a) Quais são as duas Leis de Conversão de Energia? Explique brevemente cada uma delas.
b) Em particular, o que a entropia tem a ver com energia?
c) Faz sentido sempre afirmar que a energia corresponde a capacidade de realizar trabalho?
d) Cite exemplos de conversões de energia que acontecem no corpo humano. E diga como o corpo humano elimina o produto da entropia.

Passo 1

O enunciado pede para revisitar os conceitos básicos da termodinâmica: a primeira e a segunda leis (que ele chama de “leis de conversão de energia”), o papel da entropia, a relação entre energia e trabalho e, por fim, exemplos de conversões de energia no corpo humano e como ele lida com o “produto de entropia”. Para resolver isso precisamos usar os princípios da termodinâmica clássica e um pouco de bioenergética.

Passo 2

A primeira lei da termodinâmica é a conservação da energia num sistema termodinâmico. Ela diz que a variação da energia interna \Delta U de um sistema é igual ao calor Q trocado com o ambiente menos o trabalho W realizado pelo sistema sobre o ambiente:
\Delta U = Q - W.
Em outras palavras, energia não se cria nem se destrói, apenas se transforma de calor em trabalho ou vice-versa.

Passo 3

A segunda lei da termodinâmica introduz a noção de irreversibilidade e define a entropia S. Um enunciado comum é que, para qualquer processo termodinâmico real, a variação total de entropia não pode diminuir:
\Delta S_{\text{total}} \ge 0.
Isso significa que, além de conservar energia, a natureza impõe um “gargalo” na sua qualidade: parte da energia se dispersa de um jeito que não pode mais ser transformado integralmente em trabalho.

Passo 4

A entropia está ligada à quantidade de energia que não pode ser aproveitada para fazer trabalho. Para um processo reversível infinitesimal de calor \delta Q_{\mathrm{rev}} a uma temperatura T, a variação de entropia é
\mathrm{d}S = \frac{\delta Q_{\mathrm{rev}}}{T}.
Quanto maior a entropia gerada num processo, maior é a fração de energia “perdida” como calor irreversível.

Passo 5

Dizer que “energia é capacidade de realizar trabalho” faz sentido só para a parte de energia que é disponível (energia livre). Nem toda energia armazenada num sistema se transforma em trabalho: uma fração fica “presa” devido ao aumento da entropia. Logo, não se pode afirmar isso de modo absoluto em qualquer contexto sem considerar as restrições termodinâmicas.

Passo 6

No corpo humano a energia química dos alimentos sofre várias conversões:
\bullet glicose \to ATP (energia química de alta qualidade);
\bullet ATP \to trabalho mecânico nas fibras musculares;
\bullet ATP \to calor para manter a temperatura corporal.
O “produto de entropia” (calor irreversível e resíduos metabólicos) é eliminado pelo organismo principalmente por:
\bullet troca térmica com o ambiente (radiação, convecção, suor);
\bullet excreção de C O_{2} e H_{2}O pela respiração;
\bullet eliminação de outros resíduos via urina, fezes e suor.

Resposta

a) A primeira lei ( \Delta U = Q - W) afirma a conservação da energia; a segunda lei ( \Delta S_{\text{total}}\ge0) estabelece que processos reais geram entropia e têm irreversibilidade.
b) A entropia mede a parte da energia que se dispersa em calor não-aproveitável; \mathrm{d}S = \delta Q_{\mathrm{rev}}/T.
c) Nem sempre, pois parte da energia fica indisponível para trabalho em virtude do aumento de entropia.
d) No corpo: energia química dos nutrientes vira ATP, trabalho muscular e calor. O excesso de entropia sai como calor (suor, radiação), C O_{2} e H_{2}O pela respiração e resíduos metabólicos pela excreção.

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