Graças ao poder das relações de flutuação, os físicos estão levando a segunda lei da termodinâmica a configurações antes consideradas impossíveis

Crédito da imagem: Maggie Chiang for Quanta Magazine

Desde que a máquina a vapor começou a modernizar o mundo, a segunda lei da termodinâmica reinou sobre a física, a química, a engenharia e a biologia. Agora, uma atualização está em andamento.

Se o volume apenas envolver o bolo (como acontece quando o bolo está mais fresco), a entropia é relativamente pequena. Se o volume abrange toda a cozinha (depois que as moléculas tiveram tempo de viajar mais), a entropia é exponencialmente maior. A segunda lei da termodinâmica decreta que a entropia de todo sistema fechado e isolado (como nossa cozinha, supondo que as janelas e portas estejam fechadas) cresce ou permanece constante. Assim, o cheiro de pão de ló se espalha por toda a cozinha e nunca recua.

Resumimos esse comportamento em uma desigualdade:   , Onde  é a entropia inicial das moléculas e  sua entropia final. A desigualdade é útil, mas vaga, porque não nos diz o quanto a entropia vai crescer, exceto em um caso especial: Quando as moléculas estão em equilíbrio. Isso acontece quando propriedades de grande escala, como temperatura e volume, permanecem constantes e nenhum fluxo líquido de qualquer coisa, como energia ou partículas, entra ou sai do sistema. (Por exemplo, as moléculas de aroma do nosso bolo atingem o equilíbrio depois de terem enchido totalmente a cozinha.) No equilíbrio, a segunda lei se fortalece para uma igualdade:   . Essa igualdade simples e geral fornece informações precisas sobre muitos tipos diferentes de sistemas termodinâmicos em equilíbrio.

Mas você e eu e a maior parte do mundo estamos longe do equilíbrio. E “longe do equilíbrio” é o oeste selvagem para físicos e químicos teóricos: Imprevisível e desordenado. Impor leis no oeste selvagem; o que significa, para nós, provar igualdades sobre a física longe do equilíbrio, é bastante difícil.

Mas não é impossível. Durante décadas, os físicos trabalharam com igualdades que fortalecem a segunda lei. Essas igualdades são conhecidas como relações de flutuação. Eles conectam propriedades de sistemas distantes do equilíbrio (que são difíceis de raciocinar teoricamente) com propriedades de equilíbrio (que são fáceis de raciocinar).

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.