• No results found

"Hoe WARM het was en hoe ver "

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share ""Hoe WARM het was en hoe ver " "

Copied!
24
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

"Hoe WARM het was en hoe ver "

O p weg naar warmte als t h e r m o d y n a m i s c h begrip i n 5 - V W O ?

K J . T e r p s t r a ,

Zeldenrustcollege, T e r n e u z e n1 H . F . v a n Sprang en A . H . V e r d o n k , V a k g r o e p C h e m i e d i d a k t i e k

R i j k s u n i v e r s i t e i t te U t r e c h t

S u m m a r y

A study was made involving a small group of 17 year old students, all of whom had been taught about 'lemperature', [heat' and 'energy' in physics lessons at school in previous years. The students worked at a series of small tasks intended to learn them to distinguish between 'heat' and 'energy' as thermodynamic concepts. The research showed this wasn't achieved. Nearly all the students still experienced 'heat' as something determining the temperature of a body in some way:

Further research is therefore needed into a concept genesis of 'heat' and 'energy' as two different notions. The suggestion was made thal it might be helpful to include an electrochemical cell and electric work in the discussion about the first law of ther- modynamics combined with the 'direct' way of the same chemical reaction.

1. I n l e i d i n g

Reeds vanaf 1978 probeerde i k1 als scheikundeleraar i n 5 - v w o - klassen de i n het nieuwe leerplan r i j k s s c h o l e n (1984) genoemde begrippen "enthalpie" en "entropie" op een voor leerlingen b e - g r i j p e l i j k e w i j z e te introduceren. Ik raakte daarbij z e l f steeds meer g e ï n t e r e s s e e r d i n het betreffende stukje chemische ther- m o d y n a m i c a , maar slaagde er niet i n deze interesse o v e r te brengen op m i j n l e e r l i n g e n , een e n k e l i n g daargelaten. D e mees- ten vonden d i t onderwerp bijzonder m o e i l i j k en waren b l i j als ze de trucjes v a n de bijbehorende vraagstukken beheersten.

A r t i k e l e n i n Faraday (Brants, 1976; S m i t h , 1977; Brants, 1981;

D e V o s , 1981) hielpen m i j niet verder b i j het b e s c h r i j v e n v a n p r o b l e m e n omtrent enthalpie en entropie i n m i j n o n d e r w i j s s i t u a -

(2)

ties, en zeker niet b i j het oplossen e r v a n . T o e n z i c h d a n o o k de m o g e l i j k h e i d voordeed i n het kader v a n m i j n doctoraalexamen c h e m i e d i d a c t i s c h onderzoek te doen aan d i e p r o b l e m e n b i j m i j n eigen l e e r l i n g e n , heb i k deze gelegenheid met beide handen a a n - gegrepen.

D i t onderzoek spitste z i c h a l snel toe op de term ' w a r m t e ' . A l l e e n a l vanwege de o m v a n g v a n de te v e r r i c h t e n w e r k z a a m h e - den w e r d 'entropie' verder b u i t e n b e s c h o u w i n g gelaten. ' W a r m t e ' is i n het dagelijkse spraakgebruik een d i f f u u s b e g r i p , niet d u i d e - l i j k a f g e g r e n s d v a n ' t e m p e r a t u u r ' ("een behaaglijke warmte").

M e t ' w a r m ' w o r d t vaak een t e m p e r a t u u r g e b i e d b e d o e l d , met daarnaast ' k o u d ' , ' l a u w ' en 'heet'. V e g t i n g (1977) heeft erop gewezen dat i n de alledaagse taal naast ' w a r m t e ' ook ' k o u ( d e ) ' w o r d t g e b r u i k t . Z i j constateerde i n twee gesprekjes met o u d - leerlingen dat "er niets i n het w e r e l d b e e l d v a n deze l e e r l i n g e n v e r a n d e r d i s , t e r w i j l z i j het hele warmteconcept i n c l u s i e f m o l e - c u l a i r e v e r k l a r i n g gehad hebben".

D e term ' w a r m t e ' speelt ook een r o l i n zeer uiteenlopende stadia v a n o n d e r w i j s i n s c h o o l - en s t u d i e v a k k e n als n a t u u r k u n d e , s c h e i k u n d e , biologie en a a r d r i j k s k u n d e . In het b i j z o n d e r w i l l e n we h i e r w i j z e n op een g e b r u i k e l i j k e , fysische, corpusculaire b e - s c h o u w i n g s w i j z e w a a r i n 'warmtetoevoer' aan een l i c h a a m w o r d t g e k o p p e l d , z i j het niet exclusief, aan een toename v a n de k i n e - tische en p o t e n t i ë l e energie v a n z i j n m o l e c u l e n .

In de t h e r m o d y n a m i c a is warmte een fundamenteel begrip met een l a n g z a m e r h a n d n a u w k e u r i g vastgelegde ' i n h o u d ' : energie- transport tussen twee lichamen onder invloed van een tempera- tuurverschil ( b i j v . B i j v o e t , P e e r d e m a n , S c h u i j f f & Wiebenga,

1973; T r i p p , 1976). Warmte heeft h i e r de toegespitste betekenis v a n ' v o r m v a n energietransport'. In het dagelijks leven heeft warmte echter ook vaak de betekenis v a n een \oorwerpseigen- schap (de "warmte" v a n de k o f f i e i n een thermoskan).

K o n i n g (1948, p. 77) beschrijft i n z i j n dissertatie een o n d e r - zoek v a n B l a c k (1926). Deze liet l e e r l i n g e n een opstel m a k e n over het onderwerp: "What I t h i n k Heat i s , a n d other things I k n o w about Heat". L e e r l i n g e n (± 15 jaar) d i e nog 'geen n a t u u r - k u n d e o n d e r w i j s hadden gehad, gaven als meest v o o r k o m e n d e ' d e - f i n i t i e s ' v a n 'heat': 1. substitutie door een s y n o n i e m ("warmth");

2. 'heat' is een eigenschap v a n het v u u r , een b r a n d e n d v o o r - w e r p o f de z o n ; 3. ' h e a t ' is een soort stof; 4. ' h e a t ' is de temperatuur v a n een d i n g . Iets oudere l e e r l i n g e n , d i e reeds é é n

(3)

o f twee jaar n a t u u r k u n d e hadden gehad, gaven deze definities niet meer, maar h e r l e i d d e n het begrip ' w a r m t e ' tot een beweging van de m o l e c u l e n o f een v o r m v a n energie. K o n i n g s eigen o n d e r - zoek (1948, p. 77) bevestigde deze resultaten, "alleen w a r e n er veel meer l e e r l i n g e n , die o g e n s c h i j n l i j k warmte en temperatuur aan elkaar g e l i j k stelden".

G e d u r e n d e het laatste d e c e n n i u m w o r d t regelmatig gesproken o v e r " m i s c o n c e p t i o n s " ( m i s v a t t i n g e n ) als l e e r l i n g e n z i c h v a n hetgeen i n de natuur gebeurt een andere v o o r s t e l l i n g v o r m e n (hebben gevormd) dan de h u i d i g e natuurwetenschappelijke z i e n s - w i j z e . D e benoeming ' m i s v a t t i n g ' i m p l i c e e r t de ' j u i s t h e i d ' van bepaalde gezichtspunten die door de betreffende leerlingen niet w o r d e n gedeeld. V e g t i n g (1988) trekt ons inziens daarom terecht de ' j u i s t h e i d ' v a n de term ' m i s c o n c e p t i e ' i n t w i j f e l .

Summers (1983) geeft een o v e r z i c h t van enige literatuur a a n - gaande misvattingen b i j leerlingen inzake ' w a r m t e ' , en k o m t tot de aanbeveling ' w a r m t e ' als zelfstandig n a a m w o o r d te v e r m i j d e n en zoveel m o g e l i j k te vervangen door ' v e r w a r m e n ' als benoeming van een proces. S e - y u e n M a k en Y o u n g (1987) w i j z e n i n h u n b e - s c h o u w i n g o v e r hetzelfde onderwerp Summers' voorstel af en zien als remedie tegen de misvattingen het b e n a d r u k k e n van het v e r s c h i l tussen een toestand(sfunctie) en een p r o c e s . B e i d e studies berusten niet op e m p i r i s c h onderzoek.

