"grande rebote (big bounce)".[4 A segunda lei da termodinâmica e o

Segunda lei da termodinâmica
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A segunda lei da termodinâmica ou segundo princípio da
termodinâmica expressa, de uma forma concisa, que "A
quantidade de entropia de qualquer sistema isolado
termodinamicamente tende a incrementar-se com o tempo, até
alcançar um valor máximo". Mais sensivelmente, quando uma
parte de um sistema fechado interage com outra parte, a energia
tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um
equilíbrio térmico.
Leis da termodinâmica
0. Lei zero da termodinâmica
1. Primeira lei da termodinâmica
2. Segunda lei da
termodinâmica
3. Terceira lei da termodinâmica
Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer
transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas
possam ocorrer.
Descrição geral
Num sentido geral, a segunda lei da termodinâmica afirma que as diferenças entre sistemas em
contato tendem a igualar-se. As diferenças de pressão, densidade e, particularmente, as diferenças
de temperatura tendem a equalizar-se. Isto significa que um sistema isolado chegará a alcançar uma
temperatura uniforme. Uma máquina térmica é aquela que provêm de trabalho eficaz graças a
diferença de temperaturas de dois corpos. Dado que qualquer máquina termodinâmica requer uma
diferença de temperatura, se deriva pois que nenhum trabalho útil pode extrair-se de um sistema
isolado em equilíbrio térmico, isto é, requirirá de alimentação de energia do exterior. A segunda lei
se usa normalmente como a razão por a qual não se pode criar uma máquina de movimento
perpétuo (moto contínuo).
A segunda lei da termodinâmica tem sido expressada de muitas maneiras diferentes. Sucintamente,
se pode expressar assim:

É impossível construir um dispositivo que opere, segundo um ciclo, e que não produza
outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente.[1]
Em outras palavras:
É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio
exterior, consiga transferir calor de um corpo para outro de temperatura mais elevada
Enunciado de clausius.
Deste enunciado, pode-se estabelecer a impossibilidade do "refrigerador ideal".
Assim, todo aparato refrigerador, para retirar calor de um ambiente, produzirá
mais calor externamente.

