O Que é a Entropia? Explicação Para Iniciantes

no final do século XIX a Europa vivia um momento decisivo Estava moldando os alicerces do que viria a ser a civilização moderna A Revolução Industrial que havia começado na Inglaterra décadas antes transformou radicalmente a forma como os seres humanos viviam trabalhavam e produziam Em menos de 100 anos o mundo passou de uma economia baseada no campo para um modelo urbano mecânico e industrial E tudo isso girava em torno de um feito que hoje parece até banal o domínio da energia Com a invenção da máquina a vapor um motor de combustão interna que converte calor em movimento demos início à era industrial A engenharia europeia mergulhou de cabeça em um único objetivo tornar os processos industriais mais eficientes Mas havia um problema Nosso conhecimento sobre os fundamentos da energia ainda era limitado e isso nos deixava com sistemas altamente ineficientes Foi essa busca por entender a fundo como a energia se comportava que levou à formulação das leis da termodinâmica um verdadeiro divisor de águas para a física moderna A primeira dessas leis afirma algo que hoje muitos já ouviram A energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada ou transferida Essa é a chamada lei da conservação da energia Mas a grande virada viria com a segunda lei uma que não só explicaria o comportamento da energia como também nos forçaria a encarar perguntas mais profundas como por exemplo o que é o tempo e como ou quando o universo vai [Música] acabar estamos em Zurik na Suíça onde viveu um físico e matemático alemão chamado Rudolf Clusius o primeiro grande personagem desta jornada Professor da Escola Politécnica Federal de Zurique Cláusius foi um dos fundadores da termodinâmica e se debruçava sobre uma dúvida incômoda Se a energia se conserva por que ela muda de forma por ela flui o que a faz se transformar durante anos Cláusio se viu atormentado por essa pergunta Até que um dia algo aparentemente banal chamou sua atenção uma xícara de café esfriando sozinha sobre a mesa E então tudo fez sentido Cláusios percebeu que para as equações da termodinâmica fazerem sentido deveria existir uma regra universal e irreversível O calor sempre flui de um corpo mais quente para um mais frio nunca o contrário E esse processo não pode ser revertido espontaneamente Assim como um café quente sempre esfria se for deixado de lado a energia tende a se espalhar a se dispersar E foi para descrever matematicamente esse comportamento que ele criou o conceito de entropia Cláuseius escreveu a equação que formalizava o seguinte princípio: Se nenhuma energia externa for adicionada a energia de um sistema sempre se moverá de forma unidirecional do quente para o frio Nascia ali a segunda lei da termodinâmica A entropia começava a ser compreendida como uma medida da dispersão do calor Quanto mais as coisas esfriam mais a entropia aumenta e a menos que algo de fora interfira tudo tende a atingir um equilíbrio térmico uma mesma temperatura em que não há mais trocas de energia úteis Mas no início esse conceito ainda se restringia ao mundo do calor Em um sistema ideal e perfeitamente eficiente a mudança de entropia seria zero Mas no mundo real isso simplesmente não acontece Sempre há perdas Sempre há um pouco de energia que se torna inutilizável E a responsável por essa perda inevitável é ela a entropia Mas seria preciso uma nova revolução para perceber que a entropia ia muito além da termodinâmica Por trás desse conceito aparentemente técnico escondiam-se alguns dos segredos mais profundos do universo O ano era 1877 A segunda lei da termodinâmica já havia causado um verdadeiro terremoto no mundo da física e a ideia da entropia intrigava os cientistas mais brilhantes da época Muitos estavam fascinados com uma simples pergunta: por a entropia está sempre aumentando entre todos apenas um homem foi capaz de mergulhar de cabeça nesse enigma cósmico Ludwiig Boltman físico austríaco e professor universitário Ele já era respeitado no meio acadêmico por seu trabalho com estatística mas o que estava prestes a propor ultrapassaria todos os limites da física conhecida até então Naquela época nem mesmo a existência dos átomos era um consenso científico Mas Bolzman ousou ir além Afirmou que no nível mais íntimo da realidade tudo era feito de partículas minúsculos átomos e moléculas em constante movimento Mais do que isso ele acreditava que o comportamento coletivo dessas partículas era a chave para entender a entropia O problema era impossível acompanhar o movimento de trilhões dessas partículas individualmente Então Boltsman adotou uma abordagem ousada Em vez de trabalhar com certezas passou a trabalhar com probabilidades E assim ele inaugurava um novo campo do conhecimento a mecânica