PLANO DE AULA

TÍTULO: AS LEIS DA TERMODINÂMICA E A EVOLUÇÃO UNIVERSAL

PÚBLICO ALVO: 2º ANO DO ENSINO MÉDIO

ABORDAGEM: USANDO A 1ª E  2ª LEIS DA TERMODINÂMICA, TRABALHAMOS O CONCEITO DE IRREVERSIBILIDADE E SUA RELAÇÃO COM O TEMPO, USANDO COMO SISTEMA DE ESTUDO A ESTRUTURA DO UNIVERSO. A ABORDAGEM SERÁ FEITA À PARTIR DA ANÁLISE DAS LEIS TERMODINÂMICAS, SEPARANDO CADA ASPECTO ESSENCIAL DE CADA UMA, A QUANTIDADE (1ª LEI) E A QUALIDADE DE ENERGIA (2ª LEI), PROCURANDO EXPLICITAR A ENORME IMPORTÂNCIA DA TERMODINÂMICA NA LARGA ESCALA.

ASSIM, PODEMOS TRAÇAR UM PARALELO COM A COSMOLOGIA, CONCEBENDO O UNIVERSO COMO UM SISTEMA DINÂMICO, SUJEITO A AÇÃO CRIADORA DO ACASO OU À INEXORÁVEL MORTE TÉRMICA, O QUE LEVARÁ A UMA DISCUSSÃO DE SOBRE O QUE A TERMODINÂMICA TEM A DIZER SOBRE O TEMPO.

AULA 1- QUANTIDADE E QUALIDADE DE ENERGIA

COMO CONCEBER A IDEIA DE  ENERGIA? DE ONDE ELA VEM E PRA ONDE VAI? ESSA ”COISA” QUE CHAMAMOS ENERGIA PODE SER ESTUDADA OBSERVANDO OS FENÔMENOS A NOSSA VOLTA, E AS TRANSFORMAÇÕES PELAS QUAIS PASSA A MATÉRIA.

CHAMAMOS DE 1ª LEI DA TERMODINÂMICA UM PRINCÍPIO QUE DIZ QUE A ENERGIA SE CONSERVA DURANTE UM PROCESSO TERMODINÂMICO, A ENERGIA TRANSFERIDA EM FORMA DE CALOR E O TRABALHO REALIZADO SOBRE UM SISTEMA CONSISTEM EM UM VALOR QUE SE CONSERVA.

A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA DIZ QUE NUM SISTEMA FECHADO O VALOR DE ENTROPIA  AUMENTA COM O PASSAR DO TEMPO; A ENTROPIA  É O QUANTIDADE DE DESORDEM NO SISTEMA QUE AUMENTA A MENOS QUE SEJA INJETADA ORDEM, OU MELHOR, REALIZADO TRABALHO PARA REDUZIR O ESTADO RANDÔMICO.

O TERMO “ENTROPIA” USADO NESTA LEI TEM UM CARÁTER CURIOSO E NEGATIVO. ELE INDICA O GRAU DE RANDOMICIDADE OU DESORDEM NAS PARTÍCULAS CONSTITUTIVAS DE QUALQUER SUBSTÂNCIA, OU, ALTERNATIVAMENTE, PODE-SE DIZER QUE ELE INDICA O GRAU EM QUE A ENERGIA SE TRANSFORMA DE UMA FORMA ÚTIL EM UMA FORMA INÚTIL. A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA É, DE FATO, UMA LEI FÍSICA DE IRREVERSIBILIDADE, POIS AFIRMA QUE EM QUALQUER TRANSFORMAÇÃO FÍSICA OU QUÍMICA A QUANTIDADE DE ENERGIA ÚTIL NO FINAL DA TRANSFORMAÇÃO OU DEVE PERMANECER EXATAMENTE IGUAL AO QUE ERA NO INÍCIO, OU ALTERNATIVAMENTE, DEVE DECRESCER. TAL DECRÉSCIMO DA ENERGIA ÚTIL SIGNIFICA UM AUMENTO NA ENTROPIA .

PARA ENTENDERMOS MELHOR O PAPEL DE CADA UMA DESSAS LEIS  E COMO CADA UMA SE RELACIONA COM A OUTRA, PODEMOS FAZER UM PARALELO COM UMA SITUAÇÃO SIMPLES: ATIRAR UMA PEDRA NUM LAGO.

