UN TENTATIVO DI INSEGNAMENTO INTERDISCIPLINARE DELLA TERMODINAMICA NEGLI ISTITUTI SECONDARI SUPERIORI

 

Ferruccio Rizzuti, Palmiro Stumpo

 

Premessa

Scrivere degli appunti che siano la sintesi se pur parziale di un lavoro che è in corso e non dato per chiuso ed esaurito, per gli studenti di Scuola Secondaria Superiore, su un argomento specifico non è facile per nessuno; a maggior ragione per chi, come noi, non è abituato a cimentarsi con tale «modo nuovo» di fare cultura.  Vuoi perché ci sono i libri che hanno tutto o quasi tutti gli ingredienti necessari alla «formazione culturale» degli studenti, vuoi perché una ormai consolidata prassi scolastica determina negli studenti una specie di reazione di rigetto nei confronti di tutto ciò che non è un libro di testo e negli insegnanti una sorta di impotenza quando si tratta di mettere per iscritto quello che viene detto verbalmente.  Partendo da questi dati, niente affatto confortanti, si è tentata in una seconda classe dell’Istituto Tecnico per Geometri di Cosenza, con ragazzi quindi di età media di 15-16 anni, la realizzazione di un insegnamento interdisciplinare della Termodinamica.  Le motivazioni per tale lavoro erano quelle di tentare un approccio non tradizionale allo studio della Termodinamica pur agendo in un contesto poco favorevole caratterizzato dalla mancanza assoluta di un laboratorio, dalla carenza di materiale didattico a disposizione della scuola e di un «monte ore» insufficiente, oltre che al rispetto di programmi ministeriali vigenti.  Inoltre c’era l’esigenza di un nostro approfondimento sui concetti fisici che stanno alla base di tale disciplina scientifica.  È necessario a questo punto precisare perché la scelta sia caduta sulla Termodinamica.  Ci è sembrato innanzitutto che essa potesse fornire, meglio di altri argomenti, la possibilità di un lavoro interdisciplinare; inoltre si è valutata la possibilità di dare agli studenti una chiave di lettura critica del problema energetico, tenuto conto che si tratta di una scuola di allievi che potrebbero finalizzare il loro «mestiere» di progettazione anche in chiave di risparmio energetico.

 

In questo contesto il lavoro che abbiamo cercato di realizzare presenta, a parer nostro, una singolarità non secondaria: il non limitarsi ad una ricostruzione della genesi e della affermazione della Termodinamica come scienza, ma si è cercato di cogliere i rapporti con le altre discipline scientifiche, con la chimica in primo luogo, ripercorrendo la storia della Termodinamica dagli inizi fino ai primi anni del XX secolo.  In altre parole dallo sviluppo delle macchine a fuoco (nel periodo della prima rivoluzione industriale) sino alla definizione del concetto di calore, temperatura, lavoro meccanico e di energia.  Si sono studiate così le condizioni che hanno permesso l’affermazione della Termodinamica come scienza dell’energia che si occupa delle condizioni per trasformare il calore in lavoro finalizzati a scopo produttivo e attraverso lo studio dei limiti posti dalla natura stessa a tali trasformazioni.  Si sono individuate le premesse per la formulazione del secondo principio e delle sue implicazioni nella valutazione delle trasformazioni irreversibili.  Siamo arrivati, prendendo in esame lo studio degli equilibri chimici e delle reazioni chimiche irreversibili, alla formulazione del terzo principio in una fase, quello della seconda rivoluzione industriale, che vede l’industria chimica come settore trainante di tutta l’economia.  Sarebbe stato interessante cogliere inoltre l’intreccio tra Termodinamica e Termometria e la storia della Termometria (si ricordi a tale proposito l’invenzione del primo termoscopio da parte di Filone da Bisanzio nel III sec. a.C.) legata a quella della Termodinamica, ma un tale lavoro avrebbe portato via troppo tempo anche se è nostra intenzione indagare su tale questione.

 

In sintesi la realizzazione di un tale insegnamento aveva come punti di riferimento tre dati essenziali:

1. l’evoluzione storico-critica del metodo d’indagine della natura e il legame, profondo, tra ricerca e ambiente socio-economico in cui essa si compie.

2. primo, secondo e terzo principio della Termodinamica: come generalizzazione del principio di conservazione dell’energia il primo; valutazione dei limiti delle trasformazioni termodinamiche il secondo; capacità di applicare il terzo nella interpretazione di problemi semplici relativi alle reazioni chimiche.

3. approccio generale al problema energetico.

