“Entropia”…a ‘Termodinâmica do Equilíbrio’

“É muito mais provável que uma coleção de átomos, com cada um se movendo de forma aleatória alcance um ‘estado desordenado‘… – do que uma configuração organizada; simplesmente…porque há um número muito maior de estados desordenados. É por isso que o estado de equilíbrio é desordenado, pela improbabilidade que o sistema por si próprio, o reverta a uma configuração mais ordenada” (Lee Smolin, ‘A Vida do Cosmos’)a.Question.of.Balance O que são fenômenos térmicos? O que é temperatura? O que se entende por calor? O que se entende por energia? E, por energia interna? Quais são as formas de transformação da energia?… – Sabe-se o que é ‘matéria’ – mas como se identifica a interação entre ‘objetos materiais’? O que caracteriza um estado, ou uma ‘mudança de estado’? Quando sistemas físicos estão em equilíbrio…e como este se estabelece? Afinal, o que são sistemas físicos?

Termodinâmica, uma  ‘teoria fenomenológica’ 

O conceito termodinâmico de… “estado“… – refere-se à descrição imediata de um “objeto material” em termos dos valores de suas “propriedades. – Implicitamente, tais conceitos recorrem à noções fundamentais como tempo, espaço, matéria, substância e temperatura.  No âmbito macroscópico, a Termodinâmica, assim como as demais ciências de base experimental, investiga ‘transformações’… constatadas mediante observação de atributos mensuráveis de objetos materiais… – correspondentes a noções fundamentais a priori ou derivados destas. – Já em termos microscópicos, a ‘termodinâmica‘ recorre a modelos representativos da constituição mais elementar da matéria, cujos atributos fundamentais também correspondentes a noções a priori; não sendo entretanto acessíveis à observação.

A teoria da Termodinâmica a ser aqui apresentada é de natureza fenomenológica; se restringindo ao âmbito macroscópico da representação dos fenômenos. Mas, o que isto significa?.. Qual o propósito de uma tal teoria?.. Propõe-se ela a explicar, descrever, ou classificar fatos da experiência?…Qual natureza de análise que essa teoria proporciona?

Com base na observação sistemática de fatos experimentais; uma ‘teoria fenomenológica’,  condicionada pelos dados particulares de sua ‘base empírica‘, e pelos métodos utilizados para obtê-los, propõe modelos macroscópicos de representação que evidenciam aspectos de determinada classe de fenômenos existentes na natureza. Sobre tal base empírica, via de regra, procede-se a uma ‘generalização‘… de modo que, nem todos atributos de seu modelo de representação precisam ser diretamente mensuráveis, ou mesmo observáveis.

Mediante procedimentos “estatístico-probabilísticos”…estipulando – na média…o efeito macroscopicamente observável a partir de numerosas coleções de micro-eventos, obtém-se uma ‘representação macroscópica‘…do âmbito micro’. Mas, o problema é que ao assim propor tal ‘representação’… a ‘teoria fenomenológica’ deixa de lidar com questões fundamentais, do tipo…causal…(por quê?)… e, do tipo…determinista… (o que é?).

Efetivamente, uma “teoria fenomenológica não procede apenas à descrição e classificação dos fenômenos. Ela deve ter certas capacidades analíticas…ao menos                a de estabelecer ‘relações entre observáveis’; bem como a de “prever” resultados e comportamentos a partir das condições iniciais dadas. O seu formalismo analítico desenvolve-se como uma articulação lógico-dedutiva de conceitos…hipóteses, convenções e correlações, supostas ou inferidas entre atributos…que ao descrever        assim um fenômeno – o explica. Nas ciências naturais, por exemplo…uma teoria fenomenológica configura a aplicação de um modelo matemático ao fenômeno.

“Leis termodinâmicas” 

A questão da qual a Termodinâmica nasceu…não concerne à natureza do calor… ou, da sua ação sobre corpos, mas ao uso dessa ação… Trata-se de saber em que condições poderia… o calor…produzir uma ação mecânica, como deslocar um corpo ou acionar um motor. A partir desta questão, a Termodinâmica desenvolveu-se em  uma estrutura conceitual, de ampla validade, baseada em 2 princípios-síntese, conhecidos por 1ª e leis termodinâmicas. Esses princípios expressam e postulam – como universais, observações empíricas relativas às ‘transformações’ termoquímicas e termofísicas, advindas de ‘interações recíprocas’  entre objetos materiais; tendo seus fundamentos formulados em termos fenomenológicos.

As noções de “transformação” e “interação” são essenciais à formulação dos princípios termodinâmicos, porém seus significados são algo mais específicos, que seu entendimento comum. Em ‘termos fenomenológicos’, diz-se que – ocorre uma transformação‘ em um  objeto material, sempre que há uma variação em seus ‘atributos observáveis‘… – já em ‘termos quantitativos’…ocorre quando variam valores de seus ‘atributos mensuráveis‘.  Por outro lado, ocorre ‘interação‘ entre objetos materiais…se a transformação num deles é origem, ou efeito da transformação que nos outros se sucedem. – A noção de interação portanto, implica – como exigência lógica, uma relação de “causa & efeito” entre suas sucessivas transformações.

Há duas importantes considerações referentes à natureza dessas relações causais… A 1ª  concerne ao “determinismo“… – Uma relação de “causa & efeito” é suscetível de tratamento cientifico apenas se as mesmas causas produzirem, sempre…os mesmos efeitos… — Ou seja…repetidas as mesmas condições…iniciais e circunstancias, de uma interação entre objetos materiais… – ‘sempre‘…ocorrerem as mesmas transformações.

A 2ª consideração se refere à constatação de que a sucessão dos eventos constituintes de um fenômeno macroscópico não é integralmente reversívelou seja – é impossível inverter o sentido de todas interações, de modo a reverter integralmente suas correlatas transformações. Portanto causa e efeito não são arbitrariamente permutáveis, e assim:

‘Relações causais subjacentes a fenômenos                            macroscópicos reais … – são assimétricas’.

Os “princípios-síntese” são enunciados, com base nestes significados. – O 1º deles…a 1ª Lei Termodinâmica…  subentende que as interações entre objetos materiais sejam submetidas à… “continuidade qualitativa”… — e “permanência quantitativa”  Este é o famoso princípio da “conservação da energia“, ou seja, considerados todos objetos envolvidos em determinado conjunto de interações (transferências de energia entre objetos materiais)o valor total da energia permanece sempre constante. 

Segunda lei termodinâmica

O 2º principio…ou 2ª Lei Termodinâmica, expressa a noção de uma evolução qualitativa; interações criam transformações definitivas e irreversíveis sobre o conjunto dos objetos participantes – desse modo…já não é possível recuperar totalmente…o ‘status quo‘ anterior.  Em termos quantitativos… o princípio afirma que…”considerados todos objetos envolvidos,  sempre cresce o valor total da … “entropia“. 

Métodos e modelos termodinâmicos                                                                        O modelo de um fenômeno é…em geral, uma articulação coerente dos elementos de modelos particulares, que formulada como representação geral, se constitui teoria. 

