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Entropia

Entropia

Em termodinâmica clássica, o primeiro campo em que a entropia é introduzido, S é uma função de estado de um sistema em equilíbrio termodinâmico, que, por quantificação da indisponibilidade de um sistema para a produção de trabalho, ele é introduzido em conjunto com o segundo princípio da termodinâmica. Com base nessa definição, podemos dizer, de maneira explicativa, mas não estrita, que, quando um sistema se move de um estado de equilíbrio, ordenou que um desordenado aumentasse sua entropia; esse fato fornece indicações sobre a direção na qual um sistema evolui espontaneamente.

Entropia e desordem

O conceito de entropia é bastante complexa e para compreender plenamente o seu significado precisam de pelo menos um conhecimento básico da termodinâmica e mecânica quântica; Com efeito, existem pelo menos dois entropia definições estritas. Macroscópica definição fornecida pela termodinâmica e definição microscópica fornecida pela mecânica quântica

Entretanto, é possível dar uma explicação simplificada da entropia, interpretando-a como o "grau de desordem" de um sistema. Portanto, um aumento na "desordem" de um sistema está associado a um aumento na entropia, enquanto uma diminuição na "desordem" de um sistema está associada a uma diminuição na entropia; Entretanto, é necessário esclarecer que a desordem é relativa, por isso a explicação simplificada não é equivalente à exata, mas serve para representar o conceito.

Outros sistemas que podem ter diferentes graus de desordem são materiais metálicos. Na verdade, eles podem usar as seguintes estruturas:

  • estrutura cristalina (ordenada): os átomos são organizados de maneira ordenada; uma estrutura cristalina é composta de várias "células" de qualquer maneira, repetindo-se no espaço; neste caso falamos de "ordem de longo alcance"
  • estrutura policristalina (parcialmente ordenada): existem mais "cristais" (estruturas ordenadas) dentro do material; neste caso, falamos de "ordem de curto alcance";
  • estrutura amorfa (desordenada): os átomos são organizados de uma maneira completamente desordenada; não há ordem de curto prazo ou ordem de longo alcance.

O rompimento de estruturas de material metálico também aumenta na presença dos chamados "defeitos cristalinos" (incluindo a inclusão de outros tipos de átomos ou a falta de um átomo em uma posição de rede), cuja presença leva a um aumento do conteúdo entrópico do material.

Postulado de Entropia

Uma propriedade fundamental, também chamada (incorretamente) postulada como entropia, afirma que em um sistema isolado a entropia S do sistema nunca diminui e, durante um processo irreversível comum, aumenta. A demonstração é a seguinte: considere um sistema isolado, mecanicamente e termicamente, que, devido a um distúrbio interno, conduz de um estado 1 para um estado 2. Sendo entropia uma função do estado, por definição, a variação do mesmo não depende do caminho seguido, mas no estado inicial e final, é possível conceber um processo reversível que nos leve de 2 para 1.

Energia e entropia

Supondo que todo o universo seja um sistema isolado, ou seja, um sistema para o qual é impossível trocar matéria e energia com o exterior, o primeiro e o segundo princípios da termodinâmica podem ser resumidos da seguinte forma:

& Ldquo; a energia total do universo é constante e a entropia total aumenta continuamente até atingir um equilíbrio & rdquo;

declaração válida para qualquer sistema isolado.

Isto significa que não só não pode criar ou destruir energia, nem pode transformar completamente de uma forma para outra sem uma parte se dissipando na forma de calor.

Se, por exemplo, um pedaço de carvão é queimado, sua energia é conservada e convertida em energia contida no dióxido de carbono, dióxido de enxofre e outros resíduos de combustão, bem como na forma de calor. Embora o processo não tenha perdido energia, não podemos reverter o processo de combustão e recriar a peça original de carvão a partir de seus resíduos.

O segundo princípio da termodinâmica pode, portanto, ser reescrito da seguinte forma:

Sempre que uma certa quantidade de energia é convertida de uma forma para outra, há uma penalidade que consiste na degradação de uma parte da própria energia na forma de calor. Esta parte não será utilizável para produzir trabalho.

