What is entropy? - Jeff Phillips

O que é a entropia? — Jeff Phillips

Tradutor: Mafalda Ferreira Revisora: Isabel Vaz Belchior

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

Há um conceito fundamental para a química e a física.

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

Ajuda a explicar porque é que os processos físicos

vão num sentido e não noutro:

why ice melts,

porque é que o gelo derrete,

why cream spreads in coffee,

porque é que as natas se dissolvem no café,

why air leaks out of a punctured tire.

porque é que o ar se escapa de um pneu furado.

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

É a entropia, e é um conceito muito difícil de entrar na nossa cabeça.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

A entropia é descrita com frequência como uma medida da desordem.

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

É uma imagem conveniente, mas, infelizmente, é enganadora.

For example, which is more disordered -

Por exemplo, o que é mais desordenado,

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

uma chávena de gelo picado ou um copo de água à temperatura ambiente?

Most people would say the ice,

A maior parte das pessoas dirá que é o gelo,

but that actually has lower entropy.

mas, na verdade, é o gelo que tem menor entropia.

So here's another way of thinking about it through probability.

Outra maneira de pensar nela é com a ajuda das probabilidades.

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

Pode ser mais complicado de perceber, mas esperem até a assimilar

and you'll have a much better understanding of entropy.

e ficarão com uma compreensão muito melhor da entropia.

Consider two small solids

Considerem dois pequenos sólidos

which are comprised of six atomic bonds each.

que são formados por seis ligações atómicas cada um.

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

Neste modelo, a energia em cada sólido está armazenada nas ligações.

Those can be thought of as simple containers,

Podemos pensar nelas como simples recipientes,

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

que podem conter unidades inseparáveis de energia, conhecidas por "quanta".

The more energy a solid has, the hotter it is.

Quanto mais energia tem um sólido, mais quente está.

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

Acontece que a energia pode distribuir-se de inúmeras formas

in the two solids

nos dois sólidos

and still have the same total energy in each.

que continuam a ter a mesma quantidade total de energia em cada um.

Each of these options is called a microstate.

Cada uma dessas opções chama-se um "microestado".

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

Para seis quanta de energia no sólido A e dois quanta no sólido B,

there are 9,702 microstates.

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

Claro, os oito quanta de energia podem ser arranjados de outro modo.

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

Por exemplo, toda a energia pode estar no sólido A

e nenhuma no sólido B,

or half in A and half in B.

ou metade em A e metade em B.

If we assume that each microstate is equally likely,

Se considerarmos que cada microestado é igualmente provável,

we can see that some of the energy configurations

constatamos que algumas configurações de energia

have a higher probability of occurring than others.

têm mais probabilidades de ocorrer do que outras.

That's due to their greater number of microstates.

Isso é devido ao maior número de microestados.

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

A entropia é uma medida direta

da probabilidade de cada configuração da energia.

What we see is that the energy configuration

O que vemos é que a configuração da energia

in which the energy is most spread out between the solids

em que a energia está mais espalhada entre os sólidos

has the highest entropy.

é a que tem mais entropia.

So in a general sense,

Portanto, em sentido geral,

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

a entropia pode ser considerada

como a medida desta repartição de energia.

Low entropy means the energy is concentrated.

Uma entropia baixa significa que a energia está concentrada.

High entropy means it's spread out.

Uma entropia alta significa que ela está repartida.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Para perceber porque é que a entropia ajuda a explicar os processos espontâneos,

like hot objects cooling down,

como o arrefecimento de objetos quentes,

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

precisamos de observar um sistema dinâmico

em que a energia está em movimento.

In reality, energy doesn't stay put.

Na realidade, a energia não se mantém no mesmo lugar.

It continuously moves between neighboring bonds.

Move-se continuamente entre as ligações vizinhas.

As the energy moves,

À medida que a energia se desloca,

the energy configuration can change.

a configuração da energia pode mudar.

Because of the distribution of microstates,

Por causa da distribuição dos microestados,

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

há 21% de hipóteses de que o sistema venha a estar numa configuração

in which the energy is maximally spread out,

em que a energia esteja repartida ao máximo.

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

Há 13% de hipóteses que ela volte ao ponto de partida

and an 8% chance that A will actually gain energy.

e 8% de hipótes de que A obtenha mais energia.

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

De novo, vemos que, como há mais formas

de obter uma energia repartida e uma entropia elevada

and high entropy than concentrated energy,

do que uma energia concentrada,

the energy tends to spread out.

a enrgia tem tendência a repartir-se.

That's why if you put a hot object next to a cold one,

É por isso que, se pusermos um objeto quente ao pé de um frio,

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

o frio vai aquecer e o quente vai arrefecer.

But even in that example,

Mas, mesmo neste exemplo,

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

há 8% de hipóteses de que o objeto quente fique mais quente.

Why doesn't this ever happen in real life?

Porque é que isto nunca acontece na vida real?

It's all about the size of the system.

Tem tudo a ver com a dimensão do sistema.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

Os nossos sólidos hipotéticos só tinham seis ligações cada.

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

Vamos aumentar os sólidos, em escala,

para 6000 ligações e 8000 unidades de energia

and again start the system with three-quarters of the energy in A

e recomeçar o sistema com três quartos da energia em A

and one-quarter in B.

e um quarto em B.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

Descobrimos que a hipótese de A adquirir espontaneamente mais energia

is this tiny number.

é um número minúsculo.

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

Os objetos do nosso quotidiano têm muitíssimo mais partículas do que este.

The chance of a hot object in the real world getting hotter

A hipótese de um objeto quente no mundo real ficar mais quente

is so absurdly small,

é ridiculamente pequena.

it just never happens.

Nunca acontece.

Ice melts,

O gelo derrete,

cream mixes in,

as natas misturam-se,

and tires deflate

e os pneus esvaziam-se

because these states have more dispersed energy than the originals.

porque esses estados têm mais energia repartida que o seu estado original.

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

Não há nenhuma força misteriosa obrigando o sistema a uma entropia maior.

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

É simplesmente que a entropia mais alta, estatisticamente, é sempre mais provável.

That's why entropy has been called time's arrow.

É por isso que chamamos à entropia "a flecha do tempo".

If energy has the opportunity to spread out, it will.

Se a energia tiver a oportunidade de se difundir, difundir-se-á.