A maioria das ciências naturais opera conceitos termodinâmicos. Certamente dentre as principais razões do amplo emprego desses conceitos encontram-se o papel unificador desempenhado pelo postulado de conservação da energiae menos explicito, o papel ordenador desempenhado pelo…‘crescimento global da entropiaem sua função de restringir o decurso possível das transformações. – No domínio da teoria termodinâmica,  diversas metologias evoluíram – por aplicações especificas, de interação e transformação. Com base nisso, sumariamente, a Termodinâmica poderia se classificar entre fenômenos termomecânicos (geração da luz/calor); termoquímicos (transformação da matéria, pelo calor); e fenômenos de propagação do calor…tema da Teoria Cinética dos Gases

Há, portanto, varias versões da  Termodinâmica, com cada uma delas adotando uma sintaxe particular…e, um conjunto próprio de conceitos – com os quais formula uma representação de fenômenos. Cada representação explica esses fenômenos…e, ainda      prevê seus efeitos. Sua formulação é baseada numa hipótese fundamental…expressa mediante noções a priori…tais como…matéria, espaço/tempo, corpúsculo/onda, etc.

Em algumas destas versões, a Termodinâmica inter-relaciona significados conceituais de distintas ciências – tais como as físicas quântica e relativística… para dar uma explicação fundamental de ‘irreversibilidade’, com base no principio do aumento da entropia. Dessa forma é de se notar a teoria da emissão de “radiação de Hawking”…por “buracos negros”.    Além do que, nos contextos particulares da física, cosmologia e astrofísica, bem como da química e biociências…versões se aplicam a sistemas macroscópicos…ou, microscópicos.

Não obstante ser uma abstração conceitual não inteiramente realizável, ou suscetível de verificação, o modelo de uma “teoria fenomenológica” deve ser suficientemente geral,    ao descrever relações comuns, permanentes às ocorrências do fenômeno; e detalhado,  para retratar cada uma destas ocorrências. Também deve ser suficientemente simples,  para admitir um “tratamento matemático”; e suficientemente próximo da realidade, para ser útil. — A satisfação desses requisitos é essencial para que uma teoria cumpra suas principais funções – qual seja…possibilitar a dedução de relações entre atributos      do objeto; e destes a atributos externos – permitindo assim a elaboração de previsões  quantitativamente verificáveis; e a interpretação destes resultados…àquelas relações.

Assinale-se também que a previsão e reprodução desses resultados         são expressões, respectivamente, do pressuposto e confirmação de haver relações causais nas interações entre o objeto e o seu exterior.

http://www.youtube.com/watch?v=_bR8cuA3e3UModelos…’contínuo x discreto

Tempo e espaço são noções a priori, autônomas e indefiníveis. O tempo é apreendido … como uma sucessão contínua e ordenada de instantes; e o espaço – como uma distribuição continua de locais. – Assim, ambos  são indefinidamente divisíveis.

Apoiando-se nas mesmas concepções de tempo e espaço… – os modelos do continuum e corpuscular são as representações mais intuitivas dos ‘fenômenos naturais’. A diferença básica entre os 2 modelos é a forma de representar a matéria… No modelo continuum, a matéria encontra-se uniformemente distribuída por toda a extensão do espaço – ocupado por um objeto material. Interações entre objetos materiais dão-se por contato direto, ou por ação à distância. – Cada objeto cria no seu entorno um ou vários ‘campos espaciais contínuos‘… – que são os agentes de suas “interações a distancia”…com outros objetos.

O modelo do continuum é naturalmente apropriado para descrever fenômenos de escalas macroscópicas – grosso modo…entendidos como aqueles sujeitos à percepção sensorial humana… eventualmente amplificada por meio de instrumentos analógicos,     tais como microscópios ou telescópios óticos…em que suas lentes amplificam os efeitos de fenômenos – que por sua pouca intensidade… não seriam percebidos como imagens à experiência imediata da ‘observação direta’.

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Os limites inferiores, típicos de escalas espacial    e temporal macroscópicas — são comprimentos da ordem de 10e-6 metros… e, intervalos de tempo da ordem de…10e-7 segundos… — enquanto que … os limites superiores são dimensões astronômicas.  As teorias termodinâmicas baseadas nesse modelo, se definem como versões de uma “Termodinâmica do Continuum”… ou, Termodinâmica Clássica.

Já para o modelo corpuscular, a matéria é constituída por partículas ou corpúsculos discretamente distribuídos no espaço.  — Objetos materiais macroscópicos são coleções numerosas de partículas microscópicas. – ‘Fenômenos macroscópicos‘ resultam de interações microscópicas entre campos potenciais conservativos gerados das partículas constituintes em cada objeto. O grande nº de interações simultâneas e recíprocas entre partículas, torna a descrição do seu comportamento coletivo um problema matemático    muito complexo — simplificado pela aplicação de “métodos estatístico-probabilísticos”.  

HARTFORD, CT - UNDATED: Illustrated image of a marrow cavity where Hematopoietic stem cells are found inside human body by animation studio XVIVO in Hartford, Connecticut. These cells are multipotent stem cells, blood stem cells that give rise to all cell types in the myeloid and lymphoid line. Through a process known as hematopoiesis these cells mature into white blood cells (which protect us from infection), red blood cells (which carry oxygen to the cells in our bodies), and platelets (which help curb bleeding after injury). Like an image from the latest science fiction movie, these dazzling pictures look like a glimpse into an alien world. But in fact they offer a stunning close up of life inside the HUMAN body - some as close as 10,000,000 times magnification. The stunning 3D images are taken from animations that show our inner workings at some of the most vivid and detailed levels ever seen - brought to colourful life by an animators in a new project aimed at helping students and scientists understand the body in new ways. Animation studio XVIVO, from Connecticut, complied the collection for institutions like Harvard, Pfizer, and the United States Department of Defence. They used replications of electron micrographs, medical illustrations and photos to recreate snapshots of parts of the body at a molecular level. Included on the pictures are magnified images of the inner ear, bone marrow and a protective structure inside the gastrointestinal tract. Although the project used real data, the equipment used to produce the microscopic imagery produces no colour, so the illustrators added their own shades, tints and tones. PHOTOGRAPH BY XVIVO / Barcroft USA UK Office, London. T +44 845 370 2233 W www.barcroftmedia.com USA Office, New York City. T +1 212 796 2458 W www.barcroftusa.com Indian Office, Delhi. T +91 11 4053 2429 W www.barcroftindia.com

Imagem de uma cavidade de medula onde células-tronco são encontradas no corpo humano. Como se fossem parte do mais recente filme de ficção científica, esta imagem deslumbrante se parece com o vislumbre de um mundo alienígena. Mas, na verdade, ela oferece uma impressionante visão da vida dentro do corpo humano – tão perto quanto uma ampliação de 10 milhões de vezes. (CRÉDITO: Estúdio de Animação Hartford, Connecticut – XVIVO/USA)

O comportamento coletivo de partículas, passa então, a ser descrito em termos de expectativas médias (valores esperados de seus atributos, e parâmetros globais).  As interações microscópicas por sua vez não são susceptíveis de observação e, medição diretas. As imagens produzidas em microscópios eletrônicos se originam de transformações operadas em modelos físico-matemáticos…baseadas em efeitos não perceptíveis em imagens… tratando-se portanto de… – instrumentos digitaisTeorias termodinâmicas baseadas nesse modelo são extensões da Teoria Cinética dos Gases – se definindo como…versões de uma ‘Termodinâmica Estatística.

A Termodinâmica do Continuum, e a Termodinâmica Estatística, são estruturas teóricas autônomas, baseadas em concepções de representação da natureza mútua e excludentes.  O continuum é indefinidamente divisível, o corpúsculo não o é. No modelo continuum,  ‘interações‘ dão-se entre objetos materiais… – e ‘transformações‘ são interações que ocorrem entre partículas constituintes de um mesmo objeto…no interior destes. — Já no modelo corpuscular, a interação se dá entre partículas de objetos materiais distintos.

