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O Demônio de Maxwell



        O Demônio de Maxwell é uma espécie de experimento imaginativo criado pelo prestigiado físico e matemático escocês James Clerk Maxwell, em 1872, e cujo objetivo é comprovar que a segunda lei da termodinâmica só é verdadeira do ponto de vista estatístico. Segundo ele, uma certa situação hipotética poderia quebrá-la facilmente!

         Bem, resumindo, a segunda lei da termodinâmica define que em um sistema isolado, as partes dentro do mesmo, se estiverem em contato direto, tenderão a ter suas energias divididas entre si até alcançar um equilíbrio térmico. Com isso, a entropia ali só pode aumentar ou se manter constante, nunca diminuir. Ou seja, se você fecha um sistema e coloca uma pedra de gelo em contato com a água líquida dentro dele, ambos irão igualar suas temperaturas depois de um tempo, onde a energia térmica do mais quente terá seu fluxo direcionado para o mais frio. Depois do equilíbrio térmico, não há como voltar ao estado original por se tratar de um processo irreversível. Em outras palavras, um copo de café à temperatura do ambiente a sua volta, por exemplo, não fica fervente espontaneamente absorvendo a energia térmica desse mesmo ambiente. Isso só será possível caso exista um trabalho externo envolvido, como ocorre dentro da sua geladeira, onde o motor junto com o gás de compressão forçam a retirada de energia térmica de dentro do congelador para o ambiente externo.

          Agora, imagine que temos dois compartimentos cheios de gás dentro de um sistema isolado, separados por uma barreira . A entropia ali dentro, espontaneamente, só pode aumentar ou ficar igual. De forma mais simples, o sistema só pode ficar igual ou mais desorganizado do que já é. Se fizermos uma abertura na barreira, os gases nos dois compartimentos ficarão em contato e terão suas temperaturas igualadas. A temperatura é uma forma de medir o grau de movimentação das partículas de um sistema, com estas tendo uma velocidade média em termos globais. Quanto maior a velocidade média dessas partículas, maior a temperatura do sistema e quanto menor, menor a temperatura. Porém, as partículas não possuem todas a mesma velocidade no mesmo intervalo de tempo, com algumas indo mais rápido do que outras. Como dito, o que temos é uma velocidade média entre todas as velocidades individuais medidas no sistema. E é aqui que entramos com o Demônio.

          Se existisse um ser inteligente dentro do sistema controlando quais partículas entram e saem de um compartimento para outro, ele poderia fazer com que apenas as partículas mais rápidas entrassem de um lado (B), e as mais lentas entrassem do outro (A), controlando uma porta feita por ele na abertura da barreira. Ou seja, quando uma partícula rápida estivesse vindo em direção ao compartimento B, o ser inteligente abriria rapidamente a porta, deixando-a passar. Caso uma partícula lenta se aproximasse, ele fecharia a porta. E, assim, sem precisar mandar energia para o sistema ou utilizar trabalho externo, um meio ficaria mais quente ( mais partículas com alta velocidade) do que o outro ( mais partículas lentas), apenas usando-se a análise individual das partículas. O ser, apelidado de ´Demônio´, estaria, assim, quebrando a tão sagrada 2° lei da termodinâmica, onde um sistema isolado estaria tendo sua entropia diminuída! Aliás, o sistema antes impossibilitado de realizar trabalho de maneira espontânea, pode agora fazê-lo por existir uma fonte quente e outra fria!

O ´Demônio´ deixando apenas as partículas com maior velocidade  ( vermelhas) entrarem em B e apenas deixando as lentas ( azuis) entrarem em A; e atenção: o demônio faz parte do sistema, não está fora dele - a imagem é apenas ilustrativa

           Para tentar elucidar essa apunhalada nas costas das leis termodinâmicas, físicos ao longo dos anos, discutindo a questão, chegaram a uma solução: o Demônio, para realizar o serviço de ´guarita da porta´, estaria tendo sua entropia aumentada por absorção de informação do sistema isolado que ele estava controlando. Assim, a diminuição de entropia desferida por ele seria compensada pelo aumento de entropia no seu "corpo"! Bem, fantástico! Realmente o enigma do Demônio de Maxwell parece resolvido! Porém, pesquisas mais recentes envolvendo escalas nanométricas ou subatômicas mostraram que esse Demônio pode ser meio que real em situações bem controladas e especiais! No mundo microscópico, por exemplo, pode ser que tais violações de estado da termodinâmica podem ser possíveis. Um estudo de 2014, publicado na Nature, por exemplo, mostrou que uma nanopartícula composta por 100 átomos e presa por lasers conseguia, em determinados momentos, transferir calor par uma vizinhança mais fria espontaneamente! (Ref.3) Outro artigo de fevereiro desse ano mostrou o mesmo fenômeno de violação a partir de experimentos com fótons (Ref.4). E, por último, um estudo do ano passado sugeriu usar o Demônio de Maxwell para explicar certos processos bioquímicos de sinalização (Ref.5).

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          Portanto, cuidado pessoal, porque eu não posso dizer nada sobre outros Demônios espalhados por aí, mas o do Maxwell pode estar se esgueirando pelos cantos, agindo nas sombras e te observando...:)

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.auburn.edu/~smith01/notes/maxdem.htm
  2. http://www.fflch.usp.br/df/opessoa/FiFi-12-Cap13.pdf 
  3. http://www.nature.com/nnano/journal/v9/n5/full/nnano.2014.40.html
  4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26894692
  5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4557369/