Attività didattica progettata da Irene Salmaso, Biagio Ambrosio ed Erika Kolb durante il corso di dottorato “Designing innovative public engagement activities” tenuto all’Università di Padova nel 2024.

Breve descrizione dell’attività

Cosa vuol dire entropia e come funziona? In questa esperienza, tramite l’utilizzo di colori e odori, sarà possibile percepire i diversi gradi di entropia che esistono in sistemi più o meno disordinati, per scoprire come essa evolve con il passare del tempo.

Materiali

  • Colori a tempera di colore blu, rosso, giallo
  • 3 aromi alimentari/oli essenziali diversi e riconoscibili (ad esempio vaniglia, mandorla, limone)
  • Pennelli
  • Bicchieri, cucchiaini e piatti di plastica
  • Fogli di carta (circa 20)
  • Carta assorbente
  • Mollette, spago e scotch per appendere i fogli
  • Stampa di una galassia a spirale (link per il download)
  • 6 palloncini
  • 6 scatole di cartone
  • Un paio di forbici
  • 1 ago

Preparazione dell’attività

1. Associare ad ogni odore un colore (ad esempio blu-vaniglia, rosso-mandorla, giallo-limone) e ricoprire ogni fialetta con carta del colore associato.

2. Preparare 10 fogli colorati da un lato in questo modo:

    • 1 foglio lasciato bianco, senza colori
    • 1 foglio dipinto di giallo
    • 1 foglio dipinto di blu
    • 1 foglio dipinto di rosso
    • 1 foglio dipinto di giallo e, una volta asciutto, aggiungere uno strato di rosso, in modo che non si veda il giallo sottostante
    • 1 foglio dipinto di giallo e, una volta asciutto, aggiungere uno strato di blu, in modo che non si veda il giallo sottostante
    • 1 foglio dipinto di verde, ottenuto dall’unione di blu e giallo
    • 1 foglio dipinto di arancione, ottenuto dall’unione di rosso e giallo
    • 1 foglio dipinto di viola, ottenuto dall’unione di blu e rosso
    • 1 foglio dipinto di marrone, ottenuto dall’unione di rosso, blu e giallo.

3. Appendere con delle mollette i fogli colorati sullo spago teso, in modo che il lato bianco sia rivolto verso il gruppo di partecipanti. Spruzzare su questo lato gli aromi associati ai colori utilizzati (nel foglio bianco non spruzzare niente).

4. Nei bicchieri di plastica, mischiare un po’ di tempera con il relativo profumo secondo l’associazione scelta nel punto 1 (ad esempio blu-vaniglia, rosso-mandorla, giallo-limone). Il numero di gocce di aroma da aggiungere dipende dalla loro intensità, che può variare a seconda del tipo e della marca. Si consigliano comunque 4-8 gocce per un quarto di bicchiere.
La mistura va continuamente mescolata per evitare che si separi e si secchi. Inoltre, per non utilizzare troppo colore, si consiglia di fornire ai partecipanti una piccola quantità al bisogno, utilizzando dei cucchiaini di plastica (uno per ogni colore per evitare contaminazioni).

5. Preparare un disegno di una galassia a spirale dove il rosso rappresenta la polvere, il giallo le stelle e il blu il gas. Deve essere simile per forma e dimensione a quella della foto reale. Entrambe le immagini vanno tenute e utilizzate al termine del laboratorio.

6. Ritagliare 18 pezzetti di carta e dipingerne 6 di blu, 6 di giallo e 6 di rosso. Disporli in modo ordinato a un lato del tavolo del laboratorio, come in figura.

7. Sull’altra estremità del tavolo, preparare le postazioni per dipingere, ognuna con un foglio bianco, un pennello, un piatto di plastica per la miscelazione, un bicchiere di plastica con acqua e carta assorbente per asciugare il pennello. Ogni postazione è assegnata a 1/2 partecipanti, a seconda della numerosità del gruppo.

8. Gonfiare 6 palloncini, due molto gonfi, due mezzi gonfi e due quasi sgonfi. Inserire ognuno dentro a una scatola, praticando un foro che permetta di infilare la mano e toccare il palloncino senza vederlo. Le scatole verranno utilizzate nella seconda parte del laboratorio.

