Segunda Lei da Termodinâmica: Definição, Equação e Exemplos

Um castelo de areia na praia desmorona lentamente com o passar do dia. Mas alguém que testemunha o contrário - areia pulando espontaneamente na forma de um castelo - diria que deve estar assistindo a uma gravação, não à realidade. Da mesma forma, um copo de chá gelado no qual os cubos derretem com o tempo corresponde às nossas expectativas, mas não um copo de líquido no qual cubos de gelo se formam espontaneamente.

O motivo pelo qual alguns processos naturais parecem fazer sentido acontecendo para frente no tempo, mas não para trás no tempo, tem a ver com a segunda lei da termodinâmica. Esta importante lei é a única descrição física do universo que depende do tempo ter uma direção particular, na qual podemos apenas avançar.

Em contraste, as leis de Newton ou as equações cinemáticas, ambas usadas para descrever o movimento dos objetos, funcionam igualmente bem se um físico decide analisar o arco de uma bola de futebol à medida que ela avança ou no marcha ré. É por isso que a segunda lei da termodinâmica às vezes também é chamada de "flecha do tempo".

A mecânica estatística é o ramo da física que relaciona o comportamento em escala microscópica, como o movimento de moléculas de ar em uma sala fechada, para observações macroscópicas subsequentes, como o geral da sala temperatura. Em outras palavras, conectando o que um humano poderia observar diretamente à miríade de processos espontâneos invisíveis que juntos fazem isso acontecer.

Um microestado é um arranjo e distribuição de energia possível de todas as moléculas em um sistema termodinâmico fechado. Por exemplo, um microestado poderia descrever a localização e a energia cinética de cada açúcar e molécula de água dentro de uma garrafa térmica de chocolate quente.

Um macroestado, por outro lado, é o conjunto de todos os microestados possíveis de um sistema: todas as maneiras possíveis de arranjar as moléculas de açúcar e água dentro da garrafa térmica. A forma como um físico descreve um macroestado é usando variáveis ​​como temperatura, pressão e volume.

Isso é necessário porque o número de microestados possíveis em um determinado macroestado é muito grande para lidar com eles. Uma sala a 30 graus Celsius é uma medida útil, embora saber que está a 30 graus não revele as propriedades específicas de cada molécula de ar na sala.

Embora os macroestados sejam geralmente usados ​​ao se falar sobre termodinâmica, entender os microestados é relevante, pois eles descrevem os mecanismos físicos subjacentes que levam a aqueles maiores Medidas.

A entropia é frequentemente descrita em palavras como uma medida da quantidade de desordem em um sistema. Esta definição foi proposta pela primeira vez por Ludwig Boltzmann em 1877.

Em termos de termodinâmica, pode ser definida mais especificamente como a quantidade de energia térmica em um sistema fechado que não está disponível para fazer um trabalho útil.

A transformação de energia útil em energia térmica é um processo irreversível. Por causa disso, segue-se que a quantidade total de entropia em um sistema fechado - incluindo o universo como um todo - pode apenasaumentar​.

Este conceito explica como a entropia se relaciona com a direção em que o tempo flui. Se os físicos pudessem tirar vários instantâneos de um sistema fechado com os dados de quanta entropia foi em cada um, eles poderiam colocá-los em ordem de tempo seguindo "a flecha do tempo" - indo de menos para mais entropia.

Para se tornar muito mais técnico, matematicamente, a entropia de um sistema é definida pela seguinte fórmula, que Boltzmann também criou:

OndeYé o número de microestados no sistema (o número de maneiras como o sistema pode ser solicitado),ké a constante de Boltzmann (encontrada dividindo a constante de gás ideal pela constante de Avogadro: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) eemé o logaritmo natural (um logaritmo para a basee​).

A principal conclusão dessa fórmula é mostrar que, à medida que o número de microestados, ou formas de ordenar um sistema, aumenta, também aumenta sua entropia.

A mudança na entropia de um sistema à medida que ele se move de um macroestado para outro pode ser descrita em termos das variáveis ​​do macroestado calor e tempo:

OndeTé a temperatura eQé a transferência de calor em um processo reversível à medida que o sistema se move entre dois estados.

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total do universo ou de um sistema isolado nunca diminui. Em termodinâmica, um sistema isolado é aquele em que nem o calor nem a matéria podem entrar ou sair dos limites do sistema.

Em outras palavras, em qualquer sistema isolado (incluindo o universo), a mudança de entropia é sempre zero ou positiva. O que isso significa essencialmente é que os processos termodinâmicos aleatórios tendem a levar a mais desordem do que ordem.

Uma ênfase importante recai sobre oquererparte dessa descrição. Processos aleatóriospoderialevam a mais ordem do que desordem sem violar as leis naturais; é muito menos provável que aconteça.

Por exemplo, de todos os microestados nos quais um baralho de cartas embaralhado aleatoriamente pode terminar - 8,066 × 10⁶⁷ - apenas uma dessas opções é igual à ordem que tinham no pacote original. Istopoderiaacontecer, mas as chances são muito, muito pequenas. No geral, tudo tende naturalmente à desordem.

