Publicado: 23/12/2001
de Frank Steiger
Para fins de contextualização e de modo a tornar claro o posicionamento criacionista, deixe-me reproduzir alguns excertos da literatura criacionista: The Remarkable Birth of Planet Earth ["A notável origem do Planeta Terra"], de Henry Morris:Claro, a aplicação criacionista da segunda lei da Termodinâmica para o desenvolvimento de seres vivos é inconsistente com qualquer modelo de origem da vida. Os criacionistas contornam esse problema invocando o sobrenatural: The Genesis Flood ["O dilúvio do Gênesis"], de Whitcomb e Morris:Como será mostrado mais adiante, é apenas a entropia total de um sistema completo ou fechado que deve aumentar quando mudanças espontâneas ocorrem. No caso de subsistemas de um sistema fechado interagindo espontaneamente, alguns devem ganhar entropia, enquanto outros devem perder entropia. Por exemplo, é um axioma fundamental da Termodinâmica que quando o calor flui do subsistema A para o subsistema B, a entropia de A deve diminuir e a entropia de B deve aumentar. A afirmação de que um aumento na ordem pode ocorrer somente como resultado de um mecanismo, programa ou código direcional é errado. Qualquer processo que se possa demonstrar ocorrer com um aumento na ordem/diminuição na entropia é arbitrariamente fadado a ser conseqüência de um "mecanismo direcional" desconhecido. Probabilidade, como usada na Termodinâmica, significa que a probabilidade de uma mudança específica ocorrer. A probabilidade é relacionada com o conceito termodinâmico de irreversibilidade. Uma mudança física ou química irreversível é uma mudança que não se reverterá espontaneamente sem uma mudança na condição do entorno. Mudanças irreversíveis possuem um alto grau de probabilidade. A probabilidade de uma mudança irreversível reverter-se espontaneamente sem uma interferência externa é zero. Quando dizemos que uma mudança é irreversível (no sentido termodinâmico), isso significa apenas que a mudança não se reverterá espontaneamente sem uma alteração nas condições do entorno. Isso não significa que ela não possa ser revertida de modo algum! É importante lembrar que uma mudança que tenha um alto grau de probabilidade sob um certo conjunto de circunstâncias pode ter um grau bastante baixo de probabilidade sob um conjunto diferente de circunstâncias. A fim de ilustração: Se a temperatura cai abaixo do ponto de congelamento, a probabilidade da água se tornar gelo é extremamente alta. A mudança da água para o gelo é termodinamicamente irreversível. Se a temperatura ambiente aumenta acima do ponto de congelamento, a probabilidade da água se tornar gelo ou permanecer congelada é zero. Sob essas condições a mudança reversa do gelo para água líquida é também termodinamicamente irreversível. A falha em se entender que na Termodinâmica as probabilidades não são entidades fixas tem levado a uma interpretação errônea responsável pela crença amplamente espalhada e totalmente errada de que a segunda lei da Termodinâmica não permite a ordem surgir espontaneamente da desordem. Na verdade, há vários exemplos na natureza em que a ordem surge da desordem espontaneamente: Flocos de neve com sua simetria cristalina hexâmera formam-se espontaneamente de móleculas de vapor d'água movendo-se aleatoriamente. Sais com seus planos precisos de simetria cristalina formam-se espontaneamente quando a água evopora da solução. Sementes germinam em plantas florescentes e ovos desenvolvem-se em pintainhos. A Termodinâmica é uma ciência exata que se baseia em um número restrito de conceitos matemáticos específicos. Ela não é explicável em termos de metáforas qualitativas. A fim de entender a relação entre probabilidade e a segunda lei, o leitor deve se familiarizar com a relação entre probabilidade e entropia. Entropia é uma entidade definida matematicamente que é a base fundamental da segunda lei da Termodinâmica e todas as suas ramificações na Engenharia, na Física e na Química. Nas seções seguintes, procuraremos explicar a verdadeira relação entre entropia e probabilidade e mostrar por que essa relação não impede a possibilidade da ordem surgir espontaneamente da desordem. Ao descrever as leis da Termodinâmica, freqüentemente iremos nos referir a "sistemas'. Um sistema é uma entidade, um objeto ou um região no espaço específicos a serem avaliado em termos de suas propriedades termodinâmicas e mudanças possíveis. Isso pode ser um cubo de gelo, uma bexiga de inflar, uma turbina a vapor ou mesmo a própria Terra inteira. Entropia O conceito de entropia é fundamental para o entendimento da segunda lei da termodinâmica. Entropia (ou mais especificamente, aumento na entropia) é definido como calor (em calorias, Btu's ou qualquer outra unidade apropriada) absorvido por um sistema, dividido pela temperatura absoluta do sistema quando o calor é absorvido. Temperatura absoluta é o número de unidades acima do "zero absoluto", a menor temperatura que pode haver.
