La termodinamica spiegata ai bambini

13 giugno, 2013 § Lascia un commento

La macchina a vapore è un cavallo di battaglia da lanciare al galoppo al termine del primo quadrimestre in prima media. Ne ho già parlato durante l’inverno di due anni fa, nel laboratorio del vecchio carpentiere di Meldola (leggi: La macchina a vapore I e II). Ora che ne parlo anche nella mia famosa relazione di fine precariato, mi domando se sia veramente comprensibile. Mah! Comunque, quando la affronto, i ragazzi mi ascoltano e fanno silenzio. La macchina a vapore, almeno a scuola, ha ancora una grande efficienza…

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Il programma di scienze di prima media prevede lo studio del calore e della temperatura, a partire dal semplice modello della teoria cinetica dei gas, che collega la temperatura alla velocità delle particelle in movimento. A seguire, c’è la definizione operativa di scala termometrica e poi il discorso sui passaggi di stato, sul calore latente, sui modi di propagazione del calore. Mi pare giusto fare comincire lo studio di questi argomenti dalla contrapposizione fra materia ed energia. Le particelle dei gas sono materia, mentre il calore è una forma di energia: ciascun concetto risalta meglio quando viene presentato in contrapposizione al suo duale. Ma è un peccato fermarsi qui, senza presentare subito le diverse forme di energia e le trasformazioni possibili fra l’una e l’altra forma. Per un ragazzo di prima media non c’è niente di difficile nell’esperienza del mulinello di Joule. L’energia meccanica si trasforma tutta in energia termica. Non ci credete? Provate a sfregarvi le mani… Possiamo mostrare tanti esempi di trasformazione di energia meccanica in calore, ma qualcuno saprebbe fare il contrario, cioè trasformare energia termica in energia meccanica? Il calore in movimento? Silenzio… (queste domande sono perfette per catturare l’attenzione ed evitare inutili schiamazzi). Alcuni suggeriscono di legare un guinzaglio alle molecole in movimento, per spostare oggetti macroscopici ‘a rimorchio’. Qualcuno replica che sarebbe semplice, se solo potessimo utilizzare un guinzaglio piccolissimo. Ma non pensa al fatto che le particelle non hanno un moto di insieme, vanno ognuna in una direzione differente: tutti i guinzagli si aggroviglierebbero. Il problema è mettere d’accordo le particelle, farle andare tutte dalla stessa parte, ad esempio con un movimento di dilatazione, come in una mogolfiera che si gonfia. Pensate a quello che succede al coperchio di una pentola quando l’acqua bolle. Il calore produce il vapore, le particelle di vapore si spostano tutte insieme, cercano più spazio, e muovono il coperchio della pentola. E’ un bell’esempio di come l’energia chimica del gas, divenuta energia termica, sia in grado di produrre lo spostamento di qualcosa. Ora dobbiamo trovare lo stratagemma per imbrigliare questo spostamento in un lavoro utile.

La storia della macchina a vapore offre la possibilità di chiarire gradualmente i meccanismi messi in campo per produrre lavoro, a partire dal calore, e permette pure di accennare ai principi della termodinamica ed al concetto di efficienza energetica. Qui le scienze trovano un valido supporto didattico nella storia della tecnologia. Nel web sono disponibili immagini ed animazioni della prima macchina a vapore di Newcomen e dei suoi successivi sviluppi, nelle diverse versioni della macchina di Watt. I disegni tratti da antiche stampe settecentesche mostrano una tecnologia rudimentale, che traduce in pratica le idee della termodinamica in modo semplice ed esplicito. Sono disegni che piacciono ai ragazzi. La difficoltà di comprensione dei meccanismi aumenta gradualmente, passando dalle prime macchine a vapore, utilizzate per pompare via l’acqua dalle miniere inglesi, fino a quelle più complesse utilizzate negli opifici della prima rivoluzione industriale. Ciascuno può spingersi avanti, verso l’osservazione di macchine via via più ricche di dettagli tecnici, fin dove lo portano l’interesse e le personali capacità. Il discorso può proseguire fino all’invenzione ottocentesca della locomotiva, la prima macchina a vapore in grado di muovere se stessa. Ma i concetti fondamentali della termodinamica affiorano già chiaramente nella prima invenzione di Newcomen degli anni intorno al 1710: l’idea che il movimento possa essere prodotto da una differenza di pressione, e che questo salto possa essere innescato da un fulmineo cambio di densità, per la condensazione del vapore all’interno di un cilidro chiuso da un pistone mobile. In questo movimento ciclico, gran parte del calore viene disperso nell’ambiente, mentre solo una piccolissima parte diventa energia meccanica: tutta la storia successiva della macchina a vapore è all’insegna del miglioramento di questa efficienza, ottenuta con un maggior isolamento termico e con una riduzione degli attriti fra le parti meccaniche, per trasformare una maggior quantità di calore in energia meccanica. Attraverso lo sviluppo degli artefatti che raccontano la storia della macchina a vapore, diventa subito chiaro il concetto di efficienza energetica. Anche i princìpi della termodinamica assumono un aspetto familiare: l’equivalenza fra le diverse forme di energia reca implicita una asimmetria. E’ facile trasformare l’energia meccanica in calore, mentre è più complicato il contrario, tanto che per farlo ci siamo dovuti inventare una macchina. Possiamo sforzarci di perfezionarla, ma non potremo mai costruire una macchina capace di trasformare in energia meccanica tutta l’energia termica che abbiamo a disposizione. Una parte di questa energia sarà restituita all’ambiente sotto forma di calore, ad una temperatura più bassa di quella di partenza. Questo principio della termodinamica (il secondo) non è affatto banale, ma può diventare comprensibile anche ad un ragazzo di prima media, quando lo si valuta operativamente tramite l’esempio della macchina di Newcomen.

Il calore fluisce spontaneamente dai corpi più caldi ai corpi più freddi. Per capirlo è d’aiuto l’immagine del movimento delle molecole, da cui dipende la temperatura di un corpo. Se il calore non può fluire dal ‘freddo’ verso il caldo’, per abbassare la temperatura di un oggetto è necessario costruire un’altra macchina, il frigorifero, che per lavorare richiede energia elettrica. Non è possibile spostare gratis energia termica da un corpo più freddo ad un corpo più caldo, così come non è possibile trasformare tutto il calore a disposizione in energia meccanica. Ma quando ancora l’energia elettrica non esisteva, come funzionavano i frigoriferi? A Cesenatico c’erano le conserve, o ghiacciaie, nella piazzetta non lontano dalla pescheria, che i ragazzi hanno avuto occasione di vedere. Anche le conserve forniscono un interessante stimolo per riflettere sul calore. Ingenuamente molti pensano che fossero la neve ed il ghiaccio a produrre il freddo. Ma il freddo non è un concetto termodinamico. Dobbiamo considerare sempre il calore, che si muove dai corpi più caldi ai corpi più freddi. Il calore che entrava nella conserva dall’esterno scioglieva il ghiaccio senza aumentarne la temperatura: veniva speso tutto per sciogliere il ghiaccio, il quale si manteneva alla temperatura di fusione di 0 gradi centigradi. La temperatura aumentava gradualmente nell’aria soprastante, rimanendo comunque prossima a 0 gradi centigradi in tutto l’ambiente interno, finchè c’era un po’ di ghiaccio da sciogliere nel pozzo della conserva.

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