Não obstante, submetidos à verificação experimental, há situações em que se sobrepõem os domínios de validade desses modelos — ou seja — são, essencialmente coincidentes os resultados obtidos a partir de cada concepção…  Tipicamente, esse é o caso da descrição do comportamento de objetos que encerram pelo menos…cerca de 10e²³ partículas/mol, submetidos aos efeitos dos campos gravitacionais de baixa … ou moderada intensidade.

“Termodinâmica Relativística”                                                                                        Esse modelo descreve fenômenos em escalas astronômicas… que chegam                            até 10e¹º anos (idade do universo), e 10e²6 metros (horizonte de eventos)“.

O modelo clássico do ‘continuum‘ falha ao descrever fenômenos cuja velocidade característica v aproxima-se da velocidade da luz (c)…e quando é muito intensa a influencia de campos gravitacionais. Entre previsão e medição surgem diferenças              da ordem de (v/c). Nestas condições…o modelo de representação mais adequado              reflete a concepção de um “continuum espaçotempo”, que se deforma à presença                  da matéria. Tempo e espaço não são independentes…a velocidade da luz (‘c‘)…no          vácuo é um limite finito e invariante; ‘perturbações‘ de campos eletromagnéticos,          “não se propagam instantaneamente”; no vácuo, o fazem à mesma velocidade (c).

“Termodinâmica Quântica”                                                                                Determinismo quântico” refere-se a…”estados quânticos”… – isto é…à                        probabilidade da ocorrência de um dado estado, num campo quântico.

Por outro lado, o modelo corpuscular (estatístico-probabilístico) falha ao lidar com fenômenos microscópicos envolvendo quantidades materiais em escalas atômicas, ou subatômicas. A média de velocidade desses fenômenos é também próxima à da luz. – Sem ‘estabilidade da matéria’, mas com dualidade ‘corpúsculo-onda‘, dominam os  “efeitos quânticos… – Se no ‘modelo corpuscular’… – o “comportamento coletivo global” das partículas é descrito em termos estatístico/probabilísticos, uma ‘natureza      dual’ da matéria, agora implica que esta tem… – em seu nível mais fundamental uma intrínseca representação probabilística; assim chamada ‘determinismo quântico‘.

Nos termos desta concepção…é possível determinar a probabilidade da ocorrência de      um certo acontecimento no futuro; mas não qual futuro (estado do sistema) ocorrerá.    Pela representação determinística clássica, ou “laplaciana“, por sua vez… é possível conhecer o estado de um sistema numa situação arbitrária do futuro, ou passado, se conhecido o seu ‘estado particular‘ … imerso em uma situação ordinária qualquer. 

Relatividade x Quântica (e seus limites)

Escalas espaciais temporais independentes,    e quantidades invariantes de matéria … são próprias de “representações absolutas”…do espaço, tempo e matéria. Para o “conceito relativístico“, ambos, espaço e tempo são dependentes e relativos. — Já no “modelo quântico“… perde sentido a concepção de uma natureza estável da matéria. Contudo,    é numa velocidade da luz constante, que se oculta a real natureza, do espaço…e tempo, assim como, minúsculos comprimentos de onda da matéria ocultam sua “natureza ondulatória”. Por esta razão, para a maioria dos ‘fenômenos cotidianos’ modelos relativísticos e quânticos preveem efeitos similares aos previstos por formais representações macroscópicas, e microscópicas, respectivamente.

Efeitos quânticos e relativísticos também têm importância equivalente em fenômenos que ocorrem em escalas da ordem de 10e-²º vezes o tamanho do núcleo atômico… – ordem de grandeza do chamado comprimento de Planck – cujo valor é dado por 1/2 ( ћ G / c³) onde c e G representam, respectivamente, a velocidade da luz, e a constante gravitacional, características da relatividade geral… — e ћ a constante de Planck…da mecânica quântica.

Além disso… existem alguns fenômenos apropriadamente explicados pelos 2 modelos.    Por exemplo…é um efeito relativístico que a atração gravitacional gerada por enormes quantidades de matéria a encerre em espaços reduzidos ao extremo. — Por outro lado,    são efeitos quânticos… – o intenso aquecimento resultante…e a respectiva emissão de radiação. Tal é a situação limite da intensa contração de estrelas/nebulosas a espaços ínfimos, e sua subsequente explosão…quando a radiação emitida se dissipa no espaço.

No entanto, em essência…pode-se dizer que o modelo do continuum espaçotempo… e o modelo quântico são representações da natureza incompatíveis entre si… – Enquanto o modelo relativístico na situação limite de ausência material, admite um espaçotempo plano e uniforme… – pelo modelo quântico, o vácuo não é vazio absoluto, pois nele há  “flutuações quânticas” … em contínua “criação/destruição” de partículas (virtuais).

Conservação, Evolução & Irreversibilidade                                                      “Enquanto a ‘conservação de energia‘ é um principio geral… não suscetível de demonstração (tanto fenomenologicamente, como no contexto de representações fundamentais); o ‘crescimento da entropia‘ também representa um principio            geral – não demonstrável como fenômeno… – mas…cuja explicação fundamental          cogita-se se encontrar na unificação quântico/relativística”.

termodinâmica

Segunda lei da Termodinâmica. Aumento da Entropia. Degradação da Energia. Aumento da desordem (em caso de sistema fechado)

As atuais “representações” dos ‘fenômenos termodinâmicos’… além de lidarem com conceitos e variáveis como…”energia” e “entropia“… – originalmente formulados para…”fenômenos macroscópicos”, mantêm seus  “princípios-síntese“…então estabelecidos, conforme bases fenomenológicas…válidos nos modelos daqueles ‘fenômenos fundamentais’…para escalas… macro…e microscópicas

As 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica (conservação da energia e entropia crescente) são designadas princípios-síntese porque expressam, no âmbito macroscópico, requisitos gerais, ou melhor…’universais‘…a que se submetem todos fenômenos termofísicos, ou termoquímicos… – noções de permanência/continuidade…irreversibilidade/evolução.

Os 2 primeiros atributos (permanência/continuidade) são a essência do ‘princípio de conservação das quantidades matéria e energia… independentemente tratados na Termodinâmica Clássica do Continuum…e Termodinâmica Estatística – e de forma única nas Termodinâmicas Relativística e Quântica…Os outros 2 termos (evolução/ irreversibilidade) guiam o “princípio do aumento da entropia“…que condiciona o decurso das transformações…e a direção das interações – impossíveis de implicarem o restabelecimento integral do status quo anterior… sob processos evoluindo ao passado.

Significado análogo pode ser dado ao postulado da ‘teoria da relatividade’ – de que a velocidade da luz do vácuo é a máxima possível…pois, se houvesse velocidade maior, sinais de luz poderiam ser ultrapassados, e se voltaria ao passado… Há porém,           uma importante distinção. Se no caso termodinâmico o postulado refere-se à uma impossibilidade de evolução ao passado; no caso ‘relativístico‘, é a impossibilidade         de sua observação. Esta é a noção de irreversibilidade, mas também de evolução, porque em certo sentido, dentre as possíveis transformações estão aquelas das quais resulta a eventual emergência de organizações e estruturas materiais…cada vez mais complexas – tal como sucede em processos bioquímicos e biofísicos…Noutro sentido porém esta noção é de perda, pois implica numa tendência à extinção inexorável da capacidade de transformação; já que a cada etapa; em sistemas fechados, e isolados          de seu exterior, reduz-se o ‘potencial-motriz‘ – necessário para ulteriores mudanças. 

