Gavetas de meias e a Segunda Lei da Termodinâmica

O leitor já deve ter percebido que as meias na sua gaveta parecem ter
vida própria. Você dedica um dia para organizá-las, juntar os pares,
separar por cores, e uma semana depois você já começa a achar uma meia
sem seu par. Como isso é possível?

A razão pela qual as meias estão sempre bagunçadas é a mesma pela qual
muitos processos ocorrem na natureza: é sempre mais fácil bagunçar algo
do que organizá-lo.

Essa ideia é chamada de Segunda Lei da Termodinâmica. Entender a
Segunda Lei nos ajuda a entender bagunça das meias.

Existem tantas interpretações para esse princípio básico da Física que
fica até difícil escolher uma, mas vou tentar ser sucinto. Vamos começar
com a definição de três termos básicos para que eu possa ser entendido.

Um sistema é uma porção isolada de matéria. Sim, essa é uma definição
bastante arbitrária, mas esse justamente é o ponto. Um sistema pode ser
um átomo, o gás contido em um cilindro, as meias da sua gaveta ou o
universo. O sistema é aquilo que você vai analisar.

O conjunto de condições que caracterizam um sistema é o estado.
Normalmente (e talvez a rigor) esse termo geralmente caracteriza
líquidos e gases; quando você especifica a pressão, temperatura, volume,
massa etc de gases, você está especificando seu estado. Entretanto,
fugindo do formalismo, não vejo por que não podemos especificar o estado
de uma gaveta de meias especificando a massa de cada uma, sua posição,
os materiais que a compõem.

Um processo é uma mudança de estado. Para fins dessa discussão, um
processo é aquilo que muda um sistema.

Então, a Segunda Lei da Termodinâmica diz que os processos na natureza
só tem um sentido possível de acontecerem naturalmente, e esse sentido é
sempre do sistema mais organizado para o sistema menos organizado.

Estudantes geralmente aprendem a Segunda Lei com exemplos de
transferência de calor, com o mantra de que “calor passa de um corpo
quente para um corpo frio”. Quando você coloca sua mão em uma panela
quente, calor passa da panela para a sua mão, sem você precisar fazer
nada. Não é possível você encostar a sua mão na panela e seu corpo ficar
mais frio ainda, enquanto que a panela fica mais quente. Isso violaria a
Segunda Lei.

Repare no naturalmente da definição, significando basicamente “sem
ação mecânica”; refrigeradores de fato removem calor de um sistema frio
(o interior da geladeira) para um sistema quente (o ar próximo ao
condensador, aquele tubo dobrado atrás), mas fazem isso com a ajuda de
um compressor (e é por isso que você precisa de energia elétrica).

Um outro exemplo da Segunda Lei é um desodorante. Você abre a válvula, o
gás sai para fora e o tubo fica frio, isto é, rouba calor da sua mão.
Não é possivel naturalmente inverter esse processo; se você colocar um
tubo vazio em um ambiente frio (que roube calor do tubo) e abrir a
válvula, o gás não vai escoar de volta para dentro.

O gás dentro do tubo está bem compacto e organizado. Quando você abre a
válvula, o gás se expande para o ambiente, onde ele se difunde e fica
mais desorganizado. Assim, pela Segunda Lei, esse é um processo natural.
Você partir do inverso, de um gás espalhado pelo ambiente para um gás
compacto em um tubo de desodorante, é impossível.

O exemplo da mão e da panela pode não parecer, mas é equivalente. Isso
tem a ver com uma propriedade chamada entropia, mas isso é assunto
para outro texto. Do ponto de vista da entropia, transferir calor de um
sistema frio para um sistema quente é o mesmo que deixar um sistema
desorganizado mais organizado.

Outro exemplo: despeje café solúvel em uma xícara de água quente
transparente (ou café preto em uma xícara de leite). Observe que
inicialmente o café fica numa camada superior e a água numa camada
inferior. Por um segundo ou menos eles ficam separados. Essa é uma
situação organizada, sujeita a mudanças. O café começa a descer, se
espalhando pela xícara, de maneira a criar uma estrutura… adivinhem?
Desorganizada.

Processos que criar desordem são fáceis e naturais. Uma vez removidas
barreiras (como a tampa do desodorante), uma vez que se criem condições
para transferência de energia e massa, os sistemas sempre vão tender
para um estado de menor organização. Para reverter isso, é preciso
agir sobre o sistema, como o compressor no sistema de refrigeração.

Exatamente como na nossa gaveta de meias. É claro que eu não estou
sugerindo que as meias vão se movimentar sozinhas, mas é fascinante
pensar que a nossa mente se comporta assim. É muito fácil bagunçar as
suas meias — experimente pegar todas e jogá-las para cima. Agora, elas
não vão se arrumar sozinha, até que você aja e arrume suas meias.

Pense na quantidade de sistemas que são bagunçados e perceba como eles
ficaram assim naturalmente. O fio do telefone (isso ainda existe?). O
macarrão no seu prato. As bolhas em um copo de refrigerante. As marcas
de sujeira no vidro. Parte disso tem explicação atômica, parte vem da
nossa mente, mas o princípio é o mesmo: criar algo perfeitamente
alinhado não é natural.

E tem gente que diz que Física é inútil.