Termodinâmica: Segunda lei

No princípio era o Verbo, e o Verbo estava com Deus, e o Verbo era Deus.

João 1:1

Na última coluna desta série sobre termodinâmica falei sobre entropia e, praticamente, enunciei a Segunda Lei da Termodinâmica. Praticamente, porque não a fiz explicitamente, apenas trabalhei com o conceito central: a entropia. Hoje, farei uma retomada de alguns conceitos que estão na coluna anterior, explicitarei a Segunda Lei e darei alguns exemplos, simples, onde você pode ver a atuação dela na criação. Mais diretamente: quando for ver algum modelo teórico ou visão cristã que faz interação entre fé e ciência, poderá escolher algum que não fere nem a teologia (já que somos cristãos, de tradição reformada, com base na ortodoxia cristã) e nem a ciência. É há modelos que dizem que em tal fenômeno ou tal sistema físico a Segunda Lei é violada por alguma ação direta divina e isso demonstra que o universo / Terra tem, no máximo, 10 mil anos e outros absurdos; te darei ferramentas físicas (mesmo que você nunca tenha estudado ou não se lembre das aulas de física do ensino médio) que serão suficientes para definir se qualquer modelo que diz isso está correto (fisicamente) ou não.

Retomando, em tópicos, o que já vimos na coluna anterior:

  1. Processos reversíveis: qualquer fenômeno que sofre algum tipo de interação e volta a sua condição anterior naturalmente, sem outra inserção externa (fonte de calor, trabalho etc). Exemplo: uma mola ao ser esticada volta ao seu estágio inicial;
  2. Processos irreversíveis: qualquer fenômeno que sofre algum tipo de interação e não volta a sua condição anterior naturalmente, ou seja, necessita de inserção externa (fonte de calor, trabalho, etc. Exemplo: uma página de papel rasgada, para ser restaurada, precisa de cola e outros processos termoquímicos (ou seja, fonte de calor e trabalho) para voltar ao estágio original;
  3. Sistema aberto: é qualquer sistema que permite trocas de calor ou material (partículas, massas etc). Exemplo: o clima de uma cidade, que recebe luz do sol, ventos e chuvas;
  4. Sistema fechado: é qualquer sistema que não permite trocas de calor ou material (partículas, massa etc). Exemplo: uma garrafa térmica ideal (que não pode ser construída 100%) onde não deixa escapar nada;
  5. Entropia: é uma propriedade física de um sistema que relaciona trocas de calor (transito de energia) e variação de temperatura.

O ponto 5 foi central na coluna anterior. Aliás, ele é central para a Segunda Lei da Termodinâmica que, apesar de ter várias formas de ser enunciada, podemos colocar como:

A entropia em um sistema fechado sempre aumenta, para processos irreversíveis, ou permanece constante, para processos reversíveis. Ela nunca diminui.

Ou, em uma equação muito simples:

Para você não se assustar: o ΔS é a variação de entropia do sistema (entropia final subtraída da entropia inicial). O outro símbolo, entre ele e o 0, significa que o ΔS é maior ou igual a zero. Apenas isso. Ou seja, a tradução do enunciado da segunda lei da termodinâmica está nessa simples equação: a variação da entropia (ou a entropia S) de um sistema fechado sempre aumenta ou permanece constante. Em outras palavras, a variação de entropia em um sistema fechado:

  • Sempre aumenta, ou seja, sempre é maior do que zero. Isso significa que a entropia do sistema em um momento seguinte é maior do que do momento anterior: por isso o valor vai ser maior do que zero; ou
  • Permanece constante, ou seja, a entropia do sistema no momento seguinte é igual ao do momento anterior: ao fazer a diferença das entropias nos dois momentos o resultado é zero por serem iguais.

Esse enunciado é extremamente importante para toda a Física, e isso inclui a termodinâmica e a cosmologia: a entropia em um sistema fechado nunca diminui, sempre aumenta ou permanece constante.

