Quando dois corpos com temperaturas diferentes estão em contato térmico, sabemos que energia será transferida do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Esse processo é espontâneo e acontece até que ambos os corpos atinjam a mesma temperatura, isto é, o equilíbrio térmico. Mas afinal o processo inverso também pode ocorrer de forma espontânea? Para respondermos a essa questão, precisamos entender as leis da Termodinâmica, mas precisamente a segunda lei.
Lei zero da Termodinâmica
A lei zero da Termodinâmica refere-se ao equilíbrio térmico. Essa lei está associada a uma função de estado,que é a Temperatura. Imagine três corpos que chamaremos de A, B e C. A lei zero da Termodinâmica afirma que se A e C estão equilíbrio térmico em relação a B, significa que ambos (A e C) estão em equilíbrio entre si também. Embora receba a nomenclatura de lei zero, ela foi descoberta apenas depois das 1°, 2° e 3° leis.
Primeira lei da Termodinâmica
A primeira lei diz respeito à conservação da energia. Ela está associada à função de estado chamada energia interna. Essa lei afirma que a energia apenas pode se transformar de uma forma em outra sem existir nenhum tipo de perda ou de criação de energia. Dessa forma, o calor é um processo de transferência de energia, assim como o trabalho. A diferença é que para a transferência de energia por calor é necessária uma diferença de temperatura, enquanto, no trabalho, precisamos de força e de um deslocamento.
A primeira lei não especifica quais processos podem ocorrer ou não. Desde que a energia seja conservada, o processo pode ocorrer. Como veremos a seguir, é a segunda lei a responsável por indicar quais processos podem ocorrer.
Segunda lei da Termodinâmica
Antes de tudo, é importante enfatizar que a segunda lei tem um caráter estatístico. Ela apresenta a probabilidade de certos processos acontecerem. Existem, na verdade, processos mais prováveis que outros. Se um tempo suficiente transcorrer, é possível sim que processos improváveis aconteçam.
A segunda lei está associada à função de estado chamada entropia. Vamos compreender o que são microestados e macroestados para seguir na discussão da segunda lei. O microestado corresponde a uma visão microscópica do sistema. É como se pudéssemos visualizar a organização microscópica do sistema. Já o macroestado corresponde à visão macroscópica do sistema.
Vamos exemplificar para facilitar. Imagine dois dados.
Queremos obter o número 4 a partir deles. Quando lançamos os dados, existirão 3 combinações possíveis que resultarão em 4, a saber: 1-3, 2-2 e 3-1. O valor 4 corresponde ao nosso macroestado, enquanto as três combinações possíveis correspondem aos microestados associados a um mesmo macroestado.
Entretanto, para obter o número 2 com os dados, existe apenas uma combinação possível: 1-1. Isso significa que o macroestado 2 possui apenas um microestado. Qual macroestado é mais provável: 4 ou 2? A resposta natural é o 4, pois ele possui mais microestados associados.
Esse exemplo foi útil para entendermos o que são microestado e macroestado. A entropia é aplicada a sistemas termodinâmicos e pode ser associada à probabilidade. Retornando a pergunta inicial desse post: Mas afinal o processo inverso também pode ocorrer de forma espontânea? A resposta é que o processo inverso é improvável da mesma forma que é improvável que um gás distribuído numa sala, de repente, se concentre em apenas um dos lados da sala. Dessa forma, a segunda lei nos mostra o caminho mais provável em meio a vários.
Terceira lei da Termodinâmica
A terceira lei afirma que não é possível que um corpo atinja o zero absoluto. Pois é. Existe um limite para a diminuição da temperatura e o chamamos de zero absoluto. Corresponde à temperatura de 0 K (kelvin).
Fontes consultadas
Os livros Física para cientistas e engenheiros dos autores Serway e Jewett e Física Conceitual do autor Paul G. Hewitt foram consultados para a escrita desse post.