornisce energia utile al componente che lo segue nella catena. Se, invece, si prende in considerazione la potenza di una lampadina, si fa riferimento alla quantità di energia fornita a questo trasferitore nell’unità di tempo per produrre un certo effetto illuminante. In altre parole, mentre nel primo caso la potenza ci dà una misura della quantità di energia che il motore è in grado di fornire nell’unità di tempo al componente che lo segue nella catena energetica, nel secondo caso la potenza indica la quantità di energia che deve ricevere il trasferitore lampadina nell’unità di tempo dal componente che lo precede nella catena energetica per ottenere un certo flusso luminoso. Tenendo conto di queste considerazioni, è possibile dare un senso alle affermazioni risparmio energetico, consumo di energia, ecc. Infatti, nel caso di un motore a combustione, il risparmio energetico è possibile solo se la sua potenza non è troppo elevata; un motore molto potente deve ricevere notevoli quantità di energia, ossia utilizzare molto combustibile, poiché non è possibile aumentare il suo rendimento in modo significativo. Se, invece, si vuole risparmiare energia nell’illuminazione, è bene scegliere lampadine che necessitano di poca energia per funzionare adeguatamente. Una lampadina a LED di potenza 7W illumina in modo equivalente (circa 1400 lumen) a una lampadina a incandescenza di potenza 100W. Ciò accade perché la lampadina a LED trasferisce poca energia con il portatore entropia rispetto a una lampadina a incandescenza: quest’ultima ha quindi un rendimento assai inferiore alla prima.


Formulazioni di riferimento 1 (il modello catena energetica)

• Un dispositivo è costituito da una serie continua (catena) di componenti in relazione tra loro • Un dispositivo svolge una determinata funzione • In un dispositivo ciascun componente della catena svolge una funzione • Per svolgere la propria funzione, un dispositivo deve disporre di energia • Ogni componente della catena di un dispositivo possiede e usa energia • La distribuzione di energia in un dispositivo comporta un trasferimento di energia • In un dispositivo, ogni componente della catena partecipa al trasferimento di energia • In un dispositivo, un componente della catena che fornisce energia senza riceverne viene

chiamato deposito • In un dispositivo, un componente della catena che riceve e fornisce energia viene chiamato

trasferitore • In un dispositivo, un componente della catena che riceve energia senza fornirne viene chiamato

discarica • Durante il funzionamento di un dispositivo si ha trasferimento dell’energia da un componente al

successivo in un verso determinato della catena • Tutti i trasferimenti di energia da un componente all’altro della catena avvengono mediante un

processo distributivo che costituisce una catena energetica • In ogni processo distributivo lungo la catena energetica, il trasferimento di energia è associato a

un portatore di energia che cambia a seconda del tipo di componente • In una catena energetica, viene trasferita sempre la stessa entità: l’energia; • In una catena energetica, possono cambiare i portatori di energia, determinando il modo in cui

quest’ultima si manifesta; • In una catena energetica, i trasferitori sono componenti che possono far cambiare il portatore,

quindi possono mutare il modo in cui avviene il trasferimento di energia

Reticolo di concetti 1


Formulazioni di riferimento 2 (energia e trasferimenti di energia)

• L’energia può essere immagazzinata in un sistema. • L’energia può essere trasferita da un sistema a un altro sistema. • Nei trasferimenti l’energia si conserva in quantità. • Nei trasferimenti l’energia si degrada in qualità. • Un sistema materiale è costituito da un insieme di particelle che sono continuamente in moto

all’interno del sistema anche quando non ci sono flussi di energia né in entrata né in uscita dal sistema.

• L’energia è immagazzinata in un sistema sia come energia cinetica, ossia l’energia associata al movimento delle particelle, sia come energia potenziale, legata alle posizioni relative di tutte le particelle in interazione nel sistema, ossia al potenziale energetico posseduto dal sistema.

• Tenendo presente i flussi di energia fra sistemi, si possono così riassumere le idee fondamentali: • Un trasferimento di energia è sempre associato a un portatore di energia. • La causa del flusso del portatore risiede in una differenza di livello, dove livello è sinonimo di

potenziale energetico: differenze di altezza, differenze di potenziale elettrico, differenze di temperatura, ecc.

• I trasferimenti spontanei di energia da un sistema a un altro sono generati da fenomeni che tendono ad annullare una differenza presente nei valori di qualche grandezza fisica, p. e. temperatura, pressione, altezza, concentrazione, ecc.

• Quando la differenza di livello viene colmata, il flusso di energia cessa. • Una differenza di livello origina un flusso di energia una parte della quale è sempre dissipata. • La dissipazione dell’energia avviene durante i trasferimenti ed è associata al portatore entropia. • Qualunque sia il portatore, i trasferimenti di energia avvengono attraverso il movimento delle

particelle di cui sono costituiti tutti i sistemi. In altre parole, una parte dell’energia immagazzinata nel sistema viene trasferita come energia cinetica, grazie al movimento delle particelle che lo costituiscono.

Reticolo di concetti 2 (energia e trasferimenti di energia)


Si ricorda che Il reticolo di concetti e le relative formulazioni di riferimento che vengono proposte all’insegnante all’inizio delle sequenze didattiche costituiscono una guida progettuale e non devono mai essere fornite agli allievi. A ciascuno di questi verrà richiesto di costruire il proprio reticolo di concetti al termine di ogni sequenza o di una serie di sequenze. Questo reticolo permetterà a ogni studente di rappresentare con questo strumento l’evoluzione della propria rete concettuale. L’insegnante avrà così modo di confrontare i reticoli costruiti dagli allievi con quelli forniti nel testo. Sarà quindi possibile, come già detto, sia verificare la significatività dell'apprendimento e valutare la qualità delle attività di insegnamento/apprendimento, sia ricavare informazioni sulle concezioni degli studenti e scoprire la presenza di concezioni difformi.


Sequenza didattica

ATTIVITÀ 1: DISPOSITIVI ED EFFETTI

Agli studenti, riuniti in gruppi, viene richiesto di assemblare una serie di dispositivi che realizzano un unico effetto finale: l’accensione di una lampadina. A questo scopo, l’insegnante mette a disposizione degli allievi diversi oggetti (lampadine, dinamo, cinghie, catene, ventole, celle fotovoltaiche, ecc..) che, opportunamente collegati tra di loro, consentono di realizzare i dispositivi elencati, mediante i quali è possibile accendere una lampadina.

• Manovella – ruota dentata - catena – ruota dentata - dinamo - lampadina • Oggetto che cade (grave) - volano - cinghia - dinamo - lampadina • Molla a spirale - volano - cinghia - dinamo - lampadina • Sole - cella fotovoltaica - lampadina • Ventola - dinamo - lampadina • Leva – ingranaggio (ruote dentate) - magneti rotanti - bobina – lampadina

Gli oggetti vengono disposti a caso su di un tavolo, come mostrato nella fotografia.

Ogni gruppo di 2-3-4 allievi ha il compito di concepire almeno un dispositivo, prelevare i componenti di cui è costituito, assemblarli in modo opportuno per ottenere l'accensione di una lampadina (è conveniente usare LED). Ogni gruppo assembla un dispositivo e lo fa funzionare in modo da ottenere l’effetto previsto: l’accensione della lampadina. In seguito, ogni allievo illustra in un breve testo (FOL 8.1) il funzionamento del dispositivo cercando di spiegare come mai si ottiene l’accensione della lampadina.


FOL 8.1

Utilizzando gli oggetti a vostra disposizione, individuate e realizzate un dispositivo che vi permetta di ottenere come effetto l'accensione di una lampadina.

1. Tracciate un disegno schematico, corredato di opportune didascalie, per precisare cosa siano i componenti che costituiscono il dispositivo.

2. Illustrate in un breve testo il funzionamento del dispositivo, cercando di spiegare come mai si ottiene

l'accensione della lampadina. ………………………………………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………………………..................... ……………………………………………………………………………………………………….................... ………………………………………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………………………..................... ……………………………………………………………………………………………………….....................

Il testo deve essere accompagnato da un disegno schematico del dispositivo, corredato di opportune didascalie per precisare cosa siano i componenti che costituiscono il dispositivo. Infine, ogni gruppo sceglie, tra quelli prodotti dagli allievi che lo compongono, il disegno che considera più efficace e illustra alla classe il dispositivo che ha realizzato; a questo scopo, si suggerisce di proiettare lo schema del disegno. Se non si dispone di un sistema di proiezione, si possono esporre su una parete dell’aula i disegni. Si perviene a una discussione collettiva. L’approccio euristico consente agli studenti di procedere per tentativi; per concepire i vari dispositivi, essi dispongono quasi esclusivamente di conoscenze di senso comune a cui associano in modo casuale informazioni apprese da varie fonti: scolastiche, televisive, informatiche, ecc. Ciò nonostante, pur non conoscendo in modo compiuto i concetti che stanno dietro a ogni componente (per esempio la dinamo), gli studenti sono in grado di arrivare in tempi brevi a completare l’assemblaggio di tutti i dispositivi. Naturalmente, il lavoro in gruppo consente di coinvolgere anche gli studenti più disorientati di fronte alla consegna. Negli elaborati degli allievi, i dispositivi vengono descritti e interpretati usando diversi modi di lettura dei componenti che li costituiscono: in alcuni casi, si parla della funzione dei componenti (l’acqua che cade fa girare la ruota...); in altri casi, si parla di ciò che possiedono, forniscono o ricevono (la batteria fornisce elettricità); in altri casi ancora, si fa riferimento a caratteristiche diverse che vanno dalla forma, all’acquisto o cessione di energia o di elettroni. Le interpretazioni possono dunque essere descrizioni di tipo empirico-macroscopico, ma anche tentativi di modellizzazione usando entità microscopiche. L’insegnante invita tutti gli studenti ad annotare tutte le descrizioni e le interpretazioni che, per ora, vengono accettate; queste saranno poi riconsiderate alla luce di modi di lettura ben precisi. Infatti, l’insegnante informa che ora si passerà allo studio dei vari dispositivi considerandoli da due punti di vista diversi.


ATTIVITÀ 2: ANALISI FUNZIONALE DEI DISPOSITIVI

Fase 1 - L’insegnante mostra un dispositivo molto semplice, costituito da: pila - fili - lampadina. Fa presente agli allievi che questi sono i tre componenti del dispositivo. Nel FOL 8.2 vengono presi in considerazione i tre componenti, per ognuno dei quali viene formulato un interrogativo. Interrogativo - Cosa fa il componente X nel dispositivo preso in esame?

FOL 8.2

Prendi in considerazione questo dispositivo costituito da tre soli componenti.

1. Cosa fa il componente 1 nel dispositivo preso in esame? ………………………………………………………………………………………………………........................ ………………………………………………………………………………………………………........................ ………………………………………………………………………………………………………........................ ………………………………………………………………………………………………………........................

2. Cosa fanno i componenti 2 nel dispositivo preso in esame? ………………………………………………………………………………………………………......................... ………………………………………………………………………………………………………......................... ………………………………………………………………………………………………………......................... ……………………………………………………………………………………………………….........................

3. Cosa fa il componente 3 nel dispositivo preso in esame? ………………………………………………………………………………………………………......................... ………………………………………………………………………………………………………......................... ………………………………………………………………………………………………………......................... ……………………………………………………………………………………………………….........................