Da perspectiva macroscópica, a irreversibilidade é uma condição real, e inevitável da ocorrência dos fenômenos. Em todos eles, podem ser diferenciadas situações ‘anteriores’ das situações ‘posteriores’, explicitando a assimetria do decurso do tempo…sempre do passado para o futuro. – Contudo, mediante a escolha apropriada de alguns parâmetros, dentre os quais… – as ‘dimensões’ do espaço observado – o ‘período de observação’…e a precisão e acuidade da medida… – é possível, em certo sentido…ter um fenômeno como reversível… – Questiona-se assim, se a irreversibilidade não seria apenas uma limitação circunstancial da representação macroscópica de ‘fenômenos microscópicos complexos’.

Mais especificamente… – indaga-se se seria tão somente efeito macroscópico aparente, de uma complexa multi-ocorrência para um grande nº de micro-interações de ‘campos conservativos’;  posto que, sob a ação de campos conservativos, todo sistema arbitrariamente, poderia retornar  a uma situação próxima da inicial; mesmo que este retorno seja improvável ou demore muito.  E, neste caso…sendo interações microscópicas necessariamente reversíveis, simétricas a uma inversão temporal; quais são os fenômenos de efeito irreversível?…O que é irreversibilidade?

Sendo impossível obter-se uma macro-representação dos efeitos irreversíveis, somente como consequência matematicamente deduzida da aplicação de operadores estatístico-probabilísticos sobre campos conservativos… — a conclusão é que não pode haver uma rigorosa dedução estatístico-matemática das equações ‘macroscópicas irreversíveis’…a partir das equações dinâmicas ‘microscópicas reversíveis’. Portanto, para que modelos corpusculares possam representar ‘fatos reais‘…a “irreversibilidade” lhes deve ser incorporada como um postulado passível de “observação”. – O que acaba por dar-lhes, pelo menos em parte, um caráter fenomenológico; com a singularidade de reduzir        o princípio do aumento da entropia…a um postulado ‘ad hoc‘… – O que pode ter importância prática – mas, fundamentalmente… pouco valor descritivo ou explicativo.

A ‘teoria fenomenológica’ dos objetos observáveis                                                        O insumo próprio de uma teoria fenomenológica é a experiência imediata,                          a ‘observação‘. – Ela não cogita desvendar a natureza… e as causas mais                          fundamentais das interações e transformações… nem explicar porque uma                      relação tem determinada forma… ou, se alguns de seus atributos assumem                          valores…que dependem da constituição material específica de cada objeto”.

Um fenômeno macroscópico – nas ciências naturais… é a designação genérica dada a qualquer mudança observada, em relação a algum objeto macroscópico identificável. – Já uma teoria fenomenológica é um modelo representativo de fenômenos macroscópicos. Tal teoria infere e deduz relações entre atributos de objetos materiais…podendo ser, tanto representativas de suas interações mútuas…como descritivas de suas transformações.

(lei de Ohm)

Exemplo prático…(“Lei de Ohm”)

Considere-se um objeto material submetido a uma diferença de potencial elétrico. – Como se sabe… a resistência elétrica (R) deste objeto é definida pela razão da diferença de potencial (V) e a intensidade (I) da corrente elétrica que o atravessa. — Sendo o objeto de metal – a uma temperatura constante, o valor dessa razão… também se mantém constante, por uma relação linear entre as variáveis… Este efeito chamado Lei de Ohm, descreve interações fenomenológicas entre um objeto…e seu exterior.

A resistência elétrica é um parâmetro representativo do objeto, isto é, de sua forma e material constituinte. Para materiais não metálicos…como termistores e gases, a relação entre diferença de potencial e corrente elétrica não é linear. – Assim, para dado valor de corrente elétrica, há um aquecimento do objeto, em função do seu material constituinte;    e consequentemente, uma relação entre os valores da ‘resistividade’…e da ‘temperatura’, relação esta representativa da transformação ocorrida no material. (ambos os casos…não sendo explicáveis…apenas com base em evidências fenomenológicas“).   

“Representação & Idealização”                                                                                          É muito raro que a representação de um fenômeno macroscópico abarque                      todo conjunto complexo de suas relações constituintes…Quase sempre ela é                      uma aproximação parcial e idealizada da realidade – expressa em termos                        das relações supostamente mais relevantes — na realização do fenômeno”.

Mesmo não sendo a realidade completamente acessível ao observador, este dispõe de uma ‘capacidade analítica’ dada pelo poder de discriminar a relevância das relações possíveis… na comparação de uma representação com outras…fruto de sua capacidade observacional de mensurar – uma maior generalidade… maior abrangência… maior rigor, e consistência formais…e maior aproximação com a realidade dos fatos.

Aqui, é oportuna uma consideração de ordem metodológica…A representação analítica de um fenômeno(uma dada interação, ou sequência de interações) pode tornar-se bastante complexa se levada em conta, sem restrições, as transformações que ocorrem em todos os objetos envolvidos. Entretanto, é possível restringi-la, ao que ocorre num objeto material, ou conjunto de objetos, em um sistema em interação com seu exterior, que mesmo sendo parte, não é objeto de analise. – Esta análise assim…não concerne ao que, eventualmente, sucede naquele exterior… – sendo portanto…uma representação parcial…’idealizada’…de um fenômeno real – pois, não apenas seleciona quais relações são levadas em conta, mas também… – quais objetos integram o “sistema”… – e quais fazem parte do seu “exterior”. 

No contexto de uma teoria fenomenológica, uma idealização é uma representação abstrata e esquemática de um objeto material, das transformações que nele ocorrem…e, das suas interações com o exterior. – Exemplos de representações ideais de objetos reais…são, dentre outros, o corpo rígido absoluto…indeformável; o corpo negro…irradiador perfeito, não transparente nem refletor; o gás ideal (modelo de conduta de      um gás a baixas pressões); um ‘sistema isolado‘ não suscetível de qualquer interação com seu exterior, etc.

bússolaUma idealização especialmente importante, é considerar uma ‘transformação‘…como uma sucessão de estados…ou seja, como sucessão de situações – bem caracterizadas nas propriedades únicas do objeto…por seu estado inicial. Esse tipo de “transformação” é assim denominado um ‘processo ideal‘.  Além das ‘idealizações‘ outros elementos fazem parte da “representação abstrata” de um fenômeno…são eles…as hipóteses, os conceitos básicos…os postulados… os princípios, axiomas e teoremas… e as convenções…Cada um deles configura o  modo de interação … ou modelo do objeto.  

Uma hipótese é uma conjectura descritiva, ou explicativa… de uma relação real entre propriedades, que se toma por válida mesmo não se dispondo de suficiente informação para comprová-la. Idealizações costumam ser elementos constituintes da construção de hipóteses.  O modelo do continuum…por exemplo, é uma idealização, porquanto     a continuidade de distribuição da matéria no espaço… não é mais uma conjectura real. Já um modelo corpuscular adota a hipótese de que existem tais ou quais partículas,   e idealiza aspectos do seu comportamento; por exemplo a de que ele é consequência de choques dinâmicos…’perfeitamente elásticos’… – entre corpos…’perfeitamente rígidos’.

Conceitos básicos…ou fundamentais são noções de uso universal, eventualmente, expressões do senso comum, aceitas sem a necessidade de definição formal…mediante      os quais é expressa a ideia fundamental de hipótese… Postulados são proposições a priori, que expressam uma certa concepção relativamente à apreensão da natureza – a partir da qual constroem-se representaçõesAxiomas são proposições tidas como verdadeiras, não demonstráveis no âmbito da ‘representação’ – da qual são elementos constituintes. Princípios expressam fatos fundamentais da experiência ao assumir a forma de leis, cuja validade delimita o âmbito de uma representação. Teoremas são assertivas logicamente deduzidas de axiomas… enquanto “convenções” são aspectos      de uma linguagem própria, pela qual se expressa determinado tipo de “representação”.

