Dona Fifi aos 16 anos.



A Segunda Lei da Termodinâmica


Para apresentar a Segunda lei da Termodinâmica vou descrever alguns experimentos simples e salientar o que eles têm em comum.
1) Nessa caixa, de um lado há um gás e do outro há o vácuo. Se retirarmos a separação veremos o gás se espalhar e ocupar todo o volume da caixa. Aí você fica, com a partição na mão, esperando que o gás volte a se concentrar só de um lado. Quando isso acontecer, você reporá a partição, restabelecendo a situação original. Espere sentado, lendo um bom livro de Física.
2) Temos duas canecas de alumínio, uma com 1 litro de água a 80oC e outra, com 1 litro de água a 20oC. Encostando uma na outra, a água quente esfria e a água fria esquenta até que ambas ficam na temperatura média de 50oC. Agora você fica esperando para ver se o inverso ocorre, passando calor, espontaneamente, de uma caneca para a outra, restabelecendo a situação original. Continue sentado, lendo seu livro.

Eu poderia citar inúmeros processos como esses: copos que se quebram ao cair no chão, pilhas de lanterna que se descarregam, gelo que se derrete dentro do guaraná e assim vai. O que todos esses processos têm em comum é que podem ocorrer em um sentido mas não ocorrem, espontaneamente, no sentido oposto. São processos de mão única. Em termos mais técnicos, eles são chamados de processos irreversíveis, pois não revertem espontaneamente.

No entanto, esses processos poderiam se dar em qualquer dos dois sentidos sem contrariar a Primeira Lei da Termodinâmica. Isto é, sem violar o princípio da conservação da energia. Veja, por exemplo, o caso dos canecos com água. Uma certa quantidade de calorias (energia térmica) passa da água quente para a fria até que as duas canecas ficam com a mesma temperatura. Se começarmos com as duas canecas com água a 50oC e, por algum acaso, a mesma quantidade de calorias passar de um caneco para o outro, um caneco ficará a 80oC e o outro a 20oC. Como o calor perdido por um foi ganho pelo outro, teria havido conservação de energia. Mas, a gente sabe que esse processo inverso nunca ocorre.

A Segunda Lei da Termodinâmica expressa essa mania da natureza de estabelecer um sentido para os processos naturais espontâneos. Existem vários modos de enunciar essa Lei. Uma delas, devida a Rudolph Clausius, diz assim:

"É impossível haver transferência espontânea de calor de um objeto frio para outro mais quente."

Observe a condição "espontanea". Em sua geladeira, a todo instante passa calor de dentro para fora, resfriando o interior e aquecendo o exterior. Mas, isso só acontece se a geladeira estiver ligada na tomada e funcionando, isto é, consumindo energia elétrica. O processo, portanto, não é espontâneo, tem de ser induzido.

Veja esse maravilhoso projeto de um um engenhoso engenheiro para uma hipotética fábrica de gelo. Para não ter de pagar a conta da luz no fim do mês, nosso engenheiro pretende aproveitar o calor que sai da geladeira para produzir vapor; esse vapor é usado para mover uma turbina; a turbina aciona um gerador elétrico que, finalmente, produz a corrente elétrica necessária para manter a geladeira funcionando. Calculando cuidadosamente todas as trocas de energia nas várias partes do projeto ele observa que há um balanço perfeito. A energia é conservada e o gelo foi produzido de graça!

No entanto, esse projeto está furado. Simplificando o desenho podemos observar que todo esse processo se resume em retirar calor de um tanque e passar esse calor para o resto da engenhoca sem apelar para nenhum recurso externo. Isso contraria a Segunda Lei da Termodinâmica e, portanto, não funciona. É o que se chama de "moto perpétuo de segunda espécie", dispositivo ardentemente buscado por malucos de vários tipos, mas proibido pelas leis da natureza.


O projeto da parte de cima equivale a congelar a água de um tanque sem receber energia externa.
Como saber se um processo viola, ou não, a Segunda Lei da Termodinâmica? Isto é, como decidir se esse processo está na mão certa e é um processo natural, ou não? Bem, é aí que surge o conceito de ENTROPIA, que veremos a seguir.

Apostila 3: Apresentando a entropia.

Apostila 4: A entropia no jogo de bridge.

Apostila 5: Entropia, probabilidade e desordem.

Apostila 6: As atribulações de Ludwig Boltzmann.

Apostila 7: Entropia de um buraco negro.