A segunda lei da termodinâmica é um dos pilares da física, pois explica por que os processos naturais se desenvolvem em uma direção e não na oposta. Da operação de eletrodomésticos à evolução das estrelas, esta lei estabelece limites fundamentais para a transformação de energia. Seu conceito central é a entropia, uma grandeza que mede a desordem de um sistema e que tende a aumentar ao longo do tempo em sistemas fechados.
Em termos práticos, a segunda lei indica que os processos naturais evoluem para estados de maior desordem, e que a energia útil disponível diminui progressivamente.
Há diferentes afirmações dessa lei, como a lei de Clausius, que proíbe o fluxo espontâneo de calor de um corpo frio para um quente, ou a lei de Kelvin-Planck, que afirma que nem todo calor pode ser convertido em trabalho sem perdas. Ambos enfatizam a irreversibilidade dos processos: por exemplo, uma xícara de café frio não esquenta sozinha, nem o calor flui do freezer para o fogão sem intervenção externa.
Abaixo mostramos 8 exemplos cotidianos da segunda lei da termodinâmica.
1. O cubo de gelo derretido
Quando colocamos um cubo de gelo sobre uma mesa em temperatura ambiente, ele derrete. O calor flui do ambiente (mais quente) para o gelo (mais frio) até atingir o equilíbrio térmico.
Esse processo aumenta a entropia do sistema: o gelo passa de um estado ordenado (sólido) para um mais desordenado (líquido). A água líquida nunca congela espontaneamente em um cubo perfeitamente definido à temperatura ambiente, porque isso implicaria uma diminuição na entropia.
2. Motores térmicos
Motores térmicos, como motores de combustão interna, convertem energia térmica em trabalho. De acordo com a segunda lei, nenhuma máquina térmica pode ser 100% eficiente: algum calor é sempre perdido, geralmente na forma de calor residual.
Por exemplo, um motor de carro converte a energia química do combustível em trabalho mecânico.
Entretanto, uma boa parte dessa energia é perdida na forma de calor no escapamento, no radiador ou no próprio bloco do motor. Isso é inevitável e é perfeitamente explicado pela segunda lei.
3. Geladeiras e ar condicionado
Uma geladeira transporta calor de seu interior (mais frio) para o exterior (mais quente), o que à primeira vista parece contradizer a segunda lei. Entretanto, isso não acontece espontaneamente: é preciso trabalho, ou seja, energia externa (eletricidade) para fazer funcionar um compressor que permita esse processo.
Assim, o refrigerador não viola a segunda lei porque há um consumo de energia para forçar um processo que não ocorreria naturalmente.
4. Difusão de gás
Imagine que um frasco de perfume quebra em uma sala. No início, as moléculas do perfume ficam concentradas em um único ponto, mas rapidamente se dispersam pelo ambiente.
Esse processo é espontâneo e aumenta a entropia do sistema: o gás passa de uma situação ordenada (alta concentração) para uma mais desordenada (uniformemente distribuída).
Na realidade, nunca acontece que o perfume se reconcentre espontaneamente no frasco quebrado, porque isso implicaria uma redução de entropia.
5. Evolução das estrelas
Mesmo no nível cósmico, a segunda lei é verdadeira. Estrelas como o Sol emitem radiação térmica como resultado de processos nucleares. Com o tempo, eles esgotam seu combustível e, no fim de sua vida útil, eles entram em colapso e esfriam.
Todo esse processo envolve uma tendência a um estado mais desordenado, com menos energia disponível. O próprio universo, à medida que se expande e esfria, move-se em direção a um estado de maior entropia, no que é conhecido como “morte térmica do universo”.
6. Cozinhe um ovo
Quando cozinhamos um ovo, as proteínas dentro da clara e da gema mudam sua estrutura e coagulam. Este processo é irreversível do ponto de vista termodinâmico. Um ovo cozido não pode retornar espontaneamente ao seu estado cru.
O aumento da entropia está relacionado à mudança estrutural das moléculas que compõem o ovo.
7. Mistura de líquidos
Se colocarmos leite em uma xícara de café quente, eles se misturam rapidamente. Esse processo é natural e espontâneo, pois envolve um aumento de entropia. A mistura final apresenta maior desordem que os dois líquidos separados.
Não é possível reverter espontaneamente a separação do leite do café sem aplicar trabalho externo.
8. Baterias
As baterias contêm energia química armazenada. Quando usada, essa energia é convertida em eletricidade e depois em calor ou movimento. Quando descarregada, o sistema (a bateria) perde sua ordem inicial e sua entropia aumenta.
Recarregar uma bateria envolve aplicar trabalho para “reorganizar” quimicamente o sistema, diminuindo sua entropia interna, mas ao custo de aumentar a entropia do entorno (porque o processo de recarga gera calor).