Entropia –
Indisponibilidade da energia.
Irreversibilidade e
desordem em um processo natural
Suponha que certa
massa de água seja misturada com uma porção de água fria. Como sabemos, este
sistema, resultante da mistura, termina por alcançar uma temperatura de
equilíbrio, que tem o mesmo valor em qualquer ponto sistema.
Evidentemente,
antes de se efetuada a mistura, teria sido possível fazer uma máquina térmica
operar usando as massas de água mencionadas como fonte quente e fria desta
máquina. Isto é , a energia que foi transferida da massa quente para a fria
poderia ter sido usada para a a realização de um trabalho ( energia útil).
Entretanto, após a mistura, sendo atingida a uniformidade da temperatura do
sistema, embora não tenho havido desaparecimento da energia, não é mais
possível convertê-la em trabalho. Vemos, então, que uma parte de energia do
sistema tornou-se indisponível. Em outras palavras não podemos usá-la de forma
útil.
Para que aquela parte de energia continuasse disponível para a realização de trabalho, seria necessário que
o sistema ( suposto isolado)voltasse espontaneamente ás condições iniciais ,
isto é , a mistura se separasse nas duas porções quente e fria primitivas, ou
seja , o processo que levou à homogeneização da temperatura è irreversível.
Outro
maneira de analisar este processo consiste em observar que o sistema
inicialmente encontrava-se em condições mas organizada, isto é de maior ordem ,
com as moléculas de maior energia cinética média ( água quente) separadas das
moléculas de menor energia cinética( água fria). Depois que ocorre a mistura, o
sistema torna-se mais desordenado, com as moléculas distribuídas aleatoriamente,
havendo uma uniformidade da temperatura.
OUTROS EXEMPLOS.
Esta irreversibilidade
do processo que acabamos de analisar e o aumento da desordem do sistema, que conduzem
à indisponibilidade de parte de sua energia, é uma característica de qualquer
processo que ocorre na natureza. Por exemplo: um bloco deslizando sobre uma
superfície horizontal com atrito, como sabemos, acaba parando e sua energia é
toda dissipada em forma de energia térmica do própria bloco e da superfície.
Este processo também é irreversível, pois a energia térmica não poderia, espontaneamente
voltar a aparecer como energia cinética do bloco como um todo, colocando-o em movimento.
Isto é, a energia cinética do bloco como um todo ( ordenada microscopicamente)
se distribui, desorganizando-se,em energia cinética das partículas que constituem
o sistema ( energia térmica). Também neste caso , a energia cinética do bloco que poderia ter
sido utilizada para realizar um trabalho útil, agora, sob a forma de energia térmica cinética, perdeu
sua capacidade de realizar trabalho, isto é , perdeu sua disponibilidade.
De maneira
geral, ao analisarmos qualquer processo que ocorra na natureza iremos chegar às
conclusões (Quando o recipiente é agitado, as bolas diferentes se misturam,
este processo conduz a um aumento da desordem do sistema e a continuidade da
agitação não levaria o sistema de volta às condições iniciais). Assim, enquanto
você caminha, estuda, cresce, se alimenta, dorme, ascende uma lâmpada ou
passeia de automóvel, uma certa quantidade de energia estará continuamente
tornando-se indisponível para a realização de trabalho, embora a energia total
não tenha sido alterada. Costuma-se dizer que a energia se degrada ao se
transformar em energia térmica.
Entropia
Para expressar quantitativamente essas características dos processos irreversíveis,
o físico R. Clausius, por volta de 1860, introduziu uma nova grandeza,
denominada entropia. Esta grandeza, que é usualmente representada pela letra S,
teria um valor que varia quando o sistema passa de um estado para outro. Esta
variação, ΔS, é exatamente o que é
importante conhecer e não o valor S da entropia em cada estado pelo qual o sistema
passa ( de maneira semelhante ao que ocorre com a energia potencial, da qual só
nos interessa a variação).
Para um
sistema que sofre uma transformação isotérmica, em uma temperatura absoluta T , absorvendo ou rejeitando uma
quantidade de calor ΔQ, a variação da entropia do sistema é dada por :
ΔS
= ΔQ / T ou Sf - Si = ΔQ/ T
Foi convencionado
que quando o sistema recebe calor temos ΔQ > 0 e consequentemente temos ,
também ΔS > 0 seja, a entropia do
sistema aumenta. Se o sistema rejeita calor, temos ΔQ< 0 e
ΔS < 0 ( a entropia do sistema diminui).
Por exemplo
, se uma gás sofre uma expansão isotérmica, na temperatura T= 300 K, absorvendo
uma quantidade de calor ΔQ = 900 J, a variação de sua entropia seria de
ΔS=
ΔQ/ T = 900/300 ou ΔS = 3,0 J/K
Isto é , a entropia do
gás aumentou de 3,0 J/K. Se aquela quantidade de calor tivesse sido retirada do
gás, teríamos ΔS = -3,0 J/K, o que significa que a sua entropia teria diminuído
de 3,0 J/K.
Princípio de aumento da
entropia
Consideremos um sistema que sofra um processo irreversível qualquer.
Neste processo, em geral m este sistema interage com a vizinhança e ambos
sofrerão variações de entropia. Seja ΔS,
a variação da entropia do sistema e ΔSv
a da vizinhança. A variação total
de entropia, ΔSp ocorrida no
processo seria evidentemente
ΔSt
= ΔSs + ΔSv
Observando
os fenômenos que ocorrem na natureza ( fenômenos irreversível)m foi possível
concluir que nesses processo a entropia total sempre aumenta , isto é temos seguramente ΔSt >0. Portanto, a entropia ,
ao contrário de outras grandezas, tais como a energia , o momentum etc. não se
caracteriza por uma lei de conservação, mas por um principio de aumento,
denominado Principio de Aumento da Entropia.
A “ morte térmica “ do
universo
Qual seria o significado do aumento de entropia que acompanha todo e
qualquer processo que ocorre na natureza?
O próprio
Clausius já havia mostrado que este aumento de entropia está relacionado com
o aumento da desordem do sistema e com a
perda da oportunidade de converter energia em trabalho. De fato, é possível
mostrar que, quanto maior for o aumento total de entropia ΔSp que ocorrer em um processo, maior é a
quantidade de energia ΔE que se torna indisponível
para ser convertida em energia útil , embora a energia total envolvida no
processo permaneça constante. Portanto, como havíamos dito, a entropia é uma grandeza
apropriada para caracterizar o grau de desordem e de degradação da energia
envolvidos nos processos irreversíveis e podemos destacar.
A tendência
de todos os processos naturais, tais como fluxo de calor, mistura, difusão etc.
é de acarretar uma uniformidade de temperatura, pressão, composição etc. em
todos os pontos dos sistemas que participam dos processos. Em cada um desses
processos há um aumento de entropia e um aumento na indisponibilidade da
energia. Podemos, então, visualizar um momento, em uma futura distante, no qual
todo ao universo terá atingido um não
tenha havido nenhuma alteração no valor da energia total do universo, todos os
processos físico, químicos e biológicos terão cessado. Este fim para o qual
parecemos caminhar é comumente como a morte
térmica do universo
Estas ideias
, que pareciam ser uma consequência inevitável do estabelecimento das leis da termodinâmica,
deste quando foram estabelecida têm despertado grande interesse, até mesmo
popular ,e já foram usadas como tema em diversas obras literárias.
Fonte: Luiz,Antônio
Máximo Ribeiro da,Beatriz Alvarenga Álvares, Física 1 vol 2- São
Paulo;Scpione,2006