‘Restrições’“Graus de Liberdade”e “Variáveis Dependentes”                          A possibilidade de cada forma de interação de um objeto…corresponde                              um ‘grau de liberdade’…e cada impedimento…uma ‘restrição’ que lhe é                            imposta… – Assim… portanto – estes conceitos são “complementares”.

Interações entre objetos materiais dão-se por contato direto, ou por ação à distância. A possibilidade de interação por contato direto é dependente das características físicas da região-limite entre ambos. De modo ideal esta região-limite é uma superfície ou interface, a qual são associados atributos físicos…que a fazem capaz de permitir, ou não, interações.  As interações por ação à distância prescindem da interposição de um meio material entre os objetos que interagem. – Tais interações, ocorrem sobre um dado objeto… como efeito da ação de um…ou vários campos espaciais, criados no entorno de outro objeto. Algumas,  mas nem todas destas interações por ‘ação à distancia’…podem ser controladas mediante atributos interfaciais. – Os campos gravitacional e eletromagnético…por exemplo, atuam sobre cada partícula elementar de um objeto macroscópico, independentes dos atributos físicos associados à sua interface com o exterior.

graus de liberdade (3d) [internet]

graus de liberdade (3D)

Se a restrição é total – o objeto está totalmente isolado; não tem graus de liberdade. Se há algumas restrições – e…complementarmente – alguns graus de liberdade; o objeto está parcialmente isolado. Se não há restrições – o objeto está em total liberdade.

Conclui-se portanto, que o número de propriedades independentes de um objeto material…é igual ao nº de interações livres…a que este pode ser submetido.

Vale dizer que… determinar valores para estas “propriedades“… – seja por restrições à sua variação; ou como resultado de interações estipuladas…implica, indiretamente, em definir os valores das demais propriedades (dependentes) do objeto. Não havendo outra forma de variação destas propriedades…senão em interações do objeto com seu exterior…é possível combiná-las, para se obter valores arbitrariamente fixados, para quaisquer propriedades.

Por exemplo… no aquecimento de um gás encerrado num recipiente de paredes rígidas…o volume é uma propriedade independente, pois seu valor é arbitrariamente fixado, mas a pressão e a temperatura são propriedades dependentes – pois, ao final do processo… – dependerão      da energia calórica, calculada pela quantidade…e, natureza do gás.

Não há interação mecânica – apenas interação térmica entre o gás e o exterior. No entanto, se o gás está encerrado no interior de um conjunto cilindro/pistão, a pressão resistiva exercida pelo pistão sobre o gás pode ser arbitrariamente fixada…de modo a    que, o volume – ao final do processo…passa a depender do grau de aquecimento, e da quantidade e natureza do gás – numa combinação de interações térmica…e mecânica.  Assim…embora o nº de propriedades independentes de um objeto material seja dado      pelo número de interações independentes…às quais este possa estar submetido, suas propriedades, independentes e dependentes são definidas pelo arranjo de interações,      que efetivamente ocorram, e pelas restrições a que o próprio objeto esteja submetido.

Como ilustração histórica: o interesse original da Termodinâmica Clássica foram os  fenômenos termomecânicos que acontecem em gases e líquidos – para cuja descrição utiliza-se a pressão e o volume como ‘propriedades independentes‘…Nesses casos, a temperatura é uma ‘propriedade dependente’… cujo valor é determinado por modos isovolumétricos de medição da pressão – ou…técnicas isobáricas de medição do volume. 

(A base empírica do modelo do gás ideal é dada por medições do volume e pressão – na condição especial de um ambiente… crescentemente rarefeito, em interação térmica com um exterior…mantido a temperatura constante)

Transformação_de_sistemas

“Mudanças de fase” num sistema

Valores iguais da pressão no interior e exterior do sistema, caracterizam uma condição de…’equilíbrio mecânico‘. A igualdade dos valores do…’potencial elétrico’… é a condição de ‘equilíbrio elétrico‘…Já o ‘equilíbrio térmico‘ se define na igualdade de temperatura do sistema, com seu ambiente…Se um objeto encontra-se, inicialmente, num dado estado…só e possível estabelecer seu novo estado, ao fim das variações, pois, no seu curso – não há equilíbrio entre os elementos – que o compõem. 

Essas variações dos valores das ‘propriedades originais’ de um sistema, registram seu “comportamento”…isto é, descrevem as ‘transformações‘ suportadas pelo sistema. Havendo uma ‘relação causal‘ entre outros sistemas, as variações também marcam          o decurso da ‘mútua interação‘. – Isto significa, que todas informações relativas às interações e transformações se encontram disponíveis nos “registros de valores”      das propriedades primitivas dos sistemas…Como tais propriedades independem, por definição, dos princípios de conservação da energia e aumento da entropia, no fundo    estes princípios expressam relações subjacentes, àquelas variações então registradas.

Conclui-se daí, que tanto a 1ª…quanto a 2ª leis termodinâmicas…são apenas formas concisas e abrangentes de representação de interações (‘Princípios-síntese‘)…não trazendo, rigorosamente, qualquer nova informação sobre as transformações – além daquelas já registradas — na variação das ‘propriedades primitivas‘ desses sistemas.        Sua validade independe das formas e circunstâncias de interações e transformações especificas … bem como, da constituição dos objetos envolvidos… – Com base nesse argumento… – são igualmente válidos…os seguintes enunciados – ou propriedades:

a) Transformações operadas num objeto material… decorrentes de interações com     o seu exterior, fazem-no perder ou ganhar energia. – As transformações operadas no objeto e no exterior são, conjuntamente – e, em certa medida, irreversíveis – sendo que, o crescimento do valor total da entropia, tanto no objeto quanto em seu exterior,       é a medida desta irreversibilidade.

b) Interações entre objetos materiais são fenômenos de transferência de energia, e de geração de entropia; acarretando transformações que – globalmente, são irreversíveis. No curso de interações, permanece constante o valor total da energia, e cresce   o valor total da entropia …  Este crescimento é a medida daquela irreversibilidade.

c) Para o caso particular de um objeto isolado…isto é, aquele submetido à restrições que lhe impedem quaisquer interações com seu exterior, a formulação dos princípios-síntese é implícita à noção de que a tendência ao equilíbrio, conduz o valor da entropia para um máximo.

d) Se num objeto material é operada uma transformação — sem que lhe corresponda qualquer interação com o exterior – permanece constante a quantidade total de energia nele contida…A transformação é – em certa medida, irreversível – e, o crescimento do valor da entropia do objeto é a medida desta irreversibilidade.

mudanças-de-estado

Transformações que ocorram em distintos objetos materiais… elementares ou não… – e, sejam conectadas por relações causais, implicam em interações. Mas, ambas estão refletidas, no que é expresso nos ‘princípios-síntese’. Assim sendo todas condições de ‘mudança de estado’ também se encontram ali refletidas. – Logo,  através dos…’princípios-síntese’, variações de valores da “energia” e “entropia” estão relacionadas a variações dos valores de propriedades mensuráveis de um objeto material (ambas são propriedades — das quais apenas valores de suas variações podem ser determinados.)

‘Estado material’… — e ‘propriedades extensivas’ dos objetos                Idealmente, um objeto material elementar encontra-se…sempre, a cada                              instante, num determinado ‘estado’ – que é definido…apenas se houver,                                nesse instante – um único valor… para cada uma de suas propriedades.