Ogni allievo risponde individualmente per iscritto. Le risposte individuali vengono confrontate e discusse collettivamente. Individuare la funzione che ogni componente svolge nel dispositivo induce gli studenti a riflettere sulle azioni che quotidianamente compiono per soddisfare i loro bisogni più comuni: illuminare un ambiente; ascoltare musica; guardare uno spettacolo alla televisione; cuocere cibi; scaldare acqua; ecc. Inoltre questa attività ha lo scopo di rendere coscienti gli allievi che l’uso di un dispositivo che provoca l’accensione di una lampadina è necessario solo quando vogliamo illuminare un certo luogo che possiamo genericamente denominare ambiente: quest’ultimo sarà dunque l’ultimo componente della catena, anche se non fa parte del dispositivo. Al termine di questa prima fase, si perviene alla seguente catena: pila - fili - lampadina - ambiente dove • La pila fa (ha la funzione di) accendere la lampadina • I fili collegano (hanno la funzione di collegare) la pila alla lampadina • La lampadina illumina (ha la funzione di illuminare) l’ambiente


Si giunge a risposte che vanno bene per tutti, cioè si individua per ogni componente una funzione ben precisa, non due o tre, ma una sola. Alla fine, quindi, si avrà per ogni componente una funzione (questa può essere espressa in modi diversi: si tratta di vedere se gli allievi sono disposti a mettersi d’accordo su una formulazione unica proposta dall’insegnante che di regola la sceglie tra quelle formulate dagli allievi). È importante segnalare che nelle risposte più comuni agli interrogativi del FOL 8.2 parecchi allievi usano espressioni che rimandano all’idea di distribuzione (per esempio: la pila trasmette elettricità, fornisce corrente alla lampadina) al posto di indicare la funzione dei vari componenti. Di seguito vengono riportate alcune delle risposte più frequenti: • pila: produce corrente (elettricità), fornisce corrente alla lampada; fornisce energia alla lampada; accende la lampadina, alimenta la lampadina, fornisce elettroni, ecc. • fili: trasportano corrente, energia, • lampadina: brilla, si illumina, fa luce, si scalda, ecc. La discussione collettiva permette di evidenziare che gli studenti hanno estrema difficoltà a esprimere ciò che fa ogni componente del dispositivo; per esempio invece di dire che la pila fa accendere la lampadina affermano che: la pila genera elettricità; la pila produce elettroni; la pila crea un campo elettrico. La domanda “che funzione ha questo componente?” viene intesa “come funziona questo componente?” In altre parole, lo studente cerca di spiegare il fenomeno, per adeguare la sua risposta a quella che ritiene essere la tipica richiesta scolastica, poiché è a scuola e sta operando nel contesto di una disciplina scientifica. Far prendere coscienza del motivo per cui si utilizzano i dispositivi di cui si parla è essenziale, poiché le risposte che gli studenti ritengono di dover fornire a scuola spesso non hanno alcuna relazione con i bisogni quotidiani: sovente, gli argomenti che si affrontano in ambito scolastico non vengono ritenuti utili per interpretare il mondo che ci circonda, ma solamente per conseguire buone valutazioni, per avere successo nel percorso scolastico; l’acquisizione di conoscenze avrebbe così l’unico scopo di conseguire una promozione scolastica, sempre più distinta da una promozione personale e sociale. Fase 2 - L’insegnante prende in considerazione un dispositivo più complesso, uno di quelli che gli studenti hanno assemblato nella prima attività: ventola - cinghia - dinamo - fili - lampadina - ambiente. Egli fa nuovamente presente che la discussione serve per mettere in chiaro qual è la funzione del dispositivo e di ogni componente che lo costituisce.

Consegna - Ogni allievo deve: 1. fare un disegno schematico del dispositivo 2. dare un nome a ogni componente del dispositivo 3. indicare la funzione di ogni componente, ossia precisare cosa fa ogni componente nel

dispositivo in esame

Ogni allievo risponde individualmente per iscritto (FOL 8.3). La discussione collettiva dovrebbe permettere di arrivare a conclusioni che fanno riferimento unicamente alla funzione dei componenti e che sono accettate da tutti. In genere, la ventola viene messa in movimento soffiandoci sopra. Si tratta di pervenire durante la discussione alla conclusione che la ventola viene messa in movimento da un flusso d’aria; non importa come questo flusso venga provocato: un asciugacapelli, il soffio di un allievo, il vento, ecc. Se nessun allievo accenna alla necessità di introdurre qualcosa prima della ventola, sarà


l’insegnante a portare l’attenzione su questo componente. Al termine della discussione si dovrà pervenire alla seguente catena funzionale

• flusso d’aria - fa girare la ventola • ventola - trascina la cinghia • cinghia - fa girare la dinamo • dinamo - fa accendere la lampadina • fili - collegano la dinamo alla lampadina • lampadina – illumina l’ambiente

FOL 8.3 Fare riferimento al dispositivo individuato dalla discussione in classe.

1. Tracciare un disegno schematico del dispositivo.

2. Dare un nome a ogni componente del dispositivo. ………………………………………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………………………..................... ……………………………………………………………………………………………………….....................

3. Indicare la funzione di ogni componente, ossia precisare cosa fa ogni componente in questo dispositivo. ………………………………………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………………………..................... ……………………………………………………………………………………………………….....................

Sia nella fase 1 sia nella fase 2, gli allievi non mostrano alcuna difficoltà o stupore ad accettare che si possa partire da oggetti così diversi per ottenere lo stesso risultato: l’accensione della lampadina e quindi l’illuminazione di un ambiente. Questo atteggiamento non deve stupire, gli studenti sono abituati fin dall’infanzia a vedere accadere qualcosa premendo un pulsante. Non a caso, uno dei personaggi della famosa saga “le avventure di Harry Potter” è affascinato dalla tecnologia dei babbani (i babbani siamo noi, quelli che non sono maghi); la tecnologia è la nostra magia, poiché ogni evento che si produce schiacciando il pulsante di una «scatola nera» di cui non comprendiamo il funzionamento è percepito come qualcosa che accade per un colpo di bacchetta magica. Anche nella fase 2 e nelle attività successive, è necessario insistere parecchio prima che quasi tutti gli studenti accettino il punto di vista funzionale. L’insegnante fa presente che la discussione serve per mettere in chiaro qual è la funzione del componente considerato, ossia che cosa fa un determinato componente all’interno del dispositivo. Da questo punto di vista, una pila ha la funzione di mettere in funzione qualcosa (una lampadina, una radiolina, ecc.). Nel nostro caso la pila fa accendere la lampadina. È a questo punto che alcuni studenti chiariscono che il fine del dispositivo non può essere quella di accendere la lampadina: nessuno accenderebbe (o dovrebbe accendere) una lampadina se non avesse qualcosa da illuminare. Questa è dunque la funzione della lampadina: illuminare qualcosa, in generale


l’ambiente, che in questo caso, viene contestualizzato come ultimo componente della catena; nelle attività successive, esso verrà via via decontestualizzato fino a diventare fondamentale nello studio del concetto di energia. Proprio per questo motivo, se nessun allievo dovesse giungere a tirarlo in ballo, l’insegnante potrebbe chiedere cosa c’è dopo la lampada (stanza, aria, ambiente, ecc.). Egli può suggerire l’idea che la lampadina venga accesa per rischiarare un luogo che può essere indicato con il termine generico ambiente (la cantina, un corridoio buio, un ripostiglio, ecc.). È bene comunque, a questo punto, che la catena termini con il componente ambiente. In particolare, nella fase 2 sorge il problema dell’aria. In genere, qualche studente pone il problema di cosa faccia girare le ventola, quindi suggerisce che la catena debba iniziare da una persona che soffia o più genericamente dall’aria. Ma quale caratteristica deve possedere l’aria per riuscire a mettere in movimento la ventola? Non è immediata l’individuazione della espressione «flusso d’aria». Spesso gli studenti parlano di «aria in movimento». Sotto la guida dell’insegnante, si giunge a distinguere tra un movimento del tutto casuale, o caotico, delle particelle costituenti l’aria e un movimento convogliato in un senso privilegiato, cioè un flusso. Questa discussione permette di mettere in evidenza quale sia la padronanza del modello particellare da parte degli allievi, poiché coloro che hanno metabolizzato il modello e sono in grado di concettualizzare l’aria a livello microscopico come corpo gassoso, individuano con maggiore facilità la differenza tra movimento caotico (casuale) e flusso orientato delle particelle.

ATTIVITÀ 3 - RAPPRESENTAZIONE SIMBOLICA

Terminato il lavoro di analisi dei due dispositivi dal punto di vista della funzione dei componenti, l’insegnante propone agli allievi di rappresentare in modo schematico i dispositivi assemblati durante l’attività 1. Possono essere usati simboli diversi (cerchi, triangoli, rettangoli, rombi, ecc.): si può decidere insieme quali simboli usare. Per realizzare questa rappresentazione simbolica, si devono tenere presenti alcune idee direttrici:

1. La rappresentazione deve essere realizzata in base a un unico punto di vista: se dunque si considerano le funzioni dei componenti, occorre lasciar perdere tutti gli altri aspetti.

2. In una rappresentazione simbolica, figurano solo alcuni componenti del dispositivo e precisamente quelli che sono necessari per il fine che si vuole realizzare. I punti 1 e 2 discendono da esigenze di economia e funzionalità.

3. Le rappresentazioni simboliche devono essere standardizzate (oppure fornite di legenda) in modo che sia possibile la comunicazione tra persone e/o gruppi diversi.

Per semplificare gli schemi, l’insegnante propone di eliminare tutti i componenti che servono unicamente per collegare un oggetto con un altro (fili, cinghie di trasmissione, catene, ecc.). Per connettere i simboli che rappresentano i componenti tra loro, l’insegnante propone di usare una freccia (®) in modo che se il componente A agisce sul componente B, la freccia tra i due simboli sia A ® B.

In classe, gli studenti rappresentano simbolicamente due dei dispositivi analizzati, tenendo presenti i tre principi proposti dall’insegnante.

Un possibile risultato finale è quello riportato negli esempi che seguono.


L’insegnante assegna agli allievi, come compito a casa, la compilazione del FOL 8.4 con la seguente Consegna - Analizza i dispositivi che abbiamo studiato e rappresentali simbolicamente secondo il modello di schema funzionale che abbiamo condiviso in classe. Attenzione – L’insegnante deve schematizzare e rappresentare simbolicamente (in base alla funzione) ogni dispositivo prima di andare in classe, in modo da rendersi conto dei problemi che possono sorgere. La discussione in classe delle produzioni casalinghe conduce poi a un accordo collettivo. In genere, parecchi studenti dicono che la lampadina illumina, ma non chiariscono «cosa» venga illuminato e quindi quale sia l’ultimo componente della catena; in altre parole, non si rendono conto che senza qualcosa da illuminare non ha senso accendere una lampadina. Tuttavia, durante la discussione vi è sempre qualche studente che fa presente che il fine del dispositivo non è quello di accendere una lampadina, bensì quello di illuminare qualcosa; i compagni non faticano a essere d’accordo e l’insegnante li invita a ricordare quale termine sia stato proposto per generalizzare questa considerazione: l’ambiente. Non è raro che, nel secondo dispositivo, alcuni studenti indichino il componente «luce» al posto del componente «Sole»; inoltre, la «cella fotovoltaica» viene spesso chiamata «pannello solare».

FOL 8.4

Analizza i dispositivi che abbiamo studiato e rappresentali simbolicamente secondo il modello di schema funzionale che abbiamo condiviso in classe.

1. Schema simbolico funzionale del dispositivo 1.





6. Schema simbolico funzionale del dispositivo 6

pila lampadina ambiente fa

accendere illumina

sole cella fotovoltaica

lampadina

ambiente illumina illumina

fa

accendere


ATTIVITÀ 4 - ANALISI DISTRIBUTIVA DEI DISPOSITIVI

Questa attività ha lo scopo di guidare gli studenti a rappresentare i dispositivi studiati sino a ora dal punto di vista di ciò che possiede, ciò che fornisce e ciò che riceve ciascuno dei componenti la catena. Anche in questo caso, conviene cominciare con un dispositivo semplice conducendo un’attività collettiva. Si può procedere in questo modo. L’insegnante colloca sulla cattedra o su un banco il seguente dispositivo

accumulatore (pila) ® lampadina

Poi dice agli allievi più o meno quanto segue: noi abbiamo già studiato e analizzato questo dispositi-vo dal punto di vista della funzione di ogni componente, ossia dal punto di vista di ciò che ogni componente fa. Ora studieremo e analizzeremo lo stesso dispositivo da un altro punto di vista. Più precisamente dal punto di vista di ciò che ogni componente del dispositivo possiede, fornisce e/o riceve. Si può utilizzare il FOL 8.5 recante la seguente Consegna - Rappresenta in modo simbolico i componenti che costituiscono il dispositivo che si trova sulla cattedra. Usa i simboli usati per la rappresentazione simbolica di tipo funzionale. Specifica per ogni componente simboleggiato: - che cosa il componente possiede; - che cosa il componente riceve; - che cosa il componente fornisce.

FOL 8.5

Rappresenta in modo simbolico i componenti che costituiscono il dispositivo che si trova sulla cattedra. Usa i simboli usati per la rappresentazione simbolica di tipo funzionale. Specifica per ogni componente simboleggiato: - che cosa il componente possiede; - che cosa il componente riceve; - che cosa il componente fornisce.

È utile che l’insegnante predisponga una tabella del tipo riportato di seguito per raccogliere le risposte degli studenti; nelle varie caselle è riportato un campionario di risposte fornite in classi diverse. Nella tabella compare anche il componente stanza (ambiente) in quanto è probabile che parecchi allievi lo introducano, data la discussione precedente.