A entropia pode ser considerada uma medida de desordem ou aleatoriedade de um sistema. A segunda lei da termodinâmica afirma que ela sempre permanece a mesma ou aumenta, mas nunca diminui. Este é um resultado direto da mecânica estatística, uma vez que a descrição não depende do caso extremamente raro onde um baralho de cartas se embaralha em perfeita ordem, mas com a tendência geral de um sistema aumentar em desordem.

Uma maneira simplificada de pensar sobre esse conceito é considerar que desmisturar dois conjuntos de objetos leva mais tempo e esforço do que misturá-los. Peça a qualquer pai de criança para verificar; é mais fácil fazer uma grande bagunça do que limpar!

Muitas outras observações no mundo real "fazem sentido" para nós acontecendo de uma maneira, mas não de outra, porque seguem a segunda lei da termodinâmica:

• O calor flui de objetos em temperatura mais alta para objetos em temperatura mais baixa e não o contrário ao redor (cubos de gelo derretem e café quente deixado na mesa esfria gradualmente até que corresponda ao quarto temperatura).
• Edifícios abandonados desmoronam lentamente e não se reconstroem.
• Uma bola rolando no playground diminui e eventualmente para, conforme o atrito transforma sua energia cinética em energia térmica inutilizável.
  

A segunda lei da termodinâmica é apenas outra maneira de descrever formalmente o conceito da flecha do tempo: avançando no tempo, a mudança de entropia do universo não pode ser negativa.

Se a ordem só aumenta, por que olhar ao redor do mundo parece revelar tantos exemplos de situações ordenadas?

Enquanto entropiano todoestá sempre aumentando, localdiminuina entropia são possíveis dentro de bolsões de sistemas maiores. Por exemplo, o corpo humano é um sistema muito organizado e ordenado - ele até transforma uma sopa bagunçada em ossos requintados e outras estruturas complexas. No entanto, para fazer isso, o corpo absorve energia e cria resíduos ao interagir com o ambiente. Assim, embora a pessoa que está fazendo tudo isso possa experimentar menos entropia dentro de seu corpo no final de um ciclo de comer / construir partes do corpo / excretar resíduos, oentropia total do sistema- o corpo mais tudo ao seu redor - aindaaumenta​.

Da mesma forma, uma criança motivada pode ser capaz de limpar seu quarto, mas converteu energia em calor durante o processo (pense em seu próprio suor e no calor gerado pelo atrito entre os objetos sendo movidos em volta). Eles provavelmente também jogaram fora muito lixo caótico, possivelmente quebrando pedaços no processo. Mais uma vez, a entropia aumenta em geral no CEP, mesmo que a sala acabe aumentando.

Em grande escala, a segunda lei da termodinâmica prevê o eventualmorte por calorDo universo. Não deve ser confundida com um universo morrendo em estertores de fogo, a frase se refere mais precisamente à ideia de que, eventualmente, todos úteis a energia será convertida em energia térmica, ou calor, uma vez que o processo irreversível está acontecendo em quase todos os lugares o tempo todo. Além disso, todo esse calor acabará atingindo uma temperatura estável, ou equilíbrio térmico, já que nada mais estará acontecendo com ele.

Um equívoco comum sobre a morte por calor do universo é que ela representa um momento em que não há mais energia no universo. Este não é o caso! Em vez disso, descreve um momento em que toda a energia útil foi transformada em energia térmica que atingiu a mesma temperatura, como uma piscina cheia de água meio quente e meio fria, depois deixada do lado de fora tarde.

A segunda lei pode ser a mais quente (ou pelo menos a mais enfatizada) na termodinâmica introdutória, mas como o nome indica, não é a única. Os outros são discutidos com mais detalhes em outros artigos do site, mas aqui está um breve esboço deles:

​A lei zero da termodinâmica.Assim chamada porque está subjacente às outras leis da termodinâmica, a lei zero descreve essencialmente o que é a temperatura. Afirma que quando dois sistemas estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, eles devem necessariamente estar em equilíbrio térmico um com o outro. Em outras palavras, todos os três sistemas devem ter a mesma temperatura. James Clerk Maxwell descreveu o principal resultado dessa lei como "Todo o calor é do mesmo tipo".

​A primeira lei da termodinâmica.Esta lei aplica a conservação de energia à termodinâmica. Afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor adicionado ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema:

Ondevocêé energia,Qé calor eCé trabalho, tudo normalmente medido em joules (embora às vezes em Btus ou calorias).

​A terceira lei da termodinâmica.Esta lei definezero absolutoem termos de entropia. Afirma que um cristal perfeito tem entropia zero quando sua temperatura é zero absoluto, ou 0 Kelvin. O cristal deve estar perfeitamente organizado ou então teria alguma desordem inerente (entropia) em sua estrutura. Nessa temperatura, as moléculas do cristal não têm movimento (o que também seria considerado energia térmica, ou entropia).

Observe que quando o universo atinge seu estado final de equilíbrio térmico - sua morte por calor - ele terá atingido uma temperaturamais altodo que o zero absoluto.