Lehrer und Schüler untersuchen die Thermodynamik anhand eines praktischen Modells

Obwohl die Entropie ein Eckpfeiler der Thermodynamik ist, bleibt sie eines der schwierigsten Konzepte, die angehende Physiker im Unterricht unterrichten müssen. Infolgedessen vereinfachen viele Menschen das Konzept zu stark als das Ausmaß der Unordnung im Universum und vernachlässigen dessen zugrunde liegende quantitative Natur.

In Der PhysiklehrerDer Forscher T. Ryan Rogers entwarf ein Handmodell, um Studenten das Konzept der Entropie zu demonstrieren. Unter Verwendung alltäglicher Materialien ermöglicht Rogers‘ Ansatz den Schülern, das Thema mit einer neuen Intuition zu konfrontieren – eine, die speziell auf die Verwechslung von Entropie und Unordnung abzielt.

„Es ist ein riesiges konzeptionelles Hindernis“, sagte Rogers. „Die gute Nachricht ist, dass wir herausgefunden haben, dass man das relativ leicht frühzeitig korrigieren kann. Die schlechte Nachricht ist, dass dieses Missverständnis so früh aufgeklärt wird.“

Während sich viele Klassen für die unvollkommene, qualitative Abkürzung entscheiden, Entropie „Unordnung“ zu nennen, wird sie mathematisch als die Anzahl der Möglichkeiten definiert, wie Energie in einem System verteilt werden kann. Eine solche Definition erfordert lediglich, dass die Schüler verstehen, wie Teilchen Energie speichern, die früher als „Freiheitsgrade“ bekannt ist.

Um das Problem anzugehen, entwickelte Rogers ein Modell, bei dem kleine Objekte wie Würfel und Knöpfe in eine Schachtel gegossen werden und so ein einfaches thermodynamisches System nachbilden. Einige Partikel in der dicht gefüllten Box sind an Ort und Stelle gepackt, was bedeutet, dass sie weniger Freiheitsgrade haben, was zu einem Gesamtsystem mit niedriger Entropie führt.

Indem die Schüler die Box schütteln, geben sie Energie in das System ein, wodurch eingeschlossene Partikel gelöst werden. Dadurch erhöht sich die Gesamtzahl der Möglichkeiten, wie Energie innerhalb der Box verteilt werden kann.

„Man vergrößert im Wesentlichen die Entropie, sodass die Schüler sagen können: ‚Aha! Da habe ich den Entropieanstieg gesehen‘“, sagte Rogers.

Wenn die Schüler weiter schütteln, bilden sich die Partikel in einer Konfiguration aus, die die Energie gleichmäßiger auf sie verteilt. Der Haken: An diesem Punkt hoher Entropie ordnen sich die Teilchen geordnet an.

„Auch wenn es orientierungsmäßig geordneter aussieht, gibt es tatsächlich eine höhere Entropie“, sagte Rogers.

Alle Schüler, die an der Lektion teilgenommen haben, waren nach dem Experiment in der Lage, die richtige Definition von Entropie zu finden.

Als nächstes plant Rogers, die Reichweite des Modells zu erweitern, indem er mit anderen Pädagogen ein Gespräch über Entropie beginnt und einen umfassenderen Aktivitätsleitfaden für die Verwendung der Kits vom Kindergarten bis zum College erstellt. Er hofft, dass seine Arbeit andere dazu inspiriert, den Unterschied in ihren Klassenzimmern zu verdeutlichen, wenn auch auf eigene Faust.

„Trauben und Cheez-It-Cracker sind ebenfalls sehr effektiv“, sagte Rogers.

Der Artikel„Hands-on Model for Investigating Entropy and Disorder in the Classroom“, wurde von T. Ryan Rogers verfasst und in veröffentlicht Der Physiklehrer.