ENTROPIA

 

Além da utilização ferramental científica desta importante lei da Física atual, a entropia também pode ser extremamente rica por si só em sua compreensão - visando mudar o modo como percebemos o mundo.

O conhecimento da mesma me ajudou a compreender um dos problemas que me perturbaram por toda a minha vida: a razão do meu quarto estar sempre bagunçado e nunca organizado espontaneamente!

E é este problema que me dedicarei a responder neste texto.

Basicamente, o fio que indicou o rumo para a construção do conceito de entropia surge da busca pela compreensão de máquinas térmicas, que através de calor realizam trabalho mecânico. 

Esta época, em meados do século XVIII, onde a máquina superou o trabalho humano, ficou conhecida como Revolução Industrial.

As máquinas térmicas retiram energia em forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) de uma fonte quente e transferem-no para uma fonte fria para provocar a realização de um trabalho mecânico.

Por exemplo, no motor de um automóvel existe um cilindro com pistão móvel, um dos principais componentes desta máquina, lá o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão, o pistão conectado às rodas do automóvel, assim, realiza trabalho colocando o carro em movimento.

O termo “realizar trabalho” implica diretamente em mover coisas, também seus derivados, tal como transportar objetos, o que faziam as locomotivas daquela época. 

Surge então o interesse de querer obter a máquina térmica perfeita – que tivesse o melhor rendimento de calor (combustível para máquina) em forma de trabalho (qualquer movimento que a mesma realizará), dando início ao estudo da termodinâmica - que enunciará a entropia como a sua 2º Lei.

Em 1824, o engenheiro francês, Sadi Carnot conseguiu demonstrar que não há nada mais eficiente do que um motor que simplesmente não funciona, ou seja, a impossibilidade de uma máquina térmica trabalhar com 100% de eficiência. Mas com sua morte precoce, suas ideias quase foram esquecidas. Até que dois grandes físicos se interessaram pelas teorias da Carnot. Rudolf Clausius e William Thomson, este mais conhecido como Lord Kelvin, resgataram os escritos originais de Carnot e a partir destes criaram a termodinâmica.

A primeira lei da termodinâmica enuncia que qualquer tipo de energia se conserva, no entanto, apenas com este enunciado não foi possível resolver muitas questões importantes, tais como a razão de os processos termodinâmicos possuírem um sentido determinado de acontecerem, e não no sentido contrário. Os processos termodinâmicos que ocorrem na natureza são irreversíveis, embora seja possível manipularmos processos para serem revertidos com facilidade.

Por exemplo, é possível descongelarmos uma pedrinha de gelo e depois voltarmos a congelar a mesma sem que nada de água seja desperdiçado (quase sem dissipação de energia) através de condições especiais – este é um exemplo de processo reversível. 

No entanto, a natureza parece ter um sentido determinado de realizar seus eventos e não os realiza no sentido contrário, assim é através do reconhecimento desta impossibilidade que se estabelece a 2º Lei da Termodinâmica.

Quando fala-se de sentido determinado isto significa que na natureza o calor, que é um tipo de energia, flui espontaneamente de um objeto quente para um frio primeiramente, e não o contrário.

 E se nos questionarmos sobre por que isto acontece? 

Simplesmente pela razão de todos os experimentos que tentaram demonstrar o contrário terem falhado - o que não deixa de ser um resultado. Assim, parece que a natureza condenou todas as tentativas ao fracasso, e é a partir delas que se estabelece esta Lei da Natureza.

Foi definido como “entropia” a medida da quantidade de desordem de um sistema, no entanto, temos de tomar cuidado, pois quando nos referimos ao conceito de “desordem” este não deve ser remetido a um sentido metafísico, ou de caos do Universo, mas sim ao número de microestados e posições que um sistema pode assumir.  

Quando é afirmado que a entropia de um sistema isolado sempre aumenta, isto significa que os sistemas desenvolvem-se espontaneamente com a passagem do tempo de estados de pouca probabilidade a estados de probabilidade maior, e não na direção oposta.

