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Leis da termodinâmica

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Uma vista do
ombros de gigantes.

O leis da termodinâmica são um termo grandioso, frequentemente usado em discussões sobreCiência, pseudociência e geral woo . Apesar de serem leis científicas, elas são frequentemente citadas por pseudocientistas (por exemplo,criacionistas) como uma razão para algunsoutroparte da ciência deve estar errada. O exemplo clássico disso é ' evolução deve estar errado, pois viola as leis da termodinâmica '. Bem como sendoirônico, essas afirmações geralmente também são besteira .

A termodinâmica como um assunto originado naRevolução Industrial, mais ou menos como uma forma deengenheirospara entender como as máquinas a vapor funcionavam e como torná-las mais eficientes. Desde então, ele se desenvolveu e generalizou em um rigorosomatemáticotratamento de energia eentropia, e é uma parte essencial dos cursos de ciências, comofísicaequímica.

Existem três 'Leis' da termodinâmica ('leis' no sentido de que descrevem como os sistemas físicos 'devem' se comportar), e também uma lei 'zero', que não é realmente uma lei, mas uma definição do que é significa 'temperatura'.

Lei zero da termodinâmica : 'Quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um reservatório, eles estão em equilíbrio térmico entre si.'
Primeira lei da termodinâmica : 'A energia total do Universo é constante. '
Segunda lei da termodinâmica : 'A entropia de um sistema isolado não diminui.'
Terceira lei da termodinâmica : 'À medida que a temperatura de um cristal perfeito se aproxima de zero, sua entropia se aproxima de uma constante.'

As 1, 2 e 3 Leis podem ser resumidas humoristicamente de forma não científica como:

Você não pode conseguir algo por nada.
Você não pode nem empatar a menos que você resfrie a temperatura parazero absoluto.
É impossível chegar a zero absoluto.

Ou, se você for um jogador de pôquer:

Você não pode vencer.
Você não pode empatar.
Você não pode sair do jogo.

A lei zero

O lei zero da termodinâmica afirma que 'se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um reservatório, eles estão em equilíbrio térmico entre si.' Isso significa que o equilíbrio térmico é uma relação transitiva. Não é possível ter três sistemas, A, B e C, onde A está em equilíbrio com B e B em equilíbrio com C, mas A estánãoem equilíbrio com C. Se isso fosse possível, conectar periodicamente os sistemas A e C por meio de uma máquina de calor criaria umMáquina de movimento perpétuo.

A lei zero é uma espécie de acéfalo e era obviamente conhecida antes da primeira, segunda e terceira leis da termodinâmica serem descritas. A necessidade de formulá-la como uma lei formal surgiu depois que as outras leis foram estabelecidas, por isso foi chamada de lei zero de uma forma retrógrada. Na verdade, pode-se dizer que não é realmente uma 'lei', mas apenas uma definição do que se entende por 'temperatura'.

A primeira lei

O primeira lei da termodinâmica é que você não fala sobre termodinâmica afirma que a energia total do universo é constante. É uma expressão da lei de conservação de energia ; a energia não pode ser criada ou destruída, apenas muda de forma à medida que a matéria se torna energia ou vice-versa. Simplificando, você não pode criar energia ou matéria, apenas mudar seu arranjo. E como com todos os outrosleis da termodinâmica, só se aplica a um sistema fechado.

Relação com a religião

Esta lei é muitas vezes levantada por apologistas ao tentar refutar o teoria do big bang , geralmente no argumento da primeira causa Formato. Elas escolha ignorar dois fatos importantes, no entanto:

A teoria do big bang não significa necessariamente que o universo veio do nada
A primeira lei também torna impossível qualquer evento de criação, porque é, por definição, criar algo do nada.

Quando isso é tocado, os apologistas geralmente ficam com raiva ou começamesquivando-se da questãotentando explicar como Deus é além das leis da física .

Relação com movimento perpétuo

Veja o artigo principal neste tópico: Movimento Perpétuo

A primeira lei da termodinâmica, juntamente com asegunda lei, é a principal razão pela qual o movimento perpétuo não funciona. Uma vez que a máquina não pode criar nenhuma nova energia própria, e a segunda lei degrada a energia que possui, a máquina acabará por parar de funcionar. Os proponentes do movimento perpétuo muitas vezes apresentam uma variedade bastante ampla de razões para explicar por que esse não é o caso, variando de ímãs a 'cristais de tempo'.