Descrizione dell’attività

Prima parte

1. Dopo le presentazioni reciproche, chiedere al gruppo di dare delle definizioni di disordine. Ad esempio, li si può invitare a riflettere sullo stato della loro camera, sulla differenza tra quando tutti i giocattoli sono sistemati al loro posto e quando sono sparsi sul pavimento.

2. Raccontare che di solito chi si occupa di fisica misura il disordine, chiamato entropia, in molti modi complicati e che loro oggi useranno colori e profumi per rappresentarli.
Nota. Da qui in poi ripetere e far ripetere la parola entropia diverse volte nel corso dell’attività, per familiarizzare con questa strana parola.

3. A questo punto, far annusare le fialette (il cui nome dell’aroma non si vede perché coperto dalla carta colorata) e far indovinare gli odori associati ai colori.

4. Mostrare i fogli appesi e invitare ognuno/a ad avvicinarsi per annusarli e chiedere cosa percepiscono. Una volta raccolte le risposte, girare i fogli e mostrare i vari colori. Il foglio bianco ha meno disordine dei colori primari (e relativi profumi), che a loro volta ne hanno meno dei colori mischiati, ecc.
Attenzione! Un foglio blu e un foglio rosso nascondono i colori sottostanti ma il grado di disordine è comunque percepibile grazie al mix di odori. La stessa cosa succede nell’ambito della ricerca: a volte è utile e necessario utilizzare strumenti diversi, come noi facciamo con i nostri sensi, per capire meglio un fenomeno.

5. Mostrare i foglietti colorati disposti sul tavolo, spiegando che sono stati posizionati così per rappresentare uno stato il più ordinato possibile.
Quindi, spostarsi all’altra estremità del tavolo e far accomodare i partecipanti nelle varie postazioni.

6. Chiedere loro di fare un disegno qualsiasi, con l’unica regola che dev’essere il disordine più alto possibile. Dare circa 10 minuti per questa fase.

7. A disegni completati, studiarli uno a uno insieme a tutti i partecipanti, chiedendo di valutare il grado di disordine in ognuno di essi. Alcuni avranno mischiato i colori e altri no, quindi avranno gradi di disordine più o meno alti.

8. Dopo aver discusso su come fare un disegno disordinato, sostituire fogli e acqua nei bicchieri e chiedere di fare un altro disegno, questa volta con il disordine più basso possibile. Lasciare sempre 10 minuti e poi valutare il grado di disordine tutti insieme. Far notare che nonostante il disordine sia minore nei singoli disegni, l’acqua nei bicchieri si è comunque mescolata al colore, rivelando che si tratta di un processo inevitabile e irreversibile. Per rinforzare la discussione, si può chiedere ai partecipanti se, una volta miscelato il colore verde, è possibile riportarlo allo stato iniziale di blu e giallo.

9. Concludere richiamando quella “strana parola usata all’inizio, entropia”, una grandezza fisica che ci aiuta a capire in che direzione scorre il tempo. Infatti, poiché non possiamo riportare i colori nello stato originario, c’è una sola direzione temporale in cui i fatti sono avvenuti: prima c’erano blu e giallo e poi c’è il verde, il contrario non può succedere.

10. È possibile che alcuni partecipanti realizzino che avrebbero potuto lasciare il foglio bianco (se nessuno pone la domanda farlo notare). Spostare quindi l’attenzione sui foglietti del punto 6 della fase di preparazione che, per via del vento, scossoni al tavolo, ecc., si saranno spostati dalla posizione iniziale e mescolati. Chiedere ai partecipanti che cosa secondo loro è successo, facendo notare che è passato del tempo da quando sono stati osservati l’ultima volta, all’inizio del laboratorio. Chiedere: “Se torniamo a osservarli fra un po’, saranno tornati a posto?” Ovviamente no, anzi, saranno ancora più disordinati. Più passa il tempo e più aumenta il disordine, quindi anche se non facciamo niente (lasciando il foglio bianco), l’Universo stesso tende naturalmente a uno stato più disordinato.

