Um estudo recente da Universidade Técnica de Viena (TU Wien) esclareceu a relação entre a entropia quântica e termodinâmica, mostrando que não há contradição entre ambas as teorias. A pesquisa, publicada na revista PRX Quantum, propõe um novo conceito que unifica esses dois pilares da física.
Entropia Quântica e Termodinâmica: Desvendando o Mistério
A mecânica quântica estuda o comportamento de átomos e partículas subatômicas, explicando fenômenos que a física clássica não consegue. Já a segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema isolado tende a aumentar, determinando a direção natural dos processos físicos. A entropia, por sua vez, mede o grau de desordem e dispersão de energia em um sistema.
Um exemplo comum é o gelo. No freezer, suas moléculas estão organizadas (baixa entropia). Fora dele, absorve calor, aumentando a desorganização (alta entropia). Essa aparente discrepância entre a física quântica e a segunda lei da termodinâmica, onde a entropia em sistemas quânticos parece constante matematicamente, foi o foco do estudo.
O professor Marcus Huber, da TU Wien, explicou que a entropia mede se um sistema está em um estado específico (baixa entropia) ou em um de muitos estados semelhantes (alta entropia). O estudo da TU Wien demonstra que a aparente contradição decorre da forma como a entropia é definida. Sob certas abordagens matemáticas, a entropia em sistemas quânticos parece constante. No entanto, os pesquisadores demonstraram que é possível descrevê-la de maneira compatível com a segunda lei da termodinâmica.
Para entender melhor a entropia, podemos lembrar que ela também é uma medida da dispersão da energia em um sistema e da irreversibilidade dos processos termodinâmicos. O físico alemão Rudolf Clausius cunhou o termo em 1850. A comunidade científica a considera um indicador da aleatoriedade ou desorganização molecular.
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Entropia e Irreversibilidade
Sistemas isolados evoluem para estados de maior desordem, conforme a segunda lei da termodinâmica (Britannica). Um café quente, por exemplo, esfria ao transferir calor para o ambiente, aumentando a entropia do sistema. Esse processo é irreversível: o café não volta espontaneamente ao seu estado inicial.
A entropia descreve não só a dispersão da energia térmica e a aleatoriedade, mas também a irreversibilidade. O gelo derretendo em uma superfície quente aumenta a entropia. A irreversibilidade vem do fato de a água não retornar espontaneamente ao estado sólido. A enciclopédia Britannica explica que a entropia quantifica a direção de mudanças espontâneas em sistemas isolados, sempre para o aumento da entropia.
Associar entropia à “desordem” é impreciso, pois “desordem” é subjetivo. A entropia é descrita rigorosamente por modelos matemáticos. O autor Max Lock sugere que ela define a direção do tempo, já que sua entropia era menor no passado e aumentou até o presente. Em sistemas quânticos, a entropia de von Neumann permanece constante no avanço e retrocesso do tempo.
Entropia Quântica e Termodinâmica: Uma Nova Perspectiva
A pesquisa indica que, na teoria quântica, a entropia não se comporta como esperado. Entretanto, não é necessário medir todo o sistema; é possível analisar uma característica específica e sua entropia (entropia de Shannon). No sistema como um todo, a entropia pode não ser óbvia, mas ao focar em uma propriedade particular, ela se manifesta.
Florian Meier, coautor, explica que, se houver apenas um resultado de medição possível (100% de certeza), a entropia de Shannon é zero. Se houver muitos valores possíveis com probabilidades iguais, a entropia de Shannon é alta. O estudo conclui que, se o sistema começa com baixa entropia de Shannon, este valor aumenta até atingir o máximo. Isso confirma a segunda lei da termodinâmica em sistemas quânticos isolados.
Para observar esse comportamento, é fundamental usar a definição correta de entropia, considerando as particularidades da mecânica quântica. O estudo ressalta a importância de formular as perguntas corretas para entender a entropia quântica e termodinâmica em sistemas quânticos. A pesquisa destaca a necessidade de uma definição mais precisa de entropia em um contexto quântico para entender plenamente o universo.
Compreender a entropia é crucial na termodinâmica, pois descreve a tendência natural ao aumento da desordem nos sistemas. No universo, o crescimento irreversível da entropia sugere um destino inevitável. Para aprofundar seus conhecimentos, explore mais sobre o emaranhamento quântico.
Este conteúdo foi auxiliado por Inteligência Artificial, mas escrito e revisado por um humano.
Via TecMundo