A PEDRA, IMEDIATAMENTE ANTES DE ATINGIR O LAGO, TEM ENERGIA QUE PODERIA SER UTILIZADA PARA A PRODUÇÃO DE UM TRABALHO MECÂNICO. ENTRETANTO, AO ATINGIR A SUPERFÍCIE, PRODUZ ONDAS E SE PRECIPITA PARA O FUNDO. POSTERIORMENTE, AS ONDAS SE AMORTECEM E O TRANQUILO LAGO RETORNA A SEU ESTADO DE REPOUSO INICIAL.

O QUE ACONTECE, PORÉM, À ENERGIA QUE A PEDRA POSSUÍA? ELA SE CONSERVA, DE ACORDO COM A 1ª LEI: A ENERGIA SE DISSIPA NO MOVIMENTO ALEATÓRIO DAS MOLÉCULAS DE ÁGUA DO LAGO. A ENERGIA MECÂNICA SE TRANSFORMA EM CALOR, AUMENTANDO LIGEIRAMENTE A TEMPERATURA DO LAGO. AS CONTAS SE EQUILIBRAM.

PERMANECEM AINDA ALGUMAS PERGUNTAS: POR QUE NÃO PODE ACONTECER O CONTRÁRIO, ISTO É, AS MOLÉCULAS DE ÁGUA FORMAREM ONDAS, RETIRAREM A PEDRA DO FUNDO DO LAGO, E LANÇAREM-NA DE VOLTA ÀS MÃOS DO GAROTO QUE PERTURBARA  A SUA TRANQUILIDADE?

NÃO PODERIAM AS CONTAS SE EQUILIBRAR NO ACONTECIMENTO INVERSO, NA “VINGANÇA” DO LAGO? SIM, PODERIAM EQUILIBRAR-SE NO ACONTECIMENTO INVERSO (1ª LEI), PORÉM O ADMINISTRADOR (2ª LEI ) DIZ “NÃO, PORQUE EXIGIRIA QUE A ENERGIA RANDÔMICA (CALOR) SE TORNASSE ENERGIA ORDENADA (TRABALHO)”. “NÃO”, DIZ O ADMINISTRADOR, “MEU CONTADOR DEVE SEMPRE COMPENSAR AS CONTAS, MAS SÓ EU TENHO O DIREITO DE ESTABELECER COMO OS DÉBITOS E CRÉDITOS SÃO MANEJADOS; OS NEGÓCIOS SEGUEM MINHA OPINIÃO, NA DIREÇÃO DA ENTROPIA CRESCENTE”.

NA GRANDE FÁBRICA DOS PROCESSOS NATURAIS, O PRINCÍPIO DA ENTROPIA OCUPA A POSIÇÃO DO ADMINISTRADOR, POIS DITA A MANEIRA E O MÉTODO DE TODA A EMPRESA, ENQUANTO QUE O PRINCÍPIO DA ENERGIA MERAMENTE FAZ A CONTABILIDADE, EQUILIBRANDO OS CRÉDITOS E OS DÉBITOS .

MAS O QUE É A IRREVERSIBILIDADE?

PARA MUITOS, CORRESPONDE À DISSIPAÇÃO E A DESORDEM, NO SENTIDO DE UMA CRESCENTE TENDÊNCIA NA “PERCA' DA ENERGIA. PARA OUTROS , UMA DIFERENTE FORMA DE ORGANIZAÇÃO DE UM SISTEMA, QUE TEM O PODER DE CRIAÇÃO.

MAS COMO ANALISAR O UNIVERSO SOB ESSE ASPECTO?

AULA 2: COSMOLOGIA E TERMODINÂMICA

VIMOS O PAPEL DAS LEIS TERMODINÂMICAS PARA OS SISTEMAS MACROSCÓPICOS, E A IMPORTÂNCIA DO CONCEITO DE ENTROPIA E IRREVERSIBILIDADE. MAS O QUE ACONTECE SE ANALISARMOS O UNIVERSO À PARTIR DESSAS OBSERVAÇÕES?

A 1ª LEI DA TERMODINÂMICA ESTABELECE QUE A ENERGIA SE CONSERVA QUANTITATIVAMENTE; NADA SE GANHA OU SE PERDE NAS TRANSFORMAÇÕES. SE O UNIVERSO FOR UM SISTEMA FECHADO OU FINITO, COMO EINSTEIN E OUTROS ACEITAM, ENTÃO A QUANTIDADE TOTAL DE ENERGIA E DE MASSA EQUIVALENTE A ENERGIA  E=mc² NO UNIVERSO, SERÁ SEMPRE CONSTANTE. O CONCEITO DE DENSIDADE DE ENERGIA PODE SER APLICADO A UM UNIVERSO FINITO, DE MANEIRA QUE A PRIMEIRA LEI PODE SER EXPRESSA NO GRÁFICO DA VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE ENERGIA MÉDIA EM FUNÇÃO DO TEMPO:

O AUMENTO DA ENTROPIA, OU A SEGUNDA LEI É SIMPLESMENTE O AUMENTO DA DESORDEM EM UM SISTEMA FECHADO, OU SEJA:

A QUANTIDADE DE ENERGIA NO UNIVERSO É CONSTANTE, PORÉM ESTÁ SE TORNANDO CONTINUAMENTE MENOS DISPONÍVEL (VER FIGURAS 1 E 2). A SUPERPOSIÇÃO DOS DOIS GRÁFICOS REVELA DOIS PONTOS SINGULARES:

(1) PODEMOS PREDIZER QUE A ENERGIA ÚTIL ATINGIRÁ VALOR NULO EM ALGUM TEMPO FUTURO.

(2) PODEMOS DEDUZIR QUE A ENERGIA ÚTIL FOI IGUAL À ENERGIA TOTAL NO UNIVERSO EM ALGUM TEMPO PASSADO.

O PRIMEIRO PONTO INDICA QUE A ENERGIA ÚTIL NO UNIVERSO TENDE A ZERO. EM OUTRAS PALAVRAS, O UNIVERSO LENTAMENTE TENDERÁ À MÁXIMA ENTROPIA, OU À ENERGIA ÚTIL NULA. QUAIS SÃO AS IMPLICAÇÕES DESTE DESTINO DO UNIVERSO?

O UNIVERSO ESTÁ ASSIM SE DESLOCANDO EM DIREÇÃO A UMA “MORTE TÉRMICA” FINAL, OU, COMO TEM SIDO DEFINIDO TECNICAMENTE, A UMA CONDIÇÃO DE “MÁXIMA ENTROPIA”. QUANDO O UNIVERSO ATINGIR ESSE ESTADO, A ALGUNS BILHÕES DE ANOS, CESSARÃO TODAS AS TRANSFORMAÇÕES DA NATUREZA. TODO O ESPAÇO ESTARÁ À MESMA TEMPERATURA. NENHUMA ENERGIA PODERÁ SER UTILIZADA, PORQUE ESTARÁ UNIFORMEMENTE DISTRIBUÍDA EM TODO O COSMOS. NÃO HAVERÁ LUZ, NEM VIDA, NEM AQUECIMENTO NADA, A NÃO SER ESTAGNAÇÃO PERPÉTUA E IRREVOGÁVEL. O PRÓPRIO TEMPO CHEGARÁ AO FIM, POIS A ENTROPIA APONTA A DIREÇÃO DO TEMPO.

A ENTROPIA É A MEDIDA DA RANDOMICIDADE, LOGO, QUANDO TODO SISTEMA E ORDEM TIVEREM SIDO BANIDOS DO UNIVERSO, QUANDO A RANDOMICIDADE TIVER ATINGIDO SEU MÁXIMO, E A ENTROPIA NÃO MAIS PUDER CRESCER, QUANDO NÃO MAIS EXISTIR QUALQUER SEQÜÊNCIA DE CAUSA E EFEITO, EM RESUMO, QUANDO O UNIVERSO ESTIVER DESATIVADO, NÃO HAVERÁ MAIS DIREÇÃO PARA O TEMPO NÃO HAVERÁ MAIS TEMPO.

E NÃO HÁ MEIO DE EVITAR ESSE DESTINO, POIS O PRINCÍPIO FATAL CONHECIDO COMO 2ª LEI DA TERMODINÂMICA, QUE PERMANECE HOJE COMO A PRINCIPAL COLUNA DA FÍSICA CLÁSSICA, INTACTO PELA MARCHA DA CIÊNCIA, PROCLAMA QUE AS TRANSFORMAÇÕES FUNDAMENTAIS DA NATUREZA SÃO IRREVERSÍVEIS. A NATUREZA MOVE-SE SOMENTE NUMA DIREÇÃO.

MAS ESSE É UM PONTO DE VISTA.

DE ACORDO COM A EQUAÇÃO DE EQUIVALÊNCIA MATÉRIA- ENERGIA E=mc² , PODEMOS CONCEBER UM UNIVERSO DE ONDE A MATÉRIA-ENERGIA POSITIVA VEM DAS MASSAS E A ENERGIA NEGATIVA DA GRAVITAÇÃO, A ENERGIA TOTAL É NULA.

DE ONDE VEIO A ENERGIA PARA FORMAÇÃO DO UNIVERSO?

DA ENTROPIA.

