quarta-feira, 16 de novembro de 2011

É possível reverter a Entropia total do Universo????

     Olá pessoal! Quem quer ganhar 1 bilhão de dólares??? É simples, basta responder a pergunta: "É possível reverter a Entropia total do Universo?". Essa pergunta foi feita no conto do escritor de ficção científica Isaac Asimov, chamado "A Última Pergunta". Mas que diabos é Entropia??? Entropia é outro monstro incompreensível da física, parte por não ser um tema abordado no colégio regular, e parte por ser incompreensível mesmo. Para podermos entender oque é Entropia, precisamos entrar em temas como Energia e Calor.
     Bom, a entropia é uma grandeza que relacionada com a Teoria da Termodinâmica (estudo do calor). E é impossível falar em entropia sem falar no pai desse monstro, Rudolf Julius Emmanuel Clausius. Antes dele, os físicos tinham começado a compreender os complexos comportamentos da terra, do ar e da água; mas seria Clausius, em 1850, o primeiro a descobrir a verdadeira natureza do fogo, talvez o mais misterioso de todos os elementos enunciados por Aristósteles.
Só pra dar vontade
     O calor é apenas um tipo de energia. Existem também a energia elétrica, cinética, e muitas outras. A energia é vital para a civilização. Durtante 99,9% da existência humana, as sociedades primitivas foram nômades, dependendo da caça e coleta de frutos para subsistir numa vida de muita escassez. A vida era brutal e curta. A energia disponível para nós era um quinto de um cavalo-vapor, ou seja, a potência de nossos próprios músculos. Análises de ossos de nossos ancestrais mostram evidências desse enorme desgaste.
     Mas passada a última era glacial, há cerda de dez mil anos, descobrimos a agricultura e domesticamos os animais, especialmente o cavalo, gradualmente elevando nossa produção de energia a um ou dois cavalos-vapor. Isso deu início a primeira grande revolução da história. Com cavalos e bois, o homem tinha energia para arar um campo inteiro sozinho, viajar dezenas de quilometros num dia ou para carregar centenas de quilos de pedras e grãos de um lugar para outro. Pela primeira vez na história, as famílias tinham excedente de energia e o resultado foi a fundação de nossas primeiras cidades. A sociedade podia agora se dar o luxo de sustentar uma classe de artesãos, arquitetos, construtores e escribas. Logo grandes pirâmides e impérios foram erguidos nos desertos e selvas.
     Então, há cerca de trezentos anos, aconteceu a segunda revolução. Com a chegada das máquinas e da força a vapor, a energia disponível para uma única pessoa subiu para dezenas de cavalo-vapor. Utilizando locomotiva a vapor, as pessoas podiam atravessar continentes inteiros em poucos dias, máquinas podiam arar milhares de quilometro de campo e permitir a construção de imensos aranha-céus. Hoje estamos em meio da terceira revolução, a da informação. Com a população crescendo cada vez mais e o nosso voraz apetite por eletricidade e potência, nossas necessidades de energia aumentaram vertiginosamente e nosso suprimento de energia está sendo levado ao limite. A energia disponível para um único individuo agora é medida em milhares de cavalo-vapor.
     Em todo universo existem apenas dois tipos de processos. Os reversíveis, que cujas consequências se podem revogar, e o irreversíveis, que têm consequências impossíveis de revogar. Por serem perfeitamente revogáveis, os processos reversíveis podem desenrolar-se continuamente, para frente e para trás, e para frente novamente, add infinitum. Pelo contrário, os processos irreversíveis são mortais. À medida que se desenrolam, deterioram-se de alguma forma indelével. "A vida seria infinitamente mais feliz, se pudéssemos nascer com 80 anos e atingir gradualmente os 18", lamentava-se Mark Twain. Embora pudesse ser verdade, a vida era um processo irreversível.