E r i c k s o n en T i b e r g h i e n (1985) doen verslag van onderzoek w a a r b i j leerlingen b e t r o k k e n z i j n . E r i c k s o n geeft een o v e r z i c h t van i d e e ë n over temperatuur en warmte waarvan k i n d e r e n b l i j k geven die i n leeftijd v a r i ë r e n van 4 tot 16; de ' d e f i n i t i e s ' 2, 3 en 4 v a n B l a c k z i j n h i e r i n terug te v i n d e n . T i b e r g h i e n beschrijft hoe F r a n s e k i n d e r e n tussen 10 en 14 h u n v e r k l a r i n g e n v a n verschijnselen inzake warmte en temperatuur veranderen onder i n v l o e d van het gevolgde o n d e r w i j s . D e beschreven v r a a g s t e l l i n - gen z i j n echter zo t y p i s c h n a t u u r k u n d i g , i n de s c h o o l v a k b e t e k e - nis v a n het w o o r d , dat w i j er b i j onze problematiek niet recht- streeks ons voordeel mee k u n n e n doen.

Onderzoek naar uitspraken van leerlingen i n o n d e r w i j s s i t u a - ties vergelijkbaar met 5-v.w.o.-scheikundelessen over ' w a r m t e ' , ' e n e r g i e ' en 'enthalpie' is ons niet bekend. D i t was mede een reden voor het v e r r i c h t e n van het hierna beschreven onderzoek.

In d i t a r t i k e l ligt de nadruk v r i j w e l geheel op de term ' w a r m t e ' , omdat tijdens het onderzoek steeds d u i d e l i j k e r w e r d hoe b e l a n g - r i j k de thermodynamische betekenis h i e r v a n is b i j een i n t r o d u c -

(4)

tie v a n de t e r m ' e n t h a l p i e ' zoals V a n S p r a n g , V a n R o o n &

V e r d o n k (1988) onlangs b e k l e m t o o n d e n . E n j u i s t deze t h e r m o d y - namische betekenis van warmte b l i j k t voor l e e r l i n g e n (en niet slechts v o o r hen) veel b e g r i p s p r o b l e m e n op te leveren. A a n g e z i e n ' e n t h a l p i e ' echter i n het leerplan staat, moet het w o r d e n o n d e r - wezen. D a a r o m leek het ons w e n s e l i j k te onderzoeken o f l e e r - l i n g e n i n een beperkte t i j d aanspreekbaar k u n n e n w o r d e n ge- m a a k t v o o r een t h e r m o d y n a m i s c h begrip ' w a r m t e ' . Pas als d i t bereikt is, is ons inziens v o o r hen een onderscheidend g e b r u i k van ' w a r m t e ' , 'energie' en ' e n t h a l p i e ' m o g e l i j k .

V o o r het v e r b a n d tussen d i t d r i e t a l i n een t h e r m o d y n a m i s c h e context te onderscheiden b e g r i p p e n - en ' e n t h a l p i e ' hoort i n die c o n t e x t thuis - v e r w i j z e n we naar V a n Sprang, V a n R o o n &

V e r d o n k (1988). In §2 k o m t k o r t het onderzoeksmateriaal ter sprake. D a a r n a volgt de b e s c h r i j v i n g van enkele o n d e r z o e k s r e - sultaten inzake ' w a r m t e ' (§3) en inzake 'energie' ( § 4 ) , en t e n - slotte een samenvatting en conclusies (§5).

2. Leerlingentekst en onderzoeksmateriaal

M i j n onderzoek begon met het analyseren van de tekst van het scheikundeleerboek "Chemie" (1985) inzake b e g r i p p e n die een r o l spelen b i j de i n v o e r i n g v a n 'enthalpie' en v a n ' e n t r o p i e ' . D a a r - naast b e s t u d e e r d e i k het t h e r m o d y n a m i c a - g e d e e l t e v a n het eerstejaarsdictaat f y s i s c h e chemie van de R U U ( V a n S p r a n g ,

1984). V e r v o l g e n s stelde i k een vragenlijst op o m na te gaan hoe m i j n 5 - v w o - l e e r l i n g e n v o o r a l de termen 'temperatuur' en ' w a r m - te', maar ook ' d r u k ' , 'spontane reactie', 'omkeerbare reactie' en ' e v e n w i c h t ' g e b r u i k e n . Deze vragenlijst w e r d door de l e e r l i n g e n i n groepjes van 3 a 4 besproken en s c h r i f t e l i j k b e a n t w o o r d . V a n de gesprekken van enkele groepjes maakte i k bandopnamen.

A n a l y s e van de antwoorden en van de uitgeschreven gesprek- k e n maakte m i j d u i d e l i j k dat zeker ' w a r m t e ' nog geen p r o b l e e m - l o o s b e g r i p is als het geacht w o r d t te f u n c t i o n e r e n i n een fysische o f chemische context.

O p basis v a n d i t onderzoekje, v a n de genoemde analyse v a n leerboekteksten en v a n het t h e r m o d y n a m i c a - d i c t a a t o n t w i e r p i k een l e e r l i n g e n t e k s t2, getiteld "Energie", bedoeld v o o r groepswerk.

D i t g e s c h i e d d e i n i n t e n s i e f o v e r l e g met enkele leden v a n de vakgroep c h e m i e d i d a k t i e k . Deze tekst bevat de volgende p a r a g r a - fen: 1.Temperatuur en warmte; 2. Systemen en h u n o m g e v i n g ; 3.

E n e r g i e ; 4. A r b e i d ; 5. E n t h a l p i e .

(5)

T i e n groepjes v a n 3 a 4 (totaal 37) l e e r l i n g e n hebben met die tekst gewerkt. V a n elke opdracht kreeg i k v a n ieder groepje een s c h r i f t e l i j k verslag. Iedere les maakte i k verder van twee groepjes een bandopname v a n de gevoerde gesprekken. Ik koos telkens andere groepjes omdat i k i n d i t s t a d i u m v a n onderzoek inventariserend te w e r k w i l d e gaan .

D e uitgeschreven gesprekken (protocollen) en de groepsver- slagen v o r m e n samen het onderzoeksmateriaal.

3 . Enkele onderzoeksresultaten inzake 'warmte'

V a n Sprang, V a n R o o n & V e r d o n k (1988) maakten b i j de c h e - m i s c h thermodynamische b e s c h r i j v i n g van een v e r a n d e r i n g v a n een systeem onderscheid tussen enerzijds toestandsgroothedeh als ' e n e r g i e ' en ' e n t h a l p i e ' , en a n d e r z i j d s de p r o c e s g r o o t h e d e n ' w a r m t e ' en ' a r b e i d ' . In d i e c o n t e x t w o r d t met ' w a r m t e ' een energietransport over de systeemgrenzen aangeduid dat optreedt als gevolg van een temperatuurverschil tussen systeem en o m g e - v i n g . A l s ' w a r m t e ' vanuit de o m g e v i n g naar het systeem gaat, w o r d t het systeem niet r i j k e r aan warmte, maar aan energie. D e term ' w a r m t e ' heeft i n dit geval een heel andere betekenis dan i n de d a g e l i j k s - l e v e n - u i t s p r a a k : " E e n goede thermosfles staat z i j n w a r m t e maar h e e l langzaam af', o f i n de s c h o o l c h e m i e - u i t s p r a a k : " A l s m a g n e s i u m met zoutzuur reageert, k o m t naast w a t e r s t o f ook w a r m t e v r i j w a a r d o o r de t e m p e r a t u u r van de oplossing stijgt".

In "Energie" heb i k geprobeerd een reeks opdrachten te c o n - strueren die het leerlingen mogelijk zou k u n n e n m a k e n g e l e i d e - l i j k een opvatting van ' w a r m t e ' als energietransport ten gevolge van een temperatuurverschil te v e r w e r v e n . In het l i c h t v a n de vraag: "Hoe gaan m i j n leerlingen o m met de term ' w a r m t e ' b i j h u n beantwoording van enkele opdrachten?", b e s c h r i j f i k i n deze paragraaf enige resultaten van m i j n onderzoek.

3.1 Afgifte van warmte

V o l g e n s opdracht 1.7 v a n "Energie" moet een groepje l e e r l i n g e n een reageerbuis g e v u l d met wat stearinezuur en een ongeveer even volle met water au b a i n - m a r i e op minstens 95 ° C brengen.

In beide reageerbuizen bevindt z i c h een thermometer. N a d a t de twee b u i z e n tegelijk uit het hete water z i j n gehaald, koelen ze aan de l u c h t af. O m de halve m i n u u t leest het groepje de t h e r -

(6)

mometers a f en construeert tenslotte met b e h u l p v a n de v e r k r e - gen gegevens twee ' a f k o e l c u r v e s ' .