Imagine que você tenha um objeto (um celular, por exemplo). O mesmo está num estado mais organizado neste estado, do que se eu o jogasse no chão e o espatifasse. Pois todos os átomos que estão constituindo este objeto podem assumir muito mais estados que estes onde os átomos estão “grudados”. 
 
Quando nos referimos a estado, pense em quanto as moléculas de algo estão mais próximas ou afastadas.

Quando você abre um frasco de perfume, por qual razão o perfume sai do frasco? Porque a entropia aumenta. Ele tem mais posições possíveis do que permanecer confinado dentro do frasco. Esta mesma lei fala que é impossível a entropia de um sistema diminuir espontaneamente.

Já existe uma área da física, chamada de Mecânica Estatística, que diz que isso não é impossível, mas simplesmente improvável. Segundo a mesma, existe sim uma probabilidade desse perfume espontaneamente voltar para dentro do frasco. No entanto, por qual razão isso não acontece?

Pois imaginemos a posição de cada molécula dentro de uma sala; agora imaginemos em quantas posições possíveis uma molécula não pode estar dentro desta sala toda. O fato é que existem muito menos casos onde elas estejam dentro do frasco do que casos em que elas estejam fora do frasco, muito, mas muito mesmo! Jogar em uma loteria nacional e ganhar um prêmio milionário seria fácil perto disto acontecer. 

Também, o ar desta sala poderia ir todo para dentro de uma lixeira no canto da sala e morrermos sem ar! Esta probabilidade é quase impossível, no entanto, pode ocorrer a qualquer momento. 

Para exemplificar, imagine um jogo de baralho com 4 integrantes. Nele, 13 cartas são distribuídas aleatoriamente para cada integrante – somando no total 52 cartas. Quando os participantes recebem as cartas e as observam, percebem que aconteceu algo incrivelmente raro: cada participante recebeu cartas de apenas um só naipe! O participante 1, as cartas ‘A’, ‘2’, ‘3’, ‘4’, ‘5’..., e assim por diante, todas do naipe de ouros, e o mesmo acontece com os outros participantes, mas com os naipes de espadas, copas e paus.

Agora, quem em sã consciência apostaria que na próxima distribuição de cartas o mesmo ocorreria? Realmente ninguém, pois existem muito mais escolhas independentes de cartas individuais que resultariam precisamente em tais distribuições de naipes do que em distribuições muito raras como esta (ao lado).

O mais provável é que cada jogador receba a media de 3 cartas de cada naipe. É claro que distribuições de menor probabilidade poderiam ocorrer – não há lei que as impeça –, mas é muito improvável que realmente aconteça.
 

Esta lei da física diz muito mais sobre prováveis estados e posições dos sistemas físicos, do que como os mesmos tem de se desenvolver. E, geralmente, não há muita cooperação da “entropia”.

No entanto, quando pensamos em apenas 52 cartas, é fatal confiarmos nas leis da probabilidade. Ela não nos ajudaria muito, e podemos quebrar a cara. Claro que ela ainda é a melhor opção, mas devemos ser cautelosos. 

 

Felizmente, isto não acontece quando pensamos em um sistema físico, pois o mesmo não costuma ter apenas 52 moléculas, mas sim 52 milhões de moléculas! Desta forma, nossas previsões melhoram muito! Imagine que realizemos previsões que variam de 2.980.000 para 3.340.000, uma margem de erro desprezível perto do todo.
 

E, assim é o modo que a natureza física que conhecemos se comporta neste aspecto, cuja medida de quantificação de desordem foi nomeada simplesmente de entropia.

Retornando à questão inicialmente proposta, no começo do texto, chego à conclusão de que existem muito mais posições e estados diferentes para que o meu quarto se encontre desorganizado espontaneamente do que organizado - lembrando que eu também não gasto energia alguma (energia interna) para organizá-lo, o que já é um assunto para outro texto, sobre preguiça e um pouco de 1º Lei da Termodinâmica!