Macroestados e microestados

RKA8JV Fiz uma série de vídeos nos quais usei palavras como pressão, e vou anotá-las. Pressão, temperatura, e volume. Eles estão aos poucos sendo postados nas listas de reprodução de Física e Química, especialmente na lista de Física. Mas, mesmo nos vídeos de Química, usei também palavras como energia cinética. Vou escrever "E'' para energia. Usei também as palavras força e velocidade, e vários outros tipos de propriedades das coisas. O que eu quero fazer neste vídeo é uma distinção, que se torna importante quando começarmos a falar de coisas um pouco mais específicas, especialmente no que diz respeito à Termodinâmica ou estudo do movimento do calor. Essas propriedades são as propriedades de um sistema, que também podem ser chamadas de macroestados de um sistema. Macroestados. Por exemplo, para ficar bem claro, ao falar de um sistema, se tiver um balão como este amarrado assim, talvez com um fio, esse balão está associado com esses macroestados, existe pressão nesse balão. Lembre-se que a pressão significa força por área. Existe temperatura nesse balão, e claro, existe volume no balão. Mas tudo isso nos ajuda a relacionar o que está acontecendo dentro desse balão, ou como o balão reage em sua realidade diária. Antes que as pessoas sequer soubessem o que era um átomo, ou talvez pensassem que poderia haver um átomo, mas nunca tinham provado isso, elas estavam lidando com esses macroestados. As pessoas podiam medir a pressão, podiam medir a temperatura e também o volume. Agora, sabemos que a pressão é devida a coisas como o número de átomos em movimento. E vamos supor que este seja um balão de gás. É um balão, e tem que ser de gás. Sabemos que a pressão é de fato causada, acho que já fiz um vídeo sobre isso na lista de reprodução de Química e outro na Física. Os vídeos foram realizados com um ano de diferença, então, vocês vão poder avaliar se o meu pensamento evoluiu ou não. Enfim, sabemos que a pressão é de fato devido ao movimento dessas partículas, ao se chocarem contra as paredes laterais do balão. Existem muitas partículas, em um dado momento, algumas delas se chocam contra a parede do balão, e é isso que empurra de fato balão para fora, conferindo-lhe pressão e volume. Falamos sobre temperatura e sobre sua energia cinética média, que é uma função dessas partículas que podem ser moléculas de gás, ou, se for um gás ideal, podem ser os átomos de gás. Talvez sejam átomos de hélio ou neon, ou algo parecido. Todas essas coisas descrevem os microestados. Por exemplo, eu poderia descrever o que está acontecendo com o balão, poderia colocar alguns números aqui. A pressão é de 5 N/m², Ou algumas unidades pascal. As unidades não são importantes, nesse vídeo eu só quero fazer a diferenciação entre essas duas formas de descrever o que está acontecendo. Poderia supor que a temperatura seja 300 K. Poderia supor que o volume seja de, vamos dizer, 1 L. Eu descrevi um sistema, mas o descrevi em um nível macro. Poderia ser muito mais preciso, especialmente agora que sabemos que coisas como átomos e moléculas existem. O que poderia fazer é classificar cada uma dessas moléculas, ou, digamos, átomos do gás contido no balão. E poderia supor que, neste exato momento, eu poderia supor que o tempo seja igual a zero. O átomo 1 tenha, seu impulso seja igual a "x" e sua posição em coordenadas tridimensionais seja "x'', "y" e "z". Então, eu poderia supor que o átomo 2, que o seu impulso, eu estou usando "ρ" para impulso, seja igual a ''y", e que sua posição seja (a, b, c). E poderia enumerar cada átomo dessa molécula. Obviamente, estamos lidando com um grande número de átomos, na ordem de 10 a mais de 20. Trata-se de uma lista enorme, mas eu poderia literalmente lhe dizer o estado de cada átomo nesse balão, e se eu fizesse isso, estaria te dando os microestados, ou lhe daria um microestado específico do balão nesse momento. Agora, quando um sistema, e vou introduzir aqui uma palavra porque essa palavra importante, especialmente à medida que avançamos, estiver