Termodinâmica de não equilíbrio

A termodinâmica de não equilíbrio é um ramo da termodinâmica que lida com sistemas que não estão em equilíbrio termodinâmico. Ao contrário da termodinâmica clássica, que geralmente assume que os sistemas estudados estão em equilíbrio ou próximos do equilíbrio, a termodinâmica de não equilíbrio se aplica a situações mais gerais, levando em consideração o fluxo de matéria e energia ao longo do tempo.

Introdução

Na termodinâmica clássica, os sistemas são tipicamente estudados quando estão em equilíbrio. No equilíbrio, as propriedades macroscópicas de um sistema não mudam ao longo do tempo. No entanto, muitos processos do mundo real estão longe do equilíbrio, como reações químicas, processos biológicos e transferência de calor. A termodinâmica de não equilíbrio fornece ferramentas e conceitos para estudar esses processos.

Conceitos básicos da termodinâmica descontínua

Equilíbrio vs. desequilíbrio

Uma maneira comum de entender o equilíbrio é considerar uma xícara de café quente deixada em uma sala. No início, o café está a uma temperatura mais alta que o ar circundante, e ao longo do tempo, perde calor até que atinja a mesma temperatura da sala. Quando as temperaturas se igualam e não há mais troca líquida de calor, o sistema é dito estar em equilíbrio.

Em contraste, condições de não equilíbrio podem ser observadas quando o café é constantemente mexido ou quando calor é aplicado a ele. Estas são situações dinâmicas em que as propriedades macroscópicas estão mudando constantemente.

Processos irreversíveis

A termodinâmica de não equilíbrio geralmente se preocupa com processos irreversíveis. Estes são processos que não podem se reverter por si só. Por exemplo, o calor flui de um objeto quente para um objeto frio sem nenhum trabalho externo; este processo é irreversível porque o inverso não ocorre naturalmente. Para fazer o calor fluir de um objeto frio para um objeto quente, precisamos de trabalho externo (por exemplo, uma geladeira).

Forças e fluxos termodinâmicos

Um conceito essencial na termodinâmica de não equilíbrio é a relação entre forças e fluxos termodinâmicos. As forças termodinâmicas são gradientes, como gradientes de temperatura, gradientes de concentração ou gradientes de potencial químico, que impulsionam mudanças em um sistema. Os fluxos representam o fluxo de quantidades como calor ou matéria em resposta a essas forças.

J = L * X

Aqui, J é o fluxo, X é a força termodinâmica e L é o coeficiente de incidência, uma constante de proporcionalidade que descreve a resposta do sistema.

Termodinâmica linear de não equilíbrio

A termodinâmica linear de não equilíbrio é um campo que se concentra em sistemas onde forças e fluxos estão linearmente relacionados, o que é uma aproximação útil perto do equilíbrio. Em sistemas lineares, o princípio da superposição se aplica, tornando a análise matemática mais fácil de gerenciar.

Aplicações na físico-química

Reações químicas

Considere uma reação química simples onde os reagentes A e B se combinam para formar o produto C:

A + B → C

Em um estado de não equilíbrio, as concentrações de A, B e C mudam ao longo do tempo. As taxas dessas mudanças podem ser descritas pela cinética de reação. A termodinâmica de não equilíbrio fornece informações sobre como mudanças nas condições externas, como temperatura ou pressão, afetam a taxa e a direção da reação.

Difusão

Um exemplo cotidiano de difusão como um processo de não equilíbrio é a propagação de tinta na água. Inicialmente localizada, as moléculas de tinta se movem de forma aleatória devido ao movimento térmico, levando à difusão. Este processo é impulsionado pelo gradiente de concentração e pode ser estudado usando as leis de difusão de Fick.

Na ilustração acima, a tinta se espalha na água, ilustrando a difusão impulsionada por um gradiente de concentração.

Convecção

A convecção é o movimento em massa de grupos de moléculas dentro de fluidos (gases e líquidos) e é outro processo de não equilíbrio. É essencial em situações onde o calor precisa ser transferido no fluido, como na água fervente. Aqui, as correntes de convecção são estabelecidas, que transferem o calor de maneira eficiente afastando-o da fonte de calor.

Esta ilustração visual mostra uma célula de convecção, onde o calor provoca o movimento do fluido em um padrão circular, permitindo uma transferência de calor eficiente.

Produção de entropia

Em sistemas de não equilíbrio, a produção de entropia é constante, o que contrasta com os sistemas de equilíbrio onde a entropia é máxima e a produção para. A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia em um sistema isolado tende a aumentar, o que é consistente com muitos processos de não equilíbrio.

Considere o derretimento do gelo em ar aberto; quando isso acontece, não há troca líquida de calor com o ambiente, a entropia da água (sistema) e do ar (ambiente) aumenta, indicando processos irreversíveis impulsionados por gradientes.

Teorema de Prigogine

Ilya Prigogine avançou no entendimento de sistemas de não equilíbrio através de seu teorema sobre a produção mínima de entropia, que afirma que para sistemas lineares próximos ao equilíbrio, a taxa de produção de entropia é mínima. Este princípio auxilia na compreensão e previsão da direção dos processos na termodinâmica de não equilíbrio.

Sistemas biológicos e termodinâmica de não equilíbrio

Sistemas vivos são exemplos principais de sistemas termodinâmicos de não equilíbrio. Eles são sistemas abertos que trocam matéria e energia com seu ambiente, permitindo a evolução e manutenção longe do equilíbrio.

Metabolismo

O caminho metabólico consiste em uma série de reações bioquímicas que ocorrem dentro da célula, exigindo um aporte constante de energia e massa. A moeda de energia ATP é produzida e consumida, o que alimenta esses processos e mantém um estado longe do equilíbrio.

Homeostase

A homeostase é um princípio biológico pelo qual sistemas vivos mantêm condições internas estáveis apesar de mudanças externas. Essa regulação garante que variáveis como temperatura, pH e concentrações iônicas sejam controladas, demonstrando a termodinâmica de não equilíbrio em ação.

A termodinâmica de não equilíbrio pode ser usada para analisar esses processos altamente regulados e energeticamente caros e para modelar como os organismos lidam efetivamente com variações ambientais.

Conclusão

A termodinâmica de não equilíbrio amplia o escopo da termodinâmica tradicional ao levar em consideração a natureza dinâmica dos processos do mundo real. Ao entender e aplicar os princípios da termodinâmica de não equilíbrio, os cientistas podem descrever e prever melhor o comportamento de uma ampla variedade de sistemas, desde sistemas físicos simples até organismos biológicos complexos.

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