A ‘situação‘ de um objeto é determinada pelo conjunto de seus atributos…Já seu ‘estado‘ é sua condição instantânea, definida pelo conjunto dos valores de suas propriedades… Por definição…”propriedades extensivas referem-se à totalidade do objeto material…Em cada instante, portanto…a cada uma delas, corresponde sempre um único valor. Os valores das propriedades locais podem, contudo…variar ponto a ponto… – sobre a extensão do objeto.

Dois ‘estados’ de um objeto material são idênticos, se forem iguais os valores de todas suas propriedades, extensivas e locais…Se tais propriedades permanecem invariáveis no tempo, o estado é dito ‘estacionário‘ … mas, se ao contrário, variam… – o estado é ‘transiente‘.

“Conservação de Energia”                                                                                            Dentre todas as grandezas físicas…a energia é a única que desempenha                          este papel unificador e comparativo. Assim sendo, é apropriado referir-se                            à Termodinâmica basicamente, como uma ‘teoria geral da energia‘.

O postulado do qual decorre o conceito de energia, é designado 1ª lei termodinâmica, ou ‘Principio da Energia‘. Simultaneamente, ele afirma a existência, e a condição de sua existência como grandeza física representando a capacidade potencial de transformação      de um objeto por interações com seu exterior… – Mas, para ter relevância analítica, este enunciado conceitual deve ser complementado… – em ao menos…4 aspectos essenciais:

Como quantificar a energia de um ‘objeto material’?… — Como expressar variações da quantidade de energia em termos de atributos mensuráveis deste objeto?… Quais as formas de transferência de energia?… Sob quais condições há transferência de energia, entre um objeto…e o seu exterior?

A observação metódica e sistemática de fenômenos termofísicos, e termoquímicos revela que a transformação que ocorre num objeto é… necessariamente, causa ou efeito   de alguma interação com seu exterior… Dado que, no caso geral, este exterior é finito, e compreende vários outros objetos … a interação implica transformações nestes objetos.

Em termos qualitativos – a relação causal entre tais transformações expressa uma noção de ‘continuidade‘…no sentido de que as mudanças observadas nos ‘atributos macroscópicos‘ … de todos estes objetos …  —  fazem parte de um mesmo “sistema”.efeito-estufa

Postula-se então…que ‘interação‘ é um processo de ‘transferência’ de alguma quantidade, de um para outro objeto; e que o valor de sua variação no objeto, é a exata medida do valor transferido ao seu exterior. A transformação no objeto é uma manifestação desta variação.  Tal quantidade não pode ser criada nem destruída, caso contrário seu valor poderia variar sem interação. A relação causal entre interações e transformações expressa uma noção de permanência quantitativa; seu valor total se mantém constante. – Tal valor é a “energia“.

Embora possa ter origem mais remota, a noção do que viria mais tarde denominar-se energia foi formulada por Galileo, por volta de 1589…implicitamente, referindo-se à ‘energia potencial gravitacionalLeibnitz, em 1686, denominou-lhe ‘vis mortua  (força morta)… – e sugeriu a possibilidade de sua transformação em movimento – a medida mais apropriada do movimento seria a ‘vis viva (força motiva)… – grandeza       então calculada pelo produto da massa pelo quadrado da velocidade [m.v²]… dobro           do que mais tarde se chamou ‘energia cinética‘… – Na antiguidade…Aristóteles empregou noção similar à de energia cinética…a designando uma “força em ação“,        em contraste ao sentido ‘força em potência‘…A extensão do conceito de ‘energia‘        ao seu sentido mais geral – usado na Termodinâmica – só ocorreu bem mais tarde… quando os termos energia potencial e energia cinética foram, respectivamente, sugeridos por William Rankine, em 1853, e William Thomson (Lorde Kelvin)…1849.

Na sua ‘expressão termodinâmica’, o conceito de energia postula que… todo objeto material contém energia – que pode ser transferida para outro objeto material…que transformações operadas em um objeto…decorrem de interações com seu ambiente, fazendo-o perder ou ganhar certo valor energia…e que a quantidade total de energia          de todos objetos envolvidos num conjunto de transformações, permanece constante.

Considerando que interações implicam variações do valor da energia, é sempre possível arbitrar um valor para certa condição do objeto… — em relação a qual tais variações são referidas. Esta condição de referência, designada ‘condição inicial‘ é uma escolha ‘ad hoc‘, que torna desnecessária a inferência regressiva das interações e transformações a que o objeto esteve submetido. Observando-se que a invariância da quantidade total de energia no curso de transformações ‘termoquímicas’ e ‘termofísicas’ permite relacionar fenômenos ‘aparentemente‘ independentes – e comparar assim aspectos qualitativos e quantitativos da interação entre objetos materiais…de formas essencialmente distintas.

“Transferência de Energia”                                                                                                      Efetivamente…o que se descreve aqui é um processo de transferência da                          energia cinética entre partículas constituintes dos materiais – cujo efeito                            macroscópico é a transferência de energia por condução térmica (calor)”.

Como se sabe… a teoria das ondas eletromagnéticas, e a teoria quântica são 2 concepções básicas… que descrevem o fenômeno da radiação. – Embora direta e mutuamente incompatíveis…estas 2 concepções entendem este fenômeno como um processo de transferência de energia. Dessa forma, ‘radiações eletromagnéticas’ têm  comportamento dual – um fenômeno de transferência de energia que, em certas circunstâncias, comporta-se como ondas, provenientes de perturbações de campos eletromagnéticos; noutras, como fluxos de quanta, ou fótons. – Com relação ao comportamento da radiação…’reflexão‘…’refração‘…’interferência‘…’difração‘            e ‘polarização‘ são bem explicadas pela teoria ondulatória…enquanto ‘emissão‘ e ‘absorção‘ se explicam pela teoria quântica

Se a maior parte da radiação incidente sobre um objeto é absorvidaseu material é dito opaco — se a maior parte é transmitida… o material é transparente; e se é refletida, é refletor. – Todo material, em várias níveis,  tem capacidade de absorção, reflexãotransmissão de radiação. Apenas o ‘vácuo perfeito’ é absolutamente transparente… de forma que a radiação propaga-se ‘contínua’, sem perdas. O aquecimento de um material ao contrário é resultado apenas da radiação absorvida, não da transmitida…ou refletida.

Quanto mais quente um material…maior é a radiação que emite… – O efeito resultante da interação por radiação…em objetos desigualmente quentes, corresponde à diferença entre as quantidades emitida e absorvida por cada um deles. – Na ausência de outras formas de interação, ao longo do tempo…o objeto mais quente esfria, e o mais frio, esquenta. Se este processo é deixado ao seu livre curso – a diferença entre quente e frio… tende a anular-se.

Combustão/ CalorTrabalho, Atrito & Deformação                                                      No limite, não há transferência de energia por radiação se o meio                                          é absolutamente opaco – nem por condução, se há vácuo absoluto.

Combustão é o fenômeno pelo qual a energia contida nos materiais combustíveis é liberada para o meio circundante. Nesse meio, a energia é transferida como radiação eletromagnética e como condução térmica. A intensidade da ocorrência de cada uma dessas formas de … ‘transferência de energia’ — depende das características do meio.

