Um castelo de areia na praia desmorona lentamente à medida que o dia avança. Mas alguém que testemunha o contrário - areia pulando espontaneamente na forma de um castelo - diria que deve estar assistindo uma gravação, não a realidade. Da mesma forma, um copo de chá gelado no qual os cubos derreterão com o tempo corresponde às nossas expectativas, mas não um copo de líquido no qual os cubos de gelo se formam espontaneamente.
A razão pela qual alguns processos naturais parecem fazer sentido acontecer daqui para frente o tempo, mas não o retrocesso no tempo, tem a ver com a segunda lei da termodinâmica. Essa lei importante é a única descrição física do universo que depende do tempo ter uma direção específica, na qual só podemos avançar.
Em contraste, as leis de Newton ou as equações cinemáticas, ambas usadas para descrever o movimento. de objetos, funcionam igualmente bem se um físico decide analisar o arco de uma bola de futebol à medida que avança ou vice-versa. É por isso que a segunda lei da termodinâmica às vezes também é chamada de "a flecha do tempo".
Microestados e Macrostatos
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 a temperatura geral da sala. Em outras palavras, conectar o que um ser humano pode observar diretamente aos inúmeros processos espontâneos invisíveis que, juntos, fazem isso acontecer.
Um microestado é um arranjo possível e distribuição de energia de todas as moléculas em um sistema termodinâmico fechado. Por exemplo, um microestado pode descrever a localização e a energia cinética de cada molécula de açúcar e 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 formas possíveis de organizar as moléculas de açúcar e água dentro da garrafa térmica. A maneira como um físico descreve um macroestado é usando variáveis como temperatura, pressão e volume. Isso é necessário porque o número de possíveis microestados em um determinado macroestado é muito grande para lidar. Uma sala a 30 graus Celsius é uma medida útil, embora saber que ela esteja a 30 graus não revela as propriedades específicas de cada molécula de ar na sala.
Embora os macroestados sejam geralmente usados quando se fala em termodinâmica, entender os microestados é relevante, uma vez que descrevem os mecanismos físicos subjacentes que levam a essas medidas maiores.
O que é entropia?
A entropia é frequentemente descrita em palavras como uma medida da quantidade de desordem em um sistema. Essa definição foi proposta pela primeira vez por Ludwig Boltzmann em 1877.
Em termos de termodinâmica, ela pode ser definida mais especificamente como a quantidade de energia térmica em um sistema fechado que não está disponível para realizar trabalhos úteis. Esse 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 havia em cada um, eles poderiam colocá-los em ordem de tempo seguindo a "flecha do tempo" - indo de menos para mais entropia. Para ficar muito mais técnico, matematicamente, a entropia de um sistema é definida pela seguinte fórmula, que Boltzmann também criou: S \u003d k × ln (Y) em que Y O principal argumento deste A fórmula é mostrar que, à medida que o número de microestados, ou maneiras de ordenar um sistema, 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 de macrosta te variáveis calor e tempo: em que T A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total do universo ou de um sistema isolado nunca diminui. Na termodinâmica, um sistema isolado é aquele em que nem o calor nem a matéria podem entrar ou sair dos limites do sistema. Por outras palavras, em qualquer sistema isolado (incluindo o universo), a alteração da entropia é sempre zero ou positiva. O que isso significa essencialmente é que processos termodinâmicos aleatórios tendem a levar a mais desordem do que ordem. Uma ênfase importante cai sobre a tendência que faz parte dessa descrição. Processos aleatórios podem levar a mais ordem do que desordem, sem violar as leis naturais; é muito menos provável que isso aconteça. Por exemplo, de todos os microestados nos quais um baralho aleatoriamente aleatório pode terminar - 8.066 × 10 67 - apenas uma dessas opções é igual a a ordem que eles tinham na embalagem original. Isso pode acontecer, mas as chances são muito, muito pequenas. No geral, tudo naturalmente tende a desordem. A entropia pode ser pensada como uma medida de desordem ou a 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 depende não do exemplo extremamente raro em que um baralho de cartas se embaralha em perfeita ordem, mas da tendência geral de um sistema para aumentar a desordem. Muitas outras observações no mundo real "fazem sentido" para nós acontecer de uma maneira, mas não de outra, porque seguem a segunda lei da termodinâmica: A segunda lei da