11. A questo punto mostrare il disegno della galassia realizzato nel punto 5 della fase di preparazione. Raccontare che l’Universo ha a disposizione gas, stelle e polvere, così come i partecipanti avevano a disposizione i tre colori, e li mischia per formare queste belle strutture, che però sono più caotiche. Mostrare anche l’immagine originale per confronto.
Quindi, la prossima volta che i genitori diranno di rimettere in ordine la stanza, si può rispondere “Non è disordine, è entropia! Anche l’Universo lo fa!”.

Seconda parte

12. Se c’è ancora tempo a disposizione, prendere le scatole con i palloncini e disporle come in figura, ovvero in due file in modo che in una vi sia, da sinistra a destra, un palloncino gonfio, uno mezzo gonfio e uno sgonfio. Sull’altra fila la situazione è invertita, con un palloncino gonfio di fronte a quello sgonfio. Attenzione: l’immagine mostra i palloncini come esempio, si raccomanda di tenerli dentro la scatola come spiegato nel punto 8 della fase di preparazione.

 

 

13. Chiedere a due partecipanti di posizionarsi davanti alle due file di scatole e invitarli a inserire la mano e descrivere cosa sentono. Ripetere la procedura per tutte le tre scatole della fila. Eventualmente aiutarli con degli indizi, ad esempio chiedendo di notare la diversa quantità d’aria che essi contengono, e che, mentre uno ha percepito prima il palloncino gonfio, l’altro ha trovato all’inizio quello sgonfio.
Ogni percorso rappresenta l’evoluzione nel tempo del palloncino ed entrambi sono percorsi possibili. Possiamo avere sia il palloncino che si gonfia soffiandoci, sia il palloncino che si sgonfia con il tempo.14. A questo punto estrarre uno dei palloncini gonfi, farlo scoppiare con l’ago e chiedere al gruppo a che estremità del tavolo va posizionato. Dovrebbero rispondere che va dopo il palloncino gonfio. In questo modo si identifica un verso della linea del tempo che non può essere percorsa all’indietro, perché il palloncino esploso non può tornare intero. Invitare i partecipanti a pensare ad altre situazioni quotidiane che ci possono aiutare a definire la direzione del tempo, ad esempio: l’uovo che si rompe, … Ribadire il concetto di tempo come direzione in cui l’entropia aumenta sempre.L’attività può essere adattata nella durata delle due parti in base alle inclinazioni dei partecipanti: se il gruppo non ama colorare o è molto veloce nell’eseguire i disegni, dare più rilevanza alla parte con i palloncini. Se invece preferisce colorare, si può saltare la parte con i palloncini e chiedere di fare un terzo disegno a piacere.

Spiegazione del processo fisico

L’entropia è la misura del “disordine” di un oggetto o di un processo fisico, cioè della casualità con cui si possono distribuire gli atomi coinvolti, che corrisponde al numero di possibili configurazioni. È anche interpretabile, seguendo il secondo principio della termodinamica, come l’energia del sistema che non è disponibile per essere convertita in lavoro.
Un sistema è in equilibrio quando l’entropia è massima, perciò essa tende sempre ad aumentare. Anche se un determinato fenomeno sembra presentare una variazione di entropia negativa (quindi, avere un’entropia minore alla fine del processo rispetto all’inizio, per esempio, l’acqua che diventa ghiaccio), si tratta sempre di sistemi non isolati, mentre l’entropia totale dell’Universo aumenta sempre.
La definizione di “tempo” è strettamente collegata all’entropia: la direzione o freccia del tempo è definita dalla direzione in cui l’entropia aumenta. Questo è particolarmente chiaro osservando le trasformazioni irreversibili: per esempio, non si può ricomporre un uovo rotto o separare l’acqua mischiata con le tempere. Anche trasformazioni reversibili, come rimettere in ordine i fogli sparsi dal vento, richiedono lavoro per essere compiute e quindi comportano l’aumento dell’entropia. Infatti, in ogni trasformazione c’è sempre una quantità di energia convertita in calore che quindi passa naturalmente da un corpo più caldo a uno più freddo, comportando l’aumento dell’entropia.

Per approfondire: Cos’è l’entropia e come regola l’universo intero.