A entropia total de um sistema é representada pelo símbolo S. O símbolo
O "ambiente" de um sistema é qualquer coisa fora do sistema que pode interagir com ele; o ambiente normalmente pode ser definido como o espaço que envolve um sistema. Quando o calor é liberado por um sistema, esse mesmo calor é absorvido pelo ambiente. Quando o calor é absorvido por um sistema, esse mesmo calor deve necessariamente vir do ambiente. Assim qualquer aumento de entropia de um sistema devido a fluxo de calor deve vir acompanhado de sua diminuição no ambiente e vice versa. Quando o calor flui espontaneamente de uma região mais quente para uma mais fria, a diminuição na entropia da região mais quente sempre será menor que o aumento na entropia da região mais fria, porque quanto maior a temperatura absoluta, menor a mudança na entropia para qualquer fluxo particular de calor. (Veja equação 1, acima.) Como exemplo, considere a mudança na entropia quando uma pedra grande a 500 graus absolutos é derrubado na água a 650 graus absolutos. (Estamos usando uma escala absoluta de temperatura baseada em graus Fahrenheit; nessa escala a água se congela a 492 graus.) Para cada Btu de calor que flui para a pedra nessa temperatura o aumento de entropia na pedra é de 1/500 = 0,002 e a diminuição na entropia da água é de 1/650 = 0,0015. A diferença entre esses valores é de 0,002 - 0,0015 = 0,0005. Isso representa o aumento total de entropia do sistema (pedra) e de seu ambiente (água). Claro que a pedra irá se aquecer e a água irá se refriar, atingindo uma temperatura intermediária entre as temperaturas originais, assim complicando consideravelmente o cálculo da mudança total da entropia após o equilíbrio ser atingido. No entanto, para qualquer Btu de calor transferido da água para a pedra sempre haverá um aumento na entropia líquida total. Como mencionado antes, uma mudança espontânea é uma mudança irreversível. Assim, um aumento na entropia líquida total pode ser usada como uma medida da irreversibilidade do fluxo espontâneo de calor. Mudanças irreversíveis em um sistema podem, e freqüentemente o fazem, ocorrer mesmo que não possa haver nenhuma interação e haja um fluxo negligenciável de calor entre os sistema e o ambiente. Em casos como esses, o "conteúdo" de entropia de um sistema é maior após a mudança do que antes. Mesmo quando o fluxo de calor não ocorre entre o sistema e o ambiente, mudanças espontâneas dentro de um sistema isolado sempre é acompanhado por um aumento na entropia do sistema e essa entropia calculada pode ser utilizada para medir a irreversibilidade. Os parágrafos seguintes explicarão como esse aumento de entropia pode, ao menos em alguns casos, ser calculado. É um axioma da Termodinâmica que a entropia, como a temperatura, pressão, densidade, etc, é uma propriedade de um sistema e depende apenas das condições existentes no sistema. A despeito dos processos ocorridos para se alcançar uma dada condição, o teor de entropia para essa condição é sempre o mesmo. Em outras palavras, para qualquer conjunto dado de valores de pressão, temperatura, densidade, composição, etc., pode haver apenas um valor de teor de entropia. É essencial lembrar-se disso: Quando um sistema que sofreu uma mudança irreversível retorna para sua condição original (mesma temperatura, pressão, volume, etc), seu teor de entropia será do mesmo modo igual ao de antes.