 

Impostazione/articolazione dell'insegnamento

Volendo appena accennare al lavoro proposto agli alunni, innanzitutto ci è sembrato importante sottolineare, come lo sviluppo e la sistemazione teorica della Termodinamica sia seguita ad esigenze poste dalla vita pratica.  Molti scienziati, infatti, dedicarono le loro ricerche allo studio del calore, stimolati dall'invenzione e dalla loro applicazione a fini produttivi delle macchine a vapore e dalla necessità di avere conoscenze più precise sulla natura del calore al fine di migliorare l’efficienza e la potenza delle macchine per poterlo sfruttare meglio.  È interessante notare come già Erone d’Alessandria (tra il 200 e 0 100 a.C.) avesse costruito una macchina che sfruttava il vapore come forza motrice.  Ma al tempo dei Greci queste macchinette venivano utilizzate per puro divertimento, e bisogna arrivare verso la fine del 1600 perché si incominciasse a studiare il problema con finalità diverse da quelle dei Greci.  Un simile approccio storico allo studio di qualsiasi disciplina in particolare, per esempio, a quello della Termodinamica, porta ad un maggiore grado di consapevolezza e ad una più elevata conoscenza in quanto attraverso una storia del «sapere» meglio si coglie l’evoluzione che la formulazione di concetti hanno subito e che subiscono, e più concretamente si risponderebbe alla domanda che spesso viene posta di fare «qualcosa di concreto».  Per la realizzazione del programma di insegnamento si è cercato di tenere presente le esigenze prima poste: proponendo alcune lezioni relative allo sviluppo storico della Termodinamica, inquadrandola nella fase della rivoluzione industriale e osservando che l’affermazione della Termodinamica come scienza autonoma segna un cambiamento nel campo della ricerca e della prassi scientifica; contestualmente, gli alunni hanno compiuto delle ricerche, aiutandosi con il materiale didattico a disposizione della scuola e con i libri che avevano a casa o acquistato per l’occasione.

 

È da rilevare che dopo le prime lezioni si sono formati dei gruppi spontanei, ciascun gruppo trattava un argomento particolare e alla fine i lavori venivano scambiati tra i vari gruppi e discussi in classe.  In questo modo si è arrivati alla formulazione dell’equivalenza tra calore e lavoro, partendo dalla definizione di «fluido calorico» (termine probabilmente espresso per la prima volta da Lavoisier intorno al 1789) per approdare attraverso «approssimazioni successive» all’esperienza di Joule, al contributo dato da Mayer per comprendere meglio il legame che corre tra lavoro meccanico e calore, definendo alla fine il Primo Principio della Termodinamica.  A tutto ciò sarebbe stato necessario dedicare un tempo superiore a quello che noi avevamo a disposizione; tre secoli di storia e di ricerca attenta, un susseguirsi di teorie spesso contrastanti tra di loro il prevalere di una di queste e la sconfitta delle altre non possono essere liquidati con poche ore di lezione.  Comunque una delle esperienze che ci è sembrato dover proporre agli studenti per l’importanza che assume a favore della concezione dinamica del calore, in contrasto con la teoria del calorico come «fluido imponderabile» è quella che Humphry Davy esegue intorno ai primi anni del 1800.  Egli faceva strofinare due pezzi di ghiaccio ottenendo la liquefazione per effetto del calore prodotto, il quale, escludendo l’ipotesi di una diminuzione di calore specifico, dato che il calore specifico dell’acqua è maggiore di quello del ghiaccio, non aveva altra origine se non dalla trasformazione del lavoro meccanico speso per vincere l’attrito.

 

