A segunda lei portanto trata também da probabilidade de um evento ocorrer, ou seja, como no universo existe uma preferência natural de certos eventos em detrimento de outros, tal assimetria aponta no sentido da ordem para desordem, de forma que o entendimento mais amplo da segunda lei é que os sistemas tendem a se desorganizarem, tal bagunça, daqui por diante denotaremos de entropia.
[ISSO VALE PARA SISTEMAS FECHADOS, OU SEJA, AQUELES QUE NÃO RECEBEM ENERGIA ADICIONAL DO EXTERIOR PARA TRANSFORMÁ-LA EM TRABALHO E ASSIM CAMINHAR EM SENTIDO INVERSO. QUANDO O SISTEMA NÃO TEM MAIS ENERGIA PARA REALIZAR TRABALHO CERTAMENTE COLAPSARÁ NO VULGARMENTE CONHECIDO POR DESORDEM OU ENTROPIA, POIS O SISTEMA TENDERÁ A BUSCAR O SEU ESTADO MAIS BAIXO DE ENERGIA. Xavier, escreva isto 100 vezes para que possa entender a diferença entre sistemas abertos e fechados.]
[ISSO VALE PARA SISTEMAS FECHADOS, OU SEJA, AQUELES QUE NÃO RECEBEM ENERGIA ADICIONAL DO EXTERIOR PARA TRANSFORMÁ-LA EM TRABALHO E ASSIM CAMINHAR EM SENTIDO INVERSO. QUANDO O SISTEMA NÃO TEM MAIS ENERGIA PARA REALIZAR TRABALHO CERTAMENTE COLAPSARÁ NO VULGARMENTE CONHECIDO POR DESORDEM OU ENTROPIA, POIS O SISTEMA TENDERÁ A BUSCAR O SEU ESTADO MAIS BAIXO DE ENERGIA. Xavier, escreva isto 100 vezes para que possa entender a diferença entre sistemas abertos e fechados.]
O que vemos na prática é que quando queremos organizar um sistema, é necessário que um agente externo forneça energia na forma de trabalho a fim de diminuir a entropia do sistema, ou seja, se você quiser seu quarto ou casa organizados, você (agente externo ao sistema) terá de trabalhar, e trabalhar muito, para organizar as coisas, ao final de tudo verá que gastou mais energia para organizar do que o seu quarto gastou para desorganizar-se, uma vez que grande parte da energia gasta na organização acaba por se degradar.Temos que ressaltar que todo o entendimento da segunda lei é estatístico, baseado em probabilidade, ou seja, existem eventos que estatisticamente são mais prováveis de ocorrer, seja a nível macroscópico ou microscópico.
[Isso é óbvio. O evento de numa sala o ar se separar em Oxigênio, Nitrogênio, Hidrogênio, Argônio, Kriptônio, Gás Carbônico e demais gases em cantos distintos desta sala existe, mas é altamente improvável, se o esperarmos que ocorra naturalmente.
Todavia, caso realize-se trabalho o quadro muda, reduziremos a entropia deste ambiente e aumentaremos a do exterior.
É exatamente o que ocorre com processos naturais. A energia adicional acrescida ao sistema aberto é quem fornecerá o elemento necessário a que se realize trabalho.
Mas viria essa energia de deus?
Não, grosso modo, esta energia se manifesta em calor fornecido pelo planeta, movimento de águas e de ar, ação da gravidade, energia eletromagnética e alimentos colhidos do meio ambiente e processados pelos organismos.
Se nosso quarto pode ser arrumado, estamos em um ciclo reversível (ex. tiro um livro da estante e ponho no chão; me levanto; me abaixo, pego o livro e o devolvo a estante).
Para ciclos reversíveis, pode se afirmar que ele se trata de um conjunto de ciclos de Carnot, por meio dos quais, ligamos as isotermas, por meio de curvas adiabáticas convenientemente escolhidas. Com isso, nos aproximaremos do ciclo real.
Assim, ciclos de Carnot adjacentes possuem uma isoterma em comum e, ao percorrê-los, as travessias em sentidos opostos se cancelam mutuamente onde se superpõem, seja para o calor transmitido, seja para o trabalho realizado.
Assim, de modo infinetesimal, tem-se:
Soma (Q/T) = 0, que pode ser dada pela integral fechada no percurso completo do ciclo, que começará e terminará no mesmo ponto.
Assim, a entropia uma variável de estado, ou seja, seu valor é apenas característico do estado do sistema, não importando como tal estado foi atingido.