     O filósofo seiscentista Isaac Newton notou que o caráter geral do universo aparentava ser de alguma forma reversível: os objetos rolavam pelas encostas abaixo e acima, pêndulos balançavam de um lado para o outro, as coisas explodiam e implodiam, em suma, para cada processo natural que se desenvolvia de determinada forma parecia existir outro processo natural oposto. Seria então o universo um perpetuo mobile, destinado a existir para sempre? Durante a maior parte do século XVIII, os filósofos naturalistas tenderam a responder que sim, mas nos finais de 1700, os mesmos ficaram agastados ao descobrir que o cosmos não era afinal completamente reversível: existêm vários processos para os quais não parecia haver nenhuma contrapartida oposta, e pelo menos dois deles estavam relacionado ao calor.
     Em primeiro lugar, o calor aparentava fluir sempre do quente para o frio, e nunca do frio para o quente. Por exemplo, verificava-se sempre o aquecimento da chaleira com água colocada sobra a foqueira incandescente, nunca a água ficava mais fria e a foqueira mais quente. Em segundo lugar, a fricção transformava sempre o movimento sem calor e nunca ao contrário. De fato, se acontecesse, o mundo seria um lugar estranho, onde as pedras aquecidas pelo sol começariam a mover-se por sí próprias. A existência de tais processos irreversíveis implicava que o universo estava, tal como a vida, envelhecendo.
     Clausius nasceu no dia 2 de janeiro de 1822. Precisamente neste ano, um jovem engenheiro francês dava origem a uma nova era. Após anos de trabalho, Sadi Carnot publicara sua magnum opus, Reflexões sobre a Força Motriz do Calor, a qual viria a influenciar Clausius. Tal como os franceses, os ingleses já empregavam máquinas a vapor para produção industrial. Carnot sentia-se envergonhado pelo fato das máquinas inglesas serem mais eficientes doque as francesas: para mesmas quantidades de combustível, as máquinas inglesas produziam mais trabalho.
     As máquinas a vapor queimavam madeira ou carvão para converter água em vapor. A alta pressão do vapor enchia os cilindros dos motores, empurrando os pistões para baixo, ao libertar-se o vapor sai por uma válvula de escape e os pistões voltam a posição original, repetindo esse ciclo inúmeras vezes. As máquinas a vapor eram um conjunto complexo de maquinaria, mas o efeito essencial era simples: fornecia-lhes calor e elas forneciam trabalho. Nessa época era comum pensar que a trabalho produzido dependia unicamente do temperatura da caldeira, quanto mais quente fosse, mais vapor produziria, e mais trabalho por consequência. Parecia senso comum, mas Carnot mostrou que não: em sua obra prima, ele prova que o trabalho produzido por uma máquina depende da diferença de temperatura entre a caldeira e o radiador, oque ficou conhecido como Princípio de Carnot.
     Clausius ficou surpreso também, ao descobrir que Carnot fizera outra descoberta igualmente importante. De acordo com seu princípio, uma máquina cuja temperatua entre caldeira e radiador fosse de 160 e 40 graus celsius respectivamente, produziria uma potência de cerca de 2,8 milhões de toneladas-metro por cada tonelada de carvão consumido. Todavia Carnot mediu a potência de saída de um grande número de máquinas e descobriu que os melhores engenhos ingleses produziam apenas um vigésimo daquele valor. Os franceses eram ainda piores. Simplesmente o motor ideal de Carnot representava uma máquina de movimento perpétuo (moto-perpétua). Isso vai ser assunto de outro post.
     Em 1814, um tal de Julius Robert von Mayer, nascia na Baviera. embora estivesse condenado a uma vida trágica, suas idéias mudaram para sempre a termodinâmica, formulariam a primeira lei da termodinâmica, e auxiliariam um dia a Rudolf Clausius a formular a segunda lei. Mayer foi um médico e não tinha conhecimentos de física. Enquanto jovem, estudante num seminário, ficou com a impressão de que a ciência não tinha todas as respostas. Mas tarde na faculdade de Medicina, ficou com a impressão que a religião também não tinha todas as respostas. Não satisfeito com nenhuma das duas tradições, Mayer anunciou a sua teoria sobre a criação do Mundo. No pincipio, imaginou, o universo foi criado por uma força poderosa chamada Ursache, palavra alemã para causa. Mayer afastou os teólogos por não se referir a um Deus, e os cientistas por se referir a um Ursache sobre natural.
