O que é entropia?

Crédito: Charge do caricaturista Pancho

A entropia é uma grandeza termodinâmica que mensura o grau de irreversibilidade de um sistema, encontrando-se geralmente associada ao que se denomina por "desordem" de um sistema termodinâmico. Resumindo a entropia é uma medida do grau de desordem de um sistema, ou bagunça, como dizem os físicos, por piada, afirmando, ainda que a bagunça só tende a aumentar. Agora vejamos o que o mestre Isaac Asimov* tem a nos dizer a respeito dela:

O que é entropia?

"A energia pode ser convertida em trabalho somente se houver um desnível de concentração de energia no particular sistema que está sendo usado. A energia, então, tende a fluir do ponto de maior concentração para o de menor, até ficar uniformemente distribuída. É através do aproveitamento deste fluxo que é possível obter trabalho a partir de energia.

A água no nascente de um rio está a uma altura maior, e portanto tem maior energia gravitacional, do que a água na foz do rio. É por isso que a água corre dos rios para o oceano (Não fosse a queda das chuvas, toda a água dos continentes correria encostas abaixo em direção ao oceano, cujo nível elevar-se-ia ligeiramente. A energia gravitacional total permaneceria a mesma mas estaria mais uniformemente distribuída).

A água pode efetuar trabalho ao fluir encosta abaixo, fazendo girar uma roda d’água. Num mesmo nível, a água não poderia realizar trabalho, ainda que estivesse num plano bastante elevado e possuindo uma energia gravitacional extraordinariamente alta. Os pontos cruciais são a diferença de concentração de energia e o fluxo em direção ao equilíbrio.

Isso é válido para qualquer forma de energia. Nas máquinas a vapor há um reservatório quente, onde a água é transformada em vapor, e um reservatório frio, onde o vapor se condensa em água novamente. É a diferença de temperatura que importa. Se tudo estivesse à mesma temperatura, por maior que esta fosse, nenhum trabalho poderia ser realizado.

O termo “entropia” foi introduzido em 1850 pelo físico alemão Rudolf J. E. Clausius, para caracterizar o grau de uniformidade com que a energia, sob qualquer, forma, está distribuída. Quanto mais uniformemente distribuída estiver, maior a entropia. Quando a energia estiver distribuída de maneira completamente uniforme, a entropia atinge o valor máximo para o sistema em questão.

No entender de Clausius, quando um sistema é entregue a si próprio, as diferenças de energia sempre tendem a desaparecer. Pondo-se um objeto quente em contato com outro frio, o calor flui de tal maneira que o objeto quente se esfria e o objeto frio fica mais quente, até que ambos atinjam a mesma temperatura. Se dois reservatórios de água forem conectados, um possuindo um nível de água mais elevado que o outro, a atração gravitacional fará com que um dos níveis baixe e o outro se eleve, até que os dois níveis se igualem e a energia gravitacional fique nivelada.

Dessa maneira, Clausius afirmou que havia uma regra geral na natureza, segundo a qual as diferenças de concentrações de energia tendem a nivelar-se. Em outras palavras, “a entropia aumenta com o decorrer do tempo”.

O estudo do fluxo de energia de pontos de concentração mais elevada para outros de concentração mais baixa foi realizado mais a fundo com relação à energia sob a forma de calor. Por isso o estudo do fluxo de energia e das interconversões entre energia e trabalho veio a ser conhecido como “termodinâmica”, do grego “movimento de calor”.

Já havia sido estabelecido que a energia não poderia ser nem criada nem destruída. Essa é uma regra tão fundamental que é chamada de “primeira lei da termodinâmica”.

A sugestão de Clausius de que a entropia aumenta com o tempo parecia enunciar algo igualmente fundamental, e por isso é chamada de “segunda lei da termodinâmica”."

*Isaac Asimov foi escritor e bioquímico nascido na Russia.  Foi um dos maiores autores de Ficção Científica da História e um dos grandes nomes da divulgação científica de todos os tempos.

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Fonte: ASIMOV, Isaac. Asimov Explica. Trad. Edna Feldman. 3ª Edição. Rio de Janeiro: Francisco Alves. 1986. - Imagem: Pancho/Oredr4u/Reprodução

O que é o Princípio da Incerteza de Heisenberg?

“Princípio da Incerteza”- o termo é utilizado para designar o estado de um elétron. 

O nome é adequado, uma vez que é impossível saber a posição exata que um elétron ocupa na eletrosfera de um átomo. Este princípio foi criado por Werner Heisenberg em 1927 e transformou-se num enunciado da mecânica quântica.

No texto abaixo, de autoria do Isaac Asimov, é explicado o Princípio da Incerteza de Heisenberg. O texto é curto e simples, escrito por um grande divulgador da ciência. 

O que é o Princípio da Incerteza de Heisenberg?
- por Isaac Asimov*

"Para explicar o conceito de incerteza, consideremos, inicialmente, o conceito de certeza. Quando se conhece alguma coisa a respeito de determinado objeto, com segurança e exatidão, tem-se certeza acerca de um conjunto de dados, seja lá quais forem.