O calor passou a ser considerado como um efeito macroscópico resultante de um intenso, errático e incessante movimento das partículas constituintes da matéria… Quanto maior a intensidade deste movimento, mais quente parece o material – quanto menor, mais frio…Quando materiais desigualmente quentes ou frios são postos em contato…dá-se, ao longo de sua interface comum…um grande número de colisões entre partículas. – De modo que, em média, as partículas mais rápidas do material mais quente aceleram as mais lentas do outro…sendo por estas reciprocamente desaceleradas… – Esse processo de aceleração…e desaceleração – propaga-se de cada lado da interface ao interior do material, causando o efeito macroscópico de esfriamento do material mais quente, e aquecimento do mais frio.

O valor do trabalho  – por definição… é o resultado da multiplicação da intensidade da força aplicada sobre um objeto, pela extensão do deslocamento, ou deformação que esta lhe provoca…e ao longo da qual é aplicada. Para realizar trabalho – portanto, o material deve ser capaz de manter a força aplicada no curso do deslocamento, ou da deformação. 

trabalhoxatritoConsiderando o objeto deslocado… sobre o qual se realizou trabalho, tal deslocamento   ocorre apenas…se superada a “resistência” oposta pelo ‘atrito (entre o objeto… – e a superfície sobre a qual este se movimenta).  

Um dos “efeitos macroscópicos” devidos à resistência do atrito é o aquecimento do objeto e da superfície, e eventualmente, também do ambiente ao redor. Por outro lado,      a deformação ocorre apenas… – se superada a resistência interna material do objeto. Nesse caso… – o aquecimento do objeto também é um dos efeitos macroscópicos da deformação…E assim – tanto o calor incidente…quanto a resistência ao deslocamento,        e à deformação, provocam aquecimento. – Pela ação do atrito…o trabalho realizado    para deslocamento ou deformação aquece os objetos e o meio ambiente. – Tal efeito é semelhante ao provocado na transferência de energia liberada na combustão…Calor e trabalho portanto – são formas distintas de ‘transferência de energia‘…de (ou para)      um objeto material.

Calor e trabalho são energia em movimento, seja saindo, ou entrando de um sistema…a diferença é a causa do movimento. Se esta causa for uma diferença de temperatura…é calor… se for qualquer outra, é trabalho.

A representação dos fenômenos luz, calor e trabalho, deriva da noção mais elementar, do fenômeno de ‘transferência de energia‘…Quando, pelo menos parte dessa energia incide sobre objetos materiais… diz-se que ela lhe foi transferida como calor. Os objetos podem, então…aquecer e deformar-se. E assim…essa deformação pode ser utilizada para deslocar ou deformar outros objetos. – Ou seja, a energia absorvida pelos primeiros, cria nestes, uma capacidade de realizar ‘trabalho‘,  mediante a qual … alguma parte daquela energia é transferida para objetos deslocados ou deformados. – Assim, a transferência de energia – como trabalho – sempre vem acompanhada de efeitos… que resistem ao movimento relativo dos objetos…De modo que, em seu próprio decurso … — parte dela é requerida … para a superação de tal resistência.

Segue-se, então… – que uma certa quantidade de energia não pode ser integral, e sucessivamente…transferida como trabalho – durante uma sequência de interações entre objetos materiais, pois a cada interação, reitera-se a necessidade de superação, de alguma ‘resistência interna’.

Além de calor e trabalho, outra forma de transferência de energia é o próprio movimento da matéria, que a contém… (força de maré)… Um material em movimento… – com efeito, transfere a energia nele contida (interna e cinética) de uma posição à outra… No curso de seu movimento, um objeto pode estar submetido a processos de ‘transferência de energia’ de, ou para seu exterior…e também internamente – entre suas partes constituintes…Se o material que se movimenta é fluido — e, o processo global é designado “transferência convectiva de energia… Contudo, é importante de se notar que… embora expressões como “transmissão… – ou transferência de calor… por radiação, condução, e convecção sejam comum e frequentemente utilizadas… – não têm, em termos estritos, qualquer sentido. Calor   apenas designa algumas das formas — pelas quais…pode haver transferência de energia – ou seja… não pode ser transmitido ou transferido – já que um material não o contém. Assim, o postulado da energia pode ser complementado…por:

“a transferência de energia pode assumir várias formas… nas quais a variação do ‘valor energia‘ de um objeto material… é igual ao valor         da energia transferida  do objeto para o exterior… — ou…vice-versa.”

Em termos macroscópicos – portanto … a superação da resistência à transferência de energia, como trabalho, sempre provoca aquecimento. Como essa resistência não é uniformemente distribuída na superfície… ou interior de cada objeto… a intensidade       do aquecimento provocado não é uniforme, ocorrendo então, processos localizados e irreversíveis de transferência de energia – como calor… entre partes desigualmente quentes, ou desigualmente frias… – Assim, ao fim da transferência de energia, como trabalho, entre objetos de um dado conjunto…há sempre aquecimento remanescente.

Interações em “Sistemas Termodinâmicos”

Termodinâmica é a ciência dos estados, das mudanças de estado, e das interações entre sistemas físicos. Ela é a parte da Física Teórica dedicada – essencialmente… ao estudo das propriedades gerais dos sistemas físicos em equilíbrio…assim como das ‘leis gerais’ que se manifestam no processo de se estabelecer o equilíbrio. – A noção de ‘interação‘ é central para a construção de uma teoria termodinâmica fenomenológica, se considerarmos que… — há uma interação entre ‘objetos materiais’ … quando as transformações que neles ocorrem são conectadas por… “relações causais” — chamadas… — “determinísticas“.

fronteira-vizinhança

O sistema e sua vizinhança separados pela fronteira. O calor Q e o trabalho W representam energia que atravessa a fronteira.

Sistema termodinâmico‘ designa…qualquer região do espaço definida como objeto   da “análise termodinâmica”.      A “superfície envoltória” da região ao lado — tem ‘forma esférica’… – sendo chamada       de ‘fronteira do sistema‘.     Já o restante do espaço…é o ‘exterior do sistema‘ … A fronteira é pois… a interface entre sistema, e seu exterior.  Os elementos constituintes do sistema são objetos materiais e campos por estes criados.    A fronteira é normalmente tratada como objeto físico-geométrico…ao qual se associam propriedades…que permitem, ou restringem interações entre o sistema e o seu exterior.

O exterior compreende tudo que não pertence ao sistema. Numa analise termodinâmica, do exterior é suficiente considerar apenas, objetos e campos que interagem com o sistema. Normalmente, estes elementos estão dispostos, ou atuam no seu entorno próximo…assim  designado ‘vizinhança do sistema‘… — As designações “sistema” e “vizinhança” são comutativas e recíprocas; ou seja, a vizinhança pode ser considerada um “sistema”… – e o sistema…sua “vizinhança”… — pois ambos referem-se a “conjuntos de campos…e objetos materiais”…encerrados em regiões espaciais bastante bem definidas.

Campo é um conceito físico-matemático segundo o qual, o valor local de uma grandeza física é uma função…indefinidamente divisível, da posição e do tempo. Um campo pode ser agente de uma interação (por exemplo, os campos gravitacional e eletromagnéticos), mas, não necessariamente… — Os campos de ‘temperatura’, ‘pressão’… e ‘velocidade’ do fluido em movimento, quando seus valores locais são expressos em função da posição e   do tempo… – não preexistem no espaço (sendo considerados ‘campos escalares’).

Um objeto material cria um ‘campo eletromagnético’ no seu entorno espacial, mesmo vazio, percebido apenas quando um sensor é posto num lugar qualquer deste – mas não cria campos de temperatura ou pressão. Para estes o espaço não pode estar vazio… – pois seu campo (“escalar“)      é consequência direta – das próprias…”interações entre partículas“.