Destacarei 3 pontos que compõem essa lei:

  1. Com ela é possível definir temperatura absoluta e entropia. Ou seja, conseguimos definir uma propriedade de “movimento” de partículas, de forma microscópica: temperatura. Entropia, como é comumente conhecido é a de degradação ou níveis cada vez maiores de bagunça. Essa forma de entender a entropia é, em boa parte, errada. O que chamamos, na física, de degradação de energia, pode ser entendido como “desperdício”, ou seja, não há como utilizar, de forma natural, a energia de um sistema em um processo irreversível. Em outras palavras: a energia de um sistema fechado é conservada (como diz a lei de conservação de energia ou a Primeira Lei da Termodinâmica), mas não há uma forma do sistema, naturalmente, aproveitar essa energia. Exemplo: um copo cai da mesa e quebra. Considere que a mesa e o copo estão dentro de uma caixa fechada, sem trocas de calor e material. A energia da caixa antes da queda do copo é igual à depois de sua queda. Só que, naturalmente, as energias térmica, sonora, de quebra do copo em cacos etc não conseguem “se realinharem” a ponto de remontar o copo. Ou seja, essas energias (térmica, sonora etc) foram “esperdiçadas: esse é o conceito de degradação da energia que nos referimos na física.
  2. A segunda parte está relacionada com o princípio da máxima entropia: em um processo espontâneo a entropia aumenta. É praticamente o cerne da Segunda Lei da Termodinâmica. Indo um pouco além do que os livros-textos trabalham para você entender melhor: a entropia em um sistema fechado sempre aumenta ou permanece constante. Permanecer constante significa que não há processos acontecendo no interior do sistema, por exemplo os gases ou qualquer outra coisa que compõe o sistema já está em equilíbrio termodinâmico (temperatura, pressão etc). Agora, em um estágio inicial, a entropia está no nível mais baixo: ao passar do tempo ela aumenta até um valor máximo e permanece constante. Guarde bem essa última frase em itálico pois ela será fundamental para entendimento do nosso universo atual com surgimento de estrelas, galáxias e, principalmente, vida aqui na Terra.
  3. A terceira parte da Segunda Lei da Termodinâmica é, para os nossos propósitos, bem semelhante ao ponto anterior: evolução temporal do sistema em relação ao crescimento da entropia em processos irreversíveis e espontâneos. Traduzindo: a entropia sempre aumenta até um valor máximo e essa parte de aumento é dinâmico, ou seja, há processos termodinâmicos que ocorrem ao longo do tempo.

“Agora parece que se formou um turbilhão de confusão!”. Calma, a coisa é muito mais simples do que imagina: o que fiz no texto de hoje foi ver as entranhas da entropia e leva-la para o centro da Segunda Lei da Termodinâmica. O que você precisa ter em mente, de tudo isso, é: a entropia de um sistema fechado sempre aumenta ou permanece constante, nunca diminui. Observe muito bem cada palavra escrita e leve ao pé da letra cada uma dessas expressões. Isso significa que a entropia do sistema, como um todo, se ele for fechado, sempre aumenta ou permanece constante; a entropia em partes do seu interior ou microssistemas que podemos estudar pode aumentar, diminuir ou permanecer constante. Ou seja, posso ter regiões internas do sistema aumentando, outras diminuindo, outras permanecendo constante; mas a entropia do sistema inteiro só aumenta ou permanece constante.

Esse último parágrafo-resumo é essencial para entendimento do universo. Quando o universo nasceu (veremos com mais detalhes em outras colunas), ele tinha um tamanho menor do que um átomo (tendendo a um volume igual a zero; é a singularidade), massa constante (ou seja, todo o seu conteúdo atual é igual ao conteúdo de quando ele nasceu. Não se cria coisas do nada: Primeira Lei da Termodinâmica), e entropia mínima, a menor possível. Depois, com sua evolução, a entropia aumenta: é o que vimos na coluna passada e hoje, ou seja, a Segunda Lei da Termodinâmica.