Isso pode ser explicado da forma que as propriedades de uma variável de estado, entre dois estados de equilíbrio quaisquer tem o mesmo valor para todos os caminhos reversíveis que ligam esses estados, ou seja: integral de dS de a a b + integral de dS de b a a .
Logo, para processos reversíveis, o balanço da entropia para o sistema mais vizinhança será zero.
Todavia, tanto o calor Q quanto o trabalho t não são variáveis de estado. Ambos diferem de zero para qualquer ciclo.
O trabalho é numericamente igual à área limitada pela curva representativa do ciclo, sendo os estados inicial e final os mesmos o que não acarretará variação de energia interna dU para o sistema.
Assim, o trabalho é dado por: t = Q1 – Q2, onde Q1 é o calor fornecido e Q2 é o calor perdido pelo sistema.
Mas para uma máquina funcionar, ela deve utilizar combustível, sendo tal utilização um processo irreversível (queima de diesel ou fissão nuclear de U235).
Embora o processo reversível resulte num balanço de entropia zero (ex. geladeira reduz sua entropia interna e aumenta a do meio jogando fora calor, sendo o balanço zero), a fonte de energia para realizar tal trabalho não resultará em balanço de entropia zero.
Numa queda de água a energia potencial da água (a água sai de um estado para outro) move a turbina que fornece a energia para o motor da geladeira, sendo este balanço de entropia diferente de zero, pois temos um processo irreversível (perdas por atritos, perdas por efeito Joule, energia sonora, energia de convecção, etc).
Assim, ciclos reversíveis não existem de forma alguma. São apenas aproximações a fim de criarmos modelos teóricos para o estudo da termodinâmica.
O mesmo se dá para arrumarmos ou desarrumarmos nosso quarto. Para o ciclo reversível do livro, o balanço entre o ciclo e a vizinhança é zero.
Mas para mim, que estou realizando o trabalho de tirar e por este livro na estante, ocorrem processos irreversíveis em meu metabolismo, o que resultaria, no total, um balanço de entropia maior que zero entre mim e a vizinhança.
Devemos lembrar que variação de entropia não é variação de energia, como visto anteriormente. O que é fornecido e gasto no sistema é energia e não entropia.
Meu quarto não se desorganizará nem se organizará sozinho, nem se consumido pelo tempo. Isso demandará energia.
Sendo eu o agente desta desorganização, pode ser que eu demande pouca energia simplesmente atirando minha estante ao chão (realizei trabalho), sendo o resto feito pela diferença de energia potencial entre as posições na estante e o chão.
Obviamente que demandarei mais energia para realizar trabalho e pôr tudo em ordem. O ciclo (processo reversível) “baderna – arrumação”, com sua vizinhança resultou em entropia zero, mas o processo irreversível formado por mim e pelo ambiente, teve um balanço de entropia positivo.
Ambos os processos demandaram energia a qual eu tirei dos alimentos e processei em meu organismo por meio de reações metabólicas.
Desse modo, podemos perceber que ao receber energia externa um subsistema poderá ir tranqüilamente de um estado a outro, ou seja, poderá ter sua entropia reduzida (o quarto) sendo que o sistema como um todo terá sua entropia aumentada (o meio que cerca os subsistemas quarto e eu).
O evento “livro cair da estante e eu colocá-lo de volta”, está perfeitamente de acordo com a primeira lei da termodinâmica (aspecto quantitativo da termodinâmica) que se trata da conservação de energia.
Esta lei nada diz se o processo poderá ou não ocorrer, sendo que, somente aqueles, onde a energia se conserva, é que podem realizar-se, nada dizendo sobre sua espontaneidade, que será tratado pela segunda lei (aspecto qualitativo da termodinâmica).
Mas, podemos comparar o evento arrumação do quarto com eventos relacionados a reações químicas?
O evento “arrumação do quarto”, se isolado do arrumador, é meramente um fenômeno físico, não envolvendo reações químicas.
Não fugiria nem a primeira e nem a segunda lei, se considerado em conjunto com o arrumador.
Isto será visto mais adiante em espontaneidade de reações químicas.]
Para que fique totalmente claro, essa questão de probabilidade, veremos alguns exemplos de eventos que ocorrem constantemente, e eventos que provavelmente não irão ocorrer:
I – Imagine que uma sala contenha dois orifícios por onde são lançadas bolinhas de borracha; por um orifício saem bolinhas vermelhas e por outro saem bolinhas azuis, veremos então as bolinhas saltitarem por todo o recinto enquanto a sala é preenchida por tais bolinhas. Naturalmente quando o ambiente estiver totalmente cheio de bolinhas, que cena você espera encontrar? Uma visão caótica onde bolinhas azuis e vermelhas estão misturadas, ou bolinhas azuis e vermelhas bem separadas uma das outras? É muito mais provável que você encontre uma verdadeira bagunça. Por que é mais provável? Porque a desordem tende a prevalecer em relação à ordem, ou seja, o número de configurações possíveis em que a desordem prevalece é muito maior do que aquelas que a ordem prevalece, ou seja, os sistemas tendem naturalmente a ficarem caóticos e menos complexos.
