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Entropia e a segunda lei da termodinâmica

Estratégias de ensino-aprendizagem

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Um dos assuntos em física de maior complexidade para uma grande maioria dos alunos é a entropia. Talvez pelo modo como o professor o aborde ou talvez pela falta de atividades práticas na sala de aula. Como forma de tornar a aula interessante, o professor deve utilizar-se de diferentes meios e artifícios para prender a atenção do aluno nas suas aulas.

A atividade proposta abaixo tem por finalidade levar para dentro da sala de aula algo simples e que ajude os alunos a compreenderem de forma mais clara o assunto estudado até o momento. Dessa forma, podemos dizer que a atividade é bastante simples e bem interessante, principalmente porque mostra um aspecto moderno da física, oriundo da termodinâmica.

Para construir a atividade prática, vamos precisar de:

- duas caixas de fósforos vazias

- cola branca

- feijões de cores diferentes (preto e marrom)

Montando o recipiente da atividade

Primeiramente, separe 20 unidades de cada cor de feijão. Em seguida, cole as duas caixas de fósforos. Faça uma abertura no meio das duas caixas, como mostra a figura abaixo, que permita a passagem dos feijões.

Duas gavetas de caixas de fósforos unidas, com uma abertura no meio
Duas gavetas de caixas de fósforos unidas, com uma abertura no meio

Realizando a atividade

Inicialmente, coloque os vinte feijões marrons numa gaveta, deixando a outra vazia, como mostra a figura abaixo.

Feijões colocados de um só lado (em ordem)
Feijões colocados de um só lado (em ordem)

Podemos ver na figura acima que os feijões estão em ordem, ou seja, todos os feijões estão dispostos em uma só gaveta. Dessa forma, podemos dizer que a entropia do sistema é pequena. Agora feche as gavetas com as caixas correspondentes e agite o conjunto.

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Ao realizar a atividade é importante que a caixa de fósforos esteja sobre uma mesa, de forma que a caixa não se incline para que a simetria do sistema não seja alterada.

A figura abaixo nos mostra a simulação da forma como deve ser feita a agitação térmica da caixa de fósforos sobre a mesa. As setas vermelhas indicam as direções nas quais o movimento deve ser realizado.

Simulação da agitação térmica
Simulação da agitação térmica

Em seguida, abra as caixas de fósforos e veja como ficou a distribuição dos feijões dentro das caixas. É a mesma? O que mudou?

Agite um pouco e observe, repetindo o procedimento várias vezes. O que acontece com a entropia do sistema? Se você agitar mais vigorosamente, o que acontece? O que significa, em física, “agitar mais vigorosamente”? Se você aumentar ou diminuir a abertura entre as caixinhas, ou fizer a substituição dos feijões por grãos menores, como por exemplo, lentilhas, o que ocorrerá? Qual o significado físico dessas alterações?

Em um momento seguinte, distribua 20 feijões-pretos de um lado e 20 feijões marrons de outro lado. Observe que há uma ordem novamente no sistema: cada cor em uma caixinha. Vejamos a figura abaixo:

Feijões de cores diferentes em lados diferentes (em ordem)
Feijões de cores diferentes em lados diferentes (em ordem).

Repita todo o procedimento feito anteriormente e tente responder os mesmos questionamentos. Conclusão: suas observações estão de acordo com o enunciado de Boltzmann da 2º lei da termodinâmica? A entropia do sistema variou? Houve equilíbrio térmico? Discuta com seus estudantes e seus colegas.


Por Domiciano Marques
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola

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