O que é entropia? - Jeff Phillips

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Há um conceito fundamental para a química e física. Ele ajuda a explicar por que processos físicos acontecem de um jeito e não de outro: por que o gelo derrete, por que o creme se espalha no café, por que o ar vaza no pneu furado. É entropia e é notavelmente difícil compreender esse conceito. Jeff Phillips dá um curso rápido de entropia.

Lição de Jeff Phillips; animação de Provincia Studio.

Há um conceito fundamental
para a química e física.

Ele ajuda a explicar por que processos
físicos acontecem de um modo e não outro:

por que o gelo derrete,

por que o creme espalha-se no café,

por que o ar vaza pelo pneu furado.

É entropia e é notavelmente
difícil entendê-la.

A entropia é frequentemente descrita
como uma mensuração de desordem.

Isso é uma representação conveniente,
mas, infelizmente, enganosa.

Por exemplo, o que é mais desordenado:

um copo de gelo moído ou um copo
de água à temperatura ambiente?

A maioria das pessoas diriam o gelo,

mas, na verdade, ele tem menor entropia.

Há, então, um outro modo de pensar
sobre isso, através de probabilidade.

Isso pode ser mais difícil para entender,
mas faça um esforço para o assimilar

e você terá um entendimento
muito melhor de entropia.

Considere dois sólidos pequenos

constituídos por seis
ligações atômicas cada.

Nesse modelo, a energia de cada sólido
é armazenada nas ligações.

Pode-se imaginá-las
como simples recipientes,

capazes de reter unidades indivisíveis
de energia, conhecidas como quanta.

Quanto mais energia um sólido tem,
mais quente ele é.

Acontece que há vários modos nos quais
a energia pode ser distribuída

nos dois sólidos e ainda existir
a mesma energia total em cada.

Cada uma dessas opções
é chamada de um microestado.

Para seis quanta de energia no Sólido A
e dois quanta no Sólido B,

há 9,702 microestados.

Claro, há outras maneiras como os oito
quanta de energia podem ser distribuídos.

Por exemplo, toda a energia poderia
estar no sólido A e nenhuma no B,

ou, metade no A e metade no B.

Se considerarmos que cada microestado
é igualmente provável,

podemos ver que algumas
configurações de energia

têm maior probabilidade
de ocorrência do que outras.

Isso é devido a seus maiores
números de microestados.

Entropia é a medida direta da cada
probabilidade de configuração energética.

O que vemos é
que a configuração energética,

na qual a energia é mais dispersa entre
os sólidos, tem a entropia mais alta.

Então, de modo geral,

pode-se pensar em entropia
como uma medição da energia dispersa.

Baixa entropia significa
que a energia está concentrada.

Alta entropia significa que está dispersa.

Para observar por que a entropia é útil
para explicar processos espontâneos,

como objetos quentes se esfriando,

precisamos analisar um sistema dinâmico,
no qual a energia se move.

Na verdade, a energia não fica parada.

Está constantemente se movendo
entre ligações vizinhas.

À medida que a energia se move,
a configuração energética pode mudar.

Devido à distribuição dos microestados,

há uma chance de 21% de que o sistema
estará mais tarde na configuração

na qual a energia está
maximamente dispersa;

há uma chance de 13%,
de que retornará ao seu ponto inicial

e uma chance de 8% de que A irá,
na verdade, ganhar energia.

Assim, vimos que, por existir
mais maneiras da energia dispersar-se

e alta entropia ao invés
de energia concentrada,

a energia tende a espalhar-se.

Por esse motivo, ao colocar
um objeto quente perto de um frio,

o objeto frio irá aquecer-se
e o quente esfriar-se.

Mas, mesmo nesse exemplo,
há uma chance de 8%

do objeto quente ficar mais quente.

Por que isso nunca acontece na vida real?

Isso está puramente relacionado
ao tamanho do sistema.

Nossos sólidos hipotéticos
tinham apenas seis ligações cada.

Vamos aumentar os sólidos para
6 mil ligações e 8 mil unidades de energia

e começar o sistema, novamente,
com três-quartos de energia em A

e um-quarto em B.

Agora, podemos ver que a chance de A
espontaneamente adquirir mais energia

é esse número minúsculo.

Objetos comuns do dia a dia têm
infinitamente mais partículas do que isso.

A chance de um objeto quente,
na vida real, ficar mais quente,

é absurdamente pequena,

simplesmente, nunca acontece.

O gelo derrete,

o creme se mistura

e pneus murcham,

pois esses estados têm mais energia
dispersa do que seus estados iniciais.

Não há força misteriosa empurrando
o sistema para maior entropia.

Simplesmente, maior entropia é sempre
estatisticamente mais provável.

É por isso que entropia
tem sido chamada de seta do tempo.

Se a energia tiver oportunidade
de espalhar-se, assim o fará.