Para entender o conceito de entropia, é necessário primeiro conhecer as leis da Termodinâmica.
A Lei Zero da Termodinâmica é a base empírica para a medição de temperatura. Esta lei determina que quando dois sistemas em equilíbrio termodinâmico estão em igualdade de temperatura com um terceiro sistema também em equilíbrio, eles também têm igualdade de temperatura entre sí. Um sistema em equilíbrio termodinâmico é aquele onde as grandezas termodinâmicas (temperatura, volume, pressão) mantêm-se constantes.
A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser enunciada como: "A energia do Universo, sistema mais vizinhança, é constante". É o princípio da conservação da energia.
A Segunda Lei da Termodinâmica determina a viabilidade de processos em sistemas físicos e define o conceito de entropia. É enunciada como: "A entropia do Universo, sistema mais vizinhança, tende a um máximo".
A Terceira Lei da Termodinâmica aponta limitações para obtenção do zero absoluto de temperatura. Enunciada como: "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero".
Mas então, o que seria entropia? A entropia fornece uma previsão quantitativa da desordem de um sistema (Young e Freedman, 2008)
em que dS é a variação da entropia de um processo reversível, Q, o calor trocado e T a temperatura do sistema. A unidade de entropia é uma unidade de energia dividida por uma unidade de temperatura; no SI, a unidade da entropia é 1 J/K (um Joule por Kelvin).
Mas então, o que seria entropia? A entropia fornece uma previsão quantitativa da desordem de um sistema (Young e Freedman, 2008)
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| Figura 1: Definição de entropia. (Fonte: Física Interessante, 2015) |
em que dS é a variação da entropia de um processo reversível, Q, o calor trocado e T a temperatura do sistema. A unidade de entropia é uma unidade de energia dividida por uma unidade de temperatura; no SI, a unidade da entropia é 1 J/K (um Joule por Kelvin).
Um processo é dito reversível quando seu sentido pode ser invertido por mudanças infinitesimais nas condições do processo, e em que o sistema está sempre em equilíbrio térmico ou muito próximo do equilíbrio térmico. Na natureza todos os processos termodinâmicos são irreversíveis. Um processo reversível é uma idealização que não pode ser realizada com precisão no mundo real.
Young e Freedman (2008) descrevem como a razão Q/T se relaciona ao aumento da desordem:
"Uma temperatura maior implica um movimento mais aleatório. Se a substância está inicialmente fria, com movimento molecular pequeno, o fornecimento do calor Q produz um aumento fracionário substancial no movimento e no estado aleatório das moléculas. Se, no entanto, a substância já está quente, a mesma quantidade de calor fornecido produz um aumento relativamente menor no já elevado movimento molecular existente. Portanto, o quociente Q/T caracteriza de modo apropriado o crescimento da desordem quando o calor flui para o interior de um sistema".
Quando um sistema evolui de um estado inicial com entropia S1 até um estado final com entropia S2, a variação de entropia dS=S1-S2 não depende do percurso que leva o sistema do estado inicial ao estado final, mas é sempre a mesma em todos os processos possíveis entre o estado 1 e o estado 2. Ou seja, a entropia de um sistema deve possuir um valor definido para um dado estado do sistema.
Em um processo real reversível envolvendo apenas estados de equilíbrio, a variação total da entropia e do ambiente é igual a zero. Entretanto, todos os processos irreversíveis envolvem um aumento de entropia. Diferentemente da energia, a entropia é uma grandeza que não se conserva. A entropia de um sistema isolado pode variar, mas ela nunca pode diminuir.