[Caso tenhamos 4 bolas azuis e 4 vermelhas, qual a probabilidade de que tiremos as 4 bolas azuis de nossa urna, sem reposição?
O evento será AAAA.
P= (4/8)*(3/7)*(2/6)*(1/5)
E de que saiam 2 azuis e 2 vermelhas (não interessa a ordem)?
Os eventos são:
AAVV, AVAV, AVVA, VAVA, VAAV, VVAA;
Logo: P = 6*(4/8)*(3/7)*(4/6)*(3/5)
Ou seja, temos mais estado do que escolhermos apenas bolas azuis. A entropia aqui é maior que o caso anterior.
E se saírem na ordem VVAA?
P = (4/8)*(3/7)*(4/6)*(3/5)
Neste caso a entropia é menor que o segundo caso e maior que o primeiro, pois a medida que retiramos bolas azuis elas se tornam mais raras.
Porém, queremos apenas uma seqüência como a acima estipulada (VVAA), o que reduz a entropia do evento duas bolas vermelhas e duas azuis em qualquer ordem, pois temos menos estados para a ocorrência do evento.
Tal dedução advém do triângulo de Pascal, o qual é a demonstração conjunta das regras do “e” e do “ou” no campo das probabilidades.
Certamente o segundo estado é bem mais provável que o primeiro e o terceiro, pois há mais formas de arranjarmos os estados, conforme o evento esperado, ou seja, sua entropia é maior, pois tem mais chances de ocorrer.
Mais adiante analisaremos a relação da estatística e das probabilidades com a entropia.]
II – Quando você solta um ovo no chão, esse que tinha uma estrutura organizada se quebra, aumentando a sua entropia ou desordem. Isso me parece uma cena normal e cotidiana, afinal quem nunca deixou um ovo cair no chão e sujar toda a casa? Mas será que podemos encontrar uma cena invertida, como aquela em que rebobinamos uma fita de VHS ou um DVD, ou seja, será que veremos aquele ovo quebrado no chão voltar a se juntar e compor um ovo como o era antes? Impossível? Talvez alguém ache que não, mas certamente é algo altamente improvável, e quando falo altamente improvável é um evento que simplesmente não veríamos acontecer.
[Este é um evento que mesmo realizando trabalho não poderá ser invertido (reconstruir o ovo), exceto se nos valermos de reações metabólicas de uma galinha ou de uma criatura ovípara qualquer.
Tomemos a galinha como nossa máquina térmica.
Nossa galinha, ao comer este ovo numa prática de canibalismo infantil, realizará uma série de reações químicas e bioquímicas que gerarão trabalho para que ela ande, cacareje, mantenha sua temperatura regulada e ...bote ovos.
A galinha é um sistema aberto e, portanto, recebe energia de fora por meio de alimentos, que não a fazem degradar e morrer e lhe propiciam, inclusive, reorganizar átomos e moléculas para que coloque um ovo.
O processo galináceo não foge nem a primeira e nem a segunda leis, pois há conservação de energia e o balanço de entropia da galinha com o ambiente será positivo.
Acho que resolvi o seu sofisma.
Mas seria o poder de deus quem faz a galinha botar ovos?
Negativo! A esse tipo de evento que propiciam essa reconstrução do ovo, denominamos reações metabólicas que podem ser reações acopladas e ter assim sua espontaneidade garantida (veremos adiante).
Assim, é possível ordenar parte do universo, porém a custa de trabalho realizado, acompanhado de uma desordem maior em outra parte.]
III – Se temos um avião estacionado em uma pista de pouso e esse é atingido por um forte ciclone que simplesmente o despedaça, não acharíamos isso algo espantoso, uma vez que é uma coisa extremamente razoável de se crer. Mas se eu dissesse que logo após esse furacão veio um outro mais forte que remontou todo o avião, com certeza ninguém cairia nessa, uma vez que o segundo evento segunda a Segunda Lei da Termodinâmica apesar de não ser considerado impossível (probabilidade igual a zero) é algo extremamente improvável, tão improvável que simplesmente não ocorre.
[Os estados para que outro ciclone remonte o avião ou disponha suas peças conforme o que queremos são altamente improváveis.