Dovettero comunque passare molti anni prima che la teoria del calorico fosse superata e al suo posto si affermasse il concetto di calore come energia.  Ci è sembrato che gli studenti abbiano recepito questo modo un po' diverso di fare lezione e ne siano stati stimolati, tant’è che hanno avvertito l’esigenza di documentarsi meglio.  Ci è sembrato che quel po' di lavoro in più che noi facevamo fosse compensato da questo interesse maggiore suscitato nei nostri allievi.  «In una memoria del Carnot, riesumata nel 1846 da Lord Kelvin, veniva postulata l’impossibilità che il calore passi spontaneamente da una sorgente fredda ad una sorgente calda; questo principio, in seguito posto a fianco del principio di conservazione dell’energia come seconda legge della Termodinamica, venne esteso da Lord Kelvin all’irreversibilità delle trasformazioni di lavoro in calore e da Clausius che nel 1865 formulò: "l’Entropia di un sistema isolato tende ad un massimo"».  Queste ed altre note scaturite dal lavoro degli alunni hanno aperto, a parere nostro, una breccia nella mente dei ragazzi, nel senso che si è capito quali siano i limiti che la natura pone alla produzione di lavoro da parte di una macchina termica.  In questo modo, attraverso una attenta ricostruzione dei periodi storici, delle interconnessioni e delle reciproche influenze tra i vari settori del sapere, del grado di sviluppo economico della società, è possibile individuare anche il cammino seguito dalla chimica, che alla fine del 18° secolo incomincia ad affermarsi come scienza a sé, con un proprio ambito di ricerca, una propria metodologia ed alcune finalità precise.  La ricerca delle condizioni per far operare le macchine termiche, il problema del fluido operatore, porteranno ad un più attento studio della fase gassosa, ponendo cosi le basi per lo studio dei gas e della loro importanza nelle reazioni chimiche.  Da questo punto di vista si possono vedere i cambiamenti che intervennero nella prassi scientifica, attraverso uno studio dei rapporti tra scienza e tecnica, tra teoria e prassi, mediante un confronto tra le varie ipotesi, interpretazioni, formulazioni e teorie di un fenomeno in uno stesso periodo storico.  Non sempre però si riesce a condurre tale lavoro serenamente, in quanto, e questo è molto forte nei ragazzi, sovente si è portati a fare dei confronti tra la interpretazione attuale di un fenomeno, che per fede si crede esatta, con le idee erronee di una volta sulle quali si ironizza.

 

Il confronto dei dati del calcolo del rendimento nelle macchine termiche rispetto al Secondo Principio evidenzia un fatto molto concreto ed immediato: si mette in luce in forma chiara ed evidente lo spreco enorme di risorse e di energia che ha sempre contraddistinto, in ogni fase storica, lo sviluppo industriale.  Basterebbe segnalare il caso delle centrali termoelettriche tradizionali che disperdono circa 50% del calore contenuto nel combustibile di partenza e che solo da pochi anni si sta tentando di recuperarle con le esperienze di teleriscaldamento.  L’aggancio ad una tematica così sentita in questo momento come la crisi energetica ha determinato nei ragazzi una risposta estremamente positiva in quanto si sono trovati a studiare e a discutere di un tema che non era stato risolto una volta per tutte.  È importante notare come l’interesse dei ragazzi su una determinata questione possa, molte volte, guidare lo stesso insegnante ad attrezzarsi meglio rispetto ad un problema di rilevanza generale, e come da tale interesse ne possa scaturire uno studio; in altri termini con questo lavoro si è tentato di fornire una chiave di interpretazione del ruolo che la scienza e le discipline scientifiche hanno avuto e messo in atto nelle diverse fasi storiche per spiegare la realtà.

 

Conclusione

Una appropriata distribuzione degli argomenti ed una coordinazione nello svolgimento del corso ci ha fatto notare come, oltre all’interesse suscitato, ci sia stata una partecipazione attiva che ha portato, dagli appunti presi in classe durante la lezione e dai dibattiti che seguivano alle ricerche, alla stesura di una dispensa distribuita quest’anno nelle classi dove si è continuata la sperimentazione.  I limiti e le lacune anche vistose (mancava per esempio una trattazione completa del ciclo di Carnot) sono state in parte colmate da questo sforzo collettivo, fornendo, per quanto ci è stato possibile, uno strumento per leggere la realtà e per inquadrare la scienza nel contesto della vita quotidiana.

 

Nota bibliografica

Nello svolgere il lavoro ci siamo resi conto della difficoltà di reperire una bibliografia capace di soddisfare tutte le esigenze ma che nello stesso tempo fosse accessibile per gli studenti, tenuto conto del loro livello culturale, della loro capacità di comprensione, tenuto conto della età.  In ogni caso ci sembra opportuno segnalare come sia necessario affiancare allo studio dei principi fisici, una buona lettura di carattere storico sulla rivoluzione industriale, sulla sua dinamica dal punto di vista dello sviluppo economico.  Per questo motivo segnaliamo una serie di libri e di lavori comparsi su riviste che sono stati usati nel corso del lavoro.  Si sottolinea inoltre l’importanza di una attenta lettura delle opere originali o di brani di esse, che qui per brevità non vengono citate, rimandando per questo alla bibliografia che nelle opere prese in esame viene segnalata.

 

Baracca A., Sapere, n. 773, lug. 1974, pag. 24.

Baracca, Rigatti, Giornale di fisica, XV (2), 144 (1974).

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Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 1982, 4/5, 22-25. Riprodotto con l'autorizzazione del Prof. Pierluigi Riani, direttore di CnS.