E n i g e gedeelten u i t het p r o t o c o l v a n de bandopname v a n een groepsdiscussie over de b i j d i t experiment gestelde vragen ( o p - dracht 1.8) volgen hieronder. D a a r b i j z i j n J , M en S de eerste l e t t e r s v a n de g e f i n g e e r d e n a m e n v a n de g r o e p s l e d e n . H u n uitspraken z i j n i n het volledige p r o t o c o l d o o r l o p e n d g e n u m m e r d . In m i j n b e s p r e k i n g v a n de protocolfragmenten laat i k b i j v e r w i j - zen het w o o r d "uitspraak" meestal w e g .

D e vragen 1.8 a en b luiden:

"a) Waardoor daalt de temperatuur in de reageerbuizen?

b) Stel dat de reageerbuizen, nadat ze uit het kokende water zijn gehaald, in een bekerglaasje met water van 20 °C zouden worden gezet, zou hiervan dan de temperatuur zijn veranderd? Leg uit."

B i j de b e a n t w o o r d i n g v a n vraag a) g e b r u i k e n deze l e e r l i n g e n de t e r m ' w a r m t e ' niet. Z e k o m e n tot de conclusie: " omdat de temperatuur v a n de o m g e v i n g eh lager is, d a n eh de t e m p e r a - tuur i n de reageerbuis..."

H e t protocolfragment v a n de discussie over vraag b) is:

18 J: E h m j a , want d a n is d i t de o m g e v i n g dus d a n ....

19 M : Nee wacht even hoor.

20 J: D a n wordt dat glaasje water eh soort o m g e v i n g . 21 M : Ja maar, maar d a n s t i j g t - i e toch w e l , dat ....

22 J: Ja.

23 M : D a t water v a n dat glaasje d a n ....

24 J: Ja dat stijgt.

25 M : D a t water i n dat glaasje met water: de temperatuur stijgt iets.

26 S: Ja, de temperatuur wordt afgegeven aan het water. H e t water geeft weer temperatuur a f aan de l u c h t .

27 M : Ja.

28 J: J a , er w o r d t w a r m t e a f g e g e v e n aan het w a t e r , w a t daardoor i n temperatuur stijgt.

S en J k o m e n tot de conclusie dat de temperatuur v a n het water i n het bekerglaasje zal stijgen omdat de reageerbuizen warmte

(7)

afgeven aan het water (26 en 28). M is het met h e n eens (25 en 27). In 28 valt i n d i t p r o t o c o l v o o r het eerst het w o o r d ' w a r m - te'. In hoeverre J daarmee een ' v o r m v a n energie' d a n w e l een 'energietransport' o p het oog heeft, valt m i j n s inziens h i e r niet te beantwoorden.

In 26 g e b r u i k t S naar m i j n m e n i n g tweemaal ' t e m p e r a t u u r ' als s y n o n i e m v o o r ' w a r m t e ' . V e r d e r o p i n 56 g e b r u i k t h i j o p n i e u w tweemaal het w o o r d 'temperatuur' i n é é n uitspraak, maar hier m i j n s i n z i e n s de eerste maal voor het b e g r i p ' w a r m t e ' en de tweede maal v o o r het begrip 'temperatuur'. T o c h k a n S w e l een o n d e r s c h e i d maken; zie z i j n nog komende u i t s p r a k e n 5 2 , 7 1 , 7 3 , 76 en 78.

O p d r a c h t 1.8 c luidt:

"Geef in de grafiek bij 1.7 b aan in welke periode het ste- arinezuur stolt."

H e t door d i t groepje gegeven a n t w o o r d staat i n bijgaande f i g u u r .

constante neerslag

D e betekenis v a n "constante neerslag" is m i j niet d u i d e l i j k . E e n m o g e l i j k h e i d z o u z i j n : we zien een v o o r t d u r e n d 'neerslag'-proces.

M a a r een andere: b i j constante temperatuur onstaat een stolsel (neerslag).

V r a a g 1.8 d luidt:

"Vind je dat er in de periode die je bij c) hebt aangegeven - de inhoud van de reageerbuis afkoelt?

(8)

- warmte wordt afgegeven door de reageerbuis met inhoud aan de omringende lucht?

Motiveer de antwoorden die je geeft."

In het kader v a n de opdrachten 1.7 en 1.8 g e b r u i k i k h i e r v o o r de eerste maal z e l f de term ' w a r m t e ' . H o e z u l l e n deze l e e r l i n g e n h i e r d o o r w o r d e n aangesproken? H e t p r o t o c o l v a n de discussie o v e r v r a a g 1.8 d geef i k i n gedeelten, afgewisseld door m i j n b e s p r e k i n g .

45 J : E h m , nee, want d a n b l i j f t - i e net constant. K o e l t - i e niet af.

46 M : J a da's g o e d . Eerste streepje is nee. D e temperatuur b l i j f t constant op dat moment. O f niet?

47 J: J a , dat z i e j e t o c h u i t de tabel: dat heb j e net a f - geleid, dat d i e stolt [ N . B . : de door J bedoelde tabel is de tabel met de meetwaarden d i e ten grondslag liggen aan de boven weergegeven grafiek.]

J en M geven een m o t i v e r i n g v a n h u n a n t w o o r d op de eerste vraag d ) . J v e r w i j s t naar de experimentele gegevens , hetgeen M i n 49 o v e r n e e m t . D a a r b i j v a t t e n z i j a f k o e l t " o p als ' d e temperatuur daalt'.

48 S: M o t i v e e r . J a , dat is geen m o t i v a t i e dat de temperatuur constant b l i j f t , h è .

49 M : J a , dat k a n j e toch m o t i v e r e n v i a d i e tabel.

50 J : Je moet m i s s c h i e n ook zeggen w a a r o m , h è ? 51 M : J a , dat weet i k niet.

52 S: W a a r o m , w a a r o m , w a a r o m , als iets stolt, w a a r o m koelt het d a n niet v e r d e r af? H o w comes?.... Ik denk dat alle energie d a n n o d i g is o m te stollen o f .. nee h i j raakt energie k w i j t o m door te stollen. D u s d a n b l i j f t de t e m p e r a t u u r c o n s t a n t . . . o m d a t - i e steeds m e e r energie afgeeft.

53 J : L i j k t me stug.

54 S: W a n t als j e , als j e moet s m e l t e n d a n eh n e e m t - i e heleboel warmte o p . D a a r o m duurde het ook langer d a t - ie e h , d a t - i e b i j 95 graden was.

55 M : 95.

(9)

56 S: D a n neemt-ie eerst een heleboel temperatuur op o m te smelten en dan pas gaat de temperatuur echt stijgen.

57 M : Ja.

58 J: Dus dan zou d'r eh energie v r i j k o m e n ? B i j dat stollen.

59 M : Ja

60 M : B i j dat stollen.

61 J: L i j k t me sterk.

62 M : J a , l i j k t me ook sterk.

A l s i k i n 52 " h i j " en "ie" opvat als 'het stollende stearinezuur' dan zegt S hier dat b i j stollen energie v r i j k o m t . In het "Dus"

b l i j f t veel i m p l i c i e t van de omstandigheid dat het stolproces niet sneller k a n verlopen dan het 'energietransport als w a r m t e ' naar de o m g e v i n g plaatsvindt. In 54 argumenteert S verder met b e h u l p van het v e r t r o u w d e r e , omgekeerde proces dat ze zelf ook w a a r - n a m e n en g e b r u i k t d a a r b i j een d o o r hen geconstateerd feit.

V e r g e l i j k e n we 54 "neemt .... warmte op" met 52 "raakt energie k w i j t " en "energie afgeeft" dan suggereert d i t w e l dat S ' w a r m - te' als een energievorm ziet. H i j weet J en M niet te o v e r t u i g e n (53, 61 en 62).

64 J: Ja als het ....

M i s s c h i e n houdt het de warmte ... gewoon m a k k e l i j k e r vast. Omdat het dichter wordt ... J a , dan zou die daar- na ook constant moeten b l i j v e n , he?

65 S: Ja, dat is het dus absoluut niet.

66 M : N e e , dat k l o p t dan niet.

70 M : D i e houdt de temperatuur gewoon vast l i j k t m i j .

In 64 oppert J een andere zienswijze d i e door S en M w o r d t v e r w o r p e n (65, 66). Volgens m i j bedoelt J i n 64 met "die" i n

"dan zou die daarna ..." de temperatuur van het stollende stea- r i n e z u u r . J onderscheidt i n 28 scherp tussen ' w a r m t e ' en ' t e m p e - ratuur'. Ik neem dan ook aan dat z i j n "warmte" i n 64 niet als s y n o n i e m moet w o r d e n gelezen met "temperatuur" i n 70 M , en k a n dan 64 b e g r i j p e n als: het dichtere stolsel k a n meer ' w a r m t e ' bevatten dan de m i n d e r dichte vloeistof. D e reageerbuisinhoud heeft geen warmte o m af te staan en dus b l i j f t de temperatuur constant. J ziet een verband tussen de 'temperatuur v a n ' en de 'hoeveelheid warmte i n het systeem'. E e n constante temperatuur

(10)

k o p p e l t h i j aan een constante hoeveelheid warmte i n het s y - steem.

