A segunda lei da termodinâmica diz que, em termos simples, a entropia sempre aumenta

A segunda lei da termodinâmica afirma que os processos que envolvem a transferência ou conversão de energia térmica são irreversíveis e sempre se movem em direção a mais desordem. Crédito da imagem: Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images

Esse princípio explica, por exemplo, por que você não pode reorganizar um ovo.

A segunda lei da termodinâmica afirma que, à medida que a energia é transferida ou transformada, mais e mais é desperdiçada. É uma das quatro leis da termodinâmica, que descreve as relações entre a energia térmica, ou calor, e outras formas de energia, e como a energia afeta a matéria. A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída; a quantidade total de energia no universo permanece a mesma. A Segunda Lei da Termodinâmica trata da natureza da energia. A Segunda Lei também afirma que existe uma tendência natural de qualquer sistema isolado de degenerar em um estado mais desordenado, de acordo com a Universidade de Boston.

Saibal Mitra, professor de física da Missouri State University, considera a Segunda Lei a mais interessante das quatro leis da termodinâmica. "Existem várias maneiras de declarar a Segunda Lei", disse Mitra. "Em um nível muito microscópico, ele simplesmente diz que se você tem um sistema isolado, qualquer processo natural nesse sistema progride na direção do aumento da desordem, ou entropia, do sistema". 

Mitra explicou que todos os processos resultam em um aumento na entropia. Mesmo quando a ordem é aumentada em um local específico, por exemplo, pela automontagem de moléculas para formar um organismo vivo, quando você leva em consideração todo o sistema, incluindo o ambiente, sempre há um aumento líquido na entropia. Em outro exemplo, cristais podem se formar a partir de uma solução salina à medida que a água é evaporada. Os cristais são mais ordenados do que as moléculas de sal em solução; no entanto, a água vaporizada é muito mais desordenada do que a água líquida. O processo como um todo resulta em um aumento líquido da desordem.

HISTÓRIA DA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Em seu livro, "Um novo Tipo de Ciência" (Wolfram Media, 2018), Stephen Wolfram escreveu: "Por volta de 1850 Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin) afirmaram que o calor não flui espontaneamente de um corpo mais frio para um corpo mais quente." Isso se tornou a base para a Segunda Lei.

Trabalhos subsequentes de Daniel Bernoulli, James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann levaram ao desenvolvimento da teoria cinética dos gases, na qual um gás é reconhecido como uma nuvem de moléculas em movimento que pode ser tratada estatisticamente, de acordo com a Georgia State University. Essa abordagem estatística permite o cálculo preciso da temperatura, pressão e volume de acordo com a lei do gás ideal, de acordo com a Georgia State University. 

Essa abordagem também levou à conclusão de que, embora as colisões entre moléculas individuais sejam completamente reversíveis, ou seja, elas funcionam da mesma forma quando jogadas para frente ou para trás, esse não é o caso de uma grande quantidade de gás. Com grandes quantidades de gás, as velocidades das moléculas individuais tendem ao longo do tempo a formar uma distribuição normal ou gaussiana, às vezes descrita como uma "curva de sino", em torno da velocidade média. O resultado disso é que, quando gás quente e gás frio são colocados juntos em um recipiente, você acaba com gás quente, de acordo com a Georgia State University. No entanto, o gás quente nunca se separará espontaneamente em gás quente e frio, o que significa que o processo de mistura de gases quentes e frios é irreversível. Isso tem sido frequentemente resumido como: "Você não pode reorganizar um ovo". De acordo com Wolfram, Boltzmann percebeu por volta de 1876 que a razão para isso é que deve haver muito mais estados desordenados para um sistema do que estados ordenados; portanto, interações aleatórias inevitavelmente levarão a uma maior desordem.

TRABALHO E ENERGIA

É impossível converter energia térmica em energia mecânica com 100% de eficiência. Por exemplo, qualquer dispositivo com partes móveis (como um motor de carro com um gerador de energia acionado por correia) produz atrito que converte energia mecânica em calor; o calor é geralmente inutilizável. Crédito da imagem: Marin Tomas/Getty Images

Uma coisa dita pela Segunda Lei é que é impossível converter energia térmica em energia mecânica com 100% de eficiência, segundo a Britannica. Após o processo de aquecimento de um gás para aumentar sua pressão para acionar um pistão, sempre há algum calor restante no gás que não pode ser usado para realizar um trabalho adicional. Este calor residual deve ser descartado transferindo-o para um dissipador de calor. No caso de um carro, isso é feito enviando o combustível usado e a mistura de ar do motor para a atmosfera através do tubo de escape. Além disso, qualquer dispositivo com partes móveis produz atrito que converte energia mecânica em calor que geralmente é inutilizável e deve ser removido do sistema transferindo-o para um dissipador de calor. É por isso que os pedidos de máquinas de movimento perpétuo são sumariamente rejeitados pelo Escritório de Patentes dos Estados Unidos. 