estatística A ideia de Boltman era simples mas brilhante Toda a matéria que enxergamos no mundo macroscópico como uma pedra uma xícara ou até o ar que respiramos é formada por bilhões de partículas O que chamamos de calor nada mais é do que a energia sendo distribuída entre essas partículas Quanto mais espalhada a energia maior a entropia Em outras palavras quando a energia está bem distribuída o sistema está em equilíbrio e a entropia é alta Mas quando ela está concentrada em poucos lugares a entropia é baixa E foi com base nisso que Boltman desenvolveu uma equação revolucionária uma fórmula que mostrava que existem muito mais formas de um sistema estar desordenado do que de estar ordenado Era por isso que o universo com o tempo tende sempre para a desordem não por uma força mística mas porque é simplesmente o mais provável Essa fórmula hoje gravada até mesmo em sua lápide unificava tudo Mas Boltman não falava de certezas absolutas ele falava de estatística de probabilidades Para ele a segunda lei da termodinâmica não era uma regra rígida escrita no tecido do universo mas sim uma consequência do comportamento coletivo de trilhões de partículas Apesar de genial essa visão probabilística da física não caiu bem entre muitos cientistas da época Eles queriam leis exatas deterministas como as de Newton A ideia de que uma das leis fundamentais da natureza dependia de probabilidades parecia inaceitável O trabalho de Bolzman foi ridicularizado e desprezado e abalado por anos de críticas e isolamento ele acabou mergulhando em uma profunda depressão Infelizmente em 1906 ele tirou a própria vida Poucos anos depois surgiram evidências que confirmavam suas teorias mas Bolzman já não estava mais aqui para ver que sua concepção da entropia mudaria para sempre a forma como compreendemos o universo Foi com Boltsman que passamos a ver a entropia como uma tendência natural do cosmos Tudo parece caminhar do organizado para o desorganizado Mas será que é tão simples assim nem sempre a baixa entropia significa ordem absoluta nem a alta entropia equivale ao caos total A verdade é que tudo se resume a probabilidades Certos estados macroscópicos podem ser alcançados por inúmeras combinações microscópicas enquanto outros dependem de arranjos extremamente específicos e raros Com o tempo e com uma compreensão mais profunda do legado de Bolzman aprendemos a ver a entropia não apenas como uma questão física mas como algo que toca a vida o tempo e até o destino final do universo Você provavelmente já ouviu aquela frase clássica: “Existem mais estrelas no universo do que grãos de areia em todas as praias da Terra” E por mais impressionante que pareça essa comparação poética nos ajuda a entender um dos conceitos mais profundos da entropia Pense assim Imagine que cada grão de areia em uma praia representa um átomo de um sistema físico Se nosso objetivo for apenas formar uma montanha de areia há trilhões e trilhões de maneiras diferentes de distribuir esses grãos para alcançar o mesmo resultado Qualquer rearranjo pequeno nos microestados da areia ainda vai resultar naquela mesma pilha Isso é o que chamamos de estado de alta entropia Muitas possibilidades mas o mesmo aspecto geral Agora vamos tornar a coisa mais complexa E se quisermos transformar esses mesmos grãos em um castelo de areia aí a conversa muda Para que a estrutura mantenha a sua forma a quantidade de combinações possíveis entre os grãos se reduz drasticamente Qualquer mudança mínima um vento um passo em falso e o castelo desmorona Estamos nesse caso diante de um estado de baixa entropia onde pouquíssimos microestados são capazes de gerar esse macroado específico E aqui está a chave Se nada for feito para manter a ordem o castelo inevitavelmente voltará a ser apenas uma pilha de areia Isso porque por pura probabilidade é muito mais fácil e comum que as coisas estejam desorganizadas do que organizadas O universo na verdade não está conspirando para destruir a ordem Ele apenas segue as regras da estatística e nessas regras o caos sempre vence no longo prazo Claro é possível que o vento construa um castelo de areia sozinho mas as chances disso acontecer são tão pequenas que na prática é como se fosse impossível A ordem e o caos são conceitos humanos Para o universo o que importa é a probabilidade E tudo absolutamente tudo está sujeito à entropia Mas então como é que ainda existe vida em meio a tudo isso a resposta é poderosa A vida é uma rebelião contra a entropia No seu sentido mais profundo estar vivo significa lutar contra essa tendência natural ao desequilíbrio e a desorganização Há cerca de 3,8 bilhões de anos as primeiras moléculas orgânicas se organizaram nos oceanos primitivos da Terra criando estruturas capazes de manter uma ordem interna constante separada do caos lá fora Foi aí que aconteceu o milagre da vida Essas primeiras formas de vida deram origem às células verdadeiras fortalezas contra o avanço da entropia E desde então por bilhões de anos a vida tem resistido evoluindo em milhões de formas diferentes tudo com um objetivo comum: manter a ordem em um universo que insiste no contrário Ainda assim por mais que resistamos essa batalha tem um limite porque assim como somos prisioneiros da entropia também somos prisioneiros de outro dos grandes mistérios do cosmos o tempo Uma das perguntas mais intrigantes da física sempre foi: por que só experimentamos o tempo em uma direção as leis de Newton ou até mesmo as equações da mecânica quântica funcionam igualmente bem se invertermos o tempo Em tese nada impede que os eventos aconteçam de trás para frente E ainda assim na vida real o tempo só anda para a frente Por quê durante muito tempo a única pista vinha da teoria da relatividade de Einstein que tratava o tempo como uma quarta dimensão Mas mesmo assim ela não explicava porque o tempo nos leva sempre ao futuro e nunca ao passado Foi então que a termodinâmica nos deu uma resposta surpreendente O tempo na verdade é uma consequência da entropia 20 anos após o trágico falecimento de Bolzman suas ideias sobre a entropia finalmente conquistaram o respeito e a aceitação quase unânime da comunidade científica Passamos a entender que tudo absolutamente tudo no universo caminha naturalmente para o estado mais provável um estado termodinamicamente mais estável que do nosso ponto de vista se traduz como uma transição da ordem para o caos E foi nesse cenário que surgiu um dos cientistas mais influentes da primeira metade do século XX Alguém que mudou para sempre a forma como entendemos o tempo Seu nome Arthur Edington Astrofísico e filósofo britânico professor em Cambridge Edington enfrentava uma grande questão da física Por que o tempo parece ter uma direção nenhuma lei física da época conseguia explicar porque o tempo flui sempre para a frente E foi ele quem deu nome a um conceito que hoje é central para entendermos a realidade a flecha do tempo Edon sugeriu que o tempo é uma entidade linear contínua que começou sua marcha no momento do que mais tarde chamamos de Big Bang e que continua avançando ininterruptamente rumo ao fim do universo O mais revolucionário no entanto foi a conexão que ele estabeleceu A flecha do tempo está diretamente ligada à entropia Em outras palavras o tempo avança porque o universo está se tornando cada vez mais entrópico mais desorganizado O futuro é simplesmente o lado em que a entropia cresce Com isso surgiu uma ideia desconcertante E se o tempo não for uma dimensão absoluta ou um fluxo mágico mas apenas uma consequência estatística talvez o tempo seja somente uma sombra lançada pelo aumento da entropia um fenômeno emergente da tendência do universo a caminhar para o estado mais provável Essa visão abriu as portas para teorias que antes só habitavam o terreno da ficção científica E se um dia criássemos máquinas capazes de reverter a entropia se conseguíssemos forçar o universo a voltar atrás a diminuir sua desordem então teoricamente o tempo também começaria a fluir ao contrário Imagine um mundo onde as causas viriam depois das consequências onde o passado seria moldado pelo futuro e o futuro nada mais seia que um espelho do nosso passado Essas ideias paradoxais serviram para reforçar um ponto fundamental A tendência ao aumento da entropia funciona como um sistema de proteção do próprio universo Ela mantém a ordem do tempo intacta como uma muralha intransponível Quanto maior a entropia mais difícil é voltar atrás E é justamente essa assimetria essa impossibilidade de inverter o tempo que garante que tudo caminhe rumo ao destino final Quando enfim compreendemos a íntima relação entre entropia e tempo percebemos que Bolzman lá atrás já havia nos apontado para o fim inevitável de tudo Se o universo está sempre se encaminhando para estados de energia mínima então chegará um momento em que não haverá mais nada a acontecer um ponto em que a entropia atingirá seu máximo onde não será mais possível aumentar a desordem E portanto o tempo simplesmente deixará de existir Vamos agora imaginar esse cenário Estamos nas imediações de próxima Centaurei em um futuro incompreensivelmente distante A Terra já foi engolida pelo Sol há bilhões de anos mas essa estrela vizinha a mais próxima do antigo sistema solar ainda brilha Isso porque próxima a Centauri é uma anã vermelha um tipo de estrela tão pequena econômica que consome seu combustível de forma absurdamente lenta o que lhe garante uma longevidade estelar impressionante Enquanto isso todas as estrelas maiores como o nosso antigo sol já colapsaram há muito tempo Algumas viraram buracos negros outras deixaram apenas cinzas estelares mas nem mesmo as resistentes anãs vermelhas duram para sempre Vai chegar o dia em que próxima Centaure e todas as suas irmãs cósmicas começarão a se apagar uma a uma E quando não houver mais gás no universo para formar novas estrelas entramos na era do fim da luz a era do silêncio estelar A entropia está conduzindo o universo a um abismo silencioso rumo a um vazio cada vez mais frio e escuro onde somente o frágil brilho das últimas anãs brancas ainda será capaz de emitir luz em meio à escuridão cósmica Este momento é o que os cientistas chamam de Big Freeze o congelamento final a morte térmica do universo Quando o universo tiver cerca de 100 trilhões de anos as últimas estrelas irão se apagar E ironicamente esse momento marcará apenas o início da fase final de sua existência Ao longo de um tempo quase impossível de imaginar até mesmo as anãs brancas os núcleos resfriados do que um dia foram estrelas brilhantes vão se apagar por completo Essas estrelas antes quentes e densas se transformarão em anãs negras objetos tão frios e escuros que não emitem mais nenhuma luz visível E pouco a pouco numa escala de tempo que foge à nossa compreensão o universo começará a mergulhar numa noite eterna Os últimos fótons das últimas estrelas serão as derradeiras testemunhas de um cosmos que já foi cheio de luz Mas nem mesmo as anãs negras são eternas A pressão extrema que mantém seus átomos esmagados começará muito lentamente a se desfazer Elas começarão a evaporar liberando sua matéria em forma de radiação E no final não restará um único átomo de matéria em todo o universo Tudo o que um dia existiu galáxias estrelas planetas vida terá desaparecido O único legado visível serão partículas de radiação e alguns sobreviventes formidáveis Os buracos negros essas criaturas cósmicas os restos colapsados de estrelas que implodiram sob seu próprio peso dominarão um universo frio e vazio Eles serão os senhores silenciosos do espaço remanescentes escuros de um tempo em que a luz ainda existia E mesmo nesse universo quase morto seus encontros titânicos e colisões violentas serão os raros eventos capazes de nos lembrar que o cosmos de alguma forma ainda pulsa Mas nem mesmo os buracos negros podem escapar da entropia De acordo com a física quântica partículas virtuais surgem constantemente no horizonte de eventos de um buraco negro De cada par de partículas uma escapa a outra é tragada pela singularidade Esse processo proposto por Stephen Hawking é conhecido como radiação de Hawking E com o tempo muito muito tempo ele fará com que até os buracos negros se evaporem e morram lentamente Para se ter uma ideia essa evaporação levará mais tempo do que qualquer escala de tempo imaginável Estamos falando de números como 10 elevado a 100 anos possivelmente até mais Se você tentasse contar cada ano usando um átomo como marcador não existiriam átomos suficientes em todo o universo para completar essa contagem Se você quiser entender melhor a radiação de Hawking assista este vídeo Lá explicamos certinho este fenômeno E quando esse futuro finalmente chegar o que restará será somente radiação dispersa um mar de partículas com a mesma temperatura sem variação sem contraste sem mudança Neste ponto a entropia terá atingido o seu valor máximo e com ela o tempo deixará de fazer sentido final o tempo só pode ser medido quando há mudança E se tudo está eternamente igual não há mais como contar o tempo Depois de toda a grandiosa história do universo a jornada chegará ao fim Nenhum movimento nenhuma transformação nenhum som nenhuma luz um silêncio absoluto dominando tudo A flecha do tempo se apagará A entropia terá cumprido seu papel até o fim Arrastar tudo o que existiu rumo ao nada O destino final do universo e de tudo que um dia foi está selado nas leis mais fundamentais da natureza E esse destino é simplesmente o vazio absoluto Se você quer continuar explorando as maravilhas do universo com a gente aproveite para conhecer nossos ebooks o guia definitivo do sistema solar Neste ebook você terá acesso exclusivo a imagens incríveis e conhecimentos fascinantes sobre os nossos planetas vizinhos suas luas o sol e claro nossa casa a terra Combinando explicações acessíveis com visuais impressionantes esse guia foi cuidadosamente elaborado para proporcionar uma experiência de aprendizado imersiva Temos também o Explorando o Cosmos um guia para iniciantes em astronomia Se você está dando os primeiros passos no estudo do universo este book é perfeito para você Nele abordamos desde os fundamentos da astronomia até estrelas constelações galáxias e eventos astronômicos que fascinam a humanidade há séculos Os links para 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