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Segunda lei da termodinâmica e entropia

Transcrição de vídeo

RKA5GM A segunda lei da termodinâmica postula que a entropia do universo só aumenta. Note que eu coloquei um ponto de exclamação aqui, porque esta parece ser uma declaração muito profunda, e, em muitos níveis, ela realmente é muito profunda. Para obtermos uma noção adequada, tomemos aqui uma imagem do céu noturno obtida pelo telescópio Hubble. Cada um destes pontos circulados não são estrelas, eles representam galáxias. Isso é uma galáxia, isso é uma galáxia, isso também é uma galáxia. Assim, espero que você tenha um pouco da noção de uma escala cosmológica. Nós vamos pensar um pouco sobre o que isso está realmente nos dizendo. Podemos definir a entropia como transtorno de um sistema. Com a segunda lei da termodinâmica, então, podemos inferir que a entropia do universo só aumenta. E nós, realmente estamos falando sobre o número dos estados que um sistema poderia assumir. Então, estamos dizendo que o universo, mas também poderíamos dizer que a entropia de um sistema fechado só aumenta. Por sistema fechado, entendemos um sistema está totalmente contido, que não está interagindo com seus arredores. O universo é, então, por sua vez, um sistema fechado, uma vez que não há nada para fora dele com que ele possa interagir termodinamicamente. Eu vou fazer uma rápida revisão de sistemas abertos e fechados, apenas para que você se certifique que entendeu isso. Se eu tivesse, por exemplo, uma fogueira, então eu tenho aqui alguns troncos, um tronco aqui, outro tronco aqui, um terceiro tronco e, então, uma chama queimando em cima dos troncos. Enfim, temos aqui a nossa fogueira. Se eu olhar apenas para os troncos e o fogo, eu vejo um sistema aberto aqui dentro do circulado. Digo isso porque os troncos e o fogo estão interagindo com seus arredores, liberando calor, aquecendo moléculas de ar ao seu redor, emitindo também luz para o universo, por exemplo. Além disso, pode haver também interações do resto do universo com o sistema, de modo que os troncos e o fogo formam um sistema que não está isolado de todo o resto. Isto é um sistema aberto. Sobre o sistema fechado, por sua vez, consideramos que ele é isolado. Bem, é muito difícil criar um verdadeiro sistema fechado em nossa vida cotidiana, mas podemos fazer aproximações. Um exemplo, com o qual você provavelmente já interagiu em um passado não muito distante, é uma conservadora de gelo, também conhecida como caixa térmica ou cooler. A conservadora é feita, inclusive, de modo a tentar isolar termodinamicamente o seu interior de seu exterior, isto é, isolar o sistema delimitado do resto do universo, embora atingir tal meta seja provavelmente impossível na prática. Assim, utilizamos na confecção da caixa térmica o material isolante como isopor, inserimos em seu interior o gelo, mas repito: não é um sistema fechado perfeito, uma vez que, eventualmente, o calor do universo aquece as paredes do cooler, transmitindo o calor ao seu interior e derretendo o gelo. Então, não é um sistema fechado perfeito, mas é uma boa aproximação, pois estamos tentando isolá-lo do resto do universo. Podemos até adicionar uma capa isolante à nossa conservadora, para mostrar que nós realmente queremos isolá-lo, configurando um sistema fechado. Em laboratórios de pesquisa, você encontrará condições que são aproximações muito melhores de sistemas fechados. Porém, na prática, mesmo que em grau muito baixos, o sistema fechado vai interagir com o universo, de modo que podemos inferir que o sistema fechado final é realmente o universo, que é a imagem do telescópio Hubble tentou retratar, porque ele não interage termodinamicamente com nada fora dele. Então, vamos pensar um pouco mais sobre essa definição. A entropia do universo só aumenta. O melhor exemplo que consigo pensar é o fenômeno da difusão. Suponhamos um recipiente fechado, idealizando um sistema fechado. Agora, digamos que em seu interior, no canto inferior esquerdo, há seis moléculas de um gás ideal. Essas moléculas têm, como um todo, uma temperatura média, mas também tem cada uma sua própria energia cinética individual, de modo que se move cada uma de uma maneira diferente. O que vai acontecer depois de um determinado tempo? Bem, com o tempo, as moléculas vão se dispersar, uma molécula vai em uma direção, outra molécula vai em outra