ENTROPIA – INDISPONIBILIDADE DA ENERGIA

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    S_{f -} S_i  = 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  ΔS_v  a da vizinhança. A variação total de entropia,  ΔS_p ocorrida no processo seria evidentemente

                                                                ΔS_t  = ΔS_s + ΔS_v

            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  ΔS_t >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   ΔS_p  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

SADI CARNOT (1796-1832)

SADI CARNOT (1796-1832)

            Físico e engenheiro do exército francês, mais conhecido por seu estudo sobre as condições ideais para a produção de energia mecânica, a partir do calor, nas máquinas térmicas, Apesar de importância deste estudo no desenvolvimento da ciência da Termodinâmica, ele foi inicialmente ignorado, talvez em virtude de liderança da Inglaterra na tecnologia das máquinas a vapor. Não era, portanto, esperado que um trabalho deste culto surgisse da França. Trabalhando com as ideias da teoria do calórico. Carnot comparava o funcionamento de uma máquina térmica, que está relacionado com a “queda” de calor da fonte quente para a fonte fria, ao trabalho que é realizado pela água ao cair entre pontos de alturas diferentes, Embora essas ideias estejam atualmente ultrapassadas, muitos dos resultados obtidos através delas são validos ainda hoje, sobretudo sua previsão de que o rendimento de uma máquina ideal depende apenas das temperaturas da fonte quente e da fonte fria, não sendo influenciado para substância ( vapor ou outro fluido qualquer) usada no mecanismo. O reconhecimento deste grande trabalho ocorreu quando Clausius, na Alemanha, e Kelvin, na Inglaterra, desenvolveram a moderna teoria da Termodinâmica, Incorporando nela as ideias  de Carnot. Interessado na melhoria, da educação pública, Sadi Carnot ainda jovem, aos 36 anos de idade, durante uma epidemia de cólera em Paris.