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Entropia, uma grandeza termodinâmica

Entropia é uma grandeza física capaz de medir a multiplicidade de estados e a quantidade de energia indisponível em um sistema físico termicamente isolado.

Entropia, uma grandeza termodinâmica
O número de estados das moléculas de tinta aumenta irreversivelmente com sua diluição em água.

Entropia é uma importante grandeza física utilizada na Mecânica Estatística e na Termodinâmica para medir o grau de desordem de um sistema. Dizemos que, quanto maior for a variação de entropia de um sistema, maior será sua desordem, ou seja, menos energia estará disponível para ser utilizada.

Por tratar-se de um conceito um pouco complexo e abstrato, muitas pessoas entendem a entropia de forma equivocada, usando-a em contextos completamente inadequados, não relacionados diretamente com os aspectos físicos dessa grandeza.

A entropia está relacionada à espontaneidade de algum processo físico ou químico. Sempre que um processo desse tipo acontecer espontaneamente, a entropia do sistema aumentará, isto é, o sistema ficará menos organizado ou mais aleatório.

Ao cair no chão, um vaso de vidro parte-se em pedaços menores. Esse processo é espontâneo, já que se espera que ele ocorra. No entanto, não podemos esperar que o processo contrário aconteça naturalmente – o vaso jamais ganhará altura e voltará para sua posição original. Caso isso fosse possível, a entropia do sistema diminuiria, e o processo seria não espontâneo.

Vidro quebrado
Quando o vaso de vidro quebra, sua entropia e seu número de estados aumentam.

O conceito de entropia está também relacionado à noção de aleatoriedade e de número de estados ou configurações possíveis. Assim, quanto maior for a entropia de um sistema, maior será o número de estados possíveis, bem como sua aleatoriedade.

Ao abrir um vidro de perfume, por exemplo, suas moléculas são difundidas pelo ar, espalhando-se pela sala com inúmeras distribuições de velocidades, posições e temperaturas aleatórias. Em resumo, ocorre o aumento do número de estados das moléculas do perfume, o qual nunca diminuirá por conta própria.

Veja também: O que é estado termodinâmico?

O conceito de entropia também está presente na 2ª lei da Termodinâmica. Observe:

Em um sistema termicamente isolado, a medida da entropia deve sempre aumentar com o tempo, até atingir seu valor máximo.

Em outras palavras, podemos dizer que a entropia define a ordem natural das coisas ou a “seta do tempo” dos acontecimentos.

Se olharmos algum fenômeno físico ou químico, é provável que consigamos perceber se ele está acontecendo no sentido de maior ou de menor entropia.

Desenho sobre entropia
O aumento da entropia está associado ao aumento do número de estados possíveis.

Nos processos físicos de diluição de sais em líquidos, mudanças de estado físico, como a fusão ou a ebulição, e até durante a deformação de um corpo, ocorrem aumentos na entropia do sistema.

Fórmula de entropia

A entropia é medida em kelvin (K), e sua fórmula é dada pela razão entre a quantidade de calor transferida durante um processo isotérmico pela temperatura em que esse processo ocorreu. Observe:

Entropia

ΔS – variação de entropia
ΔQ – quantidade de calor
T – temperatura

Analisando a fórmula acima, é possível perceber que, durante um processo isotérmico (ΔQ < 0), quando um sistema perde calor, sua entropia diminui. Quando um sistema recebe calor (ΔQ > 0), sua entropia aumenta. Por fim, quando um sistema não realiza trocas de calor (ΔQ = 0), sua entropia permanece constante.

Veja também: O que diz a lei zero da Termodinâmica?

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Exemplos de entropia

  • Cubos de gelo derretendo: antes de um cubo de gelo derreter, sua entropia era menor, assim como seu grau de desordem. Quando estava no estado sólido, as distâncias intermoleculares eram bem-definidas, bem como os ângulos entre essas moléculas. Durante a fusão do gelo, ocorre um grande aumento na multiplicidade de distâncias e ângulos entre as moléculas, o que caracteriza o estado líquido.