Nos casos em que um sistema isolado sofre um aumento de entropia como resultado de mudanças espontâneas dentro do sistema, podemos calcular esse aumento de entropia postulando um processo pelo qual o aumento de entropia do sistema é transferido para o ambiente de tal modo que não haja nenhum outro aumento na entropia líquida e que o sistema volta para sua condição original. O aumento de entropia do ambiente pode ser então facilmente calculado pela equação (1): Vale relembrar que quando um sistema retorna à sua condição original, seu teor de entropia será o mesmo de antes de sua mudança irreversível. Assim, a quantidade de entropia absorvida pelo ambiente durante o retorno deve necessariamente ser igual ao aumento de entropia que acompanha a mudança irreversível original do sistema, assegurando que não haverá nenhum aumento a mais da entropia líquida durante o retorno ao seu estado inicial. Esse processo de retorno postulado e as propriedades postuladas do ambiente são apenas para propósito de cálculo. Uma vez que não lidemos com o ambiente como tal, ele pode ser postulado sob qualquer forma necessária para simplificar os cálculos; não é nem necessário, nem desejável que o ambiente corresponda a qualquer condição que possa existir de verdade. Assim, postularemos um processo teórico de retorno que ocorra sem um aumento a mais da entropia líquida, mesmo que esse processo não possa ser obtido experimentalmente na realidade. O processo de retorno, se fosse ocorrer na realidade, teria que ser acompanhado de pelo menos uma pequena quantidade de irreversibilidade e, portanto, de um aumento adicional da entropia do ambiente além do aumento de entropia pela mudança irreversível original do sistema. Isso porque o calor não flui sem uma diferença de temperatura, o atrito não pode ser inteiramente eliminado, etc. Assim, o processo de retorno, se ocorrer sem um aumento a mais da entropia líquida total, deve ser postulado ocorrer sem nenhuma irreversibilidade. Se tal processo pudesse se realizar realmente, seria caracterizado por um estado contínuo de equilíbrio (i.e., sem diferenças de pressão ou temperatura) e ocorreria a uma taxa tão baixa que requeriria um tempo infinito. Processos como esses são chamados de processos "reversíveis". Lembre-se que, processos reversíveis são postulados para simplificar o cálculo da mudança de entropia em uma sistema; não é necessária a possibilidade de serem alcançados experimentalmente. Não é necessário assumir-se que a equação (1) requeira que q, o calor absorvido, deva ser obrigatoriamente absorvido reversivelmente. O conceito de reversibilidade é simplesmente um meio para um fim: o cálculo da mudança de entropia acompanhando um processo irreversível. O exemplo seguinte irá ilustrar o cálculo de um processo reversível de retorno e ao mesmo tempo desenvolver a equação que é a base da relação termodinâmica entre probabilidade e a segunda lei. Iremos postular um sistema que consiste de um gás "ideal" contido em um tanque conectado a um segundo tanque que foi completamente evacuado, com a válvula entre os dois tanques fechada. A temperatura do sistema e seu ambiente é postulado ser a mesma. Um gás ideal é aquele cujas moléculas são infinitamente pequenas e não possuem nenhuma força atrativa ou repulsiva entre si. (Sob condições ordinárias, hidrogênio e hélio aproximam-se bastante das propriedades de um gás ideal.) Usa-se um gás ideal a fim de desenvolver a relação básica sem introduzir fatores de correção complicados para o tamanho das moléculas e as forças que cada uma exerce sobre a outra. Quando a válvula é aberta, o gás se expande irreversivelmente de V1 (seu volume original) para V2 (o volume de ambos os tanques). Não há nenhum trabalho de compressão do e sobre o ambiente. Como o gás é ideal não há nenhuma mudança de temperatura e, portanto, nenhum fluxo de calor ocorre. Após expandir-se irreversivelmente de V1 para V2, o gás é retornado para sua condição original comprimindo-se reversivelmente de volta a V1. Essa compressão requer trabalho (força aplicada por uma distância) que por sua vez gera calor no gás, calor absorvido pelo ambiente de forma a não haver nenhum aumento de temperatura do gás. Em nosso modelo matemático de processo reversível de retorno, o ambiente é postulado ser grande o bastante para não sofrer nenhum aumento de temperatura. A temperatura T permanece constante durante toda a expansão irreversível e o subseqüente processo reversível de retorno. O trabalho de compressão do gás durante o retorno é igual à pressão do gás vezes o volume da mudança devida à compressão. Como a pressão aumenta durante a compressão, o trabalho da compressão deve ser determinado por cálculo integral:
trabalho de compressão =
A equação relacionando temperatura, pressão e volume de um gás ideal é: PV = RT (2)
em que: P = pressão T = temperatura absoluta R = uma constante que depende apenas da quantidade presente de gás
trabalho de compressão = RT Como o trabalho de compressão é igual a q, o calor absorvido pelo ambiente, q pode ser substituído na equação (3) e resultar em:
q = RT
Entropia e Probabilidade A razão da probabilidade de que todas as moléculas do gás estejam uniformemente distribuídas entre os dois tanques sobre a probabilidade de que todas as moléculas, por si mesmas e pelo movimento aleatório, estejam no tanque V1 é igual a (V2/V1)N, em que N é o número de moléculas. Se V2/V1 for igual a 2,0, por exemplo, e N igual a 10, a razão das probabilidades seria de 2 elevado à décima potência, ou 1024. Para N = 100, a razão seria aproximadamente 1,27 vezes dez à 30a. potência. Claramente, o movimento aleatório de trilhões de moléculas de gás favorece enormemente a distribuição uniforme.