71 S: N e e e h m . N e e , volgens m i j geeft-ie energie af, omdat daarom de temperatuur stijgt, echt waar hoor.

72 M : D e temperatuur stijgt toch niet?

73 S: N e e , o m d a t - i e net zoveel energie a f w o r d t gegeven aan eh v a n het water aan de o m g e v i n g als dat eh 't vet aan het water afgeeft; dus b l i j f t de temperatuur c o n - stant.

74 M : V a t i k even niet.

75 J: N e e , i k ook niet.

76 S: T u u r l i j k w e l , k i j k , het water geeft e h m eh energie, warmte af aan de o m g e v i n g h è ?

77 M : Ja.

78 S: E n dat is....ja dat is een bepaalde constante zeker o f zo. M a a r op een gegeven m o m e n t dan gaat dus dat s p u l s t o l l e n en d a n geeft het net z o v e e l w a r m t e af aan het w a t e r als het water aan de o m g e v i n g ; dus b l i j f t het water met dezelfde temperatuur z i t t e n , een tijdje.

79 J: Z o u k u n n e n hoor.

80 M : N o u i k weet het niet. M o e i l i j k te m o t i v e r e n hoor.

81 S: N o u , l i j k t me w e l , l i j k t me w e l l o g i s c h . Ik weet niet o f het w e l zo is n a t u u r l i j k .

In 7 1 , 73, 76 en 78 probeert S z i j n standpunt, dat h i j i n 52 i n n a m , te v e r d u i d e l i j k e n . O m d a t de discussie over het reageer- b u i s j e met het s t o l l e n d e s t e a r i n e z u u r gaat (en niet o v e r d i t reageerbuisje i n het bekerglas met water, gesteld i n o p d r a c h t 1.8 b), v e r m o e d i k dat S met "water" het nog vloeibare en met "vet"

het reeds vast geworden stearinezuur bedoelt. In d i t geval k a n i k 73 aldus begrijpen: zeker b i j het b e g i n v a n het stolproces, als de reageerbuisinhoud nog i n overmaat "water" is, zegt S dat het stolsel dat ontstaat ('"t vet") b i j d i t stollen energie afgeeft aan de ' o m g e v i n g ' ("het water") w a a r i n de thermometer staat. E n dat

"water" geeft op z i j n beurt weer energie af aan z i j n ' o m g e v i n g ' (de omringende lucht). M e t "net zoveel" bedoelt h i j dan de ge- l i j k e e n e r g i e s t r o m e n per t i j d s e e n h e i d , met als gevolg dat de temperatuur v a n het "water"-met-thermometer constant b l i j f t . In 73 geeft S dus zelf uitsluitsel over wat h i j i n 52 i m p l i c i e t liet.

(11)

M en J b e g r i j p e n hem niet (74, 75). D a n geeft S i n 76 e x p l i - ciet een a n t w o o r d op het tweede gedeelte v a n vraag 1.8 d . D a a r stemt M (77) mee i n . In 78 veronderstelt S terloops dat deze w a r m t e - a f g i f t e constant is, maar b e l a n g r i j k e r v i n d i k dat h i j vervolgens nog d u i d e l i j k e r dan i n 73 stelt dat als "dat s p u l gaat s t o l l e n " (een gedeelte v a n het "water" w o r d t vast) h i e r b i j net zoveel warmte w o r d t afgegeven aan het a c h t e r b l i j v e n d e "water"- met-thermometer als d i t laatste afgeeft aan de o m g e v i n g , met als g e v o l g "een tijdje" (zolang het stolproces d u u r t ) een c o n - stante a a n w i j z i n g van de thermometer. J en M z i j n nog niet o v e r t u i g d (79, 80) en i n 81 zegt S dat h i j het weliswaar niet z e k e r weet, maar het w e l een aannemelijke redenering v i n d t . D o o r 76 "... energie, warmte ..." w e k t S ook hier de i n d r u k dat h i j warmte als een energievorm ziet.

N a d a t de l e e r l i n g e n nog e v e n o p n i e u w o v e r v r a a g 1.8 c hebben gesproken, k o m e n J en M terug op het tweede gedeelte van vraag d .

89 M : T e r w i j l die stolt dus? N e e die h o u d t - i e zelf vast.

90 J: Ja, j a , e h m .

91 M : D i e warmte h o u d t - i e zelf vast volgens m i j . 92 J: Ja dat zou best w e l k u n n e n h è ?

93 M : Wat?

94 J: J a , d a t - i e het vasthoudt.

95 M : J a , h o u d t - i e vast die warmte, o m zelf te k u n n e n s t o l - l e n , dus geeft-ie niet af.

96 J: A l s de temperatuur gelijk b l i j f t dan eh l i j k t het me sterk d a t - i e dan warmte afgeeft.

A l s i k d i t fragment lees tezamen met 64 - 70 dan is m i j n daar gegeven interpretatie van 64 ook hier toepasbaar. A l s de t e m - p e r a t u u r constant b l i j f t , moet ook de 'hoeveelheid warmte i n het s y s t e e m ' c o n s t a n t b l i j v e n en k a n het dus geen w a r m t e afstaan. M legt i n 95 een verband tussen het vasthouden v a n warmte en het stolproces. Daar k o m i k i n 3.2 op terug. O v e r i - gens herroept M hier z i j n standpunt uit 77.

H e t protocol i n z i j n geheel overziende, k a n i k c o n c l u d e r e n dat J , die i n 28 voor het eerst ' w a r m t e ' g e b r u i k t , met deze t e r m iets op het oog heeft dat i n een systeem als zodanig aanwezig is, en M i n 95 eveneens. S heeft aandacht voor energiestromen, w a a r b i j h i j vaker over 'energie' dan over ' w a r m t e ' spreekt. Z i j n

(12)

u i t s p r a k e n i n z a k e ' w a r m t e ' k a n i k interpreteren met de betekenis 'een systeem bevat w a r m t e ' , h o e w e l de betekenis ' w a r m t e is een v o r m v a n energietransport' niet helemaal is u i t te s l u i t e n .

3.2 Warmiebevallende systemen

E n i g e p r o t o c o l u i t s p r a k e n u i t 3.1 k a n i k b e g r i j p e n d o o r aan te n e m e n d a t J e n M w e r k e n m e t de v o o r s t e l l i n g : een systeem bevat w a r m t e . H e t bleek me dat i k deze interpretatie o p veel m e e r m o m e n t e n t i j d e n s het b e s t u d e r e n v a n het o n d e r z o e k s - m a t e r i a a l k a n g e b r u i k e n , b i j v o o r b e e l d b i j de a n t w o o r d e n o p o p d r a c h t 1.12.

B i j deze o p d r a c h t moeten de l e e r l i n g e n i n een bekerglaasje dat 20 m l water e n een thermometer bevat, 5 g r a m a m m o n i u m - c h l o r i d e oplossen, en v o o r e n na het oplossen de t e m p e r a t u u r meten. Z i j constateren een t e m p e r a t u u r d a l i n g . O p d r a c h t 1.12 c l u i d t d a n :

"Geef in de weergegeven tekening (een d o o r s n e d e v a n e e n b e k e r g l a s g e d e e l t e l i j k g e v u l d m e t e e n v l o e i s t o f ) aan waar warmte het bekerglas binnenkomt of verlaat."

Ik k a n v i e r soorten a n t w o o r d e n o n d e r s c h e i d e n : twee groepjes (a en b) geven twee t e k e n i n g e n , t e r w i j l de t e k e n i n g v a n é é n g r o e p - j e (c) het tegengestelde is v a n d i e w e l k e i k v e r w a c h t t e e n d i e d o o r de o v e r i g e zeven groepjes (d) w o r d t gegeven.

->

>

-> ->

r ^

\

tijdens het oplossen na het oplossen

Desgevraagd g a f het groepje a de v o l g e n d e , door m i j s a m e n - gevatte t o e l i c h t i n g b i j h u n bovenstaande t e k e n i n g e n . D e t e m p e - r a t u u r d a l i n g t i j d e n s het oplossen betekent dat de i n h o u d v a n het b e k e r g l a s m i n d e r w a r m t e gaat bevatten. Wanneer alles is opgelost, neemt de o p l o s s i n g weer w a r m t e uit de o m g e v i n g o p .