POSSIEDE FORNISCE RICEVE

PILA Elettricità; una carica; polo positivo e negativo; energia chimica; energia; elettroni

Elettricità; corrente elettrica; energia; energia elettrica; elettroni

Corrente elettrica, energia; energia elettrica; elettroni; nulla

LAMPADINA

Filamento metallico; nulla; vetro; passaggio per elettroni e corrente; resistenze

Luce; calore; energia termica; energia luminosa; elettroni

Corrente elettrica; energia; energia elettrica; elettroni

AMBIENTE STANZA Luce; calore


La discussione collettiva porta a eliminare i termini che non sono ritenuti accettabili. Si arriva così a una rappresentazione simbolica in termini di distribuzione.

A titolo di esempio, riteniamo utile riassumere la discussione avvenuta in una classe prima di Liceo Scientifico Tecnologico. Gli studenti hanno caratterizzato in questo modo i tre componenti del sistema.

POSSIEDE FORNISCE RICEVE

PILA Elettricità; energia; corrente elettrica

Elettricità; corrente elettrica; energia;

nulla

LAMPADINA Nulla; luce Luce; Corrente elettrica; energia; elettricità

AMBIENTE Nulla Nulla Luce

Significativa si è rivelata la discussione volta a chiarire: cosa possiede, cosa riceve, cosa fornisce la lampadina? Alcuni pensano che la lampadina, in sé, non possieda nulla, né luce né altro; altri pensano, invece, che la lampadina, nel dispositivo, debba possedere luce per poterla fornire. In altre parole, per fornire qualcosa, è necessario possederlo. Una studentessa pensa che la contraddizione si possa superare con una nuova formulazione: la lampadina possiede la capacità di fornire luce. Questa espressione piace; del resto anche gli scienziati hanno usato simili espressioni per cavarsi d’impaccio in situazioni non ben chiarite. Al termine della discussione, tutti gli studenti ritengono che la lampadina riceva energia (o elettricità) e fornisca luce. A questo punto la nostra studentessa propone un quesito che sembra contraddire l’affermazione precedente: dato che la lampadina possiede qualcosa, possiede energia o luce? La domanda lascia perplessi gli studenti a cui l’insegnante propone di riflettere sul quesito. Le idee non sono ancora chiarite; forse le attività seguenti possono aiutare a trovare una risposta.

ATTIVITÀ 5 – PORTATORI DI ENERGIA

L’insegnante propone di completare il FOL 8.6 dove viene preso in considerazione un dispositivo più complesso di quello precedente. Se possibile e i tempi lo consentono, è utile che questa attività venga svolta a casa.

Consegna – Disegna una rappresentazione simbolica del dispositivo usando i simboli abituali e indicando, per ogni componente, cosa possiede, cosa riceve e cosa fornisce.

pila Lampadina Ambiente riceve luce riceve elettricità

cede elettricità cede luce


FOL 8.6

Rappresenta in modo simbolico i componenti del dispositivo raffigurato di seguito. Specifica per ogni componente simboleggiato: - che cosa il componente possiede; - che cosa il componente riceve; - che cosa il componente fornisce.

Non è detto che gli allievi seguano la consegna alla lettera. Per esempio, in una classe, si sono ottenute quattro tipi di risposte:

1. Una risposta tipo «distribuzione»: gli oggetti sono rappresentati con gli opportuni simboli e sulle frecce che li collegano viene scritto: calore, elettricità, luce, movimento, ecc.

2. Una risposta tipo «dare/ricevere»: i componenti sono rappresentati con gli opportuni simboli e sulle frecce che li collegano figurano solo le indicazioni: fornisce (cede), riceve senza specificazioni particolari.

3. Una risposta tipo «funzione»: i componenti sono rappresentati con gli opportuni simboli e sulle frecce che li collegano, l’allievo indica ciò che un componente fa, ossia la sua funzione: fa funzionare, fa girare, ecc.

4. Una risposta mista «funzione/distribuzione».

Di seguito, vengono raccolte in una tabella le idee degli studenti della classe presa come esempio.

POSSIEDE RICEVE FORNISCE

Caldaia

Acqua, energia, calore, capacità di scaldare

Combustibile, energia, niente

Vapore, flusso d’aria, flusso di vapore, flusso d’acqua (gas),

energia

Turbina

Niente, capacità di ruotare, movimento

Vapore, movimento, flusso (d’aria, di

vapore)

Movimento, energia meccanica, rotazione

Alternatore

Capacità di trasformare movimento in elettricità, niente, energia, capacità di

trasformare energia meccanica in energia elettrica

Movimento, energia meccanica,

rotazione, energia

Energia elettrica, energia

Lampadina Capacità (di illuminare; di fornire luce; trasformare elettricità in luce, energia,

niente


Luce, calore

Ambiente niente Luce, calore niente


L’insegnante pone ora la domanda: Nella tabella che abbiamo costruito, è possibile identificare «qualcosa» che viene fornito e ricevuto da quasi tutti i componenti del dispositivo? Parecchi studenti propongono rapidamente una risposta che trova d’accordo il resto della classe: è l’energia. Viene qui riproposta la tabella precedente: si evidenzia, utilizzando il carattere grassetto, la frequenza dell’uso della parola energia.


Caldaia

Acqua, energia, calore, capacità di scaldare

Combustibile, energia, niente

Vapore, flusso d’aria, flusso di vapore, flusso d’acqua (gas), energia

Turbina

Niente, capacità di ruotare, movimento

Vapore, movimento, flusso (d’aria, di vapore)

Movimento, energia meccanica, rotazione

Alternatore

Capacità di trasformare movimento in elettricità, niente, energia, capacità di trasformare energia meccanica in energia

elettrica

Movimento, energia meccanica, rotazione,

energia


Lampadina Capacità (di illuminare; di fornire

luce; trasformare elettricità in luce, energia, niente

Energia elettrica, energia Luce, calore

Ambiente niente Luce, calore niente Nella tabella compare anche la parola flusso. È importante che l’insegnante metta in evidenza che la turbina si mette a girare solo se, grazie alla valvola della pentola a pressione, viene spinta da un flusso di vapore; occorre, cioè, che le particelle che colpiscono le pale della turbina si muovano lungo una direzione opportuna. Identificare il flusso significa affermare che le particelle che costituiscono il sistema considerato si muovono in una direzione e un verso privilegiati rispetto a tutti gli altri possibili. L’insegnante propone ora di considerare il dispositivo che permette l’accensione di una lampadina utilizzando una cella fotovoltaica (attività 1). Gli studenti devono costruire una tabella analoga a quella precedente. Ecco un esempio di schema ottenuto da una classe.


Sole

energia, calore, luminosità, combustibile

niente

Energia, calore, luce

Cella fotovoltaica

Niente

Energia, calore, luce

Energia, energia elettrica

Lampadina energia, niente energia Luce, calore

Ambiente niente Luce, calore niente


Anche in questo caso, parecchi studenti sono in grado di rimarcare che la parola energia indica qualcosa che viene ricevuto e fornito da quasi tutti i componenti del dispositivo. È giunto il momento di condividere uno schema distributivo graficamente analogo allo schema funzionale già conosciuto. La discussione porta alla realizzazione di questa rappresentazione:

Tuttavia, la discussione è articolata e intensa. La rappresentazione di un dispositivo secondo uno schema distributivo provoca accese discussioni sul ruolo che ciascun componente di un dispositivo svolge nella catena. Infatti, gli studenti notano che il componente che si trova all’inizio della catena – il sole – possiede energia e la fornisce senza riceverne; l’ultimo componente della catena – l’ambiente – riceve energia senza fornirla ad altri; i componenti intermedi – la lampadina e la cella fotovoltaica – ricevono e forniscono energia. L’insegnante suggerisce di classificare come deposito un componente che possiede energia e la fornisce senza riceverne, discarica il componente che riceve energia senza fornirla ad altri e trasferitore un componente che riceve e fornisce energia. Inoltre, viene reso esplicito che da un componente a un altro viene trasferita sempre la stessa entità che chiamiamo energia. Anche se queste idee esigono una consistente ristrutturazione mentale, si è constatato che durante la discussione gli studenti possono pervenire autonomamente, senza suggerimenti da parte dell’insegnante, a distinguere tra energia, portatore di energia e trasferimento di energia. Questa è una conseguenza dell’esigenza di interpretare i fenomeni considerati utilizzando il modello della catena distributiva; ciò porta necessariamente a distinguere concetti abitualmente confusi nel linguaggio quotidiano (purtroppo molti manuali e il linguaggio tecnico contribuiscono a rafforzare le confusioni). Per cercare di esplicitare come possano evolvere le idee degli allievi durante la discussione, viene riportata la cronaca di alcuni momenti particolarmente significativi della discussione tra gli studenti di una classe prima a proposito del dispositivo costituito da sole, cella fotovoltaica, lampadina e ambiente.

Gli studenti introducono l’idea di portatore di energia

Alcuni allievi manifestano resistenza ad accettare l’idea che ciò che viene trasferito da un componente all’altro dei dispositivi sia un’unica entità: l’energia; essi ritengono che questa interpretazione impedisca di chiarire in che cosa differiscono i vari trasferimenti. In particolare uno studente chiede: allora non si parla più di elettricità, luce, calore? Mi pare poco utile. Tocca all’insegnante porre la seguente domanda: Se ammettiamo che tra un componente e l’altro venga trasferita sempre la stessa entità, l’energia (ciò che non cambia), cosa cambia in ogni trasferimento? Durante la discussione viene condivisa l’idea suggerita da uno studente che ciò che cambia è il mezzo di trasporto dell’energia, il trasportatore, il portatore… Insegnante: Quali sono dunque i mezzi di trasporto (i portatori) dell’energia del dispositivo? Studenti: la luce, l’elettricità, il calore.

Sole

energia Cella foto voltaica

Lampadina Ambiente energia energia


Si discute allora di come debba mutare lo schema precedente per tenere conto anche dei portatori e si perviene alla seguente rappresentazione:

Sopra ciascuna freccia viene scritto ciò che viene trasferito, durante il funzionamento del dispositivo, da un componente al successivo: energia; si modellizza così una catena energetica. Sotto ciascuna freccia viene scritto il portatore di energia. Viene così accettata l’idea del calore come portatore di energia. È un momento fondamentale, poiché, per la prima volta, gli studenti distinguono il concetto di calore da quello di energia. In altre parole, il calore non è una forma di energia, come comunemente si afferma. Per verificare se questo tipo di rappresentazione distributiva sia efficace per rappresentare anche gli altri dispositivi considerati fino a ora, l’insegnante propone agli studenti di affrontare la consegna indicata nel FOL 8.7. Si consiglia di far svolgere questo lavoro a casa.

FOL 8.7

Consegna – Riconsidera tutti i dispositivi presi in esame, proponendo per ciascuno una rappresentazione simbolico distributiva basata sulle idee condivise con i tuoi compagni.

1. Schema simbolico distributivo del dispositivo pila – lampadina - ambiente

2. Schema simbolico distributivo del dispositivo ……………………………………………………………………..

3. Schema simbolico distributivo del dispositivo ……………………………………………………………………...



6. ………………………………………………………………………………………………………………………….. La successiva discussione in classe degli schemi costruiti a casa, dovrebbe portare a condividere le seguenti rappresentazioni:

Sole energia

Cella foto voltaica

Lampadina Ambiente energia energia

luce elettricità luce calore

DEPOSITO TRASFERITORE TRASFERITORE DISCARICA

pila Lampadina Ambiente energia energia

elettricità luce calore DEPOSITO TRASFERITORE DISCARICA


L’introduzione del concetto di portatore di energia produce cambiamenti negli schemi di alcuni dispositivi. Alcuni componenti dei dispositivi, diversamente da quanto pensato in precedenza, vengono ora considerati come portatori di energia. Viene così chiarito il ruolo che ciascun componente svolge all’interno di ogni dispositivo, ossia di una catena energetica.

Ancora una volta, per rendere esplicita l’evoluzione delle idee degli allievi durante la discussione, ricorriamo alla cronaca di alcuni momenti particolarmente significativi della discussione tra gli studenti di una classe prima a proposito di un dispositivo: questa volta quello costituito da ventola, dinamo, lampadina e ambiente.