seja X1 = a probabilidade de todas as moléculas de gás, após a X2/X1 = (V2/V1)N.
Baseada na suposição de que as leis da Termodinâmica são universais, assume-se que essa equação se aplica a todos os sistemas, não apenas aos gasosos. Em outras palavras, qualquer mudança na entropia é proporcional ao logaritmo da razão entre as probabilidades. Assim, para qualquer caso genérico a equação (6) pode ser reescrita como:
Como já vimos,
No caso da formação de moléculas complexas características dos seres vivos, os criacionistas apontam que quando a matéria viva se decompõem após a morte, o processo de decomposição ocorre com um aumento de entropia. Eles também aponta, corretamente, que uma mudança espontânea em um sistema ocorre com uma alta probabilidade. Eles falham em perceber, porém, que a probabilidade é relativa e uma mudança espontânea em um sistema pode ser revertida, desde que o sistema interaja com seu ambiente de tal modo que o aumento de entropia no ambiente seja mais do que o suficiente para reverter o aumento original de entropia do sistema. A aplicação de energia pode reverter uma reação espontânea, termodinamicamente "irreversível". As folhas queimar-se-ão (combinando com o oxigênio) espontaneamente, formando água e dióxido de carbono. A energia solar, atráves do processo de fotossíntese, produzirá folhas de vapor d'água e dióxido de carbono e formando oxigênio. Se tirarmos da tomada um refrigerador, o calor irá fluir do ambiente para o exterior; o aumento de entropia dentro do refirgerador será maior do que a diminuição de entropia no ambiente e a mudança líquida de entropia será positiva. Se ligarmos à tomada, essa mudança espontânea "irreversível" será revertida. Em função da entrada de energia elétrica no compressor, o calor transferido para o ambiente do radiador será maior que o calor extraído do refrigerador e o aumento de entropia do ambiente será maior do que a diminuição de entropia no interior, a despeito do fato do ambiente estar a uma temperatura maior. Aqui novamente, a mudança líquida de entropia é positiva, como seria esperada para qualquer processo espontâneo. De um modo similar, a aplicação de energia elétrica pode reverter a reação espontânea entre hidrogênio e oxigênio para formar água: quando uma corrente passa através de uma solução aquosa, o hidrogênio é liberado por um eletrodo e o oxigênio pelo outro. Como pode ser facilmente confirmado experimentalmente, a agitação da água aumenta sua temperatura. Quando a água despenca de uma certa altura para uma mais baixa, sua energia muda de potencia para cinética e finalmente para calor conforme se choca e se espalha ao final da queda. A segunda lei da Termodinâmica afirma que a água não se elevará espontaneamente para sua altura original utilizando o calor produzido no choque como única fonte de energia. Fazer isso requer uma máquina térmica que convertesse todo o calor da batida em energia mecânica.
A eficiência de uma máquina térmica é limitada termodinamicamente pelo ciclo de Carnot, que limita a eficiência de qualquer máquina térmica a Podemos, ao menos em teoria, calcular o aumento de entropia da água resultado de sua mudança irrervesível na queda. De modo análogo ao usado no exemplo anterior, o aumento de entropia seria igual ao calor gerado pela agitação da batida dividida pela temperatura absoluta. Se um pouco da energia da água em queda é extraída por uma roda d'água, haverá menos calor de choque e portanto um menor aumento de entropia. Uma turbina adequadamente projetada extrai a maior parte da energia cinética da água. Isso não é o mesmo que tentar utilizar o calor de choque como uma fonte de energia para a máquina térmica elevar a água. Em outras palavras, usar a energia antes que se transforme em calor é muito mais eficiente do que tentar utilizá-la depois que ela se torna calor. Se uma roda d'água é conectada por bastões, correias, polias, etc. a uma bomba, a bomba pode elevar a água do lado da jusante da roda d'água para uma altura maior que a do reservatório à montante. Uma parte dessa água pode elevar-se espontaneamente para uma altura maior do que a original, mas o resto deve acabar abaixo da roda d'água do lado jusante. Embora não seja possível para toda água elevar-se acima do nível original, é possível que uma parte eleve-se espontaneamente para uma altura maior do qua a inicial. Como com qualquer outra mudança irreversível, haverá um aumento da entropia total. Isso significa que o aumento de entropia da água passando sob a roda é maior do que a diminuição de entropia da água bombeada para uma altura maior.