A partir do que foi visto podemos então enunciar a Segunda Lei da Termodinâmica de maneira alternativa: "quando todas as variações de entropia que ocorrem em um processo são somadas, a entropia aumenta ou permanece constante. Em outras palavras, não existe nenhum processo com diminuição de entropia quando todas as possíveis variações de entropia são incluídas". Se um sistema apresentar diminuição da entropia, sua vizinhança sofrerá um aumento da mesma. Por exemplo, se considerarmos um copo com água como um sistema e congelarmos esta água, haverá uma diminuição da entropia deste sistema; todavia, haverá um aumento da entropia da vizinhança, uma vez que o sistema (copo com água) perdeu calor para o ambiente quando esta foi congelada.
sendo S a entropia, K a constante de Boltzmann (1,3806503 exp-23 J/K) e W o número de microestados possíveis para o sistema. Esta equação está gravada em sua lápide.
Referências
YOUNG, H. D. FREEDMAN, R. A. Física II: Termodinâmica e Ondas. Tradução Cláudia Santana Martins; revisão técnica Adir Moysés Luiz. 12. ed. São Paulo: Addison Wesley 2008.
Em um processo real reversível envolvendo apenas estados de equilíbrio, a variação total da entropia e do ambiente é igual a zero. Entretanto, todos os processos irreversíveis envolvem um aumento de entropia. Diferentemente da energia, a entropia é uma grandeza que não se conserva. A entropia de um sistema isolado pode variar, mas ela nunca pode diminuir.
A partir do que foi visto podemos então enunciar a Segunda Lei da Termodinâmica de maneira alternativa: "quando todas as variações de entropia que ocorrem em um processo são somadas, a entropia aumenta ou permanece constante. Em outras palavras, não existe nenhum processo com diminuição de entropia quando todas as possíveis variações de entropia são incluídas". Se um sistema apresentar diminuição da entropia, sua vizinhança sofrerá um aumento da mesma. Por exemplo, se considerarmos um copo com água como um sistema e congelarmos esta água, haverá uma diminuição da entropia deste sistema; todavia, haverá um aumento da entropia da vizinhança, uma vez que o sistema (copo com água) perdeu calor para o ambiente quando esta foi congelada.
Interpretação estatística
Em 1877 Ludwig Boltzmann definiu a entropia como proporcional ao logarítmo natural do número de microestados possíveis à um sistema:
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| Figura 2: Entropia segundo Boltzmann. (Fonte: Física Interessante, 2015) |
sendo S a entropia, K a constante de Boltzmann (1,3806503 exp-23 J/K) e W o número de microestados possíveis para o sistema. Esta equação está gravada em sua lápide.
A entropia nas relações homem e meio ambiente
O blog Física Interessante (consultar referências) faz uma afirmação bem interessante sobre as relações do homem com o meio ambiente: é impossível que o homem atue no seu meio ambiente sem causar um aumento irreversível da entropia, tal como prevê a Segunda Lei da Termodinâmica. Por exemplo, consideremos uma jazida de minério de ferro. Após extraído, o ferro será processado em lingotes de aço, que possuem uma estrutura bem mais organizada que o minério bruto, ou seja, sofrerá redução de entropia. Estes lingotes de aço podem ser utilizados, por exemplo, para a construção de estruturas mais complexas, como um carro, ou seja, sua entropia será reduzida ainda mais. Isto poderia nos levar a crer que a entropia total foi reduzida, mas na verdade ela será igual ou maior que a entropia inicial. Devemos considerar que para a extração deste minério de ferro o meio ambiente foi muito alterado e sua entropia muito aumentada.
Considerações Finais
O senso comum relaciona entropia com caos e desordem. Embora esta associação possa levar a uma compreensão errônea da definição de entropia, acaba por estar de acordo com o que é apresentado pela Segunda Lei da Termodinâmica desde que esta analogia seja feita com alguma ponderação.
Referências
Física Interessante. Física Termodinâmica: entropia. Disponível em: <http://http://www.fisica-interessante.com/fisica-termodinamica-entropia.html#TOP>. Acesso em: 20 de abril de 2015.
YOUNG, H. D. FREEDMAN, R. A. Física II: Termodinâmica e Ondas. Tradução Cláudia Santana Martins; revisão técnica Adir Moysés Luiz. 12. ed. São Paulo: Addison Wesley 2008.