Quando l’energia vale meno: il portatore calore

Una delle rappresentazioni inserite nel FOL 8.7 presenta un problema. La discussione nasce dalla necessità di individuare cosa abbia la funzione di deposito di energia nel dispositivo in cui il movimento rotatorio di una dinamo viene provocato da una ventola. Alcuni studenti ricordano che per fare girare la ventola occorre un flusso d’aria. Allora, dice qualcuno, il deposito è colui che soffia sulla ventola. Qualcuno ricorda che nella mitologia greca Eolo era la divinità che scatena e regola i venti; se si evita di ricorrere a una divinità, rimane il vento. Il vento è un fenomeno ambientale, quindi, propone un’allieva, dobbiamo considerare l’ambiente come deposito di energia: di lì comincia la catena. Questa ipotesi costringe a considerare uno schema di questo tipo, dove risulta evidente che l’ambiente ricopre contemporaneamente il ruolo di deposito e di discarica dell’energia.

Si forma immediatamente un’opposizione a tale ipotesi, ritenuta inaccettabile da qualche allievo. Ecco, schematicamente come si è svolto il contraddittorio.

cinghia elettricità

energia

manovella catena DEPOSITO


Essere umano

ruota dentata dinamo Lampadina Ambiente

energia

luce calore

TRASFERIT. DISCARICA

ruota dentata

TRASFERIT. TRASFERIT. TRASFERIT.

cinghia elettricità cavo

DEPOSITO


grave dinamo Lampadina Ambiente

energia

luce calore

DISCARICA

volano


movimento elettricità Flusso di vapore

DEPOSITO


caldaia alternatore Lampadina Ambiente

energia

luce calore

DISCARICA

turbina


Albero meccanico elettricità flusso

d’aria DEPOSITO


dinamo Lampadina Ambiente

energia

luce calore

DISCARICA

ventola


Ambiente


Prima ipotesi: Una studentessa afferma che, se ammettiamo che lungo la catena l’energia viene solo trasferita, la sua quantità rimane la stessa, ossia non cambia; esprime però l’opinione che cambi la «qualità dell’energia», sostenendo che l’energia che si trova nella discarica «vale meno» dell’energia che è partita dal deposito. Anche se questa congettura enuncia contemporaneamente il primo e il secondo principio della termodinamica, occorre che l’insegnante sia ben consapevole che non è questo il momento di introdurre queste definizioni, poiché in questo contesto non hanno senso. Il suo compito è quello di lasciare che gli studenti confrontino le loro idee in una situazione di apprendimento particolarmente favorevole.

Seconda ipotesi: due studenti negano la possibilità che la quantità di energia si conservi lungo la catena, poiché dicono che una parte dell’energia «viene dispersa» durante il trasferimento, quindi nella discarica ambiente la quantità di energia è minore che nel deposito ambiente.

A questa seconda ipotesi si oppone un’altra studentessa che afferma: “se l’energia si disperde, si disperde nell’ambiente, quindi la prima ipotesi viene confermata”.

L’insegnante chiede di provare a mantenere la logica dello schema sin qui seguita: se l’energia viene dispersa ci deve essere un portatore associato a questo trasferimento. Bisogna inoltre modificare la rappresentazione della catena energetica in modo tale che renda conto della dispersione di energia.

Uno studente afferma che il portatore implicato in questi trasferimenti di energia è il calore, quindi ogni trasferimento di energia comporta che una parte di questa venga «dispersa nell’ambiente» e che il suo portatore sia il calore. Questa idea viene ritenuta plausibile; l’insegnante chiede che ciascuno studente proponga un nuovo schema distributivo. È opportuno che questo lavoro venga effettuato a casa. Vengono proposti diversi schemi; gli allievi ritengono che sia più corretta la rappresentazione seguente, poiché evidenzia la catena energetica del dispositivo e mette in risalto la sua funzione: quella di illuminare un ambiente.

Si accende una discussione sull’ipotesi che l’energia dell’ambiente discarica «valga meno» dell’energia dell’ambiente deposito. L’insegnante chiede di chiarire il significato di questo modo di esprimersi. Una studentessa sostiene che al termine della catena l’energia viene trasportata da luce e calore: non è più energia che possa far girare la ventola. Uno studente fa notare che la rappresentazione condivisa rende evidente che la quantità di energia non cambia; però c’è un portatore che vale meno, perché trasporta energia che “non ci sarà utile, visto che noi volevamo accendere una lampadina”. Dunque non è l’energia a valere meno, bensì un portatore particolare, il calore, ossia quello che trasferisce l’energia che si disperde nell’ambiente: in questo senso ne riduce la qualità. Non si può fare a meno di sottolineare che siamo in presenza di concetti che saranno qualitativamente definiti nelle attività seguenti e saranno formalizzati in anni successivi durante lo studio della termodinamica. Evidenti risultano i riferimenti all’energia utile di Gibbs e al ruolo che il concetto di entropia, evoluzione dell’idea di calore, riveste nella dissipazione dell’energia. Anche in questo frangente l’insegnante deve evitare di introdurre definizioni e formalismi che in questo contesto non hanno senso. La citazione che segue è dunque rivolta all’insegnante e non deve in

Albero meccanico

elettricità flusso d’aria

DEPOSITO energia energia energia

dinamo Lampadina Ambiente

energia

luce calore

DISCARICA

ventola


Ambiente


calore


alcun modo essere fornita agli studenti che non sono ancora in possesso degli strumenti concettuali per comprenderla.

“... non potrà mai esserci una crisi energetica, perché la riserva globale di energia rimarrà sempre la stessa. Tuttavia, tutte le volte che bruciamo un blocco di carbone o una goccia di petrolio, e ogni-qualvolta un nucleo si disintegra, aumenta l’entropia del mondo (dato che questi processi sono tutti trasformazioni spontanee). In altre parole, qualunque azione degrada la qualità dell'energia dell'universo. ... Non siamo nel mezzo di una crisi energetica: siamo sulla soglia di una crisi di entropia, perché

la civiltà moderna sta progressivamente deteriorando le riserve di energia dell'universo. Ciò che dobbiamo fare non è conservare l'energia, perché la Natura lo fa automaticamente, ma amministrarne con parsimonia la qualità.” 5 Al termine di questa attività, si dovrebbe dunque poter arrivare a questa conclusione: diversi tipi di depositi, collocati in testa alla catena di componenti di un dispositivo, possono provocare lo stesso effetto (accendere una lampadina). Questo significa che depositi diversi possono disporre di qualcosa che può fluire lungo una catena e produrre lo stesso effetto finale. Si può anche affermare che ciò che è contenuto in un deposito iniziale e che da questo fluisce, può produrre effetti diversi (per esempio, accendere una lampadina, far girare una ventola, ecc.). L’insegnante può ora avanzare questa ipotesi:

In situazioni diverse, con catene di componenti diversi e con effetti finali diversi, si può pensare che esista un’entità immateriale chiamata energia che fluisce da un componente a un altro e che si manifesta producendo effetti diversi.

Questa proposizione è del tutto ipotetica, in quanto non la si può ricavare per via induttiva dalle situazioni che si sono studiate. Queste ultime non servono per indurre il concetto di energia, ma per rendere accettabile agli allievi una tale congettura. In tal modo si rende ipotetica, ma plausibile l'idea di catena energetica. La nozione di catena energetica comporta l’introduzione di due concetti: quello di energia e quello di portatore di energia. L’energia a questo punto non è ancora una grandezza fisica: lo diventerà quando sarà espressa razionalmente e quantitativamente mediante altre grandezze fisiche. Tuttavia, distinguere tra energia e portatore di energia permette di riconoscere la differenza tra energia e trasferimento di energia. Per esempio, la pila possiede energia (è un deposito di energia) e l’elettricità è il portatore dell’energia dalla pila alla lampadina. In conclusione,

• in una catena energetica viene trasferita sempre la stessa entità: l’energia; • in una catena energetica, possono cambiare i portatori di energia, determinando il modo in cui

quest’ultima si manifesta; • in una catena energetica, i trasferitori sono componenti che possono far cambiare il portatore,

quindi possono mutare il modo in cui avviene il trasferimento di energia.

ATTIVITÀ 6 – CALORE E MOVIMENTO: DUE PORTATORI UNIVERSALI

L’insegnante propone il caso di un impianto di riscaldamento con caldaia a GPL (gas di petrolio liquefatto). In questo caso, il deposito di energia è il serbatoio di GPL. Il GPL trasporta energia alla caldaia che, mediante l’acqua calda, trasferisce energia al termosifone che, a sua volta, trasferisce

5 P. Atkins, Il secondo principio, Zanichelli, Bologna, 1988


energia all’ambiente mediante il portatore aria calda. Questo dispositivo viene introdotto nel FOL 8.8.

FOL 8.8

Rappresenta, in modo funzionale e distributivo, un impianto di riscaldamento domestico a gas metano costituito da: serbatoio, caldaia e termosifone. Nella rappresentazione della catena energetica distributiva dovranno figurare anche i portatori di energia.

In un primo tempo, gli studenti condividono questo schema distributivo.

Fin dall’inizio della sequenza, gli allievi hanno incontrato portatori di due tipi: entità immateriali come l’elettricità ed entità materiali come catene, cinghie, ecc.. I portatori di questo dispositivo sono tutti entità materiali; però, alcuni studenti fanno notare che l’acqua e l’aria rivestono il ruolo di portatori in quanto corpi caldi. In genere, i portatori acqua calda e aria calda non convincono gli studenti: qualcuno avanza l’ipotesi che, anche in questo caso, il vero portatore sia il calore. Acqua e aria si raffreddano trasferendo energia rispettivamente al termosifone e all’ambiente; in seguito, sono nuovamente disponibili per trasferire energia con il portatore calore. Questa idea piace agli allievi, poiché un unico portatore può essere associato a tutti quei trasferimenti in cui l’energia fluisce da un corpo più caldo a uno meno caldo. Non sempre gli studenti avanzano questa idea in modo così esplicito, ma accade sempre che qualche allievo indichi, nella sua rappresentazione, il portatore calore. In ogni caso, l’insegnante deve portare la discussione su questo punto, poiché è il momento di introdurre una generalizzazione nell’interpretazione dei fenomeni in cui si verifica un trasferimento di energia da un corpo più caldo a uno meno caldo. Inoltre, per analogia, gli allievi si accorgono che è possibile una simile generalizzazione per tutti i portatori che trasferiscono energia grazie al loro movimento (turbine, alberi motore, ecc.): le entità materiali a cui era stato assegnato il ruolo di portatore vengono sostituite dal portatore movimento, entità immateriale. Si verifica spesso che un’idea di successo venga immediatamente trasferita in un ambito riconosciuto simile per analogia. Il livello di concettualizzazione cambia, il concetto di portatore si allontana dai corpi materiali a cui era associato per assumere nella mente degli studenti lo stato di entità immateriale. Naturalmente, non tutti gli studenti sono in grado di accettare immediatamente il cambiamento. È bene che l’insegnante eviti di forzare la mano a chi non è ancora in grado di cogliere la differenza; ognuno procede secondo tempi e modi diversi. Le attività seguenti daranno modo a tutti di giungere a una nuova situazione mentale che dovrebbe favorire, in anni successivi, l’associazione dei portatori di energia con le grandezze estensive che permetteranno di passare dal registro qualitativo a quello quantitativo.

