Caros Leitores;
Entropia
, a medida da energia térmica
de um sistema por unidade de temperatura que
não está disponível para fazer coisas úteistrabalho . Como o
trabalho é obtido a partir do movimento molecular ordenado ,
a quantidade de entropia também
é uma medida da desordem molecular, ou aleatoriedade, de um sistema. O conceito
de entropia fornece uma visão profunda da direção da mudança espontânea para
muitos fenômenos cotidianos. Sua introdução pelo físico alemãoRudolf Clausius em
1850 é um destaque da física do
século XIX .
A ideia de entropia fornece uma maneira matemática de
codificar a noção intuitiva de quais processos são impossíveis, mesmo que eles
não violem a lei fundamental da conservação de energia . Por exemplo, um bloco de gelo
colocado em um fogão quente certamente derrete, enquanto o fogão fica mais
frio. Tal processo é chamadoirreversível porque nenhuma pequena mudança fará com que a água
derretida volte a ser gelo enquanto o fogão esquenta.
Em contraste, um bloco de gelo colocado em um banho de água gelada irá
descongelar um pouco mais ou congelar um pouco mais, dependendo se uma pequena
quantidade de calor é adicionada ou subtraída do sistema. Tal processo é
reversível porque apenas uma quantidade infinitesimal de calor é necessária
para mudar sua direção de congelamento progressivo para descongelamento
progressivo. Da mesma forma, o gás comprimido confinado em um cilindro poderia se expandir livremente
para a atmosfera se uma válvula fosse aberta (um processo irreversível),
ou poderia fazer um trabalho útil empurrando um pistão móvel contra a força necessária
para confinar o gás. O último processo é reversível porque apenas um ligeiro
aumento na força de restrição poderia reverter a direção do processo de
expansão para compressão. Para processos reversíveis, o sistema está em equilíbrio com seu ambiente , enquanto para processos irreversíveis não está.
Para fornecer uma medida quantitativa para a direção da
mudança espontânea, Clausius introduziu o conceito de entropia como uma forma
precisa de expressara segunda lei da termodinâmica . A forma de Clausius da segunda
lei afirma que a mudança espontânea para um processo irreversível em um sistema
isolado (isto é, um que não troca calor ou trabalho com seu entorno)
sempre procede na direção do aumento da entropia. Por exemplo, o bloco de gelo
e o fogão constituem duas partes de um sistema isolado para o qual a
entropia total aumenta conforme o gelo derrete.
Pela definição de Clausius, se uma
quantidade de calor Q flui para um grande reservatório de
calor a uma temperatura T acima do zero absoluto ,
então o aumento de entropia é Δ S = Q / T. Esta
equação efetivamente fornece uma definição alternativa de temperatura que
concorda com a definição usual. Suponha que existam dois reservatórios de
calor R 1 e R 2 a
temperaturas T 1 e T 2 (como
o fogão e o bloco de gelo). Se uma quantidade de calor Q flui
de R 1 para R 2 ,
então a mudança de entropia líquida para os dois reservatórios é
que é positivo
desde que T 1 > T 2 .
Assim, a observação de que o calor nunca flui espontaneamente do frio para o
quente é equivalente a exigir que a mudança de entropia líquida seja positiva
para um fluxo espontâneo de calor. Se T 1 = T 2 ,
então os reservatórios estão em equilíbrio ,
nenhum fluxo de calor e Δ S = 0.
A condição Δ S ≥ 0 determina
a eficiência máxima
possível de motores térmicos — isto é, sistemas como motores a gasolina ou
a vapor que podem fazer trabalho de forma cíclica. Suponha que um
motor térmico absorva calor Q 1 de R 1 e
esgote calor Q 2 para R 2 para
cada ciclo completo. Por conservação de energia, o trabalho feito por ciclo
é W = Q 1 – Q 2 ,
e a mudança de entropia líquida é
Para tornar W o
maior possível, Q 2 deve ser o menor
possível em relação a Q 1 . No
entanto, Q 2 não pode ser zero, porque isso
tornaria Δ S negativo e, portanto, violaria a segunda lei. O
menor valor possível de Q 2 corresponde à
condição Δ S = 0, resultando em
como a equação
fundamental que limita a eficiência de todos os motores térmicos. Um processo
para o qual Δ S = 0 é reversível porque uma mudança
infinitesimal seria suficiente para fazer o motor térmico funcionar ao
contrário como uma geladeira.
O mesmo raciocínio também pode determinar a mudança de
entropia para a substância de trabalho na máquina térmica, como um gás em um
cilindro com um pistão móvel. Se o gás absorve uma quantidade incremental de calor d Q de um reservatório
de calor na temperatura T e se expande reversivelmente contra a pressão de
restrição máxima possível P , então ele faz o trabalho
máximo d W = P d V ,
onde d V é a mudança no volume. A energia interna do gás também pode mudar em uma quantidade d U conforme
ele se expande. Então, pela conservação de energia , d Q = d U + P d V .
Como a mudança de entropia líquida para o sistema mais reservatório é zero
quando o trabalho máximo é feito e a entropia do reservatório diminui em
uma quantidade d S reservatório =
− d Q / T , isso deve ser
contrabalançado por um aumento de entropia de
para o gás de
trabalho de modo que d S sistema + d S reservatório =
0. Para qualquer processo real, menos do que o trabalho máximo seria feito (por causa do atrito ,
por exemplo), e assim a quantidade real de calor d Q ′ absorvida do reservatório de
calor seria menor do que a quantidade máxima d Q . Por
exemplo, o gás poderia ser permitido expandir-se livremente no vácuo e não fazer nenhum trabalho. Portanto, pode-se afirmar que
com d Q ′
= d Q no caso de trabalho máximo correspondente a
um processo reversível .
Esta equação define o sistema S como
uma variável de estado termodinâmica ,
o que significa que seu valor é completamente determinado pelo estado atual do
sistema e não por como o sistema atingiu esse estado. Entropia é uma
propriedade extensiva ,
pois sua magnitude depende da quantidade de material no sistema.
Em uma interpretação estatística da
entropia, descobriu-se que, para um sistema muito grande em equilíbrio
termodinâmico , a entropia S é proporcional
ao logaritmo natural
de uma quantidade Ω que representa o número máximo de maneiras microscópicas
nas quais o estado macroscópico correspondente a S pode ser
realizado; isto é, S = k ln Ω, em
que k é a constante de
Boltzmann que está relacionada à energia molecular .
Todos os processos
espontâneos são irreversíveis; por isso, foi dito que a entropia douniverso está
aumentando: isto é, mais e mais energia se torna indisponível para conversão em
trabalho. Por causa disso, diz-se que o universo está “se esgotando”.
Escrito por
Gordon W. F. Drake
Verificado por
Os editores da Enciclopédia Britânica
Última
atualização: • Histórico do artigo
Entropia e a flecha do tempo
Albert
Einstein se referiu à entropia e à segunda lei da termodinâmica como os únicos
insights sobre o funcionamento do mundo que nunca seriam derrubados. Este vídeo
é um episódio da série Daily
Equation de Brian Greene .(mais)
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Termodinâmica; entropia
https://www.britannica.com/science/thermodynamics/Entropy#ref930252
Fontes:
IFL Science Quanta Magazine Britannica Unicamp Physical Review
Letters
Para saber mais, acesse o link>
Fonte: Britânica / / Publicaçâo 26/06/2024
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