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Premessa
Questo lavoro nasce dalla consapevolezza dell’importanza che riveste la dimensione empirica della fisica nella didattica liceale. Non mi stancherò mai di ripetere che un qualunque corso di fisica, per essere significativo, deve poter permettere agli studenti di riflettere adeguatamente sul senso e sul ruolo che è necessario attribuire alla dimensione empirica della fisica direttamente sviluppata in laboratorio. Ciò al fine di permettere un più efficace apprendimento delle idee fondanti della disciplina. In questa prospettiva, mi propongo di mettere in evidenza il resoconto di una serie di attività sperimentali di termodinamica che sono state svolte nel liceo «Russell» durante l’anno scolastico 2000-01. L’articolo che segue vuole essere, pertanto, una relazione di fisica, ovvero un racconto dettagliato di ciò che è stato proposto e realizzato in laboratorio in una quarta classe di liceo scientifico sperimentale della scuola dell’autonomia, di cui il liceo «Russell», com’è noto, è una scuola capofila della sperimentazione (avviata sul piano nazionale dal Ministero della Pubblica Istruzione nel lontano anno scolastico 1997-98).
Non vorrei che il titolo fosse fuorviante. In verità avrei voluto dare come intestazione la seguente dicitura: “conferma empirica della validità del 2° principio della termodinamica mediante l’osservazione del fenomeno termico del raffreddamento di una quantità d’acqua contenuta in un becker secondo il metodo di Schrödinger”. Mi è sembrato troppo particolareggiato e convenzionale. Così ho optato per l’altro, che ha lo scopo di raccontare e descrivere le attività che ho svolto in classe e in laboratorio con gli studenti in modo, per certi versi, inimmaginabile all’inizio. Infatti, l’aspetto più sorprendente e inatteso della vicenda didattica che più mi ha colpito, è stata l’imprevedibile piega che ha preso il lavoro nel mentre trascorrevano i giorni della elaborazione dei dati sperimentali e nel momento in cui davo suggerimenti agli studenti su come redigere la relazione. Più il tempo trascorreva e più il lavoro prendeva una piega imprevista e impegnativa, conseguenza sia della enorme mole di dati utilizzati durante il lavoro di elaborazione, sia delle incalzanti richieste di approfondimento che provenivano dagli studenti. Da un semplice fenomeno termico di raffreddamento di acqua calda, in cui si doveva misurare la temperatura in funzione del tempo e disegnare successivamente il grafico di raffreddamento T=f(t), mi sono trovato impegnato a effettuare riflessioni e calcoli sempre più complessi, impegnativi e di considerevole valore sul piano dell’apprendimento delle idee fisiche. Non temo smentite se affermo che gli studenti mi sono stati di enorme stimolo in questo lavoro. In genere, un normale corso di termodinamica, al 4° anno di liceo scientifico, non prevede lo sviluppo di tutti i temi affrontati in questo articolo. Al massimo si effettuano uno o due approfondimenti specifici, non di più. Dal punto di vista della programmazione didattica i pochi esperimenti che normalmente si realizzano riguardano la misurazione indiretta del calore specifico di un corpo mediante il calorimetro delle mescolanze di Regnault, la misurazione indiretta dell’equivalente meccanico del calore mediante l’apparecchio di Callendar e, dulcis in fundo, i passaggi di stato con la determinazione sperimentale del “pianerottolo” presente nella curva di fusione o di solidificazione di una sostanza. I miei studenti mi hanno “imposto” di andare oltre. Così sono stato costretto a preparare alcuni esperimenti relativi ai principi della termodinamica e, in particolare, a cimentarmi con aspetti teorici e sperimentali imprevisti nella programmazione di inizio anno scolastico. Ne sono rimasto affascinato, tanto da decidere di comunicare agli altri questa interessante esperienza, fuori del comune.
Di che cosa si tratta? Molto brevemente, ho posto al centro del lavoro il concetto chiave di entropia, che sarà esaminato in molte e differenti modalità. Lo straordinario interesse che il 2° principio della termodinamica riveste per la cultura, non solo scientifica, è dovuto per molti versi alle sue implicazioni in ogni campo dell’esperienza umana. L’esperimento si propone di confermare empiricamente alcuni principi della termodinamica, in particolare il secondo principio, ma anche lo zeresimo e il primo, nella doppia interpretazione fenomenologica e statistica. Per spiegare l’enigma dell’irreversibilità, oltre alla chiave entropica ho cercato di utilizzare concretamente, attraverso misure e calcolo degli errori, i concetti di equilibrio termico, di conservazione dell’energia, di aumento dell’entropia, di diminuzione dell’esergia, di ordine e disordine molecolare, nonché la categoria scientifica dell’«informazione» associata a uno stato termodinamico e generalmente ignorata in questo genere di resoconto scientifico. Mi rendo conto che l’obiettivo generale del lavoro può apparire ambizioso e, finanche, pretenzioso. In parte lo è. Non accade spesso di porsi uno scopo così impegnativo come quello inerente a un campo di così vasta concettualizzazione e di ampia profondità. Forse ho esagerato. Ma nella didattica qualche volta è meglio ampliare, piuttosto che ridurre. Osare, osare, osare. Potrebbe essere questo il motto che ha caratterizzato il lavoro svolto dal sottoscritto nella doppia veste di coordinatore delle attività di apprendimento degli studenti e come risolutore di una miriade di problemi che sono sorti durante l'intero periodo delle attività. L’esperimento propone, pertanto, un tentativo, sicuramente complesso, per certi versi non adeguatamente verificato in tutti i suoi vasti aspetti di giustificazione sperimentale, del perché dell’irreversibilità e dell’asimmetria del fenomeno termico del raffreddamento spontaneo dell’acqua contenuta in un recipiente. La sperimentazione consiste nel cercare di giustificare, alla luce del canone di entropia, le ragioni attraverso le quali si conferma la natura probabilistica dell’entropia in un caso specifico e concreto di fenomeno termico affrontabile, in un normale laboratorio di fisica, con materiali e strumenti semplici ed economici. Non secondaria è da considerare la vasta bibliografia che ho cercato di segnalare alla fine delle pagine che seguono. Le parole chiave sono, come era prevedibile, i tre sostantivi “entropia”, “caos” e “informazione”. Mi scuso anticipatamente se nel testo sono presenti refusi o errori e sarò grato a tutti coloro che mi faranno pervenire osservazioni critiche sul lavoro e su eventuali errori presenti. L'indirizzo di posta elettronica è il seguente: v.calabro@iol.it . Ringrazio anticipatamente tutti gli interessati.