ATTIVITÀ 7 –CALORE O MOVIMENTO: DUE LIVELLI DI INTERPRETAZIONEA questo punto si è arrivati ad ammettere, come ipotesi interpretativa di una serie di situazioni sperimentali differenti, che nonostante la varietà dei dispositivi realizzati, nonostante le

serbatoio energia

caldaia termosifone Ambiente energia energia

GPL acqua calda DEPOSITO TRASFERITORE TRASFERITORE DISCARICA

aria calda


differenze esistenti tra ciò che i vari componenti dei dispositivi possiedono, cedono oppure ricevono, esiste un’unica entità immateriale che si chiama energia che fluisce (si trasferisce) da un componente all’altro di un dispositivo e che si manifesta in modi diversi. Per verificare quanto e come questo concetto sia stato metabolizzato dagli allievi e come questi ricorrano al concetto di portatore di energia nell’interpretazione dei fenomeni di trasferimento di energia, viene loro proposto di analizzare un dispositivo destinato a suscitare perplessità e discussioni. Si tratta del mulinello di Joule schematizzato nel FOL 8.9. Molto spesso si ritiene che le attività di laboratorio siano tali solo se gli studenti realizzano praticamente gli esperimenti. Approntare i dispositivi a cui fa riferimento Joule non è sicuramente possibile per la stragrande maggioranza degli insegnanti; questo però non impedisce di impegnare gli studenti in attività mentali di natura scientifica. Nel caso del mulinello, nel foglio di lavoro FOL 8.9 viene fornito uno schema che permette di discutere e riflettere in modo approfondito sull’interpretazione di un fenomeno. La discussione tra gli studenti mostra che la progettazione delle apparecchiature studiate presuppone che uno scienziato abbia individuato un problema e, nel tentativo di risolverlo, abbia cercato di riprodurre in laboratorio quei fenomeni che ha ritenuto utili per mettere alla prova le sue congetture. Di conseguenza, le sue osservazioni sono tutt’altro che casuali, ma piuttosto conseguenza di riflessioni che lo hanno condotto a organizzare gli esperimenti in un determinato modo. Come sostiene Popper: « La convinzione che la scienza proceda dall’osservazione alla teoria è così diffusa e così radicata che il negarla suscita incredulità […] Tuttavia, l’idea che sia possibile partire unicamente da osservazioni, senza che intervenga niente di simile ad una teoria, è davvero assurda […] L’osservazione è sempre selettiva […] Essa ha bisogno di un oggetto determinato, di uno scopo preciso, di un punto di vista, di un problema.[…] È innegabile che ogni ipotesi presa in esame sarà stata preceduta da osservazioni, per esempio quelle stesse che l’ipotesi deve spiegare. Ma queste presuppongono a loro volta che sia adottato un quadro di riferimento, una griglia di previsioni, un quadro teorico».6 In questo modo, gli studenti possono affrontare le stesse situazioni problematiche che affrontò Joule, e come lui dovranno, basandosi sulle rappresentazioni dei dispositivi sperimentali e sui modelli da loro padroneggiati, trarre le conclusioni che ritengono più adeguate. Nel FOL 8.9 viene riportata un’immagine schematica del mulinello di Joule che mostra una visione dettagliata dei componenti tecnici che costituiscono il dispositivo. Per guidare l’attenzione degli studenti sui particolari che l’insegnante intende sottoporre alla discussione, nella scheda sono previste le seguenti consegne:

1. Definire il sistema studiato nel dispositivo 2. Indicare quale grandezza fisica viene misurata in questa esperienza 3. Specificare in quale modo il grave trasferisce energia alle palette del mulinello 4. Specificare in quale modo le palette del mulinello trasferiscono energia all’acqua 5. Spiegare per quale motivo nel dispositivo sono presenti delle paratie fisse 6. Valutare cosa cambia se nel dispositivo si tolgono le paratie fisse 7. Specificare quale portatore è in relazione con la temperatura

Gli allievi descrivono e interpretano il dispositivo usando sia schemi funzionali sia schemi distributivi: in alcuni casi qualcuno parla solo della funzione dei componenti (il grave che cade fa girare la ruota...); in altri prende il sopravvento ciò che viene trasferito.

6 Popper K., Congetture e confutazioni, il Mulino, Bologna 1972, p. 84.


FOL 8.9

Analizza il seguente dispositivo e rappresentalo simbolicamente secondo gli schemi funzionale e distributivo

Schema del mulinello di Joule: I due gravi a e a', discendendo per un tratto misurabile per mezzo dei regoli b e b', fanno ruotare vorticosamente il sistema di palette c tra le paratie inserite all'interno del recipiente d (sezionato) riempito d'acqua. Le pareti del recipiente non consentono trasferimenti di energia, con conseguente aumento della temperatura dell'acqua. Ripetendo l'operazione, si verifica che tale aumento è della stessa entità per distanze uguali percorse dai gravi.

1. Secondo te, qual è il “sistema” studiato nel dispositivo di Joule? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………

2. Secondo te, quale grandezza fisica viene misurata nell’esperienza di Joule? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………

3. Secondo te, con quale portatore il grave trasferisce energia alle palette del mulinello? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………

4. Secondo te, con quale portatore le palette del mulinello trasferiscono energia all’acqua? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………

5. Secondo te, come mai nel dispositivo di Joule sono presenti le paratie fisse? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………

6. Secondo te, cosa succederebbe al sistema in assenza di paratie fisse? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………

7. Secondo te, con quale portatore viene messa in relazione la temperatura? ………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………


L’insegnante chiede ad alcuni studenti di disegnare alla lavagna gli schemi distributivi da loro proposti per rappresentare il dispositivo indicato nel FOL 8.9. Come esempio, vengono qui messi a confronto due schemi che gli studenti di una classe hanno sottoposto a discussione. È interessante notare che la maggior parte degli studenti, a questo punto, usa i portatori movimento

e calore, tralasciando di indicare i portatori materiali implicati nel dispositivo. Lo studente che propone il primo schema dichiara di aver indicato con i simboli Q1 e Q2 le frazioni di energia trasferite dal portatore calore. Per questo motivo, mette in evidenza che la parte di energia che viene trasferita all’acqua diminuisce durante il trasferimento e quindi utilizza i simboli E1, E2, E3. Dato che le pareti del recipiente non consentono trasferimenti di energia, egli ritiene che la discarica sia l’acqua. Una studentessa si pone il problema che la discarica sia invece l’ambiente e quindi propone il secondo schema come modifica del primo. Sarà lei stessa a evidenziare le incongruenze della sua rappresentazione e a negarne la correttezza, ma dalla discussione emerge comunque la necessità di definire cosa si intenda per ambiente. Chiarire l’idea di ambiente porta a precisare cosa si intenda per sistema; alcuni studenti ritengono che il sistema studiato comprenda l’intero dispositivo; altri sono dell’avviso che il sistema possa essere limitato all’acqua, poiché ciò che interessa è cosa cambia nel sistema acqua. In entrambi i casi, si giunge a condividere l’idea che, una volta definito il sistema oggetto di indagine, tutto ciò che non appartiene al sistema sia da considerare ambiente. Le risposte che gli studenti hanno fornito alla prima domanda del FOL 8.9 in un primo tempo portano a condividere l’idea che il sistema di cui studiare i cambiamenti sia l’acqua, poiché la caduta dei gravi ha come effetto diretto il suo riscaldamento. Però, le risposte alla seconda domanda convergono sulla necessità di misurare oltre alla temperatura dell’acqua anche la massa dei gravi e la distanza (differenza di altezza) che essi percorrono durante la loro discesa; si ammette allora che il sistema da prendere in considerazione è tutto il dispositivo. L’insegnante può ora proporre una definizione di sistema che, tenendo conto delle discussioni degli allievi a proposito dei dispositivi studiati fino a ora, chiarisca come si opera per definire un sistema e il suo ambiente. Con il termine sistema si indica qualsiasi porzione dell’universo che, pur costituita da diversi componenti reciprocamente interconnessi e interagenti tra loro o con l’ambiente, evolva come un unico oggetto di indagine scientifica (per esempio strumentazioni, persone, pianeti,

movimento

DEPOSITO E1 E2 E3

pale acqua calore

DISCARICA

carrucola

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1

movimento

movimento

DEPOSITO E1 E2 E3

pale ambiente

calore

DISCARICA

carrucola

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1

movimento

ambiente

calore calore calore

Q3

TRASFERITORE


un singolo atomo, ecc.). L’ambiente indica quanto non è compreso nel sistema; la distinzione tra sistema e ambiente è solitamente stabilita liberamente dallo sperimentatore.

Le risposte alla domanda tre permettono di accordarsi in breve tempo: il portatore dell’energia dal grave alle palette del mulinello è il movimento (solo pochi studenti sono ancora legati all’idea che il portatore siano i cavi). L’esame delle risposte al quarto quesito accende la discussione. Alcuni allievi sostengono che il portatore di energia dalle pale all’acqua è il movimento. In effetti, l’acqua viene messa in agitazione (mescolata) dalle pale. D’altra parte, stabilito che l’acqua si scalda, dato che la sua temperatura aumenta, il portatore calore deve giocare un ruolo. Uno studente introduce l’interpretazione particellare: l’aumento di velocità delle particelle dell’acqua causato dalla rotazione delle pale (livello microscopico) va messo in relazione con l’aumento di temperatura dell’acqua (livello macroscopico)7. Uno studente fa notare che il movimento dell’acqua è un fenomeno visibile e appartiene al mondo macroscopico, perché dunque chiamare in causa il moto delle particelle? Egli non ritiene che quest’ultimo sia necessario per giustificare il ricorso al portatore movimento. A questa posizione si contrappone un altro studente, il quale afferma che il moto delle particelle e la loro velocità più o meno elevata erano stati messi in relazione con il fatto che un corpo fosse più o meno caldo, cioè con la temperatura del corpo. Questa interpretazione era stata presa in considerazione nelle sequenze precedenti che avevano come obiettivo la costruzione del modello particellare.

Spetta all’insegnante sollecitare gli studenti a riflettere sul fenomeno preso in considerazione sia a livello macroscopico sia a livello microscopico, dal momento che il dualismo movimento/calore non può essere risolto solo a livello macroscopico. La discussione conferma le difficoltà concettuali che incontra l’interpretazione particellare dei fenomeni riguardanti i trasferimenti di energia. Alcuni studenti parlano del portatore calore, poiché si ha un aumento di temperatura dell’acqua, mentre altri ritengono che questo aumento sia da mettere in relazione con l’aumento di velocità delle particelle di acqua: le pale trasferiscono dunque energia all’acqua con il portatore movimento.8 Solo se si prende in considerazione il fenomeno aumento di temperatura (livello macro) e la sua interpretazione particellare, aumento della velocità delle particelle di acqua (livello micro), si capisce che il portatore calore è legato all’interpretazione macroscopica, mentre il portatore movimento è legato all’interpretazione microscopica. L’insegnante chiede ora agli studenti di riprendere in considerazione i propri schemi distributivi per proporre eventuali cambiamenti: l’obiettivo perseguito è la condivisione di uno schema che tenga conto delle considerazioni sviluppate in classe. A seguito di ripensamenti e riflessioni si giunge a condividere, il seguente schema:

7 Vale la pena di riportare la seguente citazione di Joule nella sua lettera agli editori del "Philosophical magazine" vol. 27 (1845) pag. 205: Per molto tempo è stata favorita l'ipotesi che il calore consistesse in "una forza o potenza appartenente ai corpi" ma fu concesso al Conte di Rumford di fare i primi esperimenti a favore di questa opinione. Questo giustamente celebrato filosofo della natura dimostrò, con i suoi ingegnosi esperimenti, che la grandissima quantità di calore eccitato dalla alesatura dei cannoni non può essere attribuito a un cambiamento che si produce nella capacità calorifica del metallo, ed egli perciò concluse che il moto della fresa veniva comunicato alle particelle del metallo producendo così il fenomeno del calore: "mi è parso "ricorda" estremamente difficile, se non quasi impossibile farmi una precisa idea di qualcosa, capace di essere eccitato e comunicato, nel modo con il quale il calore veniva eccitato e comunicato in questi esperimenti, se non ammettendo che questo sia moto.". 8 Qui è bene ricordare che in alcuni manuali viene detto, usando la tradizionale distinzione tra calore e lavoro, che le pale trasferiscono energia all’acqua in modo lavoro e l’acqua utilizza tale energia in modo calore dato che si ha aumento di temperatura. La contraddizione è evidente.


