O que é a entropia, explicada sem fórmulas

O que é a entropia? Em poucas palavras, é uma medida de quantas maneiras diferentes as partículas de um sistema se podem arrumar sem que, visto de fora, nada pareça mudar. A segunda lei da termodinâmica diz que, num sistema isolado, essa medida nunca diminui. É por isso que o café arrefece, o gelo derrete e o tempo parece ter um só sentido.

O que é a entropia, numa frase?

É uma medida da «multiplicidade» de um estado: do número de maneiras como ele pode acontecer ao nível dos átomos. A HyperPhysics, da Universidade Estadual da Geórgia, explica assim: um estado que pode ser obtido de muitas mais maneiras é mais provável.

Uma imagem simples (e simplificada): uma gota de tinta numa garrafa de água. Há pouquíssimas maneiras de as moléculas da tinta ficarem todas juntas num canto, e um número imenso de maneiras de ficarem espalhadas. Por isso, a tinta espalha-se, e nunca se volta a juntar sozinha. Não há nenhuma força a empurrá-la: é uma questão de probabilidades.

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Foto: Luigi Crespo, Wikimedia Commons, CC BY 2.0, adaptada

O que diz a segunda lei da termodinâmica?

Diz que, num sistema isolado, a entropia aumenta ou fica igual, mas nunca diminui. A mesma lei tem outras formas, todas equivalentes:

• O calor não passa sozinho do frio para o quente. Para isso é preciso trabalho, como o que o motor de um frigorífico faz.
• Nenhuma máquina transforma todo o calor em trabalho. Uma parte perde-se sempre para o ambiente. Por isso, um motor aquece.

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Foto: _morgado, Wikimedia Commons, CC BY 2.0, adaptada

A palavra importante é isolado: um sistema que não troca energia nem matéria com o resto. Fora dessa condição, a entropia de uma parte pode descer, desde que suba mais noutro lado.

Entropia: exemplos do dia a dia

• O café que arrefece. O calor do café passa para a chávena e para o ar da sala, até tudo ficar à mesma temperatura. Nunca se viu um café frio aquecer sozinho, tirando calor a uma sala mais fria.
• O gelo que derrete. Num copo de água à temperatura ambiente, o calor entra no gelo e as moléculas, presas numa rede arrumada, passam a mover-se livres. O contrário não acontece sem um congelador a gastar energia.
• O perfume que enche a sala. Abre-se o frasco e, minutos depois, o cheiro chega ao outro lado. As moléculas espalham-se pelos sítios onde há mais maneiras de estar.
• O travão de uma bicicleta. A energia do movimento passa a calor nas pastilhas e no aro. Essa energia não desaparece, mas fica tão espalhada que já não volta a empurrar a bicicleta.

A entropia é desordem? O quarto desarrumado

É a imagem mais conhecida, e tem limites. A própria HyperPhysics avisa que é preciso cuidado com a palavra «desordem».

A comparação ajuda a intuir: um quarto arrumado fica desarrumado com o uso, e arrumá-lo dá trabalho. Mas, em rigor, a entropia da termodinâmica fala de átomos e de energia, não de livros e meias. O químico Frank Lambert defendeu, num artigo de 1999, que baralhar cartas ou desarrumar uma secretária não muda a entropia termodinâmica dos objetos. O que conta é como a energia se espalha pelas partículas. Ou seja: o quarto serve de analogia, não de exemplo.

Porque é que o tempo só anda para a frente?

Porque a entropia dá-lhe um sentido. Segundo a HyperPhysics, a forma como a entropia de um sistema isolado evolui é o que se costuma chamar a «seta do tempo».

As leis do movimento das partículas, uma a uma, funcionam igualmente bem para a frente e para trás. Um filme de duas bolas de bilhar a chocar parece normal visto ao contrário. Já um filme de um copo a partir-se não: os cacos a saltar do chão e a juntar-se num copo inteiro denunciam logo a montagem. A diferença está nos números: há muitíssimas mais maneiras de estar partido do que inteiro.

Os seres vivos contrariam a entropia?

Não. Uma árvore a crescer ou um bebé a formar-se são estruturas cada vez mais organizadas, e isso parece ir contra a segunda lei. Mas a lei fala de sistemas isolados, e um ser vivo não é um deles.

A vida é um sistema aberto: come, respira e liberta calor. À escala do planeta, segundo o físico David Jeffery, da Universidade do Nevada, a energia entra sobretudo como luz visível do Sol, com pouca entropia, e sai como radiação infravermelha, com muita. Um artigo do National Center for Science Education faz as contas para um metro quadrado de terra ao sol e conclui que há margem de sobra: a entropia que a Terra exporta para o espaço compensa largamente a organização da vida. O total do universo continua a subir.

A entropia do universo

Se o universo inteiro for tratado como um sistema isolado, a sua entropia total aumenta. É uma das ideias mais gerais da física. O que isso quer dizer para o seu futuro muito distante é tema de investigação em cosmologia, e fica fora deste guia.

Equívocos comuns

1. «A entropia nunca pode diminuir.» Pode, numa parte do sistema: dentro de um frigorífico, numa célula, num cristal de gelo a formar-se. O que não diminui é o total de um sistema isolado.
2. «A energia gasta-se.» A energia conserva-se sempre. O que se perde é a capacidade de a usar: espalhada como calor morno, já não move um motor.
3. «Entropia é o mesmo que desordem.» É uma simplificação. A ideia mais rigorosa é energia espalhada por muitas mais maneiras possíveis.
4. «A vida viola a segunda lei.» Não viola: a Terra recebe energia do Sol e devolve calor ao espaço.

Da próxima vez que um café arrefecer em cima da mesa, é a segunda lei da termodinâmica a funcionar, a mesma que dá direção ao tempo.