     Foi portanto sem surpresa que foi rejeitado quando tentou problicar suas teorias no Anais de Física e Química, umas das mais prestigiadas publicações científicas da época. Enquanto trabalhava como médico a bordo de um navio holandês nas Índias Orientais, notou que o sangue dos marinheiros era muito mais vermelho quando próximo aos trópicos. Este fenônemo constituía uma validação inesperada da popular teoria calórica e das ideias de Lavoisier sobre combustão biológica. Nos países baixos, o tempo frio forçava os corpos a gerar bastante calor. Em climas mais quentes o mecanismo de combustão corporal desacelerava, consumindo menos ar inalado. O excedente de oxigênio causava e vermelhidão intensa. Ele deu um passo adiante em seu raciocínio: o esforço muscular (trabalho) também produz calor e deve haver uma relação entre trabalho e calor. Se fosse anunciada por qualquer outro esta teoria seria saudada pelos amantes da teoria calórica. Todavia, proveniente daquele jovem bávaro, a publicação suscitou pouca reação.
    Sentindo derrotado, Mayer não desistiu. Decidiu incorporar sua teoria do calor com a teoria da Ursache. De acordo com Mayer, a enorme força única se dividira em muitas forças mais pequenas, que ainda estava a se dividir. Por exemplo, a força do Sol se dividia em força luminosa e força termica, sendo ambas transformadas pelas plantas em força química (alimento). Consumido por seres vivos, essa força química se dividiria em força mecânica, força acústica, força elétrica (impulso neurais) e força térmica. Qual foi a grande conclusão de Mayer? A soma das intensidades de todas as forças divididas era igual a intensidade da Ursache original.
     A primeira lei da termo dinâmica hoje é uma das grandes lei da Física. O Calor é uma Energia. É simplesmente uma reafirmação da Lei da Conservação de Energia: a energia não é criada nem destruída, mas pode ser alterada de uma forma para outra. Mas em 1842 embora o Dr. Mayer conseguisse publicar sua teoria, ela foi amplamente ignorada. A maior parte de seus colegas rejeitou-a simplesmente pela reputação excêntrica de seu autor. O desespero do médico não deixou de aumentar nos anos seguintes, Mayer já tinha atingido o limiar da depressão e os médicos ameaçavam interna-lo num hospício. Certa noite: incapaz de dormir, saltou da cama e atirou-se pela janela do seu 2° andar. Infelizmente para si, não conseguiu suicidar-se.
     Clausius nasceu em Koszalin, na província da Pomerânia. Começou sua educação básica na escola de seu pai. Após alguns anos, fez o ginásio em Szczecin. Clausius se formou na Universidade de Berlim em 1844, onde estudou matemática e física. Ele também estudou história. Durante 1847, obteve o doutorado na Universidade de Halle sobre efeitos ópticos na atmosfera da Terra. Ele então tornou-se professor de Física na Escola Real de Artilharia e Engenharia de Berlim e professor na universidade de Berlim. Em 1855 tornou-se professor na Politécnica de Zurique, o Instituto Federal Suíço de Tecnologia, em Zurique, onde permaneceu até 1867. Durante esses anos Clausius estudou exaustivamente os trabalhos de Carnot, Joule e Mayer.