Ora vengono esaminate le risposte fornite alla quinta domanda: come mai nel dispositivo di Joule sono presenti le paratie fisse? Questo e il seguente sono quesiti chiave di questa attività; per parecchi allievi non è scontato che le paratie fisse costringano le particelle a variare direzione e verso dei loro movimenti in modi diversi tra loro (l’espressione più comune degli studenti è “il moto dell’acqua diviene più disordinato”9). Quando si giunge a condividere questo fatto, sorge spontanea la domanda: Cosa cambia se nel dispositivo si tolgono le paratie fisse? Non è possibile rispondere a questa domanda senza conoscere il dato sperimentale; alcuni allievi rispondono dunque ponendo un quesito: esistono dati sperimentali che ci consentano di proporre un’interpretazione? L’insegnante informa che in assenza delle paratie fisse, la temperatura dell’acqua aumenta in misura minore. I tentativi di dare una spiegazione a questo dato sperimentale, inducono gli allievi a utilizzare il modello particellare. Se l’acqua si muove in modo turbolento (presenza di paratie fisse), le particelle di cui è costituita si muovono in modo caotico, ossia in tutte le direzioni e versi possibili, si urtano frequentemente, mutano direzione e velocità in continuazione. Se le paratie fisse non ci fossero, le particelle seguirebbero la direzione e il verso indotto dalle pale mobili, ossia tenderebbero a muoversi in modo meno caotico seguendo una traiettoria circolare; dunque, per fare in modo che tutta l’energia trasferita dalle palette all’acqua si traduca in aumento della temperatura del sistema, è necessario che si crei una situazione in cui le particelle, non solo aumentino la loro velocità, ma assumano un moto caotico caratterizzato da estrema varietà di direzione e verso. Questo tipo di moto provoca anche un numero di urti tra le particelle più elevato; ogni urto concorre a trasferire energia tra una particella e l’altra, come le palle di un bigliardo che urtandosi mutano la loro velocità. Le particelle avranno così velocità diverse tra loro, qualcuna va più lenta e qualcuna più veloce, ma ogni volta che si urtano una lenta può diventare più veloce e viceversa una più veloce può diventare più lenta. L’insegnante fa notare che si è condiviso che un aumento di temperatura in un sistema, nell’acqua del nostro dispositivo per esempio, significa che le particelle vanno più veloci, ossia che la loro velocità è aumentata. Ma le particelle non vanno tutte alla stessa velocità. Qualche studente dice che il movimento delle particelle è un gran casino. Bene, dice l’insegnante, allora quale velocità aumenta se il sistema assume una temperatura più elevata? Si fa una media delle velocità dice uno studente. Tutti condividono che aumenta la velocità media delle particelle. Già durante questa discussione, alcuni allievi introducono il problema posto dalla domanda sette: Quale portatore è in relazione con la temperatura? A questo punto è possibile condividere l’idea che, a livello macroscopico, chiamiamo «calore» il portatore di energia che provoca variazioni di temperatura; a livello microscopico, invece, la temperatura (grandezza macroscopica) viene messa in relazione con la velocità media delle particelle che si muovono in

9 È molto importante che l’insegnante inviti gli studenti a esplicitare cosa intendono con l’espressione “movimento disordinato”. Bisogna evitare che l’aggettivo “disordinato” venga associato a situazioni e/o espressioni di tipo quotidiano. Per esempio, “il disordine della mia stanza” oppure “una situazione di disordine sociale”, ecc.. Per questo motivo, è necessario che gli studenti vengano condotti a esplicitare le caratteristiche che assumono i moti delle particelle di acqua (molta varietà nella loro direzione e verso).

movimento

DEPOSITO

E1 E2 E3 pale acqua

calore

DISCARICA

carrucola

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1

movimento

ambiente calore

DISCARICA


direzione e verso quanto mai vari. Dunque, a livello microscopico, il portatore di energia è questo tipo di movimento, che possiamo, per brevità, definire caotico oppure casuale. L’insegnante riporta l’attenzione su quelle situazioni in cui le particelle si muovono lungo una direzione privilegiata, quando cioè si genera un flusso (per esempio il vento o una corrente di acqua oppure il getto di vapore della pentola a pressione): in questo caso, l’energia che viene trasferita può essere utilizzata per far funzionare qualche dispositivo. Tuttavia, in ognuno dei dispositivi presi in considerazione si verifica che durante ogni trasferimento di energia una parte di questa viene trasferita all’ambiente da un portatore che vale meno: lo abbiamo chiamato calore. Ora sappiamo che questa inevitabile dissipazione di energia è interpretabile con le variazioni che possono subire i moti molecolari; in altre parole in ogni trasferimento di energia una parte del moto delle particelle è sempre di tipo caotico o casuale. Alcuni allievi dicono che è più facile che le particelle si muovano in modo caotico (l’espressione più comune è che ci sia casino) piuttosto che queste assumano una direzione privilegiata. Si tratta di un modo di esprimersi che qualche allievo riassume nell’espressione “è più probabile”. È ora di introdurre un nuovo portatore che sostituisca il calore. Quest’ultima è una parola legata all’uso quotidiano che assume di volta in volta significati assai diversi per esprimere concezioni difformi. L’insegnante propone quindi una definizione che riassume le idee discusse e condivise dagli studenti.

L’entropia è il portatore di energia che, nei trasferimenti di energia, è associato alla distribuzione nei modi più vari possibile della velocità, della direzione e del verso del moto delle particelle. In queste condizioni, ossia quando non si ha un flusso di energia in una direzione privilegiata, l’energia trasferita viene dissipata.

Quindi, il movimento di ognuna delle particelle di cui è costituito un sistema è definibile dalle seguenti caratteristiche: • Direzione • Verso • (Valore della) Velocità

Tenendo conto di queste caratteristiche, il portatore entropia indica quanto venga dissipata l’energia che porta. In prima battuta, si può dire che un sistema aumenta la sua entropia quanto più aumenta la varietà delle caratteristiche delle particelle che lo costituiscono. In altre parole, una maggiore distribuzione, ossia la dispersione, sia dei movimenti casuali sia dei valori di velocità delle particelle (micro) significa una maggiore entropia del sistema (macro).

ATTIVITÀ 8 –QUATTRO DISPOSITIVI, UNA DIFFERENZAIl dispositivo analizzato nell’attività precedente viene ora confrontato con altri tre (FOL 8.10). Anche questa volta si chiede agli studenti di interpretarli usando sia schemi funzionali sia schemi distributivi. All’inizio della discussione relativa al confronto tra i quattro dispositivi presi in esame, l’insegnante chiede agli allievi di rispondere alla domanda Quali grandezze fisiche vengono misurate negli esperimenti schematizzati nel FOL 8.10? È una delle domande che comparivano nel FOL 8. 9. Gli studenti rispondono che bisogna misurare la temperatura dell’acqua, la massa dei gravi e la differenza di altezza che essi percorrono durante la loro discesa. Prima di esaminare collettivamente le rappresentazioni proposte dagli studenti, l’insegnante consegna loro la Tabella 1 che riporta le misurazioni ottenute da Joule e da altri scienziati. Joule constatò che trasferendo una determinata quantità di energia alla stessa massa di acqua si causava invariabilmente lo stesso incremento di


temperatura; nei limiti degli errori di misura, la variazione di temperatura era proporzionale all’energia trasferita dalla caduta dei gravi. Tabella 1

Dispositivo utilizzato

Energia trasferita per elevare di 1°F (0,555 °C) la temperatura

di 1 libbra di acqua

Energia trasferita per elevare di 1°C la temperatura di 1 g di

acqua Mulinello 1048 J 4,16 J Resistenza elettrica 1136 J 4,51 J Pistone a gas 1078 J 4,28 J Sfregamento di metalli 1051 J 4,17 J


FOL 8.10

Analizza i seguenti dispositivi e rappresentali simbolicamente secondo gli schemi funzionale e distributivo

1. Primo dispositivo: Il grave W, discendendo per un tratto misurabile, fa ruotare vorticosamente un sistema di palette all'interno di un recipiente riempito d'acqua le cui pareti non consentono trasferimenti di energia, con conseguente aumento della temperatura dell’acqua; ripetendo l'operazione, si verifica che tale aumento è lo stesso per distanze uguali percorse dal grave.

2. Secondo dispositivo: Il grave W, discendendo per un tratto misurabile, fa ruotare una dinamo con

conseguente aumento della temperatura della resistenza R e dell’acqua contenuta all’interno di un recipiente le cui pareti non consentono trasferimenti di energia; ripetendo l’operazione, si verifica che tale aumento è lo stesso per distanze uguali percorse dal grave

3. Terzo dispositivo: Il grave W, discendendo per un tratto misurabile, provoca la compressione del gas

(sistema chiuso) e conseguente aumento della temperatura dell’acqua contenuta all’interno di un recipiente le cui pareti non consentono trasferimenti di energia; ripetendo l’operazione, si verifica che tale aumento è lo stesso per distanze uguali percorse dal grave.

4. Quarto dispositivo: Il grave W, discendendo per un tratto misurabile, provoca lo sfregamento di due piastre metalliche con conseguente aumento della temperatura dell’acqua contenuta all’interno di un recipiente le cui pareti non consentono trasferimenti di energia; ripetendo l’operazione, si verifica che tale aumento è lo stesso per distanze uguali percorse dal grave.


L’analisi e la discussione dei dati permette agli allievi di pervenire alla seguente conclusione: la differenza di altezza che i gravi percorrono è la stessa nei quattro dispositivi; se i gravi hanno la stessa massa, provocano lo stesso aumento di temperatura nella stessa massa di acqua. Queste sono le rappresentazioni dei quattro dispositivi che al termine della discussione vengono condivise dalla maggior parte degli studenti.

Gli schemi evidenziano ben poche differenze, mentre i dispositivi sembrano così diversi. È possibile riassumere le caratteristiche dei quattro dispositivi in questo modo: nel grave è depositata l’energia che si trasferisce all’acqua; possono cambiare i portatori e i trasferitori, ma un’unica entità, l’energia, fluisce lungo la catena per ottenere da dispositivi diversi lo stesso effetto, ossia innalzare la temperatura dell’acqua.

movimento

DEPOSITO

E1 E2 E3 pale acqua

Entropia (calore)

DISCARICA

carrucola

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1

movimento

ambiente Entropia (calore)

DISCARICA

Movimento (elettricità)

DEPOSITO

E1 E2 E3 resistenza acqua

Entropia (calore)

DISCARICA

dinamo

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1 movimento


DISCARICA

movimento

DEPOSITO

E1 E2 E3 sfregamento di metalli acqua

Entropia (calore)

DISCARICA

carrucola

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1 movimento


DISCARICA

movimento

DEPOSITO

E1 E2 E3 pistone acqua

Entropia (calore)

DISCARICA

carrucola

TRASFERITORE

grave

TRASFERITORE

Q2 Q1 movimento


DISCARICA


Nel linguaggio quotidiano, si parla comunemente di energia meccanica, termica, elettrica, ecc. come se esistessero tutte queste «forme» di energia. Questo modo di esprimersi è funzionale al settore tecnico, in quanto i trasferimenti di energia avvengono grazie a fenomeni di tipo meccanico, termico, elettrico, ecc..... Rappresentare le catene energetiche distributive indicando sia l’energia, sia il portatore di energia che entra in gioco in ogni trasferimento, permette di distinguere nettamente tra il contenuto di un trasferitore, ossia l’energia, e ciò che avviene tra un trasferitore e l’altro, ossia il trasferimento di energia. Il portatore non è una forma di energia, ma il mezzo con cui l’energia viene trasferita da un componente a un altro. Con un’analogia un po’ rozza ma chiara, si può dire che un autobus non è i passeggeri che trasporta, ma un mezzo grazie al quale questi si spostano. Il movimento non è l’energia, ma uno dei mezzi (portatori) grazie ai quali questa si trasferisce da un oggetto (sistema) a un altro. L’insegnante propone uno schema generale di questo tipo:

Si tratta di rivedere le espressioni del linguaggio comune alla luce delle idee scientifiche ed evidenziare, ancora una volta, che ogni modo di esprimersi (ogni linguaggio) ha un ben definito campo di validità (se parlo in ambito scientifico mi esprimo in un certo modo, se parlo al bar o con l’elettricista mi esprimo in un altro). Tuttavia, la discussione si accende ancora sui portatori. Negli schemi rappresentati compare il portatore entropia e, tra parentesi, il portatore calore. Ci sono studenti che introducono l’entropia a seguito della discussione avvenuta nell’attività precedente, mentre altri ricorrono ancora all’idea di calore. Qualcuno, per dirimere la questione, osserva che si tratta sempre di movimento: bisognerebbe mettere sempre il portatore movimento. Qualcuno allora dice che bisogna precisare se le particelle si muovono casualmente oppure se c’è una direzione ben precisa. Gli studenti concludono che nel secondo caso si scrive movimento, mentre quando l’energia viene dispersa (dissipata) si scrive entropia. L’insegnante aiuta ora gli allievi a strutturare e condividere l’idea che i trasferimenti di energia avvengono attraverso il movimento delle molecole, o più generalmente delle particelle di cui sono costituiti tutti i sistemi. Del resto, queste particelle sono continuamente in moto all’interno di un sistema anche quando non ci sono flussi di energia né in entrata né in uscita dal sistema. Dunque, una parte dell’energia immagazzinata in un sistema è associata al movimento delle particelle: si chiama per questo motivo energia cinetica.

Non si può dire quindi che è l’energia che fa muovere le particelle, ma piuttosto che le particelle hanno energia cinetica.