(13)

—> * < - -

tijdens het oplossen warmte wordt gebruikt door de reactie

na het oplossen

E e n l e e r l i n g uit groepje b z e i me: "De oplosreactie kost w a r m t e . D i e w o r d t o n t t r o k k e n aan het water (dat d a a r d o o r i n t e m p e r a - tuur daalt, K . J . T . ) . Dat w o r d t a a n g e v u l d uit de o m g e v i n g . "

l n m i j n interpretatie van de a n t w o o r d e n a) en c ) , d i e ik v e r d e r - op zal geven, zie ik een overeenkomst met die i n 3.1 gegeven van u i t s p r a k e n van J en M . l n 95 ziet M een v e r b a n d tussen het stollen en het 'vasthouden van w a r m t e ' . Ik k a n d i t aldus b e g r i j - pen. M heeft waargenomen dat tijdens het stollen de t e m p e r a - tuur van de b u i s i n h o u d niet verandert. N i e t v e r a n d e r e n van de temperatuur betekent voor hem echter: de warmte b l i j f t i n het systeem ("houdt-ie vast d i e warmte"; "geeft-ie niet a f ) . D i t doet M zeggen dat als het "water" de warmte vasthoudt, de v o o r - waarde is geschapen dat het "water" kan gaan stollen. D e toe- v o e g i n g "geeft-ie niet af" kan betekenen dat voor h e m n o r m a a l is dat de h o e v e e l h e i d warmte in het systeem zou dalen o m d a t de systeemtemperatuur hoger is d a n de o m g e v i n g s t e m p e r a t u u r .

M i j n i n t e r p r e t a t i e v a n de a n t w o o r d e n a) en c) is dat de d a l e n d e t e m p e r a t u u r d i e z i j w a a r n e m e n , voor deze l e e r l i n g e n betekent dat het systeem m i n d e r warmte gaat bevatten, dus dat warmte het systeem moet verlaten. D a a r v a n zal het oplossen van a m m o n i u m c h l o r i d e dan w e l de oorzaak z i j n , want dat a f k o e l e n ten o p z i c h t e van de o m g e v i n g gebeurt niet zo maar spontaan.

G r o e p j e a realiseert z i c h b o v e n d i e n nog dat als het oplossen is a f g e l o p e n , er als g e v o l g van het ontstane t e m p e r a t u u r v e r s c h i l weer warmte naar het systeem zal toestromen.

(14)

H e t g e m e e n s c h a p p e l i j k e v a n deze i n t e r p r e t a t i e s is dat z i j veronderstellen dat v o o r de b e t r o k k e n leerlingen:

1. e e n é é n - é é n d u i d i g e b e t r e k k i n g g e l d t tussen 'hoeveelheid warmte in' en 'temperatuur van het systeem' (de ene bepaalt de andere en omgekeerd);

2. d i e ' h o e v e e l h e i d w a r m t e ' d i e het systeem bevat alleen maar k a n veranderen door 'warmte transport' over de systeemgrens.

A a n d i t zeer eenvoudige schema w o r d e n v e r k l a r i n g e n v a n w a a r - genomen verschijnselen b i j het stollen v a n stearinezuur en het oplossen v a n a m m o n i u m c h l o r i d e aangepast.

D e uitspraken v a n S i n 3.1 en de t o e l i c h t i n g v a n een l e e r l i n g uit groepje b k a n i k interpreteren met de zojuist genoemde v e r - o n d e r s t e l l i n g 1, a l is d i t niet n o o d z a k e l i j k . V e r o n d e r s t e l l i n g 2 m a k e n deze leerlingen echter niet. Z i j hebben m i j n s inziens e n i g besef v a n ' i n t e r n e ' processen waardoor de h o e v e e l h e i d warmte van een systeem k a n veranderen.

3.3 'Externe' en 'interne' verandering van hoeveelheid warmte N a opdracht 1.12 over het 'endotherm oplossen' v a n a m m o n i u m - c h l o r i d e i n water k o m t even later over d i t o n d e r w e r p een g e - dachtenexperiment: opdracht 2.4. H e t b e g i n h i e r v a n luidt:

"Het oplossen van kaliumnitraat in water is een endotherm proces. In een reageerbuis met water, met daarin een ther- mometer, wordt kaliumnitraat opgelost. Beschouw de reageer- buis met inhoud als systeem."

N a twee d e e l o p d r a c h t e n over respectievelijk de stand v a n de thermometer en de " r i c h t i n g v a n het warmtetransport over de grenzen v a n het systeem", volgt 2.4 c:

"l.Stel dat er een hoeveelheid warmte, ter grootte van q over de systeemgrenzen wordt getransporteerd, kun je dan met een teken (+ of -) aangeven in welke richting dat gebeurt?"

D e helft v a n de groepjes g a f een teken op g r o n d v a n de r i c h - t i n g w a a r i n het warmtetransport plaatsvindt, b . v . "endotherm, w a r m t e t r a n s p o r t naar b i n n e n : - " (of omgekeerd). D e andere helft g a f echter antwoorden zoals:

(15)

* " + is de plaats met de meeste w a r m t e , - is de plaats met de minste warmte";

* " + zetten waar de warmte naar toe gaat, - zetten waar de warmte w o r d t onttrokken";

* "omdat de reageerbuis aantrekt is het + en er w o r d t q aan de o m g e v i n g o n t t r o k k e n , dus - ";

* "met + de warmtetoename aangeven en met - de w a r m t e - afname".

O m d a t i k i n eerste instantie dacht dat de vraag o n d u i d e l i j k was gesteld, heb i k met alle groepjes die de tweede soort a n t w o o r - d e n g a v e n , o v e r deze vraag doorgepraat. V e r v o l g e n s ontstond h i e r o v e r een klassegesprek. A a n g e z i e n het lang d u u r d e eer i k h u n t o e l i c h t i n g op h u n antwoorden begreep, v e r v u l d e i k i n d i t gesprek de r o l van onwetende. V e e l leerlingen reageerden i n de trant v a n : "snap je dat n u echt niet?". O p v a l l e n d v o n d i k de eensgezinde s t e m m i n g i n de klas; k e n n e l i j k begrepen ze elkaar beter dan i k hen.

Helaas heb i k van de gesprekken met de groepjes en v a n het klassegesprek geen bandopnamen gemaakt. Wel heb i k tijdens d i t laatste gesprek telkens geprobeerd de. z i e n s w i j z e v a n de l e e r l i n - gen samen te vatten, totdat ze het eens waren met de d a a r i n gegeven b e s c h r i j v i n g . D e aldus ontstane tekst geef i k hieronder als 'citaat' weer. H i e r i n heeft q de betekenis die de leerlingen daar toen aan gaven, niet de thermodynamische (zie b i j v o o r b e e l d V a n Sprang, V a n R o o n , V e r d o n k , 1988) w e l k e door m i j i n o p - dracht 2.4 c, 1 i m p l i c i e t is bedoeld.

"De hoeveelheid warmte i n een systeem is q. A l s de t e m p e r a - tuur van een systeem A hoger is dan die van de o m g e v i n g , heeft het s y s t e e m een o v e r s c h o t aan w a r m t e . D a t w o r d t w e e r g e g e v e n als + | q | . A l s de temperatuur van een tweede systeem B lager is dan die van de o m g e v i n g , heeft het systeem een tekort aan warmte. Dat wordt weergegeven als - | q | .

A l s systeem A aan z i j n lot w o r d t overgelaten, treedt transport op v a n w a r m t e u i t het systeem: q daalt, o f Aq < 0. V o o r systeem B geldt dan: q stijgt, Aq > 0. D i t gebeurt beide s p o n - taan ( n a t u u r l i j k e processen).

Systeem A k a n echter ook verder w o r d e n o p g e w a r m d : Aq > 0, en systeem B k a n verder w o r d e n afgekoeld: Aq < 0 ( k u n s t - matige processen)."

(16)

M i j n moeite met het b e g r i j p e n v a n de l e e r l i n g e n interpreteer i k a c h t e r a f als een b l o k k e r i n g d o o r m i j n b e d o e l i n g met het s y m b o o l q. V o o r deze l e e r l i n g e n heeft q h i e r de betekenis v a n w a r m t e - i n h o u d v a n het systeem t.o.v. de o m g e v i n g , dus als het ware de ' o v e r s c h o t ' - w a r m t e , en niet die absolute betekenis als v e r m e l d aan het einde v a n 3.2 b i j v e r o n d e r s t e l l i n g 1. O m v e r w a r r i n g i n s y m b o o l b e t e k e n i s te v o o r k o m e n , g e b r u i k i k v e r d e r v o o r die ' o v e r s c h o t ' - w a r m t e q: Q . V e r d e r stelt TB de systeemtemperatuur en T0 de als constant beschouwde o m g e v i n g s t e m p e r a t u u r voor;

hT = Ts - T0; A<2 = Q2 - Q\. de v e r a n d e r i n g v a n de w a r m t e - i n h o u d v a n het systeem als het van een toestand 1 naar een toestand 2 gaat, g e k o p p e l d aan A F8 = (TJ2 ~ (TJ\. de v e r a n d e - r i n g v a n de systeemtemperatuur b i j d i t proces. H i e r m e e k a n i k het 'citaat' als volgt samenvatten: ;

* Q = C.(T, - TJ = C.AT w a a r i n C een positieve g r o o t h e i d voorstelt;

* A<2 = C . A T8.

