A Segunda Lei da Termodinâmica

Os estudos sobre energia geralmente envolvem meticulosa consideração de fluxo térmico e mudança de temperatura, porque este é o aspecto mais fácil de se manejar em laboratório — e porque foi também particularmente importante numa época em que máquinas a vapor eram o método básico de conversão de energia em trabalho. Por essa razão, a ciência da transformação energética, do fluxo energético e da conversão de energia em trabalho foi denominada “termodinâmica”, termo oriundo de palavras gregas que significam “movimento e calor”.

A lei da conservação de energia é, às vezes, chamada de “primeira lei da termodinâmica”, porque é a regra mais básica que dita o que acontecerá e o que não acontecerá com a energia.

A “segunda lei da termodinâmica” consiste na descrição da mudança espontânea da distribuição desigual de energia para a equilibrada.

A segunda lei da termodinâmica foi primeiro vislumbrada em 1824, quando o físico francês Nicolas L.S. Carnot (1796-1832) começou a estudar detalhadamente o fluxo de energia em máquinas a vapor.

No entanto, foi somente em 1850 que o físico alemão Rudolf J.E. Clausius (1822-88) sugeriu que esse processo de nivelamento se aplicava a todas as formas de energia e a todos os eventos no universo. Por isso ele é considerado o descobridor da segunda lei da termodinâmica.

Clausius demonstrou que uma quantidade baseada na razão entre total de calor e temperatura em qualquer corpo dado era importante no que se refere ao processo de nivelamento. Deu a essa quantidade o nome de “entropia”. Quanto mais baixa a entropia, mais desigual a distribuição de energia. Quanto maior a entropia, mais equilibrada aquela distribuição. Já que a tendência espontânea parece ser invariavelmente no sentido de equilibrar desiguais distribuições de energia, podemos dizer que a tendência espontânea parece ser a de que tudo se mova de uma baixa para uma alta entropia.

Podemos recolocar a questão da seguinte maneira: A primeira lei da termodinâmica afirma: a quantidade de energia no universo é constante.

A segunda lei da termodinâmica afirma: a quantidade de entropia do universo está progressivamente aumentando.

Se a primeira lei da termodinâmica parece denotar que o universo é imortal, a segunda lei demonstra que essa imortalidade é, de certo modo, inválida. A energia sempre estará presente, mas nem sempre poderá realizar mudanças, movimento e trabalho.

Algum dia, a entropia do universo alcançará um ponto máximo e toda a energia se equilibrará. Assim, embora toda a energia ainda esteja presente, será impossível, posteriormente, qualquer mudança, movimento, trabalho, vida ou inteligência. O universo sempre existirá, mas apenas como uma escultura em gelo. O filme terá parado de rodar e estaremos para sempre vendo uma cena estática.

Sendo o calor a forma menos organizada de energia e a que mais fácil e regularmente se espalha, toda mudança de energia não-térmica para energia térmica representa um aumento de entropia. A mudança espontânea acontece sempre no sentido: eletricidade para calor, energia química para calor, energia radiante para calor, e assim por diante.

No máximo da entropia, portanto, todas as modalidades de energia que assim se comportam converter-se-ão em calor, e todas as partes do universo terão a mesma temperatura. Isso é às vezes chamado de “morte do universo pelo calor” e, pelo exposto até aqui, parece representar um fim inevitável e inexorável.

Os fins dos universos mítico e científico são, desse modo, bem diferentes. O universo mítico se acaba numa vasta conflagração, “caindo aos pedaços”; termina num estrondo. O universo científico, se sujeito à morte pelo calor, termina num profundo suspiro.

O fim do universo mítico parece estar sempre sendo aguardado para um futuro próximo. O fim do universo científico pela morte do calor está muito longe disso: a pelo menos mil bilhões de anos, talvez muitos mil bilhões de anos distante. Considerando que o universo, atualmente, conta com apenas 15 bilhões de anos, segundo as últimas estimativas, estamos claramente na infância de sua existência.

No entanto, embora o fim do universo mítico seja em geral descrito como violento e próximo, é aceito porque engendra a promessa de regeneração. O fim do universo científico, pela morte por calor, mesmo que pacífico e distante, parece não incluir promessa de regeneração, mas, pelo contrário, ser definitivo e, aparentemente, isso é algo difícil de se aceitar.