Rimane una questione in sospeso che riguarda il portatore dell’energia dalla dinamo alla resistenza. Qualcuno propone ora che il portatore sia il movimento, altri rimangono del parere che sia l’elettricità. La domanda che sorge spontanea è: l’elettricità è movimento? Parecchi studenti dicono di sì, poiché l’elettricità è corrente elettrica: se qualcosa corre, allora c’è movimento. Non tutti sono convinti di questa interpretazione. L’insegnante non deve fornire risposte immediate e sintetiche. Il problema potrà essere affrontato solamente dopo l’introduzione di modelli di atomo che contemplino la presenza degli elettroni.

Energia 1

Sistema 1

Energia 2

Sistema 2

Energia

Portatore di energia


ATTIVITÀ 9 –COLMARE UNA DIFFERENZA: DIFFERENZE DI LIVELLO

Può capitare che durante le discussioni riguardanti le attività precedenti, alcuni studenti abbiano introdotto il seguente problema. Come mai, in un dispositivo, si crea un flusso di energia tra un componente e il successivo? Come mai il trasferimento di energia procede dal componente che abbiamo chiamato deposito al componente discarica e non viceversa? Quando ciò avvenisse, è bene che l’insegnante chieda agli studenti di prendere nota dell’esistenza di questo interrogativo; la ricerca di una risposta viene rimandata al momento opportuno. Ora, in questa attività, l’insegnante ha il compito di affrontare un problema che forse era stato posto dagli studenti in occasione delle attività precedenti; se così non fosse, spetta all’insegnante introdurre il problema. A questo scopo, egli invita gli studenti a riprendere in considerazione gli schemi distributivi con cui sono stati rappresentati i quattro dispositivi considerati da Joule. Se lo ritiene necessario può utilizzare il FOL 8.11. Gli studenti devono dare risposta ai seguenti quesiti: quale evento produce come effetto il trasferimento di energia dal deposito alla discarica? come si può spiegare l’evento che determina il trasferimento di energia dal deposito alla discarica? L’evento è già stato discusso nell’attività precedente. Gli studenti avevano condiviso l’idea, avvalorata dai dati disponibili in Tabella 1, che se, nei quattro dispositivi, i gravi possiedono la stessa massa e variano in modo uguale la loro altezza, provocano lo stesso aumento di temperatura in masse uguali di acqua. Qualche studente mostra di non aver chiaro questo fatto e la sua interpretazione; non è un’attività inutile tornare a discuterne. L’obiettivo della discussione è però un altro. Come mai i gravi si sono mossi, come mai hanno cambiato la loro posizione rispetto al terreno (al centro della terra)? In che modo l’hanno mutata? L’evento è avvenuto spontaneamente? In genere gli allievi rispondono che se lasciamo i gravi liberi di cadere (l’insegnante dice loro che viene tolto un vincolo) essi scendono spontaneamente verso terra, fino a quando finisce il filo a cui sono legati. Possiamo dire che i gravi si trovano ora a un livello inferiore? Le risposte fanno riferimento al fatto che i gravi si trovano a un’altezza inferiore, quindi c’è una differenza di altezza. È il tipo di differenza che Joule ha misurato nel suo dispositivo. Qualcuno ricorda che uno dei dispositivi che erano serviti per accendere una lampadina aveva come deposito un grave: quando veniva lasciato cadere faceva girare una dinamo che faceva accendere una lampadina. Invece nei dispositivi del FOL 8.10 alla fine si scalda dell’acqua. In tutti i casi, però, viene trasferita energia con il movimento. Quando il grave si ferma al livello più basso la lampadina si spegne; l’acqua non si scalda più. L’insegnante chiede: quando il grave si trova al livello più basso ha la stessa energia che aveva nel livello più alto? Gli studenti dicono che una parte dell’energia è stata trasferita con il movimento e ha fatto accendere la lampadina o ha scaldato l’acqua. Quindi nel livello inferiore il grave ha meno energia che in quello di partenza. L’insegnante può ora introdurre il termine potenziale. Il potenziale energetico che il grave possiede quando si trova al livello superiore è maggiore di quello che possiede quando si trova al livello inferiore. Lasciando il grave libero si è determinata una differenza di livello, ossia una differenza di potenziale, che ha dato origine al trasferimento di energia. Dunque, il trasferimento di energia, nei casi considerati, inizia quando nel sistema viene eliminata o ridotta una differenza di altezza, con conseguente trasferimento di una parte dell’energia potenzialmente trasferibile. Quando la differenza viene eliminata, o quando un vincolo impedisce che sia completamente eliminata, il trasferimento di energia cessa. L’insegnante chiede: nei dispositivi che abbiamo studiato in questa sequenza, ci sono altre differenze che vi sembrano interessanti?


Nel dispositivo in cui il movimento rotatorio di una dinamo viene provocato dalla rotazione di una ventola, il deposito di energia è l’aria stessa; però gli studenti ritengono che questo equivalga a identificare il deposito con l’ambiente. In effetti, il portatore di energia non è l’aria, ma il flusso d’aria: come mai l’aria si mette in movimento in una direzione e in un verso privilegiati?

FOL 8.11

Analizza i quattro dispositivi e le rispettive rappresentazioni secondo lo schema distributivo. Secondo te, quale evento produce come effetto il trasferimento di energia dal deposito alla discarica? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Secondo te, come si può spiegare l’evento che determina il trasferimento di energia dal deposito alla discarica? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………


Non mancano gli studenti che ricordano le grandi pale eoliche che sfruttano il vento per produrre energia. Il vento si genera quando l’aria fluisce da zone a pressione più elevata a zone a pressione più bassa. Il flusso d’aria si genera spontaneamente per cercare di colmare una differenza di pressione. Da questa differenza inizia il trasferimento di energia. Nel dispositivo che gli allievi hanno assemblato nella attività 1, il trasferimento di energia inizia con un flusso d’aria e serve per l’accensione di una lampadina. Una differenza di pressione è come una differenza di livello, ossia una differenza di potenziale energetico che può essere colmata trasferendo una parte dell’energia potenzialmente trasferibile. In un qualunque momento della discussione, può accadere che qualche allievo proponga corpi che si raffreddano e corpi che si riscaldano. In questo caso c’è un trasferimento di energia da un corpo più caldo a uno più freddo. È bene che l’insegnante non dia per scontato che tutti gli allievi pensino che tale trasferimento sia dovuto a una differenza di temperatura. Per verificare cosa pensano gli studenti, l'insegnante porta in classe un contenitore di caffè (o altra bevanda calda). Invita gli allievi a rappresentare questa situazione come un dispositivo in cui viene trasferita energia. In breve tempo, la classe si accorda sulla seguente rappresentazione:

Ancora una volta, qualcuno ritiene che il portatore sia l’entropia e altri invece sono ancora legati all’idea di calore. Comunque, il fatto che il caffè si raffreddi è l’evidenza empirica che l’energia si trasferisce dalla tazza di caffè all’ambiente. Il fenomeno preso in considerazione è constatato quotidianamente da tutti gli studenti. Nessuno di loro mostra di confondere quale sistema si scaldi (la sua temperatura aumenta) e quale sistema si raffreddi (la sua temperatura diminuisce). Tuttavia, alla domanda: Come mai l’energia fluisce dal caffè all’ambiente e non avviene il contrario? è molto probabile che qualche studente affermi che

il corpo più caldo fornisce calore a quello più freddo, poiché questo possiede meno calore del primo.

Qualcuno potrebbe anche affermare che

il corpo più caldo ha maggior calore di quello più freddo e conseguentemente anche maggior temperatura.

È bene che l’insegnante lasci ad altri studenti il compito di confutare simili affermazioni. In genere questi avanzano due considerazioni che l’insegnante deve mettere in risalto affinché siano discusse con attenzione:

1. È poco probabile che nell'ambiente sia contenuta una quantità di energia inferiore a quella contenuta nel caffè;

2. Il fenomeno può essere percepito con i sensi; inoltre, i cambiamenti di temperatura del sistema caffè e dell’ambiente possono essere misurati: la temperatura che, all'inizio, è maggiore nel caffè, alla fine è uguale per ambiente e caffè.

Viene anche ricordato che nelle precedenti attività si era stabilito che il calore non è energia, ma un portatore che la trasferisce degradandola: un corpo o un sistema non possiede calore; ciò che noi chiamiamo calore è un portatore particolare che trasferisce energia attraverso il moto disordinato delle particelle. Per questo motivo, abbiamo introdotto un nuovo portatore che abbiamo chiamato entropia. Se un corpo è più caldo di un altro, vuol dire che la sua temperatura è maggiore della temperatura dell’altro.

Caffè Ambiente Energia

Entropia (calore)


L’insegnante deve fare in modo che la discussione porti tutti gli allievi a chiarire questi concetti e a condividere l’idea che

il corpo più caldo fornisce energia a quello meno caldo, poiché l'energia fluisce da quello a temperatura superiore a quello a temperatura inferiore;

il portatore di energia è l’entropia

È necessario che la riflessione e la discussione siano ben controllate dall’insegnante. Il dispositivo preso in considerazione è in apparenza molto semplice, ma il senso comune e le espressioni linguistiche di senso comune ostacolano non poco l’apprendimento, cioè la comprensione di due idee forti e fondamentali per i fenomeni termodinamici:

1. Occorre sempre definire il sistema che si intende sottoporre a indagine e studio; tutto ciò che circonda il sistema e/o che non è sistema viene definito ambiente (nel dispositivo esaminato ciò è particolarmente evidente: il caffè è il sistema, tutto ciò che lo circonda è ambiente)

2. La differenza di temperatura tra i due sistemi è all’origine del flusso di energia dal caffè all’ambiente; al termine del fenomeno i due sistemi si trovano alla stessa temperatura.

Per verificare quanto la discussione abbia favorito la comprensione da parte degli allievi che hanno manifestato difficoltà a ristrutturare le loro concezioni a proposito del calore e dell’entropia, l’insegnante può proporre la situazione inversa. Durante il periodo estivo, spesso il caffè viene bevuto freddo. Se si preleva da un frigorifero una tazzina di caffè e la si mette sul tavolo in cucina, cosa succede? Come si può rappresentare il fenomeno? Anche in questo caso, l’accordo è immediato: il caffè si scalda, quindi vi è un trasferimento di energia dall’ambiente al caffè. Lo schema è il seguente:

L’entropia è un portatore che, come si è condiviso, è presente in ogni trasferimento di energia. In ogni trasferimento, la parte di energia che ha come portatore l’entropia viene dissipata. Per esempio, nei dispositivi in cui una dinamo trasferisce energia a una lampadina con il portatore elettricità, una parte di energia viene trasferita con il portatore entropia; per questo motivo, le lampadine si scaldano. Spesso gli studenti hanno già sentito l’espressione differenza di potenziale quando si parla di corrente elettrica. In genere, questa espressione non ha alcun significato per la maggior parte degli studenti. Ora è possibile inserire questa espressione nel più generale concetto di differenza di potenziale energetico: quando si parla di trasferimento di energia con il portatore elettricità, il flusso di energia è generato da una differenza di potenziale elettrico. Naturalmente, perché queste parole abbiano senso, occorre che gli studenti conoscano la struttura nucleo elettronica degli atomi e siano consapevoli che le cariche elettriche, in condizioni opportune, possono muoversi trasferendo energia. Queste conoscenze potranno essere acquisite in sequenze successive: quando gli studenti incontreranno queste idee disporranno di un contesto concettuale in cui contestualizzarle.

