Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Η διδασκαλία της έννοιας ΕΝΕΡΓΕΙΑ

στην Α΄ Λυκείου

Ανάμεσα σε άλλους, βασικοί στόχοι της διδασκαλίας ,

σε επίπεδο εννοιών, είναι :

α. Η διάκριση

σε ΜΕΤΑΒΙΒΑΖΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ( energy transfer )

( έργο δύναμης , ηλεκτρικό έργο - ή ηλεκτρική ενέργεια, όπως συνηθίζεται -, θερμότητα, ακτινοβολία είναι –

σε πιο αυστηρή διατύπωση - μηχανισμοί μεταβίβασης ενέργειας )

και σε ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ – ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ( energy of a system )

( Κινητική ενέργεια , δυναμική ενέργεια , θερμική ενέργεια, χημική ενέργεια , κυρίως )

Αυτά σε επίπεδο Μακρόκοσμου. Και δεν είναι βέβαια μόνο αυτά διότι υπάρχει ακόμα πυρηνική ενέργεια, ενέργεια αποθηκευμένη

στο ηλεκτρικό πεδίο του φορτισμένου πυκνωτή, ενέργεια αποθηκευμένη στο μαγνητικό πεδίο του ρευματοφόρου πηνίου . . . .

β. η αποφυγή της σύγχυσης μεταξύ των εννοιών

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ( Heat , είναι μηχανισμός μεταβίβασης ενέργειας ) και

ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (THERMAL ENERGY, είναι, σε επίπεδο Μακρόκοσμου, ενέργεια ενός συστήματος )

Μια πρόταση για τη δομή της διδασκαλίας είναι :

α. Έργο δύναμης ως μηχανισμός μεταβίβασης ενέργειας

από τον ασκούντα τη δύναμη στο σώμα στο οποίο ασκείται

β. Ισχύς

γ. Κινητική ενέργεια. Θεώρημα της κινητικής ενέργειας

δ. Δυναμική ενέργεια . Η δυναμική ενέργεια ενός συστήματος

περιγράφει την αλληλεπίδραση μεταξύ των μερών του

ε. Η Διατήρηση της ενέργειας σε ορισμένα συστήματα ( τα λεγόμενα διατηρητικά )

στ. Η ενέργεια ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ από μία μορφή σε άλλη .

Θερμική ενέργεια. Χημική ενέργεια .

ζ. Η ενέργεια ΜΕΤΑΒΙΒΑΖΕΤΑΙ και όχι μόνο με έργο

Άλλοι μηχανισμοί μεταβίβασης ενέργειας

Θερμότητα. Ηλεκτρικό έργο. Ακτινοβολία.

η. Θερμότητα και θερμοκρασία

θ. Η σκοπιά του Μικρόκοσμου.

Και ορισμένες παρατηρήσεις για τις έννοιες, σε επίπεδο Μικρόκοσμου

Σε επίπεδο Μικρόκοσμου το μόνο που συμβαίνει είναι ΚΙΝΗΣΗ και ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ.

Ένα αέριο συγκροτείται από μόρια που κινούνται και αλληλεπιδρούν .

Κάθε μόριο συγκροτείται από άτομα που κινούνται ως προς το κέντρο μάζας του μορίου και αλληλεπιδρούν.

Κάθε άτομο συγκροτείται από πυρήνα και ηλεκτρόνια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με τον πυρήνα και κινούνται ως προς το κέντρο μάζας του ατόμου.

Κάθε πυρήνας συγκροτείται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και κινούνται ως προς το κέντρο του πυρήνα .

Κάθε αλληλεπίδραση περιγράφεται με αντίστοιχη δυναμική ενέργεια και

σε κάθε κίνηση, ως προς ορισμένο σύστημα, αντιστοιχεί μια τιμή κινητικής ενέργειας.

Το άθροισμα όλων αυτών των προσθετέων με κινητική και με δυναμική ενέργεια αναφέρεται και ως εσωτερική ενέργεια, αλλά «δεν είναι μια άλλη μορφή ενέργειας» .

Τόσο η θερμική όσο και η χημική ενέργεια είναι μορφές εσωτερικής ενέργειας και μπορούμε να λέμε «η θερμική εσωτερική ενέργεια» και «η χημική εσωτερική ενέργεια».

Αυτό σημαίνει ότι ΤΑ ΠΡΑΓΜΑΤΑ ΕΙΝΑΙ ΔΥΣΚΟΛΑ και απαιτείται διδακτικός μετασχηματισμός

στο απλούστερο δυνατόν .

Σε φαινόμενα όπως η σύγκρουση δύο σωμάτων, η κίνηση σε επιφάνεια με τριβή , η πτώση στον αέρα , το «έλλειμμα» ενέργειας

( στο άθροισμα κινητικής και δυναμικής ) που παρουσιάζεται συνοδεύεται με αύξηση θερμοκρασίας και είναι ίσο με την αύξηση της θερμικής ενέργειας . Οι Άγγλοι τη λένε Internal Thermal Energy

Σε επίπεδο Μικρόκοσμου , στο ιδανικό αέριο η εσωτερική ενέργεια - άθροισμα των ενεργειών των κινουμένων σωματιδίων – περιέχει μόνο τους όρους κινητικής ενέργειας , είναι δηλαδή μόνο θερμική γι αυτό και τη λέμε Θερμική εσωτερική ενέργεια . Και βρισκόμαστε βέβαια στο «πρώτο υπόγειο» με τα σωματίδια να κινούνται χωρίς κάποιο ερώτημα για την εσωτερική του δομή

Από κει και πέρα μπορούμε να χρησιμοποιούμε το διδακτικό σχήμα ότι η ( από τη σκοπιά του Μακρόκοσμου ) θερμική ενέργεια αντιστοιχεί στο άθροισμα των κινητικών ενεργειών των σωματιδίων

Αν όμως παρατηρούνται φαινόμενα όπως η καύση της βενζίνης κατά την οποία ( σε δεύτερο υπόγειο Μικρόκοσμου ) συμβαίνει σπάσιμο δεσμών και ανακατατάξεις ατόμων – μεταβολές δηλαδή στη δυναμική ενέργεια - μπορούμε να μιλάμε

α. σε επίπεδο Μακρόκοσμου , για μεταβολή χημικής ενέργειας

η οποία

β. σε επίπεδο Μικρόκοσμου αντιστοιχεί σε μεταβολή δυναμικής ενέργειας.

Με μια σχηματοποίηση αναγκαία – κατά τη γνώμη μου για τη διδασκαλία – μπορούμε να λέμε ότι

η ( εσωτερική ) ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ σχετίζεται με την κινητική ενέργεια των σωματιδίων και οι μεταβολές της αντανακλούν μεταβολές στο άθροισμα των κινητικών αυτών ενεργειών , ενώ

η ( εσωτερική ) ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ σχετίζεται με τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης ατόμων και τμημάτων του ατόμων και οι μεταβολές της αντανακλούν μεταβολές στο άθροισμα των δυναμικών αυτών ενεργειών