Procuram-se, pois, meios para escapar a isso.

Afinal de contas, processos espontâneos podem, apesar de tudo, ser invertidos. Pode-se bombear água para cima, contra sua tendência de manter nível estável. Objetos podem ser resfríados abaixo da temperatura ambiental e conservar tal temperatura se guardados num refrigerador, ou aquecidos acima da temperatura ambiental e conservá-la se postos num forno. Vista por esse ângulo, pareceria possível a derrota do inexorável aumento da entropia.

O processo de aumento de entropia é, às vezes, descrito imaginando-se o universo como um imenso e indescritivelmente intricado relógio, que está parando vagarosamente por falta de corda. Bem, os seres humanos possuem relógios que podem parar e realmente param por falta de corda, mas podemos sempre dar-lhes corda. Não poderia haver algum processo análogo para o universo?

Na verdade, não devemos imaginar que um decréscimo da entropia só possa suceder causado por ações humanas deliberadas. A própria vida, bastante independente da inteligência humana, parece desafiar a segunda lei da termodinâmica. Indivíduos morrem, mas novos indivíduos nascem e a juventude é, agora, tão predominante quanto sempre foi. A vegetação morre no inverno, mas cresce novamente na primavera. A vida tem existido na Terra por mais de 3 bilhões de anos e não mostra sinal de se esgotar. Na verdade, tudo denota um fortalecimento, dado que, em toda a sua história na Terra, a vida tem se tornado cada vez mais complexa, tanto no caso de organismos individuais como na teia ecológica que os liga uns aos outros. A história da evolução biológica representa um grande decréscimo de entropia.

Por causa disso, algumas pessoas chegaram a definir a vida como um dispositivo de diminuição de entropia. Se isso fosse verdade, então o universo nunca experimentaria uma morte pelo calor, já que, onde quer que a vida exercesse influência, isso automaticamente agiria para diminuir a entropia. Verifica-se, contudo, que tudo isso é incorreto. A vida não é um dispositivo de diminuição de entropia e não pode, por si só, evitar a morte pelo calor. A descrença nessas afirmativas é fruto de compreensão falha e fantasias.

As leis da termodinâmica aplicam-se a sistemas fechados. Se uma bomba é usada para diminuir a entropia com a elevação do nível de água, a bomba deve ser considerada parte do sistema. Se um refrigerador é utilizado para diminuir a entropia pelo resfriamento de objetos a uma temperatura abaixo da ambiental, o refrigerador deve ser considerado parte do sistema.

Nem a bomba nem o refrigerador podem ser olhados separadamente. Onde quer que estejam ligados, qualquer que seja sua fonte, isso, também, deve ser considerado parte do sistema.

Sempre que seres e utensílios humanos são usados para diminuir a entropia e inverter uma reação espontânea, o que ocorre é que eles sofrem um aumento de entropia. Mais: o aumento de entropia dos seres humanos e de seus instrumentos é invariavelmente maior que o decréscimo de entropia daquela parte do sistema onde uma reação espontânea está sendo invertida. A entropia do sistema inteiro, portanto, aumenta; sempre aumenta.

Como se vê, um ser humano é capaz de inverter muitas, muitas reações espontâneas durante sua vida, e muitos seres humanos trabalhando conjuntamente construíram a imensa rede tecnológica que cobre a Terra, das pirâmides do Egito e a Grande Muralha da China aos mais modernos arranha-céus e diques. É possível sentir tamanho crescimento de entropia e ainda continuar vivendo?

Não podemos considerar os seres humanos isoladamente. Eles não formam sistemas fechados. Um ser humano come, bebe, respira, elimina detritos; tudo isso são conexões com o universo exterior, canais por onde a energia entra e sai. Se desejarmos considerar um ser humano como um sistema fechado, teremos de levar em conta igualmente o que ele come, bebe, respira e elimina.