Mas será que os táquions existem realmente? É possível admitirmos a existência de um universo de táquions que não viola a teoria de Einstein, mas possibilidade de existência não significa necessariamente existência.

E como se chega a conhecer algo? De uma maneira ou de outra, deve-se interagir com o objeto. Deve-se pesá-lo na determinação de seu peso, deve-se golpeá-lo para verificar sua dureza, ou talvez apenas olhar para ele, a fim de ver onde se encontra. Mas alguma interação deve haver, ainda que seja mínima.

Pode-se sustentar que esta interação sempre introduz alguma perturbação na propriedade que se deseja determinar. Em outra palavras, o próprio ato de aprender interfere no objeto em estudo, de forma que no final este não fica conhecido de maneira exata.

A título de exemplo, suponhamos que o leitor queira medir a temperatura da água de sua banheira. Para isso, introduz nela um termômetro. Mas o termômetro está frio e a sua presença na água torna-a um pouco mais fria. Pode-se obter uma boa aproximação da temperatura, mas não com a precisão de trilionésimo de grau. O termômetro alterou a temperatura que estava sendo medida, mas a perturbação por ele introduzida foi quase imensurável.

Como outro exemplo, suponhamos que agora você queira medir a pressão do ar num pneu. Para tanto, utiliza-se de um instrumento munido de pequeno êmbolo, o qual é empurrado por uma pequena quantidade de ar que escapa do pneu. Mas o fato de que o ar escapa significa que a pressão de ar baixou um pouquinho no ato de medi-la.

É possível construir construir instrumentos de medição tão pequenos e sensíveis, e que se utilizem de métodos indiretos, de forma a não introduzir a menor modificação na propriedade que se deseja medir?

Em 1927, o físico alemão Werner Heisenberg concluiu que não. Um instrumento de medição pode ser muito pequeno, de dimensões tão reduzidas quanto uma partícula subatômica mas não menor. Ele deve utilizar-se de, no mínimo, um quantum de energia, mas não menos. Uma única partícula e um único quantum de energia já são suficientes para introduzir algumas alterações. Se você simplesmente olhar para algo, a fim de vê-lo, isso é possível em virtude do fato de que fótons de luz ricocheteiam no objeto, o que introduz alguma mudança.

Essas mudanças são extremamente pequenas e, na vida quotidiana, podem ser ignoradas, e realmente o são – mas de qualquer maneira as mudanças ainda estão lá. E se estivermos lidando com objetos tão pequenos, para os quais mesmo as menores mudanças assumem grandes proporções?

Se você quisesse saber a posição de um elétron, por exemplo, teria de fazer incidir sobre ele um quantum de luz, ou, mais provavelmente, um fóton de raio gama, a fim de “vê-lo”. O fóton incidente empurraria o elétron, tirando-o de sua posição original.

Heisenberg conseguiu demonstrar, em particular, a impossibilidade de se elaborar qualquer método para se determinar exatamente e ao mesmo tempo a posição e o momento de qualquer objeto. Quanto mais acurada for a determinação da posição, mais imprecisa será a determinação do momento, e vice-versa. Calculou também qual seria o valor da falta de precisão ou “incerteza” em tais grandezas, sendo esse o seu “princípio da incerteza”.

O princípio da incerteza implica em uma certa “granulosidade” no universo. Ao se ampliar uma foto de jornal, chega-se, por fim, ao ponto em que apenas pequenos grãos ou pontos são percebidos, perdendo-se todos os detalhes. O mesmo acontece ao se olhar muito de perto para o universo.

Algumas pessoas ficaram desapontadas com esse princípio, pois julgavam-no uma confissão de eterna ignorância. Mas não é nada disso. Estamos interessados em aprender como o universo comporta-se, e o princípio da incerteza é um fator chave de se comportamento. A “granulosidade” está aí, e isso é tudo. Heisenberg mostrou-nos isso, e os físicos lhe são gratos."
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Fonte: *Isaac Asimov foi escritor e bioquímico nascido na Russia. Foi um dos maiores autores de Ficção Científica da História e um dos grandes nomes da divulgação científica de todos os tempos.

O que é método científico?

por Isaac Asimov*, do livro "Asimov Explica"

Método científico é, obviamente, o método usado pelos cientistas ao fazerem descobertas científicas. 

Esta definição, porém, parece não ajudar muito. É possível entrar em maiores detalhes?

