Introduction to entropy

rdf:langString Introdução não técnica à entropia

rdf:langString Entropia é, basicamente, um conceito utilizado para medir o grau de desordem de algum sistema e é um conceito importante no ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume — e de outras grandezas termodinâmicas, conhecida como termodinâmica. A ideia de irreversibilidade, ou seja, a propriedade de um sistema de sofrer alterações que o leve de um estado inicial A para um estado final B, contudo de forma que torne-se impossível o regresso ao estado inicial, é fundamental para a compreensão da entropia. Todos têm uma compreensão intuitiva da irreversibilidade. Se alguém assiste a um filme da vida cotidiana correndo para frente e em sentido inverso, é fácil distinguir entre os dois. O filme que corre no reverso mostra coisas impossíveis acontecendo - a água pulando de um copo em um jarro acima dele, a fumaça descendo uma chaminé, a água em um vidro congelando para formar cubos de gelo, e assim por diante. Na termodinâmica, diz-se que os processos "de avanço" - despejar água de um jarro no copo, fumaça subindo uma chaminé, etc. - são "irreversíveis". Isso significa que eles não podem acontecer no sentido inverso. De fato, todos os processos físicos reais, envolvendo sistemas na vida cotidiana com muitos átomos ou moléculas, são irreversíveis. Para um processo irreversível em um sistema isolado (um sistema que não é sujeito a influência externa), a variável de estado termodinâmico conhecida como entropia nunca está diminuindo. No cotidiano, pode haver processos nos quais o aumento da entropia é praticamente inobservável, quase zero. Nesses casos, um filme do processo em sentido inverso não parece improvável. Por exemplo, em um vídeo de 1 segundo, da colisão de duas bolas de bilhar, será difícil distinguir o caso para trás e de avanço, porque o aumento da entropia durante esse período é relativamente pequeno. Na termodinâmica, diz-se que este processo é praticamente "reversível", com um aumento de entropia praticamente zero. A afirmação do fato de que a entropia de um sistema isolado nunca diminui é conhecida como a segunda lei da termodinâmica. Como dito acima, a termodinâmica clássica é uma teoria física que descreve um "sistema" em termos das variáveis termodinâmicas do sistema ou suas partes. Algumas variáveis termodinâmicas são familiares: temperatura, pressão, volume. Entropia é uma variável termodinâmica que é menos familiar e não tão fácil de entender. Um "sistema" é qualquer região de espaço que contenha matéria e energia: uma xícara de café, um copo de água gelada, um foguete, um ovo. As variáveis termodinâmicas não fornecem uma imagem "completa" do sistema. A termodinâmica não faz suposições sobre a natureza microscópica de um sistema e não descreve nem leva em consideração as posições e velocidades dos átomos e moléculas individuais que compõem o sistema. A termodinâmica trata da matéria em um sentido macroscópico; ela seria válida mesmo que a teoria atômica da matéria estivesse errada. Esta é uma qualidade importante, porque significa que o raciocínio baseado na termodinâmica é improvável que precise de alterações à medida que novos fatos sobre estrutura atômica e interações atômicas sejam encontradas. A essência da termodinâmica é incorporada nas quatro leis da termodinâmica. Infelizmente, a termodinâmica fornece pouca visão sobre o que está acontecendo no nível microscópico. A mecânica estatística é uma teoria física que explica a termodinâmica em termos microscópicos. Isso explica a termodinâmica em termos das possíveis detalhadas situações microscópicas em que o sistema pode estar quando as variáveis termodinâmicas do sistema são conhecidas. Uma configuração microscópica específica de um sistema termodinâmico que o sistema pode ocupar com certa probabilidade ao longo de suas flutuações térmicas, os "microestados", é conhecida enquanto que a descrição do sistema em termos termodinâmicos especifica a "macro-estado" do sistema. Muitos microestados diferentes podem produzir o mesmo macroestado. É importante entender que a mecânica estatística não define a temperatura, a pressão, a entropia, etc. Esses estados já estão definidos pela termodinâmica. A mecânica estatística serve para explicar a termodinâmica em termos de comportamento microscópico dos átomos e moléculas no sistema.