A entropia de um ser humano aumenta quando ele inverte eventos espontâneos e continuamente estimula aquela porção do universo que ele pode atingir e, como já disse, seu aumento de entropia supera o decréscimo de entropia que ele realiza. Entretanto, um ser humano continuamente faz baixar sua entropia de novo, com a atividade de comer, beber, respirar e eliminar. (Essa diminuição não é, naturalmente, perfeita; cada ser humano certamente morre, não importa quanto sucesso tenha tido em evitar acidentes e doenças, devido a vagarosos aumentos entrópicos aqui e ali que não podem ser anulados.)

Contudo, o aumento na entropia da comida, água, ar e eliminações do sistema está, mais uma vez, muito acima do decréscimo de entropia no próprio ser humano. Em termos do sistema inteiro, há um aumento de entropia.

De fato, não só o ser humano mas toda a vida animal prospera e mantém sua entropia num nível baixo à custa de um grande aumento na entropia de sua comida que, em última análise, consiste na vegetação da Terra. Como, então, o mundo vegetal continua a existir? Afinal de contas, ele não pode existir por muito tempo se sua entropia cresce continuamente.

O mundo vegetal produz a comida e o oxigênio (componente fundamental do ar) de que o mundo animal necessita, pelo processo chamado “fotossíntese”. Há bilhões de anos que o faz; mas, então, a vida vegetal e animal tomada como um todo não é também um sistema fechado. As plantas recebem a energia que estimula sua produção de comida e oxigênio da luz solar.

É a luz solar, portanto, que faz a vida possível. Por conseguinte, o próprio Sol deve ser incluído como parte do sistema vital, antes de se aplicar as leis da termodinâmica à vida. E a entropia do Sol cresce regularmente, a uma proporção que ultrapassa de muito qualquer decréscimo entrópico possivelmente resultante da vida. A troca satisfatória na entropia do sistema que inclui a vida e o Sol é, assim, um crescimento constante e pronunciado.

O grande decréscimo de entropia representado pela evolução biológica, então, é apenas uma gota no oceano do aumento de entropia representado pelo Sol; ater-se à gota em detrimento do oceano é interpretar os fatos da termodinâmica de modo completamente errôneo.

Além da comida que ingerem e do oxigênio que respiram, os seres humanos se utilizam de outras fontes de energia. Utilizam-se da energia do vento e da água corrente, mas ambos são produtos do Sol, na medida em que os ventos são a resultante do aquecimento desigual da Terra pelo Sol e a água corrente deriva-se da evaporação dos oceanos pelo Sol.

Os homens também usam a queima de combustível para obter energia.

Porém, o combustível pode derivar de madeira ou outros produtos vegetais, que são dependentes da luz solar. Ou de produtos animais, e os animais se alimentam de plantas. Pode apresentar-se sob a forma de carvão, produto de épocas passadas de crescimento vegetal. Ou sob a forma de petróleo, resultado de épocas passadas de crescimento animal microscópico. Todos esses combustíveis, em última análise, derivam do Sol.

Existe na Terra energia que não provém do Sol. Há energia no calor interno da Terra, o qual produz fontes de água quente, os gêiseres, terremotos, vulcões e modificação da crosta terrestre. Há energia na rotação da Terra, evidenciada pelas marés. Há energia em reações químicas inorgânicas e na radioatividade.

Todas essas fontes energéticas produzem mudanças, mas, em todos os casos, a entropia cresce. Materiais radioativos vão lentamente sendo consumidos; quando seu calor não mais se adicionar ao suprimento interno da Terra, esta se resfriará. O atrito com o ar está gradualmente tornando mais lenta a rotação da Terra. Até o Sol certamente perderá seu suprimento de energia produtora de trabalho à medida em que sua entropia crescer. E a evolução biológica dos últimos 3 bilhões de anos, que parece um processo de decréscimo de entropia tão admirável, tem-no feito sobre a base do crescimento entrópico de todas essas fontes de energia e, aparentemente, nada pode fazer para deter esse crescimento.

A longo prazo, parece que nada pode obstar o aumento do nível de entropia ou impedir que alcance seu máximo, momento em que chegará a morte do universo pelo calor. E se os seres humanos puderem escapar de todas as outras catástrofes e ainda existirem daqui a trilhões de anos, não terão de curvar-se ante o inevitável e morrer pelo calor?