ATTIVITÀ 10 –RENDIMENTO E POTENZA DI UN TRASFERITORE DI ENERGIA

Questa attività non è necessaria per completare la sequenza di apprendimento. Tuttavia, le espressioni riguardanti il rendimento e la potenza di una macchina sono talmente utilizzate nel

Ambiente Caffè Energia

Entropia (calore)


linguaggio comune che vale la pena di riflettere a proposito dei concetti di rendimento e potenza di un dispositivo. A tale scopo, facendo riferimento alle precedenti attività, l’insegnante ricorda che lungo una catena energetica ciascun trasferitore riceve una certa quantità di energia, ma la fornisce solo in parte al successivo trasferitore, poiché il portatore entropia ne disperde una certa quantità nell’ambiente. Per introdurre il concetto di rendimento si può rappresentare questa situazione con il seguente schema:

Se chiamiamo E1 l’energia che il trasferitore 1 riceve e E2 l’energia che il trasferitore 1 fornisce a un altro trasferitore 2, potremo dire che E1 = E2 + Q; con Q indichiamo la quantità di energia che è stata dispersa nell’ambiente dal portatore entropia. Si definisce rendimento h del trasferitore 1 il rapporto tra l’energia che questi fornisce al trasferitore 2 (E2) e l’energia che riceve (E1)

h = E2/E1 cioè h = E2/(E2 + Q) Con E2 si intende solo l’energia utile a far funzionare il trasferitore 2 e non tutta l’energia fornita dal trasferitore 1, poiché una parte di energia è stata trasferita nell’ambiente dal portatore entropia e quindi non è più disponibile (non è più utile) per il funzionamento del trasferitore 2. Il rendimento può dunque variare tra il valore minimo zero (tutta l’energia viene trasferita dal portatore entropia) e il valore massimo uno (E2 = E1, quindi l’energia trasferita dal portatore entropia è nulla). Si avrà dunque che:

0≤ h ≤ 1

L’insegnante chiede ora agli allievi di utilizzare lo schema generale appena introdotto per rappresentare il rendimento di un motore d’automobile. La discussione è impegnativa (anche per l’insegnante); tutti gli allievi sono d’accordo sul fatto che il motore disperda una grande quantità di energia nell’ambiente (il valore di Q è molto elevato), ma a molti viene spontaneo dire che “c’è molto calore” oppure “il motore scalda molto”. Non tutti sono già in grado di associare all’energia che il motore dissipa nell’ambiente il portatore entropia (nelle espressioni di senso comune chiamata calore). È, invece, sempre possibile giungere a condividere la seguente rappresentazione:

Portatore 2

E1 Trasferitore 1

Q

Portatore 1

Portatore entropia

Trasferitore 2 E2

movimento

E1 Motore

Q

combustibile

entropia

Ruote E2


L’insegnante chiede se lo stesso schema sia valido per una Ferrari come per una Cinquecento. In genere, gli studenti non hanno difficoltà ad ammetterlo. La domanda successiva è: Sapendo che la Ferrari è più potente della Cinquecento, in quale modo possiamo interpretare questa differenza? Per rispondere a questa domanda si deve introdurre il concetto di potenza; in altre parole, occorre prendere in considerazione quanta energia viene trasferita nell’unità di tempo. Per esempio, uno studente ha affermato che “la potenza dipende dalla velocità di trasferimento dell’energia”. Gli allievi debbono fare riferimento al trasferitore motore e prendere in considerazione quanta energia venga trasferita in un secondo nei due casi. Dunque, per il trasferitore motore la potenza è

P = E2/Dt dove Dt = t2 - t1, cioè l’intervallo di tempo durante il quale il motore ha trasferito la quantità di energia E2. Affermare che una Ferrari è più potente di una Cinquecento significa dire che il suo motore trasferisce una maggiore quantità di energia alle ruote in un secondo; in questo caso, la potenza è indipendente dal rendimento del motore (nel nostro schema un trasferitore), poiché i due motori possono avere lo stesso rendimento, ma una diversa potenza10. Questa è un’occasione per riflettere su un tema di grande importanza che interessa direttamente la vita quotidiana: si tratta del “risparmio energetico”. Risparmiare energia significa, specifica l’insegnante, dissipare (nel linguaggio quotidiano si usa abitualmente la parola «consumare») minori quantità di energia in tutte le attività umane. La rappresentazione permette agli allievi di chiarire che, nel caso di un motore, la potenza fa riferimento all’energia che questo fornisce nell’unità di tempo (P = E2/Dt). È evidente che E2 sarà tanto maggiore quanto più elevato è E1; però è anche vero che quanto più elevato è E1 tanto maggiore sarà Q, ossia la quantità di energia dispersa nell’ambiente. Dato che il rendimento di un motore a combustione interna è molto basso, il valore di Q è sempre molto elevato. Di conseguenza, se si vuole limitare lo spreco di combustibile si deve limitare la potenza del motore. L’insegnante deve ora ritornare sul trasferitore che è stato protagonista all’inizio di questa sequenza: la lampadina. Egli può, per esempio, partire da questo interrogativo: Domanda: Come mai le lampadine a incandescenza (lampadine tradizionali) sono state sostituite da quelle a luminescenza e dai LED11 (lampadine a basso consumo)? Per dare risposta a questo quesito, è necessario innanzitutto situare il trasferitore lampadina in una rappresentazione ormai ben conosciuta.

Lo schema distributivo permette di evidenziare che il rendimento del trasferitore lampadina è tanto più elevato quanto più è ridotta la quantità di energia trasferita con il portatore entropia. Per esempio, volendo sapere se sia più vantaggioso l’uso di una lampadina a incandescenza o di una lampadina a LED, si devono esaminare due lampadine che abbiano la stessa intensità di illuminazione, cioè:

E2inc = E2LED

10 Nei motori a combustione interna, l’energia utile per far muovere un veicolo (nello schema E2) è mediamente il 30% di quella che giunge al motore con il portatore combustibile (nello schema E1); Quindi, viene mediamente dissipata circa il

70% della energia (nello schema Q). Quindi per un motore a combustione interna mediamente h = 0,3. 11 L’acronimo LED viene dall’espressione inglese Light Emitting Diode (diodo a emissione luminosa).

Luce (movimento?)

E1 lampadina

Q

Elettricità (movimento)

Portatore entropia

ambiente E2


Dato che la frazione di energia trasferita dal portatore entropia è maggiore in una lampadina a incandescenza (Qinc > QLED), questa possiede un rendimento inferiore a quello di una lampadina a LED (hinc < hLED). Per ottenere la stessa intensità di illuminazione, una lampadina a incandescenza deve ricevere una quantità di energia (E1inc ) superiore a quella che si deve trasferire a una lampadina a LED (E1LED), ossia E1inc > E1LED. La quantità di energia (unità di misura: Joule, J) trasferita a una lampadina nell’unità di tempo (unità di misura: secondo, s) ne determina la potenza (unità di misura: Watt, W). La potenza è quindi data da P = E1/Dt ossia, usando le unità del Sistema Internazionale (SI): W = J/s. Queste considerazioni portano alla seguente conclusione:

Per produrre la stessa intensità di illuminazione di una lampadina a LED, una lampadina a incandescenza necessita di una maggiore potenza Pinc > PLED.

Nella tabella sono messe a confronto due lampadine il cui portatore luce trasporta la stessa quantità di energia (E2inc = E2LED). Si rammenta che i portatori elettricità e luce potrebbero essere sostituiti dal portatore movimento, ma a questo punto del percorso scolastico molti allievi non hanno ancora affrontato modelli che permettano questa interpretazione.

Riceve Fornisce

Lampadina incandescenza E1inc E2inc Qinc hinc Pinc = 100 W

Lampadina a LED E1LED E2 LED Q LED h LED P LED = 7 W

Portatore elettricità luce

Dunque, scegliendo lampadine che necessitano di poca energia per fornire un’adeguata illuminazione si adotta un comportamento virtuoso. Una lampadina a LED di potenza 7W illumina in modo equivalente (circa 1400 lumen) a una lampadina a incandescenza di potenza 100W. Ciò accade perché la lampadina a LED trasferisce poca energia con il portatore entropia rispetto a una lampadina a incandescenza: quest’ultima ha quindi un rendimento assai inferiore alla prima. La potenza di una lampadina è dunque in stretta relazione con il suo rendimento; invece, come si è visto, per un motore a combustione interna questa affermazione non è corretta. È quindi possibile condurre le discussioni sul «risparmio di energia» facendo riferimento a considerazioni scientifiche basate su un modello che è alla portata delle capacità cognitive degli studenti. Questa attività introduce alcune considerazioni di tipo quantitativo e alcuni formalismi matematici di fronte ai quali, come sempre accade in questi casi, alcuni allievi mostrano di essere a disagio. La discussione con i compagni favorisce la comprensione e consente a molti studenti di condividere le conclusioni a cui si perviene.

Conclusioni

Il concetto di energia che lo studente deve acquisire al termine di questa sequenza è caratterizzato dai seguenti attributi fondamentali: L’energia è qualcosa che:

• Può essere immagazzinata in un sistema. • Può fluire da un sistema a un altro sistema.

Nei trasferimenti, l’energia:


• si conserva in quantità. • si degrada in qualità.

In particolare, possiamo affermare che, a partire da idee di senso comune, gli studenti pervengono a un primo livello di concettualizzazione di concetti scientifici riguardanti l’energia e il suo trasferimento. In altre parole, durante la sequenza le espressioni del linguaggio comune sono state utilizzate come base di partenza per costruire gradualmente un’idea di energia basata su una serie di affermazioni che ne definiscono il significato.

Tenendo presente l’immagazzinamento dell’energia in un sistema possiamo affermare che: • Un sistema materiale è costituito da un insieme di particelle che sono continuamente in moto

all’interno del sistema, anche quando non ci sono flussi di energia né in entrata né in uscita dal sistema.

• L’energia è immagazzinata in un sistema sia come energia cinetica, ossia l’energia associata al movimento delle particelle, sia come energia potenziale, legata alle posizioni relative di tutte le particelle in interazione12 nel sistema, ossia al potenziale energetico posseduto dal sistema.

Tenendo presente i trasferimenti di energia fra sistemi, si possono così riassumere le idee fondamentali:

• Un trasferimento di energia è sempre associato a un portatore di energia. • La causa del flusso del portatore è da riconoscere in una differenza di livello, dove livello è

sinonimo di potenziale energetico: differenze di altezza, differenze di potenziale elettrico, differenze di temperatura, ecc.

• I trasferimenti spontanei di energia da un sistema a un altro sono generati da fenomeni che tendono ad annullare una differenza presente nei valori di qualche grandezza fisica, p. e. temperatura, pressione, altezza, concentrazione, ecc.

• Quando la differenza viene annullata, il flusso di energia cessa. • Una differenza origina un flusso di energia e ne causa la dissipazione di una parte.

• La dissipazione dell’energia avviene durante i trasferimenti ed è associata al portatore entropia13.

• Qualunque sia il portatore, i trasferimenti di energia avvengono attraverso il movimento delle particelle di cui sono costituiti tutti i sistemi. In altre parole, una parte dell’energia immagazzinata nel sistema viene trasferita come energia cinetica, grazie al movimento delle particelle che lo costituiscono.

È importante che l’insegnante sia cosciente che le conclusioni a cui devono pervenire gli allievi in questa sequenza costituiscono il terreno concettuale qualitativo essenziale per la comprensione 12 Il tipo di interazioni a cui si fa riferimento sarà argomento di sequenze successive. 13 La parola entropia venne introdotta per la prima volta nel 1865 dal fisico tedesco Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888). In tedesco, Entropie, deriva da due parole greche: en (en), "dentro", e τροπή (tropé), "trasformazione”. Egli desiderava che entropia fosse simile alla parola energia, poiché riteneva vantaggioso che il legame che presentano nel loro significato fisico fosse evidenziato dall’avere nomi simili; inoltre la derivazione da una lingua classica di questi nomi permette di introdurli in tutte le lingue senza cambiamenti. Quindi, per Clausius l’entropia è una grandezza fisica che è presente in ogni trasformazione di un sistema. Infatti, egli la introdusse per spiegare la tendenza di un sistema chiuso verso uno stato di equilibrio termico. In questo contesto, invece, l’entropia è una grandezza fisica che è presente in ogni trasferimento di energia.


degli aspetti quantitativi del concetto di energia. A tale scopo, ad esclusivo uso dell’insegnante, nella tabella 2 sono riportati in corrispondenza di alcuni campi del sapere scientifico, le grandezze estensive e quelle intensive che sono di volta in volta implicate nel trasferimento di energia. Nell’ultima colonna sono indicati i flussi di energia (IE) così come vengono formalizzati nella interpretazione di alcuni fenomeni di natura dinamica. In tutti i casi, il valore del flusso di energia è ricavabile come prodotto di un flusso di una grandezza estensiva per un gradiente di una grandezza intensiva. Nella seconda colonna viene evidenziato che ogni grandezza estensiva corrisponde a quello che in questa sequenza è stato individuato come portatore di energia. Tabella 2

Grandezza Estensiva (portatori)

Grandezza intensiva

Trasferimento di energia

Dinamica dei fluidi Volume d’acqua Volume d’aria Pressione IE = IV � Dp

Elettricità Carica elettrica Potenziale elettrico IE = IQ � DF

Meccanica Quantità di moto Velocità IE = Ipx � Dv

Termologia Entropia Temperatura IE = IS � DT

Chimica Quantità di sostanza Potenziale chimico IE = In � Dµ

8. il concetto di energia energia, … pubblicitari, nei discorsi dei politici. ecco alcuni esempi:...

Documents