* n a t u u r l i j k e processen v e r k l e i n e n , kunstmatige v e r g r o t e n |A7"|.

U i t het 'citaat' is niet op te m a k e n o f

* de l e e r l i n g e n de consequentie hebben gezien: er is e v e n w i c h t met de o m g e v i n g als AT = 0, en dan is Q = 0;

* z i j C als een constante z i e n . E e n n a t u u r k u n d i g e interpretatie is: de ' w a r m t e c a p a c i t e i t ' van het systeem;

* z i j z i c h het tot stand k o m e n v a n de "kunstmatige processen"

slechts voorstellen als een g e v o l g v a n "transport v a n warmte"

uit o f naar het systeem, zoals b i j de " n a t u u r l i j k e processen", o f dat d i t ook anderszins k a n gebeuren.

O m n u de u i t s p r a k e n van S i n 3.1 en de t o e l i c h t i n g v a n een l e e r l i n g u i t groepje b- i n 3.2 i n het zojuist gegeven i n t e r p r e t a - tieschema te k u n n e n plaatsen, hebben we een o n d e r s c h e i d n o d i g tussen resp. 'externe' en ' i n t e r n e ' v e r a n d e r i n g e n v a n Q ( s y m - bolen: Aeö en Ajö)- B i j de eerste is sprake van "transport van warmte" o v e r de systeemgrens, b i j de tweede v a n een b i n n e n het systeem gelegen oorzaak van v e r a n d e r i n g v a n z i j n w a r m t e - i n - h o u d . H i e r m e e k u n n e n we de r e d e n e r i n g v a n S uit 3.1 aldus schematisch weergegeven: Ta is enige t i j d constant, maar Ta >

T0 zodat het systeem warmte aan de o m g e v i n g b l i j f t afstaan:

Acö < 0. O m TB constant te houden moet er zoveel ' s t o l w a r m t e ' i n het systeem v r i j k o m e n (A4Ö > 0) dat geldt: | Aeö | = | A4Ö [

(17)

D e r e d e n e r i n g d i e de l e e r l i n g u i t g r o e p j e b geeft, w o r d t schematisch: i n het b e g i n is Ts = TD Q = 0; tijdens het o p l o s - sen: AiQ < 0 Q < 0 + r„ < F0; na het oplossen: Aeö > 0 totdat weer Q. = 0 en Tt = ro.

Deze enigszins w i s k u n d i g e b e s c h r i j v i n g e n z i j n samengevat i n bijgaande f i g u u r :

Ik m e r k t e dat v e r s c h i l l e n d e l e e r l i n g e n behoefte hebben z i c h Ajö net zo concreet v o o r te stellen als AeQ, met andere w o o r d e n z i j w i l l e n de getekende, denkbeeldige ' E ( n c l a v e ) ' k u n n e n l o k a l i s e r e n . D a t k u n n e n ze m a k k e l i j k als i n een bekerglas wat water w o r d t v e r w a r m d met behulp van een electrische weerstand waar een stroom, d o o r loopt, maar het w o r d t m o e i l i j k als i n een bekerglas equivalente hoeveelheden z o u t z u u r en natronloog v a n dezelfde t e m p e r a t u u r w o r d e n g e m e n g d w a a r b i j de t e m p e r a t u u r stijgt.

L e e r l i n g e n zeggen dan: de stoffen geven h u n warmte a f aan het systeem.

3.4. Terugblik

In de derde i n l e i d e n d e a l i n e a v a n §3 gaf i k m i j n o o g m e r k e n met deze paragraaf aan. N a een b e s c h r i j v i n g v a n de w i j z e waarop l e e r l i n g e n reageerden op m i j n vragen en o p d r a c h t e n i n z a k e een a f k o e l i n g s c u r v e en twee e n d o t h e r m e o p l o s p r o c e s s e n , k a n i k onder andere c o n c l u d e r e n dat:

* nogal wat leerlingen e x p l i c i e t g e b r u i k m a k e n v a n de v o o r s t e l - l i n g ' w a r m t e b e v a t t e n d systeem';

(18)

* geen enkele v a n de onderzochte leerlingen e x p l i c i e t ' w a r m t e ' a l l e e n maar g e b r u i k t voor "energietransport ten gevolge v a n een temperatuurverschil";

* v o o r e e n a a n t a l l e e r l i n g e n "interne v e r a n d e r i n g v a n Q " nog geen gezichtspunt is.

T e r u g b l i k k e n d z i j n de eerste twee conclusies o o k niet v e r w o n - d e r l i j k . M e t genoemde probleemstellingen heb i k h e n aangespro- k e n i n een context w a a r b i j de enige a r b e i d s u i t w i s s e l i n g e v e n - tueel v o l u m e - a r b e i d is. In deze context w o r d t ogenschijnlijk (zie V a n Sprang, V a n R o o n & V e r d o n k , 1988, noot 9) met ' w a r m t e b e - h o u d ' gewerkt en n o g steeds met termen als ' w a r m t e c a p a c i t e i t ' , 'soortelijke w a r m t e ' , ' o p l o s - ' , ' r e a c t i e - ' en 'stolwarmte'. Iemand die z u l k e p r o b l e m e n vanuit de thermodynamische theorie beziet en oog heeft voor de geldende r a n d v o o r w a a r d e n , z a l door d i e t e r m i n o l o g i e niet m i s l e i d w o r d e n . N a a r b l i j k t , gebeurt d i t w e l met v w o - l e e r l i n g e n b i j h u n b e g r i p s o n t w i k k e l i n g naar t h e r m o d y - n a m i c a toe.

4. Enkele onderzoeksresultaten inzake 'energie'

B i j de i n v o e r i n g v a n U als de energie v a n het systeem geeft de tekenafspraak i n z a k e AU geen p r o b l e m e n . G e z i e n 3.3 verwachtte i k d a t o o k n i e t . A n d e r s l i g t het echter m e t het o n d e r s c h e i d tussen AU en q u i t de eerste hoofdwet. D i t b l i j k t u i t het g e - sprek dat een groepje voert naar a a n l e i d i n g van o p d r a c h t 4.6 a uit "Energie". Deze luidt:

"Wanneer we het voorgaande samenvatten kunnen we zeggen:

De energie U van een systeem kan veranderen door trans- port van een hoeveelheid warmte of door het verrichten van arbeid.

(Let wel: elk energietransport over systeemgrenzen, in welke vorm dan ook, wordt arbeid genoemd, m.u.v. energietransport in de vorm van warmte.)

In formule AU= q + w (4.6.1)

a. Geef in jullie eigen woorden een omschrijving van ver- gelijking (4.6.1.)"

D a t de tekst achter de vette strepen de leerlingen u i t d i t g r o e p - j e niet b i j z o n d e r aanspreekt b i j de b e a n t w o o r d i n g v a n o p d r a c h t

(19)

a), b l i j k t uit onderstaand protocol:

I J : A U = q + w

2 S: N i e t zo m o e i l i j k n a t u u r l i j k , q is de energie d i e j e al hebt en w is de a r b e i d .

3 J: Ja.

4 V : N e e , q is de warmte is Aq + Aw. D e v e r a n d e r i n g d a a r - v a n .

5 S: O k e e 6 M : H o e z o A ?

7 V : J a w e l , de v e r a n d e r i n g van de energie is t o c h de v e r - a n d e r i n g v a n de w a r m t e p l u s de v e r a n d e r i n g v a n de arbeid o f het v e r r i c h t e n v a n a r b e i d .

8 S: Is q warmte?

9 J: J a , q is warmte.

10 V : J a .

11 S: O h , dan is 't goed h è ?

12 J: N o u , v e r a n d e r i n g van de energie is de

13 V : V e r a n d e r i n g . . . . e n e r g i e ... v e r a n d e r i n g h o e v e e l h e i d warmte h è ?

14 J: V e r a n d e r i n g h o e v e e l h e i d w a r m t e . Staat geen A v o o r , n a t u u r l i j k h è ?

15 M : N e e

16 V : Ja maar j a , daar k o m t het n a t u u r l i j k w e l op neer h è ? 17 S: G e w o o n warmte; nee v e r a n d e r i n g .... q is w a r m t e .