UMA ENORME PRODUÇÃO DE ENTROPIA. O UNIVERSO É UM MAR DE FÓTONS POR ONDE NAVEGAM OS BÁRIONS (MATÉRIA COM MASSA DIFERENTE DE ZERO), ESSA DESIGUALDADE PODE SER EXPLICADA PELO ELEVADO VALOR DE ENTROPIA INICIAL DO UNIVERSO, QUE É A DECOMPOSIÇÃO DA MATÉRIA BARIÔNICA.

A MORTE TÉRMICA ESTÁ NO INÍCIO DO UNIVERSO, QUE A ENTROPIA ATINGIU SEU VALOR MÁXIMO NO INÍCIO DO UNIVERSO. HOJE SABEMOS QUE O UNIVERSO É CONSTITUÍDO DE BÁRIONS (MATÉRIA) E OS FÓTONS.  EXISTE UM BALANÇO DESIGUAL ENTRE ESSES DOIS CONSTITUINTES.

O QUE PROVOCA ISSO? ESSA ASSIMETRIA?

SE ENCARARMOS O INÍCIO COMO UMA MUDANÇA DE FASE, O INÍCIO COMO UM PROCESSO ENTRÓPICO QUE PROVOCA ORDEM NO SENTIDO DE UMA TRANSFORMAÇÃO IRREVERSÍVEL. MAS QUE TAMBÉM CRIA ORDEM À PARTIR DO MECANISMO DE CRIAÇÃO-ANIQUILAÇÃO DE MATÉRIA NO INÍCIO DA MUDANÇA DO ESTADO ANTERIOR DO UNIVERSO PARA O ATUAL. A MATÉRIA LEVA EM SI O SINAL DO TEMPO DE ACORDO COM ESSE PONTO DE VISTA.

AULA 3: O PAPEL CRIADOR DO TEMPO

VIMOS ANTERIORMENTE QUE DEPENDENDO DE COMO ENCARAMOS A IRREVERSIBILIDADE IMPOSTA PELA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA PODEMOS TER DOIS PANORAMAS DISTINTOS PARA O INÍCIO E DESTINO DO UNIVERSO:

MORTE TÉRMICA - INÍCIO NO BIG-BANG, UM PONTO DE MATÉRIA-ENERGIA INFINITAS, CRIANDO O UNIVERSO E ESFRIANDO DESDE ENTÃO. A ENERGIA TOTAL CONTIDA NESSE SISTEMA TENDE A SE DISSIPAR CADA VEZ MAIS, DEIXANDO O UNIVERSO, O SISTEMA COM O MESMO ESTADO.

TODO SISTEMA FECHADO, NA TERRA, COM EXCEÇÃO SOMENTE DA MATÉRIA RADIOATIVA DE VIDA LONGA, ATINGE ESSE ESTADO DENTRO DE INTERVALOS DE TEMPO OBSERVÁVEIS. É POSSÍVEL A CONTINUAÇÃO DO CURSO DOS ACONTECIMENTOS, NA TERRA, SOMENTE PORQUE HÁ UM CONSTANTE INFLUXO DE ENERGIA NOS RAIOS DO SOL EM OUTRAS PALAVRAS, SOMENTE PORQUE A TERRA NÃO É UM SISTEMA FECHADO.

PORÉM, ADMITIDO TEMPO SUFICIENTE, NENHUMA ESTRUTURA NO UNIVERSO SERIA CAPAZ DE ESCAPAR À MORTE TÉRMICA. CONCEBE-SE, DE FATO, QUE CERTAS FORMAS DE ENERGIA, TAIS COMO A ENERGIA DOS NÚCLEOS ATÔMICOS, OU A ENERGIA CINÉTICA DOS CORPOS ESTELARES EM MOVIMENTO PELO ESPAÇO VAZIO, JAMAIS SE CONVERTERIAM EM CALOR. MAS, MESMO ASSIM, NÃO MAIS HAVERIA NO FINAL QUAISQUER CONVERSÕES DE ENERGIA .

TRANSFORMAÇÃO DE FASE – O UNIVERSO PREEXISTENTE ATINGIU UM VALOR MÁXIMO DE ENTROPIA, PROVOCANDO A MUDANÇA DE FASE E A QUEBRA DE SIMETRIA QUE EXISTIA, AUMENTANDO PROGRESSIVAMENTE SUA COMPLEXIDADE E CRIANDO NOVAS ESTRUTURAS À PARTIR DESSE EVENTO. O TEMPO É O CRIADOR, O NÃO-EQUILÍBRIO É ESSENCIAL PARA MANTER A ESTRUTURA EM LARGA ESCALA DO UNIVERSO, ONDE O AUMENTO DA DIVERSIDADE É A MEDIDA DA IRREVERSIBILIDADE.

Ana Paula e Julio Cesar