Quando um corpo quente e um corpo frio são colocados em contato um com o outro, a energia térmica fluirá do corpo quente para o corpo frio até atingirem o equilíbrio térmico, ou seja, a mesma temperatura. No entanto, o calor nunca voltará para o outro lado; a diferença nas temperaturas dos dois corpos nunca aumentará espontaneamente. Mover o calor de um corpo frio para um corpo quente exige que o trabalho seja feito por uma fonte de energia externa, como uma bomba de calor, de acordo com a Georgia State University. 

"Os motores mais eficientes que construímos agora são grandes turbinas a gás", disse David McKee, professor de física da Missouri State University. "Eles queimam gás natural ou outros combustíveis gasosos a uma temperatura muito alta, acima de 2.000 graus Celsius [3.600 graus Fahrenheit], e o escapamento por onde sai é apenas uma brisa forte e quente. Ninguém tenta extrair energia do calor residual, porque há apenas não muito lá."

A FLECHA DO TEMPO

Este não é um processo reversível, de acordo com a segunda lei da termodinâmica. Crédito da imagem: Stockcam/Getty Images

A Segunda Lei indica que os processos termodinâmicos, ou seja, processos que envolvem a transferência ou conversão de energia térmica, são irreversíveis porque todos resultam em aumento de entropia. Talvez uma das implicações mais importantes da Segunda Lei, disse Mitra, é que ela nos dá a flecha termodinâmica do tempo.

Em teoria, algumas interações, como colisões de corpos rígidos ou certas reações químicas, parecem as mesmas, quer sejam executadas para frente ou para trás. Na prática, porém, todas as trocas de energia estão sujeitas a ineficiências, como atrito e perda de calor por radiação, que aumentam a entropia do sistema observado, segundo o OpenStax. Portanto, como não existe um processo perfeitamente reversível, se alguém perguntar qual é a direção do tempo, podemos responder com confiança que o tempo sempre flui na direção do aumento da entropia.

O DESTINO DO UNIVERSO

Em um futuro distante, as estrelas deixarão de nascer, as galáxias queimarão e os buracos negros evaporarão até que não reste nada além de partículas subatômicas e energia, de acordo com a Science Magazine. Em última análise, essas partículas e essa energia atingirão o equilíbrio térmico com o resto do Universo. Felizmente, John Baez, um físico matemático da Universidade da Califórnia Riverside, prevê que esse processo de resfriamento pode levar até 10^{(10^26)} (1 seguido por 10²⁶ (100 septilhões) de zeros) anos com a temperatura caindo para cerca de 10^-30 K (10^-30 C acima do zero absoluto).

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RECURSOS ADICIONAIS

• Aqui estão algumas outras explicações da segunda lei da termodinâmica:
• Este vídeo do World Science Festival explora a entropia e a flecha do tempo com o físico Brian Greene.
• Obtenha outra explicação da segunda lei da termodinâmica neste recurso da Universidade de Calgary.
• O professor de ciências da terra da Universidade George Mason, Robert M. Hazen, discute as consequências da segunda lei da termodinâmica neste artigo do The Great Courses Daily.

BIBLIOGRAFIA

• Universidade de Boston, "Entropia e a segunda lei", 12 de dezembro de 1999. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Secondlaw.html 
• Stephen Wolfram, "Um novo tipo de ciência", Wolfram Media, 2018. http://www.wolframscience.com/nksonline/toc.html 
• Cientistas famosos, "Daniel Bernoulli". https://www.famousscientists.org/daniel-bernoulli/ 
• Cientistas famosos, "James Clerk Maxwell". https://www.famousscientists.org/james-clerk-maxwell/ 
• Cientistas famosos, "Ludwig Boltzmann". https://www.famousscientists.org/ludwig-boltzmann/ 
• Hiperfísica da Universidade Estadual da Geórgia, "Teoria Cinética". http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/kinthe.html 
• Hiperfísica da Universidade Estadual da Geórgia, "Lei do Gás Ideal". http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/idegas.html#c1 
• Hiperfísica da Universidade Estadual da Geórgia, "Função de Distribuição Gaussiana". http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Math/gaufcn.html 
• Britannica, "Entropia". 1º de junho de 2021. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/Entropy 
• Hiperfísica da Universidade Estadual da Geórgia, "Bomba de calor". http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatpump.html 
• Openstax University Physics 2, "21 Processos Reversíveis e Irreversíveis". 16 de julho de 2019. https://opentextbc.ca/universityphysicsv2openstax/ 
• Adam Mann, "É assim que o universo termina: Não com um gemido, mas com um estrondo", 11 de agosto de 2020, Science Magazine. https://www.science.org/content/article/way-universe-ends-not-whimper-bang 
• John Baez, "O Fim do Universo". 7 de fevereiro de 2016. https://math.ucr.edu/home/baez/end.html 
• Cool Cosmos, "O que é zero absoluto?" https://coolcosmos.ipac.caltech.edu/ask/298-What-is-absolute-zero-

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Referência:

LUCAS, Jim; HAMER, Ashley. What is the second law of thermodynamics? Live Science, Nova York, 07, fev. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/50941-second-law-thermodynamics.html>. Acesso em: 16, mai. 2022.

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.