em equilíbrio termodinâmico, vou anotar isso. Equilíbrio. Aprendemos sobre equilíbrio, do ponto de vista da Química. Isso significa que a quantidade que ocorre em sentido direto é equivalente à quantidade que ocorre em sentido inverso. E quando falamos de macroestados, equilíbrio termodinâmico significa que o macroestado é definido, que não sofre variações. Se esse balão estiver em equilíbrio, no tempo 1, sua pressão, temperatura e volume terão esses valores. Se olharmos 1 segundo depois, sua pressão, temperatura e volume terão os mesmos valores, está em equilíbrio, nenhum dos macroestados sofreu variação. Na verdade, eu vou falar sobre isso daqui a pouco. Para que esses macroestados sejam bem definidos, precisa haver equilíbrio. Agora, em um segundo número, em tempo igual a zero, podemos ter esse conjunto, eu enumerei os 10 ou mais de 20 microestados de todos os átomos diferentes dessa molécula. Mas, se olhar para esses gases 1 segundo mais tarde, vou ter um microestado completamente diferente, certo? Porque todos esses átomos terão se chocado um contra o outro e conferido seu impulso. Todos os tipos de coisas poderiam ter acontecido em 1 segundo aqui, então, teríamos um microestado completamente diferente. Mesmo em estado de equilíbrio termodinâmico, e mesmo que o nosso macroestado permaneça o mesmo, nossos microestados sofrem variações a cada milionésima parte de 1 segundo. Estão sofrendo variações contínuas. É por isso que, geralmente, em termodinâmica, existe a tendência de lidar com esses macroestados, e de fato, a termodinâmica, ou pelo menos quase tudo que aprendemos no primeiro ano do curso de Química ou Física foi concebido ou pensado bem antes que as pessoas tivessem uma noção do que estava acontecendo no nível macro. Isso é, muitas vezes, algo bem importante de ter em mente. Vamos abordar conceitos como entropia e energia interna, entre outros. E você poderia estar se perguntando: "qual é a relação com os átomos?" Vamos fazer a relação com os átomos e moléculas. Mas é bom saber que as pessoas que falaram pela primeira vez sobre esses conceitos não tinham realmente a certeza do que estava acontecendo a um nível micro, as medições eram feitas apenas a um nível macro. Quero voltar, agora, a essa ideia de equilíbrio. Para que esses macroestados sejam definidos, o sistema precisa estar em equilíbrio. Permitam-me explicar o que isso significa. Se fosse tomar um cilindro, vamos usar muito esse cilindro, por isso é bom se acostumar com ele. E o cilindro tivesse um pistão dentro, vamos supor que a parte superior do cilindro possa mover-se para cima e para baixo. Essa é a parte superior do cilindro. O cilindro é maior, mas vamos supor que esta seja a parte superior do cilindro, e que essa parte possa ser movimentada para cima e para baixo. E de fato, vamos somente mudar o volume do cilindro, certo? Poderia tê-lo desenhado dessa forma, poderia tê-lo desenhado como um cilindro, e poderia ter desenhado o pistão assim. Portanto, aqui há uma profundidade que não estou mostrando. Estamos olhando para a frente do cilindro. Portanto, em qualquer momento, vamos supor que o gás esteja entre o cilindro e a parte inferior do nosso recipiente. Há muitas moléculas de gás aqui, um grande número de moléculas, e vamos supor que tenha uma pedra em cima do cilindro. Estamos fazendo isso no espaço, portanto tudo acima do pistão é vácuo. Vou apagar tudo em cima, vou apagar isso para que possam visualizar. Isso acontece no espaço e também no vácuo. Vou anotar isso. Então, tudo aqui em cima é vácuo, o que basicamente quer dizer que não há nada lá. Não há pressão a partir daqui, não há partículas aqui, apenas espaço vazio. Para manter isso, já sabemos, estudamos isso várias vezes. Esse gás está gerando partículas que estão se chocando contra as paredes, e com a parte inferior desse pistão, o tempo todo. Estão se chocando contra tudo, certo? Sabemos que isso acontece de maneira contínua. Vamos aplicar pressão para compensar a pressão que está sendo gerada pelo gás. Caso contrário, o