É impossivel construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não
produza outros efeitos além do levantamento de um peso e troca de calor com um único
reservatório térmico.
Em outras palavras:
É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem intervenção do meio
exterior, consiga transformar integralmente em trabalho o calor absorvido de uma fonte a
uma dada temperatura uniforme.
Enunciado de Kelvin-Planck.
Deste enunciado, tem-se como consequência a impossibilidade do "motor ideal". Toda a máquina
produzirá energia a ser utilizada com desperdício de parte desta em calor a ser perdido. Disto, já era
citado por Carnot (Nicolas Léonard Sadi Carnot - físico francês 1796 - 1832): Para transformar
calor em energia cinética, utiliza-se uma máquina térmica, porém esta não é 100% eficiente na
conversão.
Alguns autores chamam tal enunciado como "postulado" de Kelvin e assim o descrevem: Nenhum
processo é possível onde o único resultado é a absorção de calor de um reservatório e sua
conversão completa em trabalho.
Destas definições pode-se associar também o enunciado de Carnot: Para que
uma máquina térmica realize trabalho são necessárias duas fontes térmicas de
diferentes temperaturas.
Graficamente se pode expressar imaginando uma caldeira de um barco a vapor. Esta não poderia
produzir trabalho se não fosse porque o vapor se encontra a temperaturas e pressão elevadas
comparados com o meio que a rodeia.
Uma outra maneira de ver a segunda lei é pela observação da sua relevância. A primeira lei é na
verdade, um princípio de contabilidade de energia: as parcelas de energia devem ser somadas. Ou
seja, a primeira lei trata das quantidades de energia. A segunda lei, entretanto, ao dizer que energia
cinética (por exemplo) pode ser integralmente transformada em energia térmica (calor) mas não ao
contrário, indica uma qualidade para a energia:
Exemplarmente, pode-se imaginar um automóvel a 50 km/h. Ele é subitamente freado. Toda a sua
energia cinética será eventualmente transformada em energia interna das pastilhas de freio (e outras
fontes de atrito) que se aquecerão. Finalmente, uma certa quantidade de calor será transferida para o
meio ambiente. Entretanto, se eu ceder esta mesma quantidade de calor ao automóvel (ou ao freio),
ele não sairá do lugar.
Tais questões de eficiência, tem profundas implicações no projeto de máquinas, equipamentos e
diversos processos industriais.[2]
Matematicamente, se expressa assim:
onde S é a entropia e o símbolo de igualdade só existe quando a entropia se
encontra em seu valor máximo (em equilíbrio).
Outra maneira de expressar de maneira simples a segunda lei é: A entropia de um sistema isolado
nunca decresce. Mas é uma má interpretação comum que a segunda lei indica que a entropia de um
sistema jamais decresce. Realmente, indica só uma tendência, isto é, só indica que é extremamente
improvável que a entropia de um sistema fechado decresça em um instante dado.
Como a entropia está relacionada ao número de configurações de mesma energia que um dado
sistema pode possuir, podemos nos valer do conceito subjetivo de desordem para facilitar a
compreensão da segunda lei (embora entropia não seja essencialmente desordem). Ou seja, a
segunda lei afirma, à grosso modo, que a desordem de um sistema isolado só pode crescer ou
permanecer igual.
Questões específicas
Entropia em mecânica estatística
Se para um sistema de partículas em equilíbrio térmico se conhece a função de partição Z, dada
pelos métodos da mecânica estatística clássica se pode calcular a entropia mediante:
Onde kB é a constante de Boltzmann, T a temperatura e as probabilidades Pj que aparecem no
somatório vêm dadas pela temperatura e a energia dos microníveis de energia do sistema:
[editar] Entropia de Von Neumann na mecânica quântica
No século XIX o conceito de entropia foi aplicado a sistemas formados por muitas partículas que se
comportam classicamente, em princípios do século XX Von Neumann generalizou o conceito de
entropia para sistemas de partículas quânticas, definindo para um estado mescla caracterizado por
uma matriz densidade ρ a entropia quântica de Von Neumann como a magnitude escalar:
S(\rho) \,= \,-k_B {\rm Tr} (\rho \, {\rm ln} \rho),[editar]Entropia generalizada em relatividade
geral
O intento de estender a análise termodinâmica convencional ao universo inteiro levou a se examinar
em princípios dos anos 70 o comportamento termodinâmico de estruturas como os buracos negros.
O resultado preliminar desta análise revelou algo muito interessante, que a segunda lei tal como
havia sido formulada convencionalmente para sistemas clássicos e quânticos poderia ser violada em
presença de buracos negros. Entretanto, os trabalhos de Jacob D. Bekenstein sobre teoria da
informação e buracos negros sugeriram que a segunda lei seguiria sendo válida se fosse indroduzida
uma entropia generalizada (Sgen) que somada à entropia convencional (Sconv), a entropia
atribuível aos buracos negros que depende da área total (A) de buracos negros no universo.
Concretamente esta entropia generalizada deve definir-se como:
S_{gen} = S_{conv} + \frac{kc^3}{4G\hbar}AOnde, k é a constante de Boltzmann, c é a
velocidade da luz, G é a constante de gravitação universal e
é a constante de Planck
racionalizada.
Entropia na cosmologia
Em cosmologia, na evolução do universo no tempo verifica-se uma diminuição da quantidade de
energia disponivel para a realização de trabalho. Tal implica uma limitação no tempo da existência
do universo tal como se apresenta, pois o sentido natural das mudanças da natureza é o que origina
uma diminuição da qualidade da energia. Teoricamente, o universo seria o único sistema realmente
isolado, e como tal, nele, a quantidade de energia útil nunca aumenta.
Tal questão tem profundas implicações em filosofia no tratamento do que
chamamos tempo em física[3] e num entendimento do universo com este como
uma de suas dimensões e neste em sua história e evolução, implicando difíceis
tratamentos no que sejam os modelos cíclicos, entre estes o modelo de universo
oscilante ou "grande rebote (big bounce)".[4
A segunda lei da termodinâmica e o criacionismo
Tais conceitos tem trazido algumas distorções desta teorização, principalmente por alguns
defensores do criacionismo a respeito dos seres vivos e de sua evolução.[5][6][7][8][9]
A afirmação dos criacionistas é que o Universo tenderia obrigatoriamente da ordem à desordem, do
mais complexo ao mais simples, tornando o processo evolutivo dos seres vivos, e até a agregação
dos corpos celestes, impossível.[10]
Mas a segunda lei da termodinâmica não faz tais afirmações, pois a entropia da termodinâmica não
mede o aumento ou diminuição da complexidade dos sistemas, nem seu aumento ou diminuição de
ordem. A segunda lei apenas afirma que calor não flui espontaneamente de um corpo a mais baixa
temperatura para um corpo de mais alta, equivalentemente, que a energia que pode efetivamente ser
transformada em trabalho, em um sistema fechado, nunca aumenta.
Visto que o planeta Terra (assim como qualquer outro) não é um sistema fechado (e é de se observar
que sistemas fechados não existem na prática), a entropia termodinâmica pode diminuir. A radiação
do Sol (com baixa entropia) ilumina e aquece a Terra (com alta entropia). Desse fluxo de energia,
somado as mudanças de entropia que o acompanha, podem e de fato permitem que a entropia
termodinâmica diminua localmente na Terra.