termodinâmica é apenas outra maneira de descrever formalmente o conceito da seta do tempo: avançando no tempo, a mudança de entropia do universo não pode ser negativa. Se a ordem está sempre aumentando, por que olhar ao redor do mundo parece revelar exemplos de tipos de situações ordenadas? Enquanto a entropia em geral está sempre aumentando, as diminuições locais de na entropia são possíveis nos bolsos de sistemas maiores. Por exemplo, o corpo humano é um sistema organizado e muito organizado - até transforma uma sopa bagunçada em ossos requintados e outras estruturas complexas. No entanto, para fazer isso, o corpo absorve energia e cria resíduos à medida que interage com o ambiente. Portanto, mesmo que a pessoa que faz tudo isso possa experimentar menos entropia no corpo ao final de um ciclo de comer /construir partes do corpo /excretar resíduos, a entropia total do sistema Da mesma forma, uma criança motivada pode limpar seu quarto, mas eles convertem energia em calor durante o processo (pense no próprio suor e no calor gerado pelo atrito "between objects being moved around).", 3, [[Eles provavelmente também jogaram muito lixo caótico, possivelmente quebrando pedaços no processo. Mais uma vez, a entropia aumenta globalmente no código postal, mesmo que a sala termine. - Calor Morte do Universo Em larga escala, a segunda lei da termodinâmica prevê o eventual morte por calor Um equívoco comum sobre a morte por calor do universo é que ele representa um momento em que existe não resta 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 e deixada do lado de fora a tarde toda. 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 em mais detalhes em outros artigos no site, mas aqui está um breve resumo deles: A lei zero da termodinâmica. Assim nomeada por estar subjacente às outras leis da termodinâmica, a lei zeroth descreve essencialmente o que é a temperatura. Ele afirma que quando dois sistemas estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, eles devem necessariamente estar também em equilíbrio térmico um com o outro. Em outras palavras, todos os três sistemas devem ter a mesma temperatura. James Clerk Maxwell descreveu um resultado principal desta lei como "Todo o calor é do mesmo tipo". ΔU \u003d Q - W Onde < em> U O terceira lei da termodinâmica. Esta lei define zero absoluto Observe que quando o universo atinge seu estado final de equilíbrio térmico - sua morte por calor - ele atingiram uma temperatura maior que o zero absoluto.
A transformação da energia útil em energia térmica é um processo irreversível. Por esse motivo, segue-se que a quantidade total de entropia em um sistema fechado - incluindo o universo como um todo - pode apenas aumentar
.
é o número de microestados no sistema (o número de maneiras pelas quais o sistema pode ser solicitado), k
é a constante de Boltzmann (encontrada dividindo a constante de gás ideal pela constante de Avogadro: 1.380649 × 10 −23 J /K) e ln
é o logaritmo natural (um logaritmo para a base e
).
\\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}
é temperatura e Q
é a transferência de calor em um processo reversível à medida que o sistema se move entre dois estados.
A Segunda Lei da Termodinâmica
O significado da segunda lei da termodinâmica
Simplificado A maneira de pensar sobre esse conceito é considerar que desmistificar dois conjuntos de objetos leva mais tempo e esforço do que misturá-los em primeiro lugar. Peça a qualquer pai ou mãe de uma criança para verificar; é mais fácil fazer uma grande bagunça do que limpá-la!
E quanto a sistemas não isolados?
- o corpo e tudo ao seu redor - ainda aumenta
.
do universo. Para não ser confundida com um universo morrendo de raiva, a frase se refere mais precisamente à idéia de que eventualmente toda a energia útil será convertida em energia térmica, ou calor, uma vez que o processo irreversível acontece quase sempre em todos os lugares. Além disso, todo esse calor acabará atingindo uma temperatura estável, ou equilíbrio térmico, já que nada mais acontecerá a ele.
Outras leis da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica. Esta lei aplica a conservação de energia à termodinâmica. Ele 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:
é energia, Q é calor e W é trabalho, todos normalmente medidos em joules (embora às vezes em Btus ou calorias).
em termos de entropia. Ele afirma que um cristal perfeito tem entropia zero quando sua temperatura é zero absoluto, ou 0 Kelvins. O cristal deve estar perfeitamente arranjado, caso contrário, ele terá algum distúrbio inerente (entropia) em sua estrutura. A essa temperatura, as moléculas no cristal não têm movimento (o que também seria considerado energia térmica ou entropia).