Poderíamos dar uma versão idealizada do método:

1. Reconhecer que existe um problema – pode-se perguntar, por exemplo, por que o movimento dos corpos é acelerado em certas condições e retardado em outras.
2. Selecionar e desprezar aspectos não essenciais do problema. Por exemplo, o cheiro de um objeto é irrelevante ao seu movimento.
3. Coletar todos os dados disponíveis referentes ao problema. Na Antiguidade e na Idade Média, essa atitude equivalia a apenas uma observação perspicaz da natureza, tal qual era. Com o advento dos Tempos Modernos, surgiu a noção de que o homem poderia intervir no curso da natureza, podendo planejar uma situação na qual os objetos fossem levados a se comportar de forma que os dados obtidos estivessem relacionados com o problema em questão. Esferas poderiam ser postas a rolar sobre planos inclinados, variando-se ora o ângulo de inclinação do plano, ora a sua superfície, ora o tamanho das esferas etc. Tais situações deliberadamente planejadas constituem os experimentos em devido ao papel central que desempenham na Ciência Moderna, esta é, por vezes, denominada “Ciência Experimental”, a fim de distingui-la da ciência dos gregos antigos.
4. De posse desses dados, formular uma generalização provisória que os descreva do modo mais simples possível – algum enunciado breve ou alguma relação matemática. Eis uma hipótese.
5. A hipótese permite prever resultados de experimentos que sem ela nem mesmo se teria pensado em realizá-los. Realizá-los e verificar a validade da hipótese.
6. Caso os experimentos correspondam ao esperado, a hipótese é fortalecida e talvez passe a ser considerada uma teoria ou mesmo uma “lei natural”.

Claro está que nenhuma teoria ou lei natural é estabelecida de maneira conclusiva. O processo acima descrito repete-se continuamente. Mediante novos dados, novas observações e novos experimentos, as leis naturais mais antigas vão sendo constantemente suplantadas por leis mais gerais, que não só explicam tudo o que as anteriores explicavam, porém vão mais além.

Como já foi mencionado, essa é uma versão idealizada do método científico. Na prática, os cientistas não necessitam segui-la como a um conjunto de “receitas” científicas e, geralmente, não o fazem.

Fatores tais como intuição, rápidos vislumbres mentais (insights) ou mera sorte tem, mais do que quaisquer outros, um papel a desempenhar. A história da ciência é pródiga em exemplos de cientistas que tiveram repentinas e inspiradas ideias a partir de dados bastante inadequados e de pouca ou nenhuma base experimental, chegando a verdades úteis que talvez levassem anos para serem atingidas, seguindo-se passo a passo a versão idealizada do método científico.

A estrutura do benzeno ocorreu a F. A. Kekulé enquanto ele dormitava em um ônibus. Otto Loewi despertou no meio da noite com a solução para o problema da condução sináptica. Donald Glaser estava a olhar distraidamente para o copo de cerveja quando teve a ideia para a câmara de bolhas.

Quer isso dizer, afinal, que tudo o que se requer é apenas sorte e nenhum esforço intelectual? Não, mil vezes não! Esse tipo de “sorte” o ocorre apenas aos melhores cérebros; apenas àqueles indivíduos cuja “intuição” é fruto de grande experiência, profunda compreensão e árdua reflexão.

*Isaac Asimov foi escritor e bioquímico nascido na Russia.  Foi um dos maiores autores de Ficção Científica da História e um dos grandes nomes da divulgação científica de todos os tempos.
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Fonte: ASIMOV, Isaac. Asimov Explica. Trad. Edna Feldman. 3ª Edição. Rio de Janeiro: Francisco Alves. 1986. - Imagem: Isaac Asimov/telly gacitua/Flickr (CC BY-ND 2.0)

Isaac Asimov, em 1988, já previa o impacto da Internet

Isaac Asimov mostra toda sua genialidade prevendo, em 1988, a importância da Internet na educação e em nossas vidas. Entrevista gravada em 1988 por Bill Moyers no programa de TV World of Ideas. Asimov prevê entre outras coisas as redes sociais e aplicações como a Wikipedia, Yahoo Answers, etc.

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No livro Escolha a Catástrofe, Asimov disserta sobre os futuros problemas que poderiam levar a humanidade à extinção e como a tecnologia poderia salvá-la. Em certa parte do livro, ele fala sobre a educação e como ela poderia funcionar no futuro.

"Haverá uma tendência para centralizar informações, de modo que uma requisição de determinados itens pode usufruir dos recursos de todas as bibliotecas de uma região, ou de uma nação e, quem sabe, do mundo. Finalmente, haverá o equivalente de uma Biblioteca Computada Global, na qual todo o conhecimento da humanidade será armazenado e de onde qualquer item desse total poderá ser retirado por requisição.

…Certamente, cada vez mais pessoas seguiriam esse caminho fácil e natural de satisfazer suas curiosidades e necessidades de saber. E cada pessoa, à medida que fosse educada segundo seus próprios interesses, poderia então começar a fazer suas contribuições. Aquele que tivesse um novo pensamento ou observação de qualquer tipo sobre qualquer campo, poderia apresentá-lo, e se ele ainda não constasse na biblioteca, seria mantido à espera de confirmação e, possivelmente, acabaria sendo incorporado. Cada pessoa seria, simultaneamente, um professor e um aprendiz."

~Isaac Asimov - 1979

Isaac Asimov (Isaak Judah Ozimov), em russo Айзек Азимов (Petrovichi, 2 de janeiro de 1920 — Nova Iorque, 6 de abril de 1992), foi um escritor e bioquímico estadunidense, nascido na Rússia, autor de obras de ficção científica e divulgação científica.

Fonte: Wikipédia, a Eciclopédia Livre