Indagine su un modello

1) Numero dadi

2) Numero dadi

Il disordine tende per sua natura ad aumentare e questo è il motivo per cui l'energia utile si consuma e si disperde. Infatti, in ogni trasformazione di energia, una parte dell'energia utilizzata viene trasformata in energia termica, che rappresenta uno stato disordinato dell'energia. L'energia termica, o calore, corrisponde all'energia di agitazione caotica delle molecole di cui è costituita la materia, mentre altre forme di energia più ordinate, come l'energia cinetica o quella elettrica, corrispondono a movimenti più organizzati delle molecole.

Questi fenomeni possono essere descritti con un modello costituito da un certo numero di dadi da gioco disposti su un vassoio. I dadi rappresentano le molecole contenute in un sistema fisico e i numeri che essi mostrano sul lato superiore rappresentano le velocità delle molecole stesse.

Questo modello è ovviamente una rappresentazione molto semplificata della realtà molecolare: le molecole di un qualsiasi sistema fisico sono immensamente più numerose del gruppo di dadi e i valori di velocità che possono assumere sono molto più dei 6 numeri riportati sulle facce dei dadi. Tuttavia, il modello consente di eseguire delle osservazioni e perfino delle misure, che sarebbero impossibili da effettuare direttamente sulle molecole.

· Si dispongono i dadi nel catino in modo che presentino sul lato superiore il valore 1. Si ottiene così una situazione corrispondente a un'energia ordinata, in cui tutte le molecole possiedono la stessa velocità.

· Si scuote il catino per qualche secondo, in modo che i dadi si urtino e rotolino (cercando però di evitare che saltino fuori dal vassoio!). Questa operazione rappresenta la trasformazione di energia cui è sottoposto il sistema.

· Si riporta in una tabella (vedi Tabella 1) la distribuzione dei valori presentati dai dadi:

· Si ripetono le operazioni precedenti, dopo aver disposto tutti i dadi in modo che presentino il valore 2 e si riporta in tabella la distribuzione dei valori ottenuti sotto la serie precedente.

· Si ripetono ancora le operazioni precedenti, partendo dal valore 3 dei dadi, poi dal valore 4 e così via, fino a produrre 6 righe di dati, che verranno numerate da 1 a 6.

· Si dispongono ora i dadi nel modo descritto dalla prima riga della Tabella 1, si scuote il vassoio e si riportano i risultati nella Tabella 2, strutturata esattamente come la prima:

· Si ripete l'operazione precedente per le altre righe della Tabella 1 e si producono di conseguenza le righe successive della Tabella 2.

Si può forzare il disordine a produrre una situazione ordinata? Vediamo come si può operare con il nostro modello:

· Si dispongono i dadi in modo casuale nel vassoio, si agita e si estraggono i dadi che presentano il valore 1.

· Si ripete l’operazione precedente, finché vengono estratti tutti i dadi, contando il numero di agitazioni necessarie per completare questa operazione.

· Si ripete tutto il procedimento, estraendo i dadi che presentano il valore 2, poi estraendo quelli che presentano il valore 3, ecc.

Gli stati ordinati in cui sono disposti i dadi nella prima parte dell'esperienza si sono sempre trasformati in stati disordinati? (vedi le righe 1-6 della Tabella 1)

Gli stati corrispondenti alle righe della Tabella 1 si sono sempre trasformati in altri stati disordinati? (vedi le righe della Tabella 2)

In media, quante agitazioni sono state necessarie, per estrarre dal catino i dadi tutti dello stesso valore?

b. Sapresti dire perché è più facile ottenere stati disordinati, piuttosto che stati ordinati? (N.B.: Il numero totale di stati, nel caso dei dadi a 6 lati, è 6^N, dove N = numero dei dadi).

c. Hai altre osservazioni da fare, dal confronto tra le tabelle che hai ottenuto nelle prime due esperienze?

d. Secondo te, che cosa insegnano i risultati di queste esperienze sulle trasformazioni di energia e sul ruolo del calore?

e. A quale processo reale (cioè su sistemi ordinari composti di molecole) può essere assimilato il procedimento eseguito nell’esperienza 3 (“Dal disordine all’ordine”)?

g. Quali sono le maggiori difficoltà incontrate nello svolgimento delle esperienze?