pistão seria empurrado para fora, o pistão se moveria para cima e todo gás se expandiria. Vamos supor que colocamos uma pedra ou um grande peso em cima. Vou usar uma cor diferente. Colocamos um peso grande em cima do pistão, onde a força compensa completamente a força aplicada pelo gás. Obviamente, isso significa uma força sobre uma área, certo? A área do pistão. Sobre uma área, portanto, é possível calcular a sua pressão, e essa pressão compensará completamente a pressão do gás. Mas a pressão do gás, só para lembrar, está agindo em todas as direções. A pressão sobre esta placa é a mesma que a pressão nesse lado ou naquele lado, ou na parte inferior do recipiente com o qual estamos trabalhando. Vamos supor que iremos retirar esta... não, não vamos retirar a pedra, vamos supor que iremos retirar somente metade da pedra. De repente, o peso empurrado para baixo ou a força empurrada para baixo, é diminuída pela metade imediatamente. Vou desenhar isso aqui. Talvez seja melhor copiar e colar isso aqui. Então, copio e colo. Agora irei retirar metade dessa pedra em um passe de mágica. Permita-me pegar a ferramenta "borracha" e retirar metade dela. E agora, o que vai acontecer? Agora, esse pistão está aplicando metade da força, o pistão não pode compensar a pressão resultante deste gás, portanto, tudo isso será empurrado para cima. Mas fiz isso tão rápido, você também pode tentar, quer dizer, isso pode ser aplicado a muitas coisas. No caso de um peso pendurado em uma mola por exemplo, retiramos apenas metade do peso, não passaria sem dificuldades para outro estado. O que irá acontecer? Deixe-me ver se posso fazer isso usando a ferramenta "cortar e colar". Basicamente, ao retirar metade da pedra, o gás irá se expandir um tanto e em seguida esse peso voltará para baixo, irá saltar e ir para baixo. Vai expandir-se porque o gás vai empurrar para cima e, em seguida, voltar para baixo, depois, irá oscilar um pouco e, eventualmente, ficará estável, e talvez volte. Será mais ou menos assim. Vou preencher isso. Não deveria ser branco, deveria ser preto. Eu vou colocar laterais no recipiente. Se esperarmos o tempo suficiente, chegaremos eventualmente a outro estado de equilíbrio, no qual o pistão em cima ou a parte superior não estão se movendo. E agora o gás preencheu esse recipiente. Nesse momento estávamos em equilíbrio. A pressão em todo o gás era igual, o volume estava em uma situação estável, não sofria variações de um segundo para o outro, por isso, os macroestados foram bem definidos. Se esperarmos o tempo suficiente, o pistão chegará a uma certa estabilidade e parará de se mover. Quando o pistão parar de se mover, o volume para de sofrer variações. A pressão vai começar a tornar-se uniforme em todo recipiente. A temperatura vai tornar-se uniforme. Haverá agora, um volume maior ou uma pressão mais baixa. Provavelmente uma temperatura mais baixa, supondo que não há calor adicionado ao sistema. Então, tudo será bem definido novamente, poderemos calcular a pressão, o volume e a temperatura. Mas o que aconteceu no exato momento que retirei essa pedra? Quando o pistão foi empurrado para cima e oscilou, e durante algum tempo a pressão na parte superior era mais baixa do que a parte inferior, talvez a temperatura na parte superior estivesse mais baixa do que a temperatura na parte inferior, tudo estava em estado de fluxo e não em um estado de equilíbrio. Naquele momento, vou desenhar isso, quando estávamos naquele estado, quando tudo estava bem louco, no exato momento em que retiramos a pedra, lembre-se, temos uma pequena pedra em cima, tudo está se movendo para cima e para baixo, talvez a pressão na parte de cima estivesse mais baixa do que a pressão na parte inferior, não havia chance de alcançar um equilíbrio de estado. Nesse estado, e isto é importante, especialmente porque vamos falar de coisas como reações reversíveis e processos reversíveis, e processos quase estáticos, nesse ponto da reação, quando acabamos de fazer isso, nenhum macroestado estava bem definido. Não seria