A passagem de corrente elétrica através de um resistor dá origem a um campo de radiação térmica…base da interação que resulta no aquecimento à distancia de objetos materiais. O resistor, os objetos… e o espaço entre eles, podem ser considerados sistemas distintos, ou podem também ser considerados como elementos constituintes de um mesmo sistema.

Outro exemplo “paradoxal”, se trata – por um lado… – de um ‘sistema termodinâmico‘ que pode ser destituído de matéria…tendo como elementos constituintes apenas ‘campos eletromagnéticos‘…e, por outro, um “campo magnético“… que pode ser considerado elemento externo ao sistema constituído por um plasma termonuclear por ele confinado a certa região do espaço – ou, até formar com este plasma…um único sistema independente.

O conceito de ‘sistema termodinâmico’ portanto, comporta arranjos muito diversos de objetos materiais e campos, assim como possibilidades muito diferentes de interações          e transformações. Por esse motivo  estrutural e funcionalmente definem-se sistemas termodinâmicos muito simples, ou muito complexos, sem restrições, a priori, quanto:

à quantidade e natureza dos objetos que encerram, e dos campos que os permeiam; às quantidade e natureza de suas interações com o exterior;       à mobilidade de suas fronteiras; e ao comportamento de seus atributos.

Clausius

‘Entropia termodinâmica’

A noção de entropia foi formulada por Clausius em 1854, no contexto de uma reinterpretação da teoria de Carnot, relativa à possibilidade de realização de trabalho…quando a energia flui – como calor…de um ambiente quente para um outro ambiente frio.

Originalmente, Clausius a chamou ‘Verwandlungsinhalt’ (conteúdo de transformação) pois essa quantidade mediria a capacidade de transformação do calor em trabalho. — Sua ‘grandeza física’ expressa a noção de ‘irreversibilidade‘ dos processos de transferência,   e efetivação da capacidade de transformação… através do postulado da existência de uma quantidade — cujo valor varia — quando um objeto transfere energia… na forma de calor.

Arbitrariamente convenciona-se ser esta variação positiva, quando o objeto recebe energia como calor de um exterior mais aquecido; e, negativa quando cede energia,     para um exterior menos aquecido… – Assim… se uma dada quantidade de energia é transferida, como calor, entre 2 objetos (um exterior ao outro)…deve-se determinar       qual é a ‘variação global‘…isto é – a soma das variações da entropia dos 2 objetos.

principio da entropia afirma que todo objeto material contém entropia…                sendo que esta pode variar, porém sua variação só ocorre com transferência de          energia como calor – e…que a quantidade total de entropia de todos os objetos              envolvidos em determinado “grupo de transformações”… – sempre cresce…                 

A luz emana da chama e ilumina o ambiente e o material… o calor                  emana da chama e aquece ambos – já o atrito aquece o ambiente,    aquece o objeto, e também a superfície…sobre a qual este se desloca.

Não é possível que o esfriamento do ambiente, do material…e superfície – antes aquecidos pela ação do atrito – agora, restitua o objeto à sua posição inicial. Em suma, não é possível que este objeto realize trabalho sobre o material inicialmente aquecido – deformando-o, e fazendo com que esfrie, e devolva a energia recebida à sua fonte original… Tal constatação enseja uma dupla interpretação…A primeira entende como uma perda, a impossibilidade de recuperação integral do “status quo anterior – e… a inevitabilidade daquele efeito remanescente. Dessa interpretação originam-se os conceitos de ‘eficiência’ e ‘rendimento’.

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aglomerado globular ômega centauri

A 2ª interpretação entende a restrição à recuperação integral, como um indicador da evolução, natural e espontânea… das reais possibilidades de interação dos  objetos… Esse entendimento dá origem à noção de equilíbrio ou uma tendência ao equilíbrio, no sentido de que não dependendo das “condições iniciais” … todas transformações, que acontecem espontaneamente em um grupo determinado de…”objetos” – os direciona, a um tipo próprio de situação (irreversível)… a partir da qual – não mais serão possíveis novas modificações.

Vale dizer que esta noção expressa um critério qualitativo que torna possível… a princípio, ordenar a sucessão temporal das transformações, operadas exclusivamente nos objetos de um dado conjunto. Mas, como expressar então, quantitativa e objetivamente, os conceitos de eficiênciarendimento, a noção de equilíbrio, e o consequente critério qualitativo de ordenação?

– A 1ª análise sugere a existência de um atributo do objeto, que expressa o quanto este encontra-se quente ou frio. Esse atributo e chamado temperatura. A diferença entre o seu valor no objeto — e, os valores em outros objetos… representa o potencial-motriz da interação térmica, ou seja, a desigualdade que a impulsiona.

– A 2ª leitura sugere a existência de um outro atributo do objeto, cuja variação afirma a ocorrência da transferência de energia como calor…da mesma forma que o deslocamento, ou a deformação – afirma a ocorrência da transferência de energia, como trabalho; sendo que, o atributo cuja variação deva ser tão maior, quanto mais intensa a interação térmica, é chamado de ‘entropia.

Do texto “Termodinâmica Aplicada” de Antonio MacDowell de Figueiredo, COPPE/UFRJ Consulta: Marcelo Parente (termodinâmica)#‘radiação solar sobre a atmosfera terrestre’ **************************(texto complementar)*************************************

Termodinâmica Relativística  (26/10/2007)                                                                        Uma nova abordagem para este assunto controverso sugere que a temperatura seria a mesma que a medida em um referencial estacionário…Em outras palavras – corpos em movimento não pareceriam mais quentes, ou mais frios… para um observador inercial’.

A ‘Teoria da Relatividade Restrita  tem fórmulas, as Transformações de Lorentz…que podem converter intervalos de tempo, ou distância, de um ‘referencial inercial’…para outro ‘referencial veloz’, próximo à velocidade da luz. – Mas, como fica a temperatura?… – Isto é…se um observador a uma velocidade extrema, medir a temperatura de um gás numa garrafa em inércia, qual a temperatura que ele leria?

Seria o caso de se pensar que uma questão como essa já tivesse sido estabelecida décadas atrás, mas não é o caso… – Einstein e Planck pensaram uma vez, que o termômetro veloz mediria uma temperatura mais baixa… – já outros… pensavam numa temperatura maior. Assim o 1º problema que se apresenta é como definir, ou medir a temperatura de um gás.

Maxwell, em 1866, enunciou sua fórmula, prevendo que a distribuição de velocidades das partículas do gás teria a forma de uma curva Gaussiana. Mas, qual seria a aparência dessa curva para alguém que passasse voando por ela?… – E, o que representaria a temperatura média do gás para este outro observador?

Jorn Dunkel e colegas da Universitat Augsburg (Alemanha), e da Universidad de Sevilla (Espanha) não poderiam realizar – exatamente – medições diretas (ninguém conseguiu imaginar como manter um gás… num recipiente – com velocidades relativísticas… num laboratório terrestre)… porém… – idealizaram uma elaborada simulação da experiência.

Para Dunkel alguns sistemas astrofísicos podem, eventualmente,                   oferecer uma chance de julgar – experimentalmente – a questão.

No geral, o esforço para casar a termodinâmica com a Relatividade Restrita ainda está na fase inicial…Não se sabe com exatidão como vários parâmetros termodinâmicos mudarão em altas velocidades. Dunkel diz que o “Zero Absoluto” permanecerá; mesmo no caso dos observadores a altas velocidades…Porém, testar “transformações de Lorentz” para outras quantidades, tais como entropia é sempre um exercício bem difícil de resolver. ‘texto base’

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para “Entropia”…a ‘Termodinâmica do Equilíbrio’

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