Explore as 4 common approaches in non-equilibrium thermodynamics: linear non-equilibrium thermodynamics, irreversible processes, statistical non-equilibrium thermodynamics, and dissipation thermodynamics. Gain insights into complex systems beyond equilibrium.
Introdução
A termodinâmica fora do equilíbrio é um ramo da física que estuda sistemas que não estão em equilíbrio termodinâmico. Enquanto a termodinâmica clássica é baseada em sistemas em equilíbrio, a termodinâmica fora do equilíbrio abrange sistemas em que ocorrem fluxos de energia e matéria. Esses sistemas são comumente encontrados na natureza e em diversas aplicações tecnológicas.
Abordagens de Termodinâmica Fora do Equilíbrio
A termodinâmica fora do equilíbrio é uma área vasta e complexa de estudo, e várias abordagens têm sido desenvolvidas para compreender e descrever esses sistemas. Abaixo estão quatro das abordagens mais comuns utilizadas nesse campo:
1. Termodinâmica de Não Equilíbrio Linear
A termodinâmica de não equilíbrio linear é uma abordagem que se baseia na extensão da termodinâmica clássica para sistemas fora do equilíbrio. Ela é aplicável a sistemas que exibem pequenas perturbações em relação a um estado de equilíbrio. Essa abordagem utiliza a teoria de resposta linear para estudar as respostas do sistema a essas perturbações. Através da análise das relações entre os fluxos de energia e matéria, é possível obter coeficientes termodinâmicos que descrevem as propriedades de transporte do sistema.
2. Termodinâmica de Processos Irreversíveis
A termodinâmica de processos irreversíveis é uma abordagem que se concentra na descrição de sistemas fora do equilíbrio que passam por processos irreversíveis. Ela utiliza conceitos termodinâmicos, como entropia, para caracterizar a evolução desses sistemas. A segunda lei da termodinâmica desempenha um papel fundamental nessa abordagem, permitindo a análise dos fluxos de energia e matéria e a previsão das direções dos processos irreversíveis.
Essas são apenas duas das abordagens utilizadas na termodinâmica fora do equilíbrio. Nos próximos parágrafos, discutiremos mais duas abordagens importantes nesse campo.
3. Termodinâmica Estatística Não Equilibrada