direção, enfim, a medida em que o tempo passa, o sistema vai se parecer mais com este aqui à direita, no qual as partículas estão difusas por todo o recipiente, ocupando mais o espaço interior e ainda preservando suas particularidades cinéticas. Agora, o que aconteceu nesse processo? Bem, você sabia que, quando as partículas foram confinadas no canto do recipiente, havia menos estados possíveis? Ou seja, tinha-se uma entropia menor do que quando as moléculas estão difusas por todo recipiente, ocupando maior espaço. Isto é, na segunda situação, após a difusão ter ocorrido, há mais localizações possíveis para as moléculas, há mais orientações possíveis para elas. E assim, tem-se maior número de estados, observa-se que a entropia está mais elevada, isto é em, tem-se um estado de maior entropia. É usual dizermos que as condições nas quais a entropia está aumentando consistem em processos irreversíveis. E por que irreversíveis? Porque, apesar de existir a probabilidade dessas moléculas regressarem a um estado inicial, representado pela figura esquerda, no qual estão todas concentradas num canto, essa probabilidade é muito, muito baixa. Isto porque estamos considerando apenas seis moléculas. Em sistemas reais, lidamos com um número muito maior do que seis moléculas, isto é, lidamos com milhões de milhões de moléculas, com números na escala de 10 elevado a 20 ou 30, diminuindo ainda mais a probabilidade de retorno à condição inicial. Então, esse é um processo irreversível porque o sistema passou de um menor número de estados potenciais a um maior número de estados potenciais. E o universo está constantemente fazendo isso, justificando a segunda lei da termodinâmica, que diz que a entropia do universo está apenas aumentando. Agora, há alguns processos nos quais parece que a entropia não está aumentando muito. Se você considerar uma bola de bilhar, por exemplo, como esta representada aqui, e você empurrá-la em direção a uma outra aqui do lado direito, você transfere o momento da primeira à esquerda, a segunda à direita e, possivelmente, a primeira faz um movimento de regresso, de modo que, macroscopicamente, parece que a primeira bola realizou um movimento reversível. E as pessoas tendem a chamá-lo assim. Mas, se você realmente considerar a um nível microscópico, verá que o movimento irá gerar um pouco de calor pela colisão entre as bolas de bilhar, pelo atrito das mesmas com o ar e com a superfície. As moléculas ficarão ligeiramente mais agitadas, aumentando, mesmo que pouco, o número de estados potenciais. Assim, se você considerar tudo isso, verá que nunca conseguirá retornar ao estado molecular inicial e, de fato, mesmo este exemplo, tem a entropia apenas aumentando. Portanto, mesmo quando em nossas vidas diárias, as pessoas falam sobre processos termodinamicamente reversíveis, é importante atentar que tais processos são apenas parcialmente reversíveis, uma vez que a entropia do sistema está aumentando, mesmo que pouco. Logo, reações irreversíveis são as únicas que de fato existem. No fenômeno da difusão, é bastante óbvio, pois fica claro que se tem um aumento da entropia e que a probabilidade de algo voltar ao que era inicialmente é praticamente zero. E realmente, você não irá observar isso, porque, na vida real, tratamos com muitas e muitas moléculas, de modo que mesmo estando todas as moléculas realizando o movimento ideal para regresso ao estado inicial, isso tomaria um tempo longo demais para ser observado. Espero que isso faça sentido: que a desordem sempre aumenta, que o número de estados potenciais apenas aumenta, permitindo mais e mais interações. Um corpo dotado de calor, como você, que está fazendo algo agora, como eu, que estou fazendo este vídeo, tudo está gerando calor, e esse calor está se dissipando no universo, aumentando o número de estados potenciais que o universo pode realmente assumir. Eu, ao mover me as mãos para cima, a usar meu lápis digital e gerando atrito com a lousa, tudo isso libera calor para o universo. Meu computador está em execução, e assim está liberando o calor para o universo. Você, ao assistir este vídeo, está liberando calor para o universo. Os elétrons viajam nos fios para seu computador, liberando calor para o universo. E tudo isso está aumentando o número de estados. Desde que, você, pense a vida à nível molecular.
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