sexta-feira, 17 de abril de 2015

2.2 Na perspectiva da Mecânica Estatística

  A entropia originalmente encontrou seu lugar na termodinâmica, entretanto sua importância cresceu acentuadamente à medida que o campo da física chamado mecânica estatística [1] desenvolveu-se. Esse campo da física forneceu uma maneira alternativa de interpretar a entropia, pois o comportamento de uma substância é descrito em termos do comportamento estatístico de seu grande número de átomos e moléculas. Para Borges (1999, p. 456), “O objetivo da mecânica estatística é calcular propriedades macroscópicas a partir de informações microscópicas.”
Além da mecânica estatística, a Teoria Cinética dos Gases (TCG) [2] também contribuiu para uma nova interpretação do conceito de entropia e um dos principais resultados dessa teoria é o princípio da equipartição da energia no qual é estabelecido que

Em sistemas isolados a energia se distribuí de maneira igual entre seus diversos graus de liberdade [3] e a entropia mede essa distribuição da energia.

Para analisar o princípio da equipartição da energia, vamos considerar um exemplo simples de processos macroscópicos irreversíveis e examinar sua descrição microscópica. Considere um recipiente fechado dividido em duas partes iguais por uma partição (Figura 1). Para um t < 0, fez-se vácuo a direita da partição e há um gás em equilíbrio térmico à esquerda. Para t = 0, a partição é removida. Num instante posterior (Figura (1c)), o gás terá começado a difundir-se para o recipiente da direita. Finalmente, para tempos maiores, será atingido novo estado de equilíbrio térmico com o gás difundido uniformemente por todo o recipiente (Figura (1d)).

Figura 1. Esquema de uma processo irreversível.



Esse processo é irreversível, ou seja, a sequência inversa não ocorra espontaneamente, da Figura (1d) para a Figura (1b) [4]
Como destaca Nussenzveig (2002), “considerando a Lei de Conservação da Energia seria possível reverter o processo, desde que houvesse a inversão da velocidade de todas as moléculas do gás, pois, a rigor, não há nenhum Princípio ou regra teórica que justifique essa impossibilidade.” Contudo, como aponta Nussenzveig, apesar das Leis da Mecânica não apresentarem argumentos que impossibilitem a reversão do processo, isso seria muito improvável, tendo em vista a baixa probabilidade de restituirmos às condições iniciais um número elevado de moléculas.




[1] A Teoria Cinética do Gases é uma teoria microscópica em que as leis da Mecânica Newtoniana são consideradas verdadeiras em escala molecular. Mas como uma amostra de gás é descrita como composta de um número extremamente grande de partículas, não podemos pretender especificar as posições e as velocidades de cada uma dessas partículas e tentar aplicar as leis de Newton para calcular os valores individuais das grandezas físicas de interesse. Ao invés disso, usamos procedimentos estatísticos para calcular valores médios. De qualquer forma, o que medimos experimentalmente são valores médios e os resultados da teoria concordam muito bem com os dados experimentais.

[2] A mecânica estatística é um ramo da física que estuda os sistemas físicos compostos por um elevado número de partículas, em que são aplicados métodos estatísticos a essas mesmas partículas, com o objetivo de possibilitar um prognóstico das suas propriedades macroscópicas. Além disso, ela permite, com um número limitado de equações, relacionar variáveis de interesse prático. Este problema se fosse desenvolvido por métodos newtonianos, conduziria a um número ilimitado de equações.
[3] Grau de liberdade corresponde a uma variável necessária para descrever o sistema, sendo independe um grau de liberdade do outro. Por exemplo, analisando um gás monoatômico, esses graus são devido à translação, rotação e vibração.
[4] Os vídeos 1, 2 e 3 assistidos anteriormente retratam de maneira concreta a irreversibilidade  que ocorre na figura 5.

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