possível calcular o volume desse sistema, porque estava sofrendo variações a cada segundo, ou microssegundo, por estar como que flutuante. Não seria possível calcular a pressão do sistema, porque ele estava sofrendo variações a cada segundo. Não seria possível calcular a temperatura, talvez a temperatura estivesse igual a esta parte aqui ou a esta parte aqui. Todo tipo de coisas loucas estavam acontecendo. Quando o sistema estiver em estado de fluxo, os macroestados não estão bem definidos, gostaria de sublinhar esse aspecto. Vou colocar isso em um diagrama. Permita-me desenhar isso em um diagrama "PV", vamos usar bastante isso. No eixo ''y" colocarei a pressão, e no eixo ''x" colocarei o volume. O estado inicial no qual a pedra estava em cima da parte superior, esta parte superior móvel ou este pistão, talvez tivéssemos pressão e volume bem definidos. Então, o eixo "y'' é a pressão, e o eixo "x" é o volume. E aí que começamos. Tudo estava bem definido, isso é o estado 1, vou classificá-lo aqui. Quando retiramos a metade da pedra, esperamos um tempo suficiente e chegamos a um estado de equilíbrio. Chegamos ao estado 2, no qual a pressão, o volume e a temperatura estavam bem definidos. Vou colocá-lo neste diagrama "PV". Então, esse é o estado 2, chegamos aqui. Como nota, poderia talvez colocar a temperatura como uma dimensão extra, mas a temperatura é completamente determinada pela pressão e volume, especialmente se estivermos lidando com gás ideal. Lembre-se, e fizemos isso em vários vídeos, PV = nRT. São constantes, o número de mols não muda. E esta é a constante de gás universal, que não muda. Se você souber valor de "P" e o valor de "V", saberá o valor de "T". São apenas essas duas coisas que precisam ser determinadas. Falarei mais sobre isso em outros vídeos. A coisa mais importante a entender, é que comecei nesse estado, no qual a pressão e o volume estavam bem definidos. Terminei nesse estado, no qual a pressão e volume estavam bem definidos. Mas como cheguei lá? E por causa dessa reação que eu causei, de repente tudo aconteceu super rápido e foi basicamente retirado do estado de equilíbrio. Não sei como cheguei lá, a pressão e o volume não estavam bem definidos ao passar desse estado para esse outro estado. Pressão, volume e temperatura são bem definidos somente se cada etapa intermediária estiver em um estado de quase equilíbrio. Falaremos muito sobre isso no próximo vídeo, mas eu gostaria de destacar esse aspecto. Seria bom se pudéssemos desenhar um carrinho. Vamos supor. Fomos de uma pressão e um volume para outra pressão e outro volume, ao longo de um caminho bem definido. Mas não podemos supor isso, porque quando nós saímos de cá para lá, nossas definições de pressão e volume simplesmente desapareceram, não podemos definir esses macroestados nesses estados intermediários de não equilíbrio. Como um parêntese, poderíamos ter definido os microestados. Os microestados não mudam nunca. Em um dado momento, poderia ter enumerado todas as partículas contidas aqui, e poderia ter calculado sua energia cinética, poderia ter calculado sua posição, poderia ter calculado seu impulso. Não há nenhuma razão para não poder fazer isso. Portanto, eu poderia ter feito um gráfico de uma partícula específica, e poderia ter calculado sua energia cinética em um período de tempo, a qualquer momento. Isso é muito importante, os microestados estão sempre bem definidos. O microestado é o que está acontecendo com um átomo em termos de força, velocidade e impulso. Enquanto os macroestados estão apenas definidos, eu diria bem definidos quando o sistema, nesse caso o balão, e nesse caso é o pistão na parte superior desse cilindro, dessa parte superior móvel, os macroestados são apenas bem definidos quando estiver em equilíbrio, ou quando podemos dizer que a pressão é "x" e a pressão é a mesma em toda parte, ou quando o volume não sofre variações a cada momento, ou quando a temperatura é a mesma em cada parte. Vou parar por aqui. Falaremos mais sobre o porquê de tudo isso no próximo vídeo.