     Em 1850, publicou o artigo com nome extenso: "Sobre a força motriz do calor, e sobre as leis que podem ser deduzidas da teoria do calor". De acordo com Clausius, no caso da experiência de Joule assistia-se a transformação de energia elétrica em térmica, isto é, a medida que o fio condutor aumentava de temperatura, a eletricidade abrandava, e vice-versa. De acordo com Clausius, o Princípio de Carnot não errava ao afirmar que o trabalho ideal produzido por uma máquina era apenas determinado pela diferença de temperatura entre a caldeira e o radiador. Somente alguma parte do calor era perdida, atravessando as paredes do motor e sendo irradiado inutilmente para atmosfera. De forma similar o corpo humano, do total da energia química (alimentos), apenas uma fração era convertida em energia mecânica. Grande parte dela era convertida em subprodutos. Nenhuma máquina parecia ser capaz de funcionar sem perdas, convertendo 100% do combustível em trabalho útil.
     Apesar disto as máquinas sempre obedeciam ao princípio de conservação da energia. Desse ponto iniciou o raciocínio ao invocar dois exemplos familiares de comportamento irreversível do calor. Em primeiro lugar, o calor parecia fluir sempre do quente para o frio, e nunca ao contrário. Segundo o atrito transformava energia mecânica em calor, e não existia na natureza qualquer processo semalhante de converter calor em movimento. Esse comportamento assimétrico do calor representava dois tipos de transformação: variação de temperatura e variação de energia. Seriam essas duas variações diferentes? Ou apenas duas facetas do mesmo fenômeno? Por analogia, Clausius decidiu propor algo novo: as variações de energia e temperatura constituíam apenas duas variedades da mesma coisa, Entropia.
     A entropia aparece geralmente associada ao que se denomina, não em senso comum, de "grau de desordem" de um sistema termodinâmico. Trabalho pode ser completamente convertido em calor, e por tal em energia térmica, mas energia térmica não pode ser completamente convertida em trabalho. A segunda lei da termodinâmica diz que muitos processos na natureza são irreversíveis: o combustível queimado está perdido pra sempre, o omelete não volta para o ovo, máquinas isoladas não podem permanecer em movimento pertpétuo, e assim por diante. Em 1865, Clausious usou o termo entropia como uma medida de desordem ou aleatoriedade de um sistema. Quanto mais aleatório e desordenado, maior a entropia do sistema. O escritor de ficção científica, John Campbell, forneceu a seguinte interpretação das leis da termodinâmica:
1°- Você não pode vencer
2°- Você não pode empatar
3°- Você não pode sair do jogo
      Apesar do aspecto diferente, as variações de energia e de temperatura podiam ser comparadas com a mesma medida. Uma torrente de questões inundou a mente do físico: qual era exatamente a soma total das variações de Entropia em todo Universo? Para calcular tal empreitada, Clausius dividiu num sistema simples de contabilidade: as variações naturais(café quente esfriando) seriam tratadas como variações positivas, ou seja, a entropia aumenta. E todas variações antinaturais(geladeiras, máquinas a vapor) seriam variações negativas, então a entropia diminui. Ao analisar as máquinas e os processos, Clausius chegou a uma terrível conclusão: as variações positivas sempre excedem as negativa. Ou seja a Entropia sempre aumenta.
     Essa conclusão selou o destino do Universo: assim como o cigarro após queimado não pode se tornar cigarro novamente, as estrelas após queimarem todo seu combutível, não poderam tornar-se novamente estrela. O universo terá um fim numa melancólica vastidão escurida e fria. Claro que isto demorará alguns bilhões de anos, mas será que até lá a humanidade não descobrirá algum processo antinatural para reverter a entropia do universo? É nisso que se baseia o conto "A Última Pergunta" de Isaac Isamov, que me motivou a escrever este post. Apesar de eu não gostar de fazer post muito grande, achei que valia a pena postar aqui o conto, pois a visão do futuro da universo de Asimov, a evolução da humanidade e da tecnologia são fantástico, assim como o final surpreendente (de arrepiar) e também a resposta para a Última Pergunta.
     Espero que gostem tanto deste posto como do conto de Asimov.
     Abraços a todos!


     Bruno Martinez Ribeiro

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