O estado em que a entropia alcança seu valor máximo e não há mais energia disponível para realizar o trabalho é chamado de estado de equilíbrio. Para todo o universo, concebido como um sistema isolado, isso significa que a conversão progressiva do trabalho em calor (para o princípio do aumento da entropia total), em frente a uma massa do universo finito, finalmente levará a um estado em que tudo o universo estará em condições de temperatura uniforme; a chamada morte térmica do Universo.

Entropia caracteriza o verso de qualquer transformação real como uma transformação irreversível: na verdade, ela também retorna de um estado final para um idêntico ao estado inicial por temperatura, volume, pressão ou outros parâmetros, como ocorre continuamente nos ciclos de uma máquina térmica, pelo menos uma física variável diferia de onde você começou: entropia (que inevitavelmente aumentava).

Toda transformação real é uma transformação irreversível porque a entropia aumenta; vice-versa, a hipótese de idealidade é equivalente à hipótese de uma mudança na entropia zero.

História e definição de entropia

O conceito de entropia foi introduzido no início do século XIX, no contexto da termodinâmica, para descrever uma característica (que foi geralmente observada pela primeira vez desde Sadi Carnot em 1824) de todos os sistemas conhecidos abaixo, no que foi observado que as transformações ocorreram espontaneamente em uma direção, uma em direção à maior desordem.

Em particular, a palavra "entropia" foi introduzida pela primeira vez por Rudolf Clausius em seu Abhandlungen über die mechanische Wärmetheorie (Tratado sobre a teoria do calor mecânico), publicado em 1864. Em alemão, Entropie deriva do grego ¼ & nu; in, "inside", e de & tau; & omho; omi; trope, "change", "turning point", "turning" (no modelo Energie, "energy") .. "): For Clausius indica onde a energia fornecida a um sistema termina corretamente Clausius afirma se referir à relação entre movimento interno (com o corpo ou sistema) e energia interna ou calor, elo de estado expressando a grande percepção do Iluminismo, que de alguma forma o calor deve se referir ao movimento mecânico das partículas dentro do corpo, na verdade ele foi definido como a relação entre a soma de pequenos incrementos (infinitesimais) de calor, divididos pela temperatura absoluta durante a mudança de estado.

Para esclarecer o conceito de entropia podemos apresentar alguns exemplos:

     

    Coloque uma gota de tinta num copo de água: observa-se que, em vez de ficar uma gota mais ou menos separada do resto do ambiente (que seria um estado completamente ordenado), a tinta começa a se espalhar e, em certo tempo, uma mistura uniforme é obtida (estado completamente confuso). É uma experiência comum que, embora esse processo ocorra espontaneamente, o processo inverso, que separa a água e a tinta, requer energia externa.

  • Imagine um perfume contido em um frasco cheio como um conjunto de moléculas pontuais com uma certa velocidade derivada da temperatura do perfume. Enquanto a garrafa estiver coberta, ou seja, isolada do resto do universo, as moléculas serão forçadas a permanecer no interior e, não tendo espaço (a garrafa está cheia), elas permanecerão ordenadas (estado líquido). Quando a garrafa é desarrolhou, as moléculas da superfície do líquido começará a emergir a partir do outro e acidentalmente colidir uns com os outros e contra as paredes da garrafa irá emergir a partir desta dispersão exterior (evaporação).). Depois de um certo tempo, todas as moléculas serão liberadas e dispersas. Mesmo que aleatoriamente alguma molécula caia na garrafa, o sistema geral é agora desordenado e a energia térmica que colocou o fenômeno em movimento é dispersa e, portanto, não é mais recuperável (há um equilíbrio dinâmico).

O conceito de entropia tem visto grande popularidade no século XIX e do século XX, graças à ampla gama de fenômenos que ajudam a descrever, mesmo indo além do âmbito puramente físico e ser adotado pelas ciências sociais, a teoria o sinal, em 'informática teórica e em' economia. No entanto, é bom notar que há uma classe de fenômenos, como não-linear (tais fenômenos caótica) fenômenos para os quais as leis da termodinâmica (e, portanto, a entropia) deve ser revisto extensivamente e já não tem validade geral .

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Última revisão: 9 de maio de 2018