Insegnare fisica/Didattica tradizionale/I principi della termodinamica

Il Primo principio

Calore, lavoro e energia interna

Il significato della parola calore trova ampio spazio sia nei mass media che nel linguaggio comune. Purtroppo, però, in entrambi questi settori il termine viene utilizzato in maniera impropria. Si sente spesso parlare di calore "ceduto o fornito" come se ogni sostanza materiale ne contenesse una determinata quantità, in linea con le vecchie teorie del calorico. Ad aggravare la situazione, molti libri di testo scolastici inerenti ad altre discipline tendono ad attribuire alla parola "calore" diversi significati. In generale si presenta una difficoltà a distinguere tra lavoro, calore ed energia, il che porta a grossi fraintendimenti da parte degli studenti una volta che cercano di comprendere il primo principio della dinamica.

Il secondo principio

Considerazioni sul significato di "disordine"

La metafora del disordine è molto comune nei manuali e nella divulgazione volta a un aiuto per la formazione di un'immagine intuitiva del concetto. In realtà, quest'utilizzo è anche criticato perché può essere ingannevole e può portare gli studenti a concezioni errate. Inoltre, ordine e disordine sono termini parzialmente soggettivi e quindi possono essere interpretati diversamente da osservatori differenti. Probabilmente risulta più comodo evitare quest'interpretazione del secondo principio, a meno che non si voglia farne una trattazione dettagliata.

Irreversibilità e freccia del tempo

Alcune relazioni fra meccanica e termodinamica pongono dei problemi di coerenza e di interpretazione. Cambia enormemente il concetto di equilibrio (in un caso si parlerà tendenzialmente di equilibrio mobile, mentre nell'altro sarà sempre un equilibrio statico). Inoltre, sembra quasi sparire il concetto di inerzia: "un pistone, una volta che la pressione interna ed esterna si eguagliano, si fermerà" è una frase molto utilizzata in termodinamica, ma in meccanica risulterebbe scorretta: il pistone, infatti, dovrebbe cominciare a muoversi di moto rettilineo uniforme.

Questi aspetti, se non evidenziati, possono mandare in confusione gli studenti. Sarà utile, quindi, sviluppare una discussione su alcune questioni generali riguardanti il significato e lo statuto delle leggi della termodinamica. Si può discutere se la seconda legge della termodinamica è una legge fondamentale della natura oppure solo un'apparenza dietro cui ci sono fenomeni microscopici reversibili; se è una legge esatta o solo un risultato statistico che indica un'improbabilità; se si deve spiegare la termodinamica per mezzo della meccanica o se al contrario si deve modificare la meccanica, se il tempo unidirezionale, la freccia del tempo, è una proprietà fenomenologica non fondamentale (una specie di quantità secondaria o emergente); ecc.

Bibliografia

• (IT) Ugo Besson, Didattica della fisica, Roma, Carrocci editore, 2017, pp. 148-150,155-162, ISBN 978-88-430-7735-9.