O ciclone realizou trabalho ao destruir o subsistema avião, demandando energia de movimento do ar aquecido pelo Sol o qual converte seu hidrogênio em hélio e energia. O balanço de entropia foi positivo para o subsistema “sistema solar”.
Caso novo ciclone ocorra, realizará mais trabalho, demandando mais energia para re-arranjar as peças sob outra forma, seja refazendo o avião, seja dispondo as peças de outro modo.
Obviamente que o evento avião reconstruído (poucos eventos – considere porcas, parafusos, bancos, maleiros, rebites) é muito menos provável que a gama de eventos de “avião destruído” (infinitamente grande), daí ser praticamente nula a probabilidade da ocorrência deste evento.
Mas para se construir um avião o meio externo realiza trabalho. A fim de que o subsistema “avião” se organize, aumentando a entropia do meio externo e reduzindo a do subsistema “avião”.
Ainda estamos na primeira lei, ou seja, a conservação da energia e de modo algum fugimos da segunda lei.
Considerando o sistema “avião” e sua montagem ou destruição, o fenômeno é meramente físico, exceto se desconsiderados os metabolismos dos mecânicos, engenheiros, técnicos, administradores e acionistas da empresa, responsáveis para sua construção.
Mas esse tipo de raciocínio se aplicaria a eventos metabólicos que reduzem a entropia, por exemplo, do subsistema “pé de feijão” ou uma reação química?
É claro que não!
Um avião se trata de um equipamento intrincado, altamente organizado que com um ciclone se remonta por puro acaso.
A teoria da evolução não é puro acaso. Ela seleciona algumas "montagens " em lugar de outras, com base na sua aptidão em relação ao meio ambiente.
No caso de um tornado, este joga umas partes contra as outras e as separas sem qualquer discriminação. assim, não se trata de exemplo plausível para representar o que ocorre com a seleção natural.
Também, nesta analogia, o tornado transforma uma pilha de partes em uma aeronave completamente montada numa só etapa.
A evolução das espécies, ao contrário, usa um enorme número de etapas para ir de algo simples a algo complexo e cada etapa se sujeita à seleção natural.
As etapas que existem pelo caminho, partindo de seres simples e os levando a seres complexos não possuem nada de miraculoso.
Também, no argumento do avião, existe uma meta que é a de produzir um avião completo e devidamente montado. Todavia, diferentemente dos ardis apresentados pelo argumento do avião, a evolução não possui metas a cumprir. A seleção natural seleciona o que é mais conveniente no momento não vislumbrando qualquer utilidade para o futuro.
Desse modo, o argumento apresentado pelo sr. Xavier é falho e não reflete a realidade em termos do que seria a teoria da evolução.
Mais adiante veremos que o carbono se trata de um elemento especial, cuja química é singular, tornando-o capaz de formar longas cadeias consigo mesmo e com outros elementos . Abordaremos a ligação química no tópico referente à cinética química. ]
O ciclone realizou trabalho ao destruir o subsistema avião, demandando energia de movimento do ar aquecido pelo Sol o qual converte seu hidrogênio em hélio e energia. O balanço de entropia foi positivo para o subsistema “sistema solar”.
Caso novo ciclone ocorra, realizará mais trabalho, demandando mais energia para re-arranjar as peças sob outra forma, seja refazendo o avião, seja dispondo as peças de outro modo.
Obviamente que o evento avião reconstruído (poucos eventos – considere porcas, parafusos, bancos, maleiros, rebites) é muito menos provável que a gama de eventos de “avião destruído” (infinitamente grande), daí ser praticamente nula a probabilidade da ocorrência deste evento.
Mas para se construir um avião o meio externo realiza trabalho. A fim de que o subsistema “avião” se organize, aumentando a entropia do meio externo e reduzindo a do subsistema “avião”.
Ainda estamos na primeira lei, ou seja, a conservação da energia e de modo algum fugimos da segunda lei.
Considerando o sistema “avião” e sua montagem ou destruição, o fenômeno é meramente físico, exceto se desconsiderados os metabolismos dos mecânicos, engenheiros, técnicos, administradores e acionistas da empresa, responsáveis para sua construção.
Mas esse tipo de raciocínio se aplicaria a eventos metabólicos que reduzem a entropia, por exemplo, do subsistema “pé de feijão” ou uma reação química?
É claro que não!
Um avião se trata de um equipamento intrincado, altamente organizado que com um ciclone se remonta por puro acaso.
A teoria da evolução não é puro acaso. Ela seleciona algumas "montagens " em lugar de outras, com base na sua aptidão em relação ao meio ambiente.