18 J: Is warmte. Warmte + a r b e i d , die v e r r i c h t w o r d t op het systeem.

19 S: Warmte is energietransport gewoon.

20 J: Ja geen Ajongen.

27 M : E r k o m t iets b i j o f er gaat iets af; n o u dat is d i e q o f die w . M o e t je z e l f 's iets zeggen.

G e e n v a n de 4 jongens antwoordt met de aangestreepte t e k s t3. O p v a l l e n d v i n d i k de uitspraak v a n S i n 2: "q is de energie d i e je a l hebt .." en die v a n V i n 4: ".. q is de warmte is Aq + Aw."

Ik k a n z e k e r de u i t s p r a k e n v a n S en V tot e n met 16 n i e t a n d e r s i n t e r p r e t e r e n d a n als: de e n e r g i e v e r a n d e r i n g v a n het systeem AU is samengesteld uit twee d e e l v e r a n d e r i n g e n AQ en Aw, w a a r b i j i m p l i c i e t q en w net als U als toestandsgrootheden w o r d e n b e s c h o u w d .

M en J v e r w o o r d e n i n 6, 14, 18, 20 en 27 de i n o p d r a c h t 4.6

(20)

door m i j gegeven i n f o r m a t i e . O p de f o r m u l e r i n g h i e r v a n heb i k n u w e l k r i t i e k : "transport v a n een h o e v e e l h e i d warmte" s u g - gereert m a k k e l i j k een voorstelling v a n q als toestandsgrootheid;

' t r a n s p o r t v a n een h o e v e e l h e i d energie als w a r m t e ' z o u beter z i j n geweest.

T i j d e n s m i j n nabesprekingen v a n opdracht 4.6 met de g r o e p - jes merkte i k dat nogal wat leerlingen aangesproken waren als S en V , en de n e i g i n g vertoonden a f te haken. D e o p v a t t i n g 'AU is de s o m v a n een aantal deelveranderingen' leeft sterk. Ik kreeg van verschillende leerlingen de vraag w a a r o m er n u i n de eerste hoofdwet alleen maar q en w staan genoemd en niet b i j v o o r b e e l d een t e r m v o o r e l e k t r i s c h e e n e r g i e , k i n e t i s c h e energie o f nog andere v o r m e n v a n energie. A c h t e r a f b e n i k d a n ook v a n u i t het gezichtspunt ' o p weg naar het thermodynamische b e g r i p w a r m t e ' o n g e l u k k i g met opdracht 3.1 d i e luidt:

"a Energie kan in verschillende vormen voorkomen. Geef van een aantal energievormen die je kent een korte omschrij- ving;

b Verschillende energievormen kunnen in elkaar worden om- gezet. Beschrijf in het kort een aantal energie-omzet- tingen."

In de groepsverslagen lees i k electrische en kinetische energie naast o.a. z o n n e - , w i n d - , k e r n - en waterenergie. D e vraag naar u i t b r e i d i n g v a n q en w met andere v o r m e n v a n energie is d a n n i e t zo v e r w o n d e r l i j k , z e k e r niet als we ons r e a l i s e r e n hoe d e z e t e r m e n i n het d a g e l i j k s l e v e n naast ' w a r m t e ' w o r d e n g e b r u i k t . E n reeds K o n i n g (1948, p. 19), wees op het h a r d n e k k i g b l i j v e n f u n c t i o n e r e n v a n " p r i m i t i e v e e r v a r i n g s b e g r i p p e n " b i j -leerlingen; " z i j hebben de p r i m e u r en z i j n diep i n de persoon verankerd". D e constatering van V e g t i n g (1977), geciteerd i n § 1 , k a n o o k zo w o r d e n g e ï n t e r p r e t e e r d .

D a a r k o m t nog b i j dat i k thans het stellige vermoeden heb dat de w i j z e w a a r o p i n het n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s o v e r de

"eerste hoofdwet v a n de warmteleer" w o r d t gesproken, o o k b i j - draagt aan de vraag v a n de leerlingen naar ander e n e r g i e v o r m e n . Helaas heb i k d i t aspect niet i n m i j n onderzoek meegenomen. In v w o - n a t u u r k u n d e b o e k e n (zie b i j v o o r b e e l d M i d d e l i n k , 1980, p . 32) treffen we i n é é n o f andere variant de voorstelling aan: als aan een zeker l i c h a a m een hoeveelheid warmte, Q, w o r d t toegevoerd,

(21)

w o r d t een deel (D^) v o o r de temperatuurstijging v a n het l i c h a a m g e b r u i k t , een deel ( D2) voor de verandering van de onderlinge v e r h o u d i n g e n tussen de bouwstenen van het l i c h a a m en een deel ( D3) v o o r uitwendige a r b e i d o m de o m g e v i n g weg te d u w e n : Q = Dl + D2 + D3. H i e r i n w o r d e n r e s p e c t i e v e l i j k Dx en D2 ook beschreven als de toename v a n respectievelijk de kinetische en de p o t e n t i ë l e energie v a n de bouwstenen, tezamen de toename van de i n w e n d i g e energie A t / . Deze corpusculaire b e s c h o u w i n g s - w i j z e zou oorzaak k u n n e n z i j n geweest van de vraag naar de term "kinetische energie".

We hebben overigens niets tegen deze b e s c h o u w i n g s w i j z e als zodanig. M a a r , analoog aan de o p m e r k i n g aan het slot van 3.4, menen we dat deze vanuit het heersende fysische m o d e l gezien correcte z i e n s w i j z e , belemmerend kan w e r k e n b i j b e g r i p s v o r m i n g op weg naar een gegeneraliseerde b e s c h r i j v i n g van e n e r g i e v e r a n - deringen van een systeem op een w i j z e die i n wezen n i e t - c o r - pusculair is.

5. Samenvatting en voornemens

U i t g a a n d e van het gegeven dat 'enthalpie', i n tegenstelling tot ' w a r m t e ' en 'energie', niet als term i n de leefwereld v o o r k o m t maar thuishoort i n de chemische t h e r m o d y n a m i c a , en dat dus v o o r een o n d e r s c h e i d e n d g e b r u i k v a n deze d r i e t e r m e n een thermodynamische context n o o d z a k e l i j k is, is onderzoek gedaan naar de m o g e l i j k h e i d 5 - v w o - l e e r l i n g e n i n een beperkte t i j d a a n - s p r e e k b a a r te m a k e n v o o r het t h e r m o d y n a m i s c h w e z e n l i j k e onderscheid tussen ' w a r m t e ' en 'energie'. A l l e r e e r s t is met d i t doel een serie opdrachten geconstrueerd waarmee 37 leerlingen i n tien groepjes hebben gewerkt. V a n het hierop gevolgde o n - derzoek werden aspecten besproken die i n verband staan met de vraag: i n w e l k e z i n g e b r u i k e n leerlingen de term ' w a r m t e ' i n gesprekken over en i n hun antwoorden op deze opdrachten?

H e t b l i j k t dat een niet onbelangrijk deel van hen ' w a r m t e ' z i e t als een eigenschap van een systeem die bepalend is v o o r z i j n temperatuur, o f voor z i j n temperatuurverschil met de o m - g e v i n g . E e n systeem bevat een h o e v e e l h e i d w a r m t e . D a t die hoeveelheid ook door interne oorzaken k a n veranderen, is niet voor alle leerlingen vanzelfsprekend. N i e m a n d g e b r u i k t ' w a r m t e ' e x p l i c i e t alleen maar voor "energietransport ten gevolge van een temperatuurverschil", ook al is geprobeerd hen i n opdrachten zo aan te spreken.

(22)

D a t ' w a r m t e ' v o o r a l w o r d t g e k o p p e l d aan w a r m t e - i n h o u d , b l i j k t ook b i j opdrachten inzake de eerste hoofdwet:A£Z = q + w.

