10.2. Equilíbrio Termodinâmico

A termodinâmica confirma nossa experiência cotidiana do fluir do tempo: existe passado, presente e futuro, e os fenômenos na natureza, que presenciamos durante nossa vida, são irreversíveis. Por exemplo, se deixo cair um copo de vidro no chão, ele se quebra. Este fenômeno não é reversível, isto é, na natureza não é possível acontecer como num filme rodado ao contrário, onde o copo quebrado no chão pode, no final da cena, acabar inteiro na minha mão. Para discutir a irreversibilidade dos fenômenos, introduziu-se o conceito de equilíbrio termodinâmico. De acordo com a termodinâmica, todos os sistemas tendem para o equilíbrio.De fato, o equilíbrio é por definição o último estado atingido por um sistema livre de perturbações; é uma raridade universal. É importante apenas como um guia de comportamento, isto é, como uma indicação da direção em que caminham os fenômenos naturais. Esta direção é realmente o problema fundamental da termodinâmica. Dado um certo conjunto de condições iniciais e se soubermos que o sistema caminhará espontaneamente para o equilíbrio, poderemos prever o estado de equilíbrio.
O equilíbrio de um sistema está sempre associado a uma medida ou a um conjunto de medidas feitas no sistema em estudo. Se, por exemplo, não há nenhum movimento, devido ao completo equilíbrio de forcas, foi atingido o equilíbrio mecânico. Se a composição química em todos os pontos não se modifica com o tempo, o sistema estará em equilíbrio químico. 0 equilíbrio térmico está associado à ausência de fluxo térmico, devido ao fato de que a temperatura é a mesma, em todos os pontos do sistema. Quando todas as variáveis que especificam o estado termodinâmico permanecem inalteradas, isto é, não mudam com o tempo, o sistema atingiu equilíbrio termodinâmico. No equilíbrio nada muda, é a imobilidade completa do sistema. Daí a dificuldade de conseguirmos um sistema deste tipo no universo em que vivemos. O universo é, portanto, longe do equilíbrio. Está longe do equilíbrio termodinâmico porque, por toda nossa experiência de vida, a regra é a mudança.
O desafio da termodinâmica reside exatamente neste ponto, pois, se desejarmos que as nossas medidas do estado, de qualquer sistema, não contenham incertezas embaraçosas, será necessário que o estado considerado seja um estado de equilíbrio. Observações feitas “em trânsito” provávelmente dependem do lugar em que nós estivemos e não do lugar onde nós estamos. Esta dependência da história anterior é comum nas situações longe do equilíbrio, que, sem dúvida, são as que encontraremos na natureza.

Figura 10.b – A fusão atômica no Sol como exemplo de um fenômeno irreversível.