No caso de um tornado, este joga umas partes contra as outras e as separas sem qualquer discriminação. assim, não se trata de exemplo plausível para representar o que ocorre com a seleção natural.
Também, nesta analogia, o tornado transforma uma pilha de partes em uma aeronave completamente montada numa só etapa.
A evolução das espécies, ao contrário, usa um enorme número de etapas para ir de algo simples a algo complexo e cada etapa se sujeita à seleção natural.
As etapas que existem pelo caminho, partindo de seres simples e os levando a seres complexos não possuem nada de miraculoso.
Também, no argumento do avião, existe uma meta que é a de produzir um avião completo e devidamente montado. Todavia, diferentemente dos ardis apresentados pelo argumento do avião, a evolução não possui metas a cumprir. A seleção natural seleciona o que é mais conveniente no momento não vislumbrando qualquer utilidade para o futuro.
Desse modo, o argumento apresentado pelo sr. Xavier é falho e não reflete a realidade em termos do que seria a teoria da evolução.
Mais adiante veremos que o carbono se trata de um elemento especial, cuja química é singular, tornando-o capaz de formar longas cadeias consigo mesmo e com outros elementos . Abordaremos a ligação química no tópico referente à cinética química. ]
Poderíamos citar aqui dezenas de outros exemplos mas acredito que esses são bastante elucidativos. Agora porque a lei recebe esse nome de Segunda Lei da Termodinâmica? Afinal o que essa história de ordem e desordem tem a ver com termologia?
Apesar de sua enorme abrangência como vimos acima, uma vez que vários cientistas propuseram enunciados para a lei como Kelvin, Clausius, Planck, Ostwald e Carnot, a lei ganharia a sua devida importância no campo da termodinâmica, uma vez que nos mostra duas coisas bastante simples:
[Correto, desde que não haja trabalho externo sobre o sistema (energia elétrica gerada por energia potencial de uma queda de água e a geladeira funcionando).]
ii – É impossível a construção de uma máquina térmica que, operando ciclicamente, tenha como único efeito retirar calor de um sistema e converte-lo integralmente em energia mecânica (trabalho).
[Correto, é o que ocorre com um carro. Energia química da gasolina, grosso modo, se converte em calor, energias sonora, dissipada por atritos e de movimento.]
Agora eu pergunto aos defensores do exclusivismo do sistema fechado, será que não encontraremos no dia a dia o calor indo do quente para o frio?
[Calor indo do quente para o frio é o processo natural que não demanda energia externa.
Ainda é lei da conservação da energia, mas agora está aliada a espontaneidade do processo, o qual é de natureza física, que experimentará aumento de entropia entre o sistema “dois corpos” e o meio, como um todo.
Todavia, num subsistema determinado, este caminho poderá ser revertido.
O seu corpo faz isso ao regular sua temperatura. Não morremos de calor (se o ambiente está a 40 C seu corpo manterá os 36 C) e nem de frio (se o ambiente está a 14 C seu corpo manterá os 36 C).
Das duas formas, consumimos energia dos alimentos e água para sobreviver e o balanço de entropia no sistema como um todo será positivo. Estaremos suando no calor ou tremendo no frio.
Se não formos alimentados morreremos, pois nosso corpo entrará em colapso (desidratação e superaquecimento ou hipotermia).
Tais processos não fogem à primeira nem à segunda lei, pois mesmo que eu mantenha meu corpo resfriado (impedindo que minha temperatura interna chegue a 40 C) o balanço de entropia será positivo e a energia será conservada.]
Ainda é lei da conservação da energia, mas agora está aliada a espontaneidade do processo, o qual é de natureza física, que experimentará aumento de entropia entre o sistema “dois corpos” e o meio, como um todo.
Todavia, num subsistema determinado, este caminho poderá ser revertido.
O seu corpo faz isso ao regular sua temperatura. Não morremos de calor (se o ambiente está a 40 C seu corpo manterá os 36 C) e nem de frio (se o ambiente está a 14 C seu corpo manterá os 36 C).
Das duas formas, consumimos energia dos alimentos e água para sobreviver e o balanço de entropia no sistema como um todo será positivo. Estaremos suando no calor ou tremendo no frio.
Se não formos alimentados morreremos, pois nosso corpo entrará em colapso (desidratação e superaquecimento ou hipotermia).
Tais processos não fogem à primeira nem à segunda lei, pois mesmo que eu mantenha meu corpo resfriado (impedindo que minha temperatura interna chegue a 40 C) o balanço de entropia será positivo e a energia será conservada.]
Nenhum comentário:
Postar um comentário