Explique a Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica.
Passo 1
O enunciado pede para explicar o que é entropia e como ela se relaciona com a Segunda Lei da Termodinâmica. Vamos precisar do conceito clássico de entropia (via Clausius), da interpretação estatística (via Boltzmann) e das formulações da Segunda Lei (enunciados de Kelvin–Planck e de Clausius).
Passo 2
Definição clássica de entropia (Clausius): ao transferir um calor infinitesimal
de modo reversível a uma temperatura
, a variação de entropia do sistema é
Isso faz de
uma função de estado, mensurando “energia dispersa” ou “grau de irreversibilidade” de processos.
Passo 3
Interpretação estatística de entropia (Boltzmann): para um sistema isolado com
microestados compatíveis com suas variáveis macroscópicas,
onde
é a constante de Boltzmann. Quanto maior
, maior a entropia e maior o número de formas de arranjar o sistema microscopicamente.
Passo 4
Formulações da Segunda Lei da Termodinâmica:
- Enunciado de Kelvin–Planck: é impossível construir uma máquina térmica cíclica que extraia calor de uma única fonte quente e converta integralmente esse calor em trabalho.
- Enunciado de Clausius: é impossível um processo cujo único resultado seja a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente sem aporte de trabalho.
Esses enunciados são equivalentes e expressam a irredutibilidade da irreversibilidade.
Passo 5
Relação entre entropia e irreversibilidade: para qualquer processo geral
Igualdade vale para processos reversíveis; desigualdade estrita para processos irreversíveis. Em um sistema isolado,
, ou seja, a entropia só cresce ou se mantém constante.
Resposta
Entropia é uma grandeza termodinâmica que quantifica o grau de “desordem” ou “irreversibilidade” de um sistema. Clássicamente, define-se
. Estatisticamente, vale
. A Segunda Lei afirma que, em qualquer processo real, a entropia total do universo não diminui
, implicando que não existem máquinas térmicas de rendimento 100 % nem transferência espontânea de calor do frio para o quente.