A segunda lei da termodinâmica é um dos princípios fundamentais da física, com profundas implicações tanto para sistemas naturais quanto para aplicações tecnológicas. Esta lei estabelece que:
"A quantidade de entropia no universo tende a aumentar com o tempo."
Em termos simples, isso significa que os processos naturais tendem à desordem e que a energia útil disponível para realizar o trabalho diminui com o tempo.
Energia, calor e trabalho: o que é verdade e o que não é
Um dos aspectos essenciais derivados desta lei é que, embora todo trabalho mecânico possa ser completamente convertido em calor, o inverso não é verdadeiro: nem todo calor pode ser transformado em trabalho. Essa limitação define uma eficiência máxima teórica, conhecida como eficiência de Carnot, que depende unicamente das temperaturas das fontes quentes e frias.
Comparação com a primeira lei da termodinâmica
De acordo com a primeira lei da termodinâmica, ou lei da conservação de energia, a energia não é criada nem destruída, ela é apenas transformada. Essa ideia se resume na equação:
\[ \Delta U = Q - W \]
Onde:
-
\( \Delta U \) é a variação na energia interna do sistema.
-
\( Q \) é o calor absorvido.
-
\( W \) é o trabalho realizado pelo sistema.
Essa lei, porém, não indica em que direção os processos ocorrem, ou seja, não distingue entre o que é possível ou natural e o que não é. Para isso precisamos do segundo princípio.
Entropia e a segunda lei
O conceito-chave da segunda lei é a entropia, uma medida da desordem ou aleatoriedade de um sistema. Quanto maior a entropia, mais desorganizado ou disperso é o sistema. A segunda lei afirma que:
Em um sistema fechado ou isolado, a entropia total não pode diminuir; Ela só pode permanecer constante (em processos reversíveis) ou aumentar (em processos reais e irreversíveis).
Portanto, para que o calor flua de um corpo frio para um quente (ou seja, contra o gradiente térmico), é necessário trabalho externo. Isso explica, por exemplo, como funcionam geladeiras e condicionadores de ar, que precisam de energia para forçar o calor a se mover "contra" sua direção natural.
Em processos espontâneos — como a mistura de gases, o resfriamento de um objeto quente ou a dissolução de uma substância — a entropia do sistema e de seus arredores aumenta. Entretanto, se você quiser diminuir a entropia de uma parte do sistema, precisará aumentá-la ainda mais em outra parte, para que a entropia total continue a crescer.
Sistemas em equilíbrio
A segunda lei se aplica principalmente a sistemas que estão próximos ou em estado de equilíbrio termodinâmico. Nesses casos, a evolução do sistema pode ser prevista com base em mudanças de entropia. Se um processo causa um aumento na entropia geral, então ele é termodinamicamente permissível. Caso contrário, o processo é impossível.
Além disso, menor produção de entropia em um processo é frequentemente associada a maior eficiência energética. Isto é especialmente importante na engenharia química, na indústria energética e em outros campos tecnológicos.
Exemplos da segunda lei da termodinâmica
A segunda lei se manifesta em muitos fenômenos cotidianos e naturais. Alguns exemplos claros da segunda lei incluem:
1. Um gás comprimido que se expande
Se uma válvula conectando um recipiente de gás comprimido a uma zona de pressão mais baixa for aberta, o gás se expande espontaneamente, aumentando sua entropia. O processo inverso (o gás se comprimindo espontaneamente novamente) não ocorre sem trabalho externo.
2. O calor sempre flui do quente para o frio
Quando um objeto quente é colocado em contato com um objeto mais frio, o calor flui do mais quente para o mais frio até que o equilíbrio térmico seja alcançado. O inverso nunca foi observado ocorrendo sem entrada de energia.
3. Uma xícara de café que esfria
Quando você deixa uma xícara de café quente sobre a mesa, o calor é transferido para o ar ao redor. O copo esfria e esse calor se dispersa no ambiente. O processo oposto — o aquecimento do café em si — é impossível sem intervenção.
4. Como funciona uma geladeira
O refrigerador extrai calor de seu interior (mais frio) e o expele para o exterior (mais quente). Para atingir esse "fluxo reverso", você precisa de energia elétrica que alimente o compressor. Assim, a segunda lei é cumprida: a ordem é imposta ao custo de aumentar a desordem no ambiente.
5. A mistura de líquidos ou gases
Quando dois líquidos ou gases inicialmente separados se misturam, eles o fazem espontaneamente até atingirem uma distribuição uniforme. A entropia aumenta, pois o estado final é mais desordenado que o estado inicial. Eles não vão se separar sozinhos.
6. A combustão de um combustível
Quando queimamos gasolina, a energia é liberada na forma de calor e gases que são dispersos. Embora parte dessa energia possa ser transformada em trabalho (por exemplo, mover um carro), sempre haverá perdas térmicas. A eficiência é limitada pela segunda lei.