Relação com woo

Sem surpresa, a primeira lei também apresenta uma enorme lista de Nova era ideias impossíveis. Estes incluem, mas não estão limitados a:

Magia
Poderes psíquicos
Fantasmas
Quase tudo que tenha a ver com energia woo

Telecinese

A segunda lei

Nada na vida é certo, exceto a morte, os impostos e a segunda lei da termodinâmica.

—Seth Lloyd

O segunda lei da termodinâmica afirma que 'a entropia de um sistema isolado não diminui'. Freqüentemente, isso significa que 'a desordem sempre aumenta' e é freqüentemente mal interpretado. Outra forma de colocar isso é 'a capacidade de um sistema isolado de fazer trabalho diminui com o tempo'. A segunda lei fornece a seta termodinâmica do tempo em que se pode dizer a diferença entre o passado e o futuro observando a quantidade de entropia no sistema fechado.

Explicação dos termos

Sistemas termodinâmicos

Sistema aberto - troca matéria e energia com seus arredores
Sistema fechado - troca energia, mas não importa, com seus arredores
Sistema isolado - não troca energia nem matéria com seus arredores

O Universo é um sistema isolado, pois é um termo para descrever todo oespaço-tempocontinuum, incluindo todos os energia armazenado nele. No realidade , o Universo é considerado o único verdadeiro sistema isolado, comoperfeitoo isolamento em menor escala é impossível. Oterrapode ser visto como um sistema aproximadamente fechado, embora seja aberto na realidade.

Embora possa ser possível que o universo não seja verdadeiramente um sistema isolado (como em algumas formas demultiversoespeculação ou teoria M), não há maneira conhecida de testar isso e, portanto, pode ser considerado um sistema isolado para todos os efeitos. Se não fosse esse o caso, no entanto, teria sem dúvida um efeito significativo no destino final do universo.

Entropia

Estritamente falando, entropia é o logaritmo da multiplicidade de estados, ou o grau de dispersão de energia em um sistema. É expresso pela equação, onde S é entropia, k_Bé a constante de Boltzmann e Ω é a multiplicidade dos estados.

Uma definição mais comum de entropia é 'grau de desordem no sistema' e, portanto, a Segunda Lei da Termodinâmica é freqüentemente explicada como 'os sistemas tornam-se cada vez mais desordenados'. Da definição acima, isso é equivalente a dizer que um sistema tenderá a fazer a transição de conjuntos de estados menos prováveis para mais prováveis.

Na verdade, a entropia é um pouco mais abstrata e a segunda lei da termodinâmica implica que o Universo sempre se tornará cada vez mais uniforme; ou seja, o calor (transferência de energia de uma forma diferente do trabalho) irá se espalhar até que todo o universo tenha a mesma temperatura e nível de energia (entre os sistemas em contato térmico, o calor sempre é transferido do sistema em uma temperatura mais alta para aquele em um temperatura mais baixa até que o equilíbrio seja alcançado), e as forças continuarão a trabalhar até que um equilíbrio universal seja alcançado.

Em outras palavras, tudo em um sistema isolado parece funcionar no sentido de atingir um estado de equilíbrio ou equilíbrio. Uma vez que o equilíbrio universal seja alcançado, não haverá base para que qualquer trabalho seja sustentado ou ocorra; logo, as forças em um sistema isolado se tornarão sedentárias e nenhum trabalho será feito.

A analogia física simples comumente dada é que, dado um período de tempo, uma sala ficará mais desordenada (as coisas são distribuídas uniformemente por toda a sala em vez de ficarem concentradas em uma pilha organizada) enquanto a pessoa morar nela, mas não faz nenhum esforço para limpá-lo. No mundo físico, todas as formas de energia são convertidas em energia térmica, e tornam-se mais uniformemente distribuídas entre o Universo, até que o universo se torne energeticamente uniforme. Em seu estado final, o Universo se tornará um espaço uniforme onde nenhum trabalho pode ser feito, já que a energia não pode ser 'concentrada' fazendo trabalho. Este estado é denominado entropia máxima. Quando o universo atinge a entropia máxima, diz-se que ele está completamente 'desordenado', pois não há mais padrões ordenados e não há como determinar informações sobre a história do universo.