Veja que estou considerando o universo como um sistema fechado. Em outras colunas entenderemos (como na série Cosmologia) melhor o que é universo, mas para os nossos propósitos aqui: é um volume (uma região espacial) onde está todo o conteúdo (gás, poeira, estrelas, galáxias e estrelas). Também estou considerando o universo como um objeto único, que tem uma data de nascimento (há quase 14 bilhões de anos) e tem um tamanho finito; afinal, só o Criador é infinito e eterno. Ou seja, os pressupostos que estou considerando aqui estão baseados na doutrina cristã da criação. Não há, olhando por esses pressupostos, forma de considerar que o universo seja um sistema aberto (está saindo matéria, calor ou massa para “fora” do universo) e que tem criação espontânea de matéria ou energia (quem criaria coisas do nada a não ser o próprio Criador? Mas este, finalizou a criação no nascimento do universo). Em outras palavras: o universo é um sistema fechado e não há criação de matéria ou energia. A entropia, nele, começa com a menor possível e sempre aumenta.

Um último ponto, sobre o universo, é que apesar da entropia sempre aumentar, em algumas regiões internas pode diminuir. Isso é simples de se ver: galáxias, estrelas e sistemas planetários estão nascendo, crescendo e morrendo. É bem óbvio que a entropia, em regiões internas do universo, diminui / aumenta; é natural e facilmente observado. O fato é que a entropia para todo o universo está aumentando.

Um sistema planetário está se formando ao redor da estrela HD 163296. Os espaços vazios (linhas pretas no disco) são ausências de gás e poeira, um indicativo de protoplanetas em formação.
Fonte: https://www.eso.org/public/brazil/images/potw1652a/

E o que tudo isso tem a ver com a teologia? A começar com a questão do Deus que criou todas as coisas: vemos como Ele age na natureza de uma forma, diria eu, explicita. Isso é o que chamamos de teísmo trinitário: um Deus único e triúno que age continuamente na criação e a sustenta através de leis que Ele mesmo criou.

E a cidade não necessita de sol nem de lua, para que nela resplandeçam, porque a glória de Deus a tem iluminado, e o Cordeiro é a sua lâmpada.

Apocalipse 21:23

Só isso?! Sim! Mas, ficou em dúvida, quer perguntar algo, deixar algum comentário ou sugerir algum tema, deixe abaixo! Ficarei feliz em te responder, seja nos comentários ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

Para essa minissérie estou utilizando os livros abaixo. O nível deles é de início de graduação à pós, inclusive estudei em dois deles no doutorado:

  • Curso de física básica: fluidos, oscilações e ondas, calor, por H. Moysés Nussenzveig, 4ª edição, revista, 2002, editora Blucher;
  • Termodinâmica, por Mário José de Oliveira, 2ª edição revista e ampliada, editora Livraria da Física;
  • Foundations of statistical mechanics: a deductive treatment, por Oliver Penrose, editora Pergamon Press. Oliver Penrose é irmão do físico Roger Penrose, que ganhou o Nobel de Física este ano, 2020, pelo desenvolvimento matemático com a RG sobre os buracos negros;
  • Introduction to statistical physics, por Kerson Huang, editora Taylor & Francis;
  • Introdução à física estatística, por Sílvio Salinas, editor EdUSP. Prof. Salinas é uma referência em física estatística no Brasil;
  • Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica, por Halliday, Resnick e Walker, vol. 2, 7ª edição, editora LTC. É o tradicional livro (ou coleção: são 4 volumes no total) introdutório a física para quem quer algo a mais do que aprendeu no ensino médico ou está entrando na faculdade;
  • Curso de física estatística, por Torsten Fließbach (ß tem um som ou pode ser transliterado por ss: Fliessbach), editora Fundação Calouste Gulbenkian.

As recomendações de leitura, que não são acadêmicas:

  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
  • Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado;
  • Prof. Alexandre Zabot, da UFSC, tem um curso gratuito de astrofísica geral excelente. Recomendo fortemente. Você assiste as aulas no YouTube, tem acesso ao material (slides, sites e alguns textos). Para todas as informações, links das aulas e materiais: https://astrofisica.ufsc.br/astrofisica-geral/.

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