Gelo derretendo
No derretimento do gelo, ocorre um aumento de entropia.

  • Sol e Lua: o Sol contém muito mais matéria e, portanto, um número muito maior de estados que a Lua, que é fria e sólida. Por isso, a entropia do Sol é muito maior que a entropia da Lua, cujas moléculas são muito mais ordenadas que aquelas que compõem o Sol.

  • Copo de vidro caindo: antes de cair e quebrar-se, o copo de vidro tinha um número menor de estados. Depois de quebrar, passou a ser formado por milhares de pequenos estilhaços, aumentando sua entropia. Dessa forma, o copo tornou-se menos útil.

  • Universo: de acordo com a 2ª lei da Termodinâmica, a entropia total de um sistema sempre aumenta. Pensando no Universo como um sistema termicamente isolado, sua entropia está sempre aumentando, por isso, um dia ele acabará, pelo menos da forma como é conhecido.

Entropia e máquinas térmicas

Por meio da fórmula de entropia, podemos calcular a quantidade de energia transformada em calor em processos reversíveis que ocorram no equilíbrio térmico. A determinação dessa quantidade de energia é fundamental para entendermos o rendimento das máquinas térmicas: quanto maior for a quantidade de calor dissipado, menor será o rendimento de uma máquina térmica.

Mesmo no funcionamento de motores muito eficientes, que operam segundo processos termodinâmicos cíclicos, a variação de entropia deve ser positiva, pois parte da energia que é fornecida ao motor é dissipada em forma de calor.

Se fosse possível construirmos uma máquina ideal, com 100% de rendimento, a variação de entropia durante um ciclo completo dessa máquina seria negativa, o que violaria as leis da Termodinâmica.

Sabendo disso, o engenheiro francês Sadi Carnot determinou como deveria ser o ciclo termodinâmico de maior rendimento possível, ou seja, o ciclo cuja variação de entropia total fosse igual a zero. Esse ciclo ficou conhecido como ciclo de Carnot. Por tratar-se de um ciclo ideal e, portanto, impossível de ser reproduzido, nenhuma máquina jamais foi produzida segundo esse ciclo.

Veja também: Transformações termodinâmicas

As máquinas térmicas atuais, como os motores de quatro tempos empregados em veículos automotivos, são feitas para alcançar a maior eficiência e o menor consumo de energia possíveis, semelhantemente ao ciclo de Carnot.

Outro importante resultado da entropia e da 2ª lei da Termodinâmica é que o calor deve sempre fluir dos corpos mais quentes para os corpos mais frios, de forma que a entropia do sistema sempre aumente espontaneamente. Além disso, uma consequência é a impossibilidade de existência de um motor perpétuo, isto é, um motor autossuficiente, uma vez que sua energia total tenderá a tornar-se cada vez menos acessível em decorrência do aumento da entropia.

Entalpia e entropia

Entalpia e entropia são grandezas distintas. Enquanto a entropia mede o grau de aleatoriedade de um sistema, a entalpia mede a quantidade de energia de um sistema.

A variação da entalpia, por sua vez, indica se o sistema recebe ou perde calor para suas vizinhanças. Uma variação de entalpia positiva (ΔH > 0) indica que o sistema recebeu calor, enquanto uma variação de entalpia negativa (ΔH < 0) indica que ocorreu perda de calor. O conceito de entalpia é amplamente utilizado, por exemplo, para determinar reações químicas endotérmicas e exotérmicas.

Veja também: Tipos de entalpia

Entropia e Biologia

O funcionamento do nosso organismo depende do trabalho realizado constantemente por cada uma de nossas células. Com o passar do tempo, porém, a entropia desse complexo sistema tende a aumentar, com isso, surgem as primeiras falhas nos processos de replicação celular. Essas falhas tendem a causar a morte das células e a perda da capacidade regenerativa. É por esse motivo que envelhecemos e morremos.

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