Isso será confirmado matematicamente nos próximos parágrafos.
q = T
T
T
Os criacionistas supõem que uma mudança caracterizada por uma diminuição de entropia não pode ocorrer sob determinadas circunstâncias. Na verdade, diminuições espontaneas de entropia podem ocorrer, e ocorrem, desde que haja energia suficiente. O fato de que a roda d'água e a bomba sejam engenhos produzidos pelo ser humano não traz nenhum ônus ao caso: a Termodinâmiaca não se preocupa com descrições detalhadas do sistema; ela lida apenas com as relações entre os estados inicial e final de um dado sistema (no caso, a roda d'água e a bomba). Um argumento preferido pelos criacionistas é que a probabilidade da evolução ocorrer é aproximadamente a mesma de um tornado passando sobre um depósito de ferro-velho produzir um avião. Eles baseiam esse argumento em suas crenças de que as mudanças nos organismos vivos têm uma probabilidade muito baixa e não podem ocorrer sem um "planejamento inteligente" que sobrepuje as leis da Termodinâmica. Isso representa uma contradição fundamental: que a evolução (segundo eles) seja inconsistente com a Termodinâmica porque a Termodinâmica não permite a ordem surgir espontaneamente da desordem, mas que o criacionismo (na forma do planejamento inteligente) não precise ser consistente com as leis da Termodinâmica. Uma analogia mais simples do cenário avião/ferro-velho seria de empilhar três blocos em cima do outro de modo preciso. Para isso, o planejamento inteligente é necessário, mas o empilhamente não viola as leis da Termodinâmica. A mesma relação se mantém para essa atividade como para qualquer outra envolvendo mudanças termodinâmicas de energia. É verdade que os blocos não se empilham por si mesmos, mas dentro do que a Termodinâmica se ocupa, tudo o que é necessário é que a energia para pegá-los e colocá-los um em cima do outro. A Termodinâmica apenas correlaciona as relações de energia na mudança do estado A para o estado B. Se a relação de energia permite, a mudança pode ocorrer. Se não permite, a mudança não pode ocorrer. Uma bola não irá saltar espontaneamente do chão, mas se largada, ela espontaneamente quicará para cima a partir do chão. Se a bola é elevada por planejamento inteligente ou apenas sucede de cair não faz nenhuma diferença. Por outro lado, a Termodinâmica não impede a possibilidade de planejamento inteligente; isso apenas não é um fator que diga respeito aos cálculos de probabilidade termodinâmica. Considerando a Terra como um sistema, qualquer modificação que é acompanhada por uma diminuição de entropia (e portanto retornando de um alta probabilidade para uma baixa probabilidade) é possível à medida em que haja energia suficiente. A fonte última para a maior parte dessa energia é, claro, o Sol. O cálculo numérico da mudança de entropia que acompanha as mudanças físicas e químicas são muito bem entendidas e são a base da determinação matemática da energia livre, das características de força eletromotriz das pilhas voltaicas, das constantes de equilíbrio, dos ciclos de refrigeração, dos parâmetros de operação de turbinas de vapor e uma porção de outros parâmetros. O posicionamento criacionista deveria necessariamente descartar todo o quadro matemático da termodinâmica e não poderia fornecer nenhuma base para o projeto de engenharia de turbinas, unidades de refrigeração, bombas industriais, etc. Ele jogaria fora as relações matematicamente bem desenvolvidas da físico-química, incluindo o efeito da temperatura e pressão nas constantes de equilíbrio e mudaças de fase.
Este documento pode ser reproduzido sem pagamento de direitos autorais para usos sem fins lucrativos ou comerciais. Os símbolos matemáticos e gregos são cortesia de Karen Strom da Universidade de Massachussetts. Eles pode ser baixados aqui e utilizados com esta mensagem, sem pagamento de taxas apenas para usos sem fins lucrativos. Nota do Tradutor
* - No original : '
|