Segunda Lei da Termodinâmica

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1Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
Termodinâmica
Curso de Engenharia Mecânica
2ª Lei da Termodinâmica - Entropia
Universidade do Oeste de Santa Catarina
Campus de Joaçaba
Prof. Cristiano M., MSc.
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2Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Pergunta:
É possível se mover nas duas direções do TEMPO ?
Ir para trás e para frente no TEMPO igualmente vamos
para trás e para frente no ESPAÇO ?
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3Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Não é possível afirmar que é IMPOSSÍVEL!!
É correto argumentar que é IMPROVÁVEL !!!
Por isso, vamos focar na questão do TEMPO…
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4Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Vamos pensar no seguinte desafio:
Um experimento é realizado na ordem normal e outro
é realizado de trás pra fente (processo reversível).
Experimento: Uma gota de corante se misturando com
água.
Pergunta-se, Qual a ordem correta ?
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2ª Lei da Termodinâmica
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2ª Lei da Termodinâmica
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7Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Pergunta-se, Qual a ordem correta que ocorreu o
experimento ?
A resposta mais óbvia é de que a ordem correta é do
EXPERIMENTO 1.
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8Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Pergunta-se, Qual a ordem correta que ocorreu o
experimento ?
A resposta mais óbvia é de que a ordem correta é do
EXPERIMENTO 1.
- Depois que a gota caiu na água será difícil o
corante se rearranjar novamente.
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9Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Mas se a resposta é tão óbvia assim,
Qual a ordem correta desse próximo experimento?
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10Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Nesse experimento, na verdade, não existe uma ordem
correta, tanto faz o sentido …
Nesse contexto surge um novo conceito:
DIRECIONALIDADE DO TEMPO
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11Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Pra contextualizar,
Vamos entender no que o TEMPO e ESPAÇO se
diferem e no que eles se assemelham.
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12Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Imagine que você é um astronauta e está no meio do espaço
sideral.
- Você pode não saber as coordenadas Norte, Sul, leste e
oeste….
- Mas, você sabe o sentido no qual o tempo flui, do
passado para o futuro.
- A noção de espaço se perde, mas a de tempo não se
perde.
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13Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Por que discutimos isso ?
A teoria da relatividade de Einstein, diz que
o tempo é a quarta dimensão, ou o espaço-tempo
quadri-dimensional…
Mas a ideia consiste em que o tempo é SOMENTE MAIS
UMA DIMENSÃO, como uma qualquer, assim como o
espaço.
Então, estamos inseridos nessa questão, espaço-tempo,
necessitando da coordenada temporal para nos localizar.
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2ª Lei da Termodinâmica
Para você se localizar no ESPAÇO(2D), você precisa de
coordenadas x e y, localizando um ponto.
Porém, no ESPAÇO-TEMPO, necessita-se da coordenada
temporal…
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15Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Para você se localizar no ESPAÇO(2D), você precisa de
coordenadas x e y, localizando um ponto.
Porém, no ESPAÇO-TEMPO, necessita-se da coordenada
temporal…
Se você marca um encontro com alguém, precisa conhecer as
coordenadas x e y, na hora t !!!
- Temos 3 coordenadas pra localizar
um evento : ( x, y, t )
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16Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Mas,
No eixo x, eu posso se movimentar com liberdade, para frente ou
para trás… (positivo ou negativo), e em y também (para cima e
para baixo)…
Mas e no eixo do TEMPO ? Não temos essa liberdade ainda…
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17Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Mas,
No eixo x, eu posso se movimentar com liberdade, para frente ou
para trás… (positivo ou negativo), e em y também (para cima e
para baixo)…
Mas e no eixo do TEMPO ? Não temos essa liberdade ainda…
- Ele é unidirecional...
- Segue apenas uma direção…
- Só flui do passado para o futuro…
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18Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Mas afinal, onde queremos chegar ?
O que isso envolve a 2ªLei ?
Isso chama-se na verdade SIMETRIA TEMPORAL !!
Em outras palavras,
O EXPERIMENTO 1 e 2, são REVERSÍVEIS NO TEMPO…
Se você inverter a situação, chegará no mesmo resultado. É dito
REVERSÍVEL.
A física do problema é a mesma nos dois casos.
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19Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
As leis da Mecânica Clássica:
- Gravitação
- Leis de Newton
- E outras leis
- Possuem SIMETRIA TEMPORAL !!
- São REVERSÍVEIS NO TEMPO !!
- Não diferenciam o passado do futuro !!
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20Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
No entanto, surge a pergunta,
-Porque no Experimento 2 da gota de corante se reagrupando nos
parece um pouco estranho ? Por que isso é IMPROVÁVEL?
-Porque pode-se imaginar que é fisicamente IMPOSSÍVEL ?
-Porque não é possível unir novamente todas as partículas de
corante em uma única gota ?
-Se as leis da física são reversíveis no tempo, porque não ocorre
isso ?
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21Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Sim, deveria.
Na verdade é correto.
Se você pegar cada molécula do corante e inverter a
velocidade, o movimento vai ser exatamente o oposto, do que
acontece na ordem que nós observamos.
Será o movimento das partículas se reagrupando.
E sim, será fisicamente possível que isso aconteça.
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22Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei daTermodinâmica
O que determina se isso acontece ou não é uma questão de
PROBABILIDADE
A gota de corante possui milhões de moléculas, cada uma com
sua velocidade, direção para qualquer lado, etc..
Na prática, para que isso aconteça, cada uma dessas milhões de
moléculas INVERTESSEM SIMULTANEAMENTE O
SENTIDO DAS VELOCIDADES ….
ISSO É ALTAMENTE IMPROVÁVEL…
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23Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Se você jogar uma moeda 1000 vezes, qual a probabilidade da
moeda “resultar” em “cara” 1000 vezes consecutivas ?
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24Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Se você jogar uma moeda 1000 vezes, qual a probabilidade da
moeda “dar” “cara” 1000 vezes consecutivas ?
Matematicamente isso é possível, mas a probabilidade é :
Porém, é altamente
IMPROVÁVEL !
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25Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
No contexto físico, acontece o mesmo.
- Porém algumas situações são tão improváveis que nunca
veremos acontecer.
- Essa diferença probabilística nos leva a um novo conceito de
uma Lei Física.
- Essa Lei física vai nos mostrar porque nunca veremos
acontecer na prática o Experimento inverso da gota de
corante.
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26Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Este é o conceito de ENTROPIA.
Da Segunda Lei da Termodinâmica !!!
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27Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Este é o conceito de ENTROPIA.
Da Segunda Lei da Termodinâmica !!!
Entropia = Desordem de um sistema…
A entropia de um sistema tende sempre a aumentar, ou seja,
a desordem, a bagunça, a desorganização, de um sistema tende
sempre a aumentar.
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28Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
Para que esse experimento fosse possível de ocorrer, a
entropia teria que DIMINUIR, o que é improvável.
Os movimentos naturais sempre acontecem no sentido do
aumento da ENTROPIA, que a desordem aumente… e não
diminua.
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29Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
- A segunda lei da Termodinâmica tem um caráter não
DETERMINÍSTICO, como a 2ª lei de Newton (F=m.a).
- A segunda Lei da Termodinâmica tem um caráter
PROBABILÍSTICO.
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30Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
- A segunda lei da Termodinâmica tem um caráter não
DETERMINÍSTICO, como a 2ª lei de Newton (F=m.a).
- A segunda Lei da Termodinâmica tem um caráter
PROBABILÍSTICO.
- A entropia de um sistema aumenta, mas na verdade, diz-se
que a entropia tende a aumentar.
- Na verdade então, o que impede de você observar o
experimento da gota de corante ao contrário é a
PROBABILIDADE.
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31Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
- Um sistema tem sempre mais probabilidade de ir para um
estado desordenado do que ordenado.
- A entropia representa uma tendência que
probabilisticamente falando irá sempre dominar, quando
estivermos estudando um sistema, porque os movimentos que
acontecem a diminuição da desordem são altamente
improváveis.
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32Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
- A tendência natural dos fenômenos e processos é de desordem,
bagunça e desorganização.
- Surge o conceito também de uma seta do tempo !!
- Que nos diz que o futuro é a direção no qual a entropia tende
a aumentar.
- Ou seja, a 2ª da Termo está ligada ao conceito de TEMPO.
- A 2ª Lei nos mostra situações que em uma determinada
ordem na prática não é provável de acontecer…
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33Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
A ENTROPIA nos impede de “andar no tempo”…
A ENTROPIA do universo tende sempre a AUMENTAR…
É por isso que nós ficamos mais velhos e não mais novos…
O Gelo(menor entropia) torna-se água líquida naturalmente.
A desordem ou a bagunça acontece naturalmente na sua casa…
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34Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
A diferença entre passado e futuro é uma mera questão de
probabilidade.
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35Curso de Engenharia Mecânica - Prof. Cristiano Meneghini, MSc.
2ª Lei da Termodinâmica
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