DEMÔNIO DE MAXWELL E SUAS IMPLICAÇÕES NA 2º LEI DA TERMODINÂMICA

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FACULDADES NORDESTE - FANOR
ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
MÁRCIO LIMA DA SILVA – 13112789
DEMÔNIO DE MAXWELL E SUAS IMPLICAÇÕES NA 2º LEI DA TERMODINÂMICA
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO...........................................................................................03
2.DESENVOLVIMENTO................................................................................06
3.CONCLUSÃO............................................................................................09
4. REFERÊNCIAS BLIOGRAFICAS.................................................................10
1.INTRODUÇÃO
2º Lei da Termodinâmica
A segunda lei da termodinâmica envolve o funcionamento das máquinas térmicas, ou seja, situações em que o calor é transformado em outras formas de energia.
O estudo das máquinas térmicas deixou os físicos bastante intrigados com situações que não ocorriam de maneira esperada, mesmo não violando a Lei da conservação de Energia.
Uma dessas situações que não ocorriam era a passagem espontânea de calor de um corpo frio para um corpo quente, o que sempre ocorre é o inverso, passagem espontânea de calor de um corpo quente para um corpo frio. Alguém poderia citar o refrigerador como a passagem de calor da região fria para uma região quente, mas não é espontâneo, para que ocorra é necessária à utilização de um motor que realize o trabalho. A outra situação que não ocorre é a transformação integral de calor em trabalho. As máquinas térmicas trabalham utilizando duas fontes de temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviada a fonte fria. Não é possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho. Foram essas duas situação também chamadas de proibições que deram origem a segunda lei da termodinâmica:
O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio, o inverso só ocorre com a realização de trabalho e nenhuma máquina térmica que opera em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho.
Fazendo uma comparação entre a primeira e a segunda lei da termodinâmica, podemos dizer que enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.
James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell foi um dos maiores cientistas que já viveu, apontado como tal até mesmo pelo próprio Einstein. Maxwell era um cientista nato, suas contribuições ao mundo da física foram imensas, o que o fez um dos maiores físicos de todos os tempos. (SILVA, L, [s.d])
Porém, o que diferenciava Maxwell nesse aspecto da física, era sua habilidade em descrever a física através da matemática, pois seus conceitos físicos eram representados por teorias matemáticas precisas, teorias essas que até nos dias atuais permanecem intocáveis, tamanha a exatidão das mesmas. (ROCHA; RIBEIRO FILHO, 1999).
Maxwell elaborou diversas teorias no campo da física, sendo a sua mais famosa a teoria do eletromagnetismo, porém, apesar de seu campo de atuação ser a física, suas teorias tem ajudado diversas áreas, principalmente a matemática. (Silva, [s.d])
“Em seus trabalhos, Maxwell fez grande uso de modelos mecânicos desenvolvidos por Faraday e Thomson para representar os fenômenos eletromagnéticos” [...] Os fenômenos eletromagnéticos descritos por Maxwell podem ser considerados como uma das maiores teorias expostas por ele. (SILVA, PIETROCOLA, 2002, p.7)
De acordo com a J. C. M. Fundation [s.d], as teorias de Maxwell foram tão importantes que tiveram impacto em várias áreas, dentre elas:
Comunicação: suas teorias de eletricidade e magnetismo permitiram o descobrimento do uso de aplicações eletromagnéticas para transmissão de rádio, tv, posteriormente microondas e imagens térmicas;
Termodinâmica: foi um dos fundadores da teoria cinética dos gases, ligou a termodinâmica a mecânica, sendo sua teoria ainda hoje amplamente aceita;
Fotografia: Suas teorias sobre a percepção das cores e sua invenção do processo tricromático de cores permitiu o avanço nas fotografias até chegar à qualidade dos dias de hoje;
Engenharia: Maxwell foi o primeiro a mostrar como calcular tensões no arco emoldurado e pontes suspensas, foi também pioneiro no uso do controle de gabarito;
Energia nuclear: seus conceitos de eletromagnetismo foram a base para a teoria da relatividade de Einstein;
Matemática: Maxwell via os fenômenos em termos de relacionamentos que poderiam ser definidas por meio de equações, se necessário abandonar uma analogia física. Ele inventou o termo "onda" para o operador vetorial que aparece em suas equações de campo eletromagnético.
Em 1870 publicou o livro “A Teoria do Calor”, que dá forma final á termodinâmica moderna é será de grande influência na física do século XX, e em 1871 inventou o conceito de Demônio de Maxwell, para demonstrar que a segunda lei da termodinâmica, que diz que a entropia nunca decresce que tem um caráter estatístico. 
Neste artigo veremos como funciona o conceito de Demônios de Maxwell e sua importância na 2º Lei da Termodinâmica (utopia) 
2. DESENVOLVIMENTO 
 