L e e r l i n g e n interpreteren q als Lq, dat w i l zeggen z i j b e s c h o u - w e n ' w a r m t e ' , energietransport ten gevolge v a n een t e m p e r a t u u r - v e r s c h i l , evenals 'energie' als een toestandsgrootheid. A l s o o r - zaken h i e r v a n zien we onder andere het dagelijks s p r a a k g e b r u i k , evenals de w i j z e waarop i n n a t u u r k u n d e b o e k e n w o r d t gesproken over het opdelen v a n de toegevoerde warmte aan een systeem i n d r i e bijdragen i n het kader v a n een corpusculaire o p v a t t i n g v a n een systeem. O o k is het zeer goed m o g e l i j k dat een z e k e r e e e n z i j d i g h e i d i n de gekozen voorbeelden - we wezen daar i n 3.4 op - deze interpretatie i n de hand w e r k t , -

D e reacties v a n de leerlingen op de o n t w o r p e n o p d r a c h t e n , w a a r v a n h i e r b o v e n maar een fractie is beschreven, m a k e n d u i d e - l i j k dat ' w a r m t e ' noch voor hen, noch voor de ontwerper een p r o b l e e m l o o s b e g r i p i s . V o o r d a t een n i e u w e serie o p d r a c h t e n w o r d t geconstrueerd met het doel de o n t w i k k e l i n g van ' w a r m t e ' en 'energie' naar de thermodynamische b e g r i p p e n toe beter tot haar recht te laten k o m e n , zal de relatie tussen leefwereldbete- kenissen van ' w a r m t e ' en 'energie', betekenissen die er i n het voorafgaande n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s aan w o r d e n toegekend, en de gewenste b e t e k e n i s s e n i n een c h e m i s c h t h e r m o d y n a m i s c h e c o n t e x t n o g eens g r o n d i g moeten w o r d e n d o o r d a c h t . E n het o n d e r s c h e i d e n d k u n n e n g e b r u i k e n v a n ' w a r m t e ' en ' e n e r g i e ' stelden we als voorwaarde voor de z i n v o l h e i d van het i n v o e r e n v a n de term 'enthalpie'.

D e resultaten van dit onderzoek naar de m o g e l i j k h e i d 5 - v w o - leerlingen i n een beperkte t i j d aanspreekbaar te m a k e n v o o r het t h e r m o d y n a m i s c h w e z e n l i j k e o n d e r s c h e i d tussen ' w a r m t e ' en 'energie', en van het onderzoek van V a n Sprang, V a n R o o n &

V e r d o n k (1988) over " E n t h a l p i e i n v . w . o . - c h e m i e ? " l e i d e n ons tot de voornemens:

* ga door c h e m i e d i d a c t i s c h onderzoek na o f het opnemen van de elektrochemische cel en dus van elektrische a r b e i d , naast de ' d i r e c t e ' w e g v o o r d e z e l f d e c h e m i s c h e reactie met slechts v o l u m e - a r b e i d , i n de beschouwingen over de eerste hoofdwet het onderscheid tussen ' w a r m t e ' en 'energie' i n t h e r m o d y n a - mische z i n toegankelijker k a n m a k e n i n het kader van v w o - scheikunde;

* adviseer de inspectie de voor de h u i d i g e v w o - s c h e i k u n d e o v e r - bodige term 'enthalpie' uit het leerplan (1984) te schrappen.

(23)

Noten

1. Dit artikel is gebaseerd op een verslag van een onderzoek naar het begrip 'warmte' dat de eerstgenoemde auteur verrichtte in het kader van een hoofd- vak chemiedidaktiek. Als in het artikel bij persoonlijke rapportages "ik"

wordt gebezigd, is daarmee die auteur bedoeld. Het genoemde onderzoek past in het onderzoeksprojekt van de vakgroep chemiedidaktiek naar de ontwik- keling van chemische begrippen.

2. De leerlingentekst, de verzamelde protocollen en mijn onderzoeksverslag, getiteld "Thermodynamica in 5 vwo? Een aanzet tot de introductie van de grootheid enthalpie", zijn desgewenst in te zien bij de vakgroep chemie- didaktiek.

3. E é n van de redactieleden merkte het volgende op. In de aangestreepte zin wordt "of gebruikt in plaats van "en" of van "en ook". In (4.6.1) staat echter "+" tussen "q" en "w". Als de leerlingen "of opvatten als een voeg- woord dat twee zinsdelen verbindt die elkaar uitsluiten, kunnen zij een tegenstelling ervaren met het symbool + in de formule. Hij veronderstelt dat dit mede een oorzaak zou kunnen zijn van het niet reageren op de aange- streepte zin. Ik onderschrijf dit.

Literatuur

B i j v o e t , J . M . , A . F . Peerdeman, A . S c h u i j f f & E . H . Wiebenga ( 1 9 7 3 ) Korte inleiding tot de chemische thermodynamica, G r o n i n g e n : T j e e n k W i l l i n k , vierde d r u k .

B l a c k , O . F . ( 1 9 2 6 ) The development of certain concepts of physics in highschool students, Potchefstroom A f r i c a .

B r a n t s , F . (1976) T h e r m o d y n a m i s c h d e n k e n en t o c h gewoon b l i j v e n , Faraday 45, 213-225.

Brants, F . (1981) T h e r m o d y n a m i c a toegepast i n V W O - v r a a g s t u k - k e n , Faraday 50, 104-112.

Chemie 5/6 VWO; 1-8 (1985), G r o n i n g e n : W o l t e r s - N o o r d h o f f , tweede d r u k .

E r i c k s o n , G . & A . T i b e r g h i e n (1985) Heat and T e m p ë r a t u r e . In:

R . D r i v e r , E . G u e s n e & A . T i b e r g h i e n (eds.). Children's Ideas in Science, chapter 4. U K and P h i l a d e l p h i a U S A : O p e n U n i v e r s i t y Press, M i l t o n K e y n e s .

K o n i n g , J . (1948) Enige problemen uit de didactiek der natuur- wetenschappen in het bijzonder van de scheikunde experimen- teel onderzocht met leerlingen van de middelbare school, proefschrift R U U , Dordrecht: R e t è l en F e l k e r s .

(24)

L e e r p l a n Scheikunde R i j k s s c h o l e n voor v . w . o . (1984), B i j l a g e b i j c i r c u l a i r e C 840121 V O / A V / R V O - 804.359.

M i d d e l i n k , J . W . (1980) Systematische Natuurkunde C (vwo/havo), A p e l d o o r n : U i t g e v e r i j V a n Walraven b . v .

S e - Y u e n M a k & K . Y o u n g (1987) M i s c o n c e p t i o n s i n the teaching o f heat, School Science Review 68, 464-470.

S m i t h , P . J . W . (1977) V r i j e enthalpie en e v e n w i c h t , Faraday, 46, 8 9 - 9 6 .

Sprang, H . F . v a n (red.) (1984) Collegedictaat Fysische Chemie I, F a c u l t e i t Scheikunde R U U .

Sprang, H . F . v a n , P . H . v a n R o o n & A . H . V e r d o n k (1988)

E n t h a l p i e i n V . W . O . - c h e m i e ? , Tijdschrift voor Didactiek der fi- wetenschappen, 6, 220-230.

Summers, M . K . (1983) T e a c h i n g heat - an analysis o f m i s c o n c e p - tions, School Science Review, 64, 670-676.

T r i p p , T . B . (1976) T h e D e f i n i t i o n o f Heat, Journal of Chemical Education, 53, 782-784.

V e g t i n g , P . (1977) L u i s t e r e n naar leerlingen V - W a r m t e , Faraday, 46, 6 8 - 7 0 .

V e g t i n g , P . (1988) Z i j n misconcepties "mis"-concepties?, NVON- maandblad, 13, 4, 134-137.

V o s , W . de (1981) O n d e r w i j s naar t h e r m o d y n a m i k a , Faraday, 50, 113-115.

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

De te onderzoeken buizen worden door de bak gestoken door een van te voren aangebracht gat van dezelfde diameter als de buis, waarna de uitstekende einden met fietsband

Door te kijken naar ecosysteemdiensten, en te zorgen dat gebieden die belangrijk zijn voor het vastleggen van koolstof, voor biodiversiteit en andere milieufuncties niet

De lage waarde voor N-min na een zomerteelt prei kan voor een belangrijk deel verklaard worden door het inzetten van bladrammenas/gras als groenbemester, waarmee de stikstof

Om het risico van verkeersdeelname te kunnen vergelijken met het risico in de privé-sfeer en op het werk, zijn voor elk van deze drie activiteiten gegevens

Obesity-induced metabolic abnormalities have been associated with increased oxidative stress which may play an important role in the increased susceptibility to myocardial

Maatregel Om de aanvoercapaciteit van zoetwater voor West-Nederland te vergroten wordt gefaseerd de capaciteit van de KWA via zowel Gouda als Bodegraven uitgebreid.. Dit

Gebleken is dat bij de verdeling van het deelbudget voor ‘Te goeder trouw’ (in de definitieve vaststel- ling 2017) de Aanwijzingen besteedbare middelen beheerskosten Wlz 2017 van

A 8.6 Totale nitraatuitspoeling naar het grondwater vanuit alle gronden in het landelijk gebied in 106 kg N a; gemiddelde nitraatuitspoeling vanuit alle gronden in kg N ha-1 jr-1