Na realidade, ao contrário de estar em um estado de desordem completa ao atingir a entropia máxima, o Universo se homogeneizou e se tornou mais uniforme. Em termos muito simples, entropia máxima ≠ desordem, entendeu? É em uma base semelhante a isso que os educadores científicos reconheceram que a terminologia do transtorno, embora simples e fácil de compreender, é, na melhor das hipóteses, uma simplificação exagerada e enganosa falsa analogia na pior das hipóteses. Como resultado, os educadores de ciências eliminaram em grande parte a terminologia de 'desordem'; maioriaquímicalivros didáticos, por exemplo, removeram (ou pelo menos editaram fortemente) a terminologia do transtorno. De extrema importância, a entropia é um fenômeno energético, e apenas tangencialmente tem a ver com a distribuição deimportamem um sistema. (Estatisticamentefalando, omoléculasde um gás é improvável que se mova para um lado de um contêiner sem que seja feito trabalho no gás. Mas trabalhar no gás aumentaria a entropia do universo, pois o êmbolo, ou o que quer que faça a compressão, teria que aumentar sua entropia.)

A segunda lei é uma lei da mecânica estatística, ao invés de uma lei fundamental da natureza. Conseqüentemente, violá-lo não é totalmente impossível; entretanto, sua violação é extremamente improvável. Mas como sua violação não é impossível, apenas extremamente improvável, verifica-se que, em prazos extremamente longos, uma violação pode eventualmente ocorrer. Por exemplo, um sistema clássico que exibe a segunda lei da termodinâmica em intervalos de tempo razoáveis pode, no entanto, violar a lei ao longo do tempo na ordem de seu tempo de recorrência de Poincaré - quando a recorrência de Poincaré ocorre, a entropia do sistema diminuirá ao seu valor original. No entanto, dado que o tempo de recorrência de Poincaré será muito mais longo do que a idade do Universo até agora, esta é uma consideração puramente teórica. Além disso, dado qualquer instância em que um macroestado diminui em entropia, haverá um número astronomicamente grande de outras instâncias do mesmo macroestado aumentando em entropia. Além disso, a Segunda Lei se aplica a sistemas de grande escala; dadas duas moléculas, é improvável que aquela com energia vibracional mais baixa transmita parte de sua energia a outra com maior, mas, ao contrário dos sistemas de grande escala, permanece uma possibilidade considerável e, dado o grande número de moléculas, é garantido acontecer ocasionalmente.

Aplicação errada por criacionistas

A falsa analogia da entropia como desordem é usada em vários campos fora da ciência com sucesso variável.Criacionistaspegaram a terminologia da desordem como um homem se afogando em uma corda e tentaram aplicar a segunda lei da termodinâmica como uma refutação de evolução . A analogia afirmaria que formas de vida mais complexas nunca poderiam evoluir a partir de formas mais simples.

Parece óbvio que esta falsa analogia de uma falsa analogia está incorreta. Em primeiro lugar, a Terra não é um sistema isolado - ela recebe uma grande quantidade de energia proveniente dosol. Em segundo lugar, a evolução não implica que a vida esteja se tornando cada vez mais complexa; só diz issoseleção naturalpermitegenesa ser transmitido diferencialmente, de modo que as características das formas de vida mudem com o tempo em resposta ao ambiente.

Também é uma corrupção acreditar que a vida é sempre 'mais ordenada' do que os objetos inanimados. Na verdade, a vida não viola a segunda lei da termodinâmica no sentido estrito energético. A energia do sol é convertida em energia potencial química, que é convertida em trabalho mecânico ou calor (já que, novamente, a Terra não é um sistema isolado). Em cada caso, a transferência de energia é ineficiente e parte da energia é dissipada como calor para o meio ambiente, levando a uma dispersão de energia. Da mesma forma, flocos de neve 'ordenados' podem se formar quando o clima fica frio, mas a entropia do universo ainda aumenta.

Victor J. Stenger , um físico teórico, refutou esta afirmação criacionista:

No entanto, um transmissor e um receptor são dois sistemas que interagem. Eles não estão isolados individualmente. Assim, a entropia perdida por um sistema pode ser ganha pelo outro. Ou, de forma equivalente, as informações perdidas por um podem ser obtidas pelo outro. Portanto, um sistema físico, como um organismo biológico ou a própria Terra, que obtém energia do sol, pode se tornar mais organizado por processos puramente naturais.

Uma citação em referência ao ensino de química ilustra este ponto:

Um aspecto dos sistemas biológicos que intriga os alunos é a possibilidade de descobrir violações das conhecidas leis da termodinâmica e físico-química. É fácil refutar a maioria dos exemplos sugeridos. Uma semente em germinação ou um embrião em desenvolvimento em um ovo de galinha fertilizado são freqüentemente citados ingenuamente como exemplos de sistemas isolados nos quais um aumento na ordem ou diminuição da entropia ocorre espontaneamente. É evidente, no entanto, que a respiração, assumindoOU_doisestá presente, produz um aumento da entropia na forma de calor, que mais do que compensa a diminuição da entropia que surge quando os elementos presentes na semente ou na gema do ovo são organizados em tecidos da planta ou animal. Na verdade, nem a germinação nem o desenvolvimento embrionário ocorrerão na ausência de oxigênio no sistema em questão.

Em referência à evolução, PZ Myers coloque: 'O argumento da segunda lei da termodinâmica é uma das alegações mais antigas e tolas da coleção criacionista. É auto-refutável. Aponte para o criacionista: pergunte se ele já foi um bebê. Ele cresceu? Ele se tornou maior e mais complexo? Ele não está ali violando a segunda lei? Exija que ele regrida imediatamente a uma poça viscosa de menstruação e sêmen misturados.

Além disso, Carl sagan apontou que se a segunda lei da termodinâmica fosse aplicada a um Deus , então Deus necessariamente teria que morrer.

(Breve questionário sobre termodinâmica: quantas leis da termodinâmica geralmente reconhecidas existem? Nós sabemos sobre a segunda lei: dê os números para as outras leis.)

Suponhamos que realmente haja algum processo na natureza que viole a segunda lei da termodinâmica. Isso é alguma razão para supor quedesigners inteligentessão responsáveis? Os únicos designers inteligentes com os quais temos familiaridade direta, humanos e outros animais mais ou menos inteligentes estão tão sujeitos à segunda lei da termodinâmica quanto os agentes não inteligentes. Na verdade, as leis da termodinâmica foram descobertas como limitações do que os engenheiros inteligentes do século 19 foram capazes de projetar. Designers inteligentes não são capazes de construir movimento Perpétuo máquinas. Projetistas inteligentes não contornam a segunda lei da termodinâmica.

(Veja também, Os Simpsons: 'Lisa! Nesta casa obedecemos às leis da termodinâmica! ')

Alguns jovens criacionistas da Terra invocaram 'classificação hidrodinâmica' emInundação de Noépara dar conta da organização dofóssilregistro. Desse modo, eles reconhecem implicitamente que um processo mecânico não direcionado é capaz de produzir ordem a partir da desordem e contradizem sua versão ingênua da segunda lei da termodinâmica.

A entropia pode ser revertida?

DADOS INSUFICIENTES PARA UMA RESPOSTA SIGNIFICATIVA

Mas, falando sério, como mencionamos mais acima, étecnicamentepossível que a entropia diminua espontaneamente, já que é uma lei estatística e não uma lei inquebrável da natureza. Espera-se que tais reversões ocorram principalmente em pequenas escalas e serão raras o suficiente para não acontecer por um período de pelo menos várias centenas de milhares de vezes a idade atual do universo ... mas a eternidade é um inferno de um longo tempo, e quando o o universo atinge um estado de energia suficientemente baixo para que os efeitos quânticos tenham um efeito em um nível de grande escala, uma única flutuação quântica pode ser suficiente para iniciar um novo Big Bang (em aproximadamente 10 ^ 10 ^ 56 anos, o que é muito tempo )