O demônio de Maxwell surgiu da carta de Maxwell para Peter GuthrieTait EM 1867. Maxwell que provar uma “falha” na segunda lei, imaginando um processo onde moléculas poderiam ser processadas em um caráter individual para criar um gradiente microscópico de temperatura.
Maxwell, em seu livro “Teoria do Calor”, escreveu: dos melhores fatos estabelecidos na termodinâmica é que é impossível, em um sistema fechado, que não permite a mudança de volume nem a passagem de calor e que em ambas as temperatura e pressão são idênticas, produzir qualquer mudança de temperatura ou pressão sem o gasto de energia em forma de trabalho. Esta é a segunda lei da termodinâmica e é, sem dúvida, verdade enquanto se lida com corpos somente em massa, e não se tem o poder de perceber ou manipular as moléculas isoladamente dos quais são compostos. Mas se imaginar um ser cujas habilidades são tão precisas que ele pode acompanhar cada molécula no seu curso, esse ser, cujos atributos tão finitos quanto os nossos, seria capaz de fazer o que, no presente, é impossível para nós. Sabe-se que as moléculas em um reservatório cheio de ar à temperatura constante se movem com velocidades não uniformes, apesar da velocidade média de um grande número delas, escolhidas arbitrariamente, é quase exatamente uniforme. Agora imaginando que esse reservatório seja dividido em duas partes, A e B, por uma divisão na qual há um pequeno buraco e nele um ser que consegue ver moléculas individuais, abre e fecha o buraco, para permitir somente a passagem das moléculas mais rápidas de A para B, e as mais lentas de B para A. Ele vai, portanto, aumentar a temperatura de B e diminuir a de A, sem gasto de trabalho, em contradição à segunda lei da termodinâmica. 
 
 Essa é uma das situações em que as conclusões tiradas de experiências com corpos de grande quantidade de moléculas não podem ser aplicadas para observações mais delicadas e experimentos que se pode supor serem feitos por alguém que possa perceber e manipular moléculas individuais, as quais se tratam somente em grande quantidade de massa.
 Lidando com grandes quantidades de matéria, quando não se percebe as moléculas individuais, este compelido a adotar o que Maxwell descreveria como método estatístico de cálculo, e o abandono do método estritamente dinâmico, no qual se segue todo o movimento pelo cálculo.
 É interessante indagar quão longe essas idéias sobre natureza e métodos da ciência que derivaram de exemplos da investigação científica, na qual o método dinâmico é seguido, iriam. É aplicado ao conhecimento atual de coisas concretas que, como se pode ver, é de natureza estatística, pois ainda não se descobriu um método prático de traçar a trajetória de uma molécula, ou a identificarem tempos diferentes. 
Algumas considerações devem ser feitas sobre o demônio de Maxwell:
Está implícito que não somente um gradiente de temperatura é possível, mas também um gradiente de pressão. Este último não necessita de medição da velocidade por parte do demônio, ele simplesmente deixa as moléculas passar de um lado para o outro da porta, atuando, na verdade como um “gascheckvalve” (válvula de checagem de gás). Essa variação de pressão (ou temperatura) pode ser usada para realizar trabalho e, presumidamente, pode ser regenerado à vontade, portanto constituiria um perpetuum mobile do segundo tipo.
 Uma máquina de motor perpétuo de segundo tipo converte espontaneamente energia térmica em trabalho mecânico. Quando a energia térmica é equivalente ao trabalho realizado, não há violação da lei da conservação de energia. No entanto há violação da segunda lei da termodinâmica. Esta conversão de calor em trabalho útil, sem efeitos secundários, é impossível, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, pois não há transferência de calor de um reservatório quente para um reservatório frio.
Não é necessário que o demônio esteja vivo ou consciente; equipamentos inanimados dotados de faculdades de lógica seriam suficientes. Podem-se imaginar máquinas biomoleculares – capazes de reconhecer, ligar e transportar moléculas visadas – realizando todas as ações essenciais do demônio. Em uma carta ao Lord Rayleigh, Maxwell ressaltou: eu não vejo porque inteligência não poderia ser dispensada e a porta automatizada.
 Subseqüentemente houve vários debates sobre a possível existência de tal demônio se ele funcionaria como projetado. Recentemente, com o advento dos dispositivos nanomecânicos, houve a possibilidade de testar hipóteses fundamentais da termodinâmica e também o demônio de Maxwell em escala nanométrica foi revista.
Não se deve afirmar que a partir de seu texto, Maxwell tinha sérias intenções de derrubar a segunda lei; de fato, ele estava certo da sua versão estatística:
A segunda lei da termodinâmica tem o mesmo grau de verdade quanto à afirmação de que “se você jogar um copo de água no mar, você não pode pegar o mesmo copo de água do mar”. (Carta de Maxwell à J. W. Strutt em dezembro de 1870).
Maxwell era visionário o suficiente para realizar limitações na física do século XIX prevendo a possibilidade da segunda lei ser, um dia, violada. Isso fica evidente quando ele escreve: “Imaginamos um ser cujas faculdades… seria capaz de fazer o que, no presente é impossível para nós”. É duvidoso que ele pudesse imaginar que com a destreza da época atual, poderíamos manipular átomos individuais e partículas elementares
 
3. CONCLUSÃO
Observa-se o grande envolvimento de Maxwell na 2ª Lei da Termodinâmica, que através do seu conceito de “Demônios”, ao introduzir o “demônio” Maxwell ilustrou a natureza estatística da segunda Lei da Termodinâmica, sem a derrubá-la. A Lei perdurou por muitos anos, até o advento de equipamento capazes de manipular átomos individuais e partículas elementares. 
 
4. REFERÊNCIAS
SAMAPAIO\CALÇADA – física, volume único – 2ª edição– São Paulo, 2005, Atual Editora.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA – INFOESCOLA:
 http://www.infoescola.com/fisica/segunda-lei-da-termodinamica/
Acesso em: 22.11.2014
ARTIGO FISICO – QUIMICO – DEMÔNIO DE MAXWELL, PUC- Campinas, 2011, disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAetbQAD/artigo-fisico-quimica-demonio-maxwell
Acesso em: 22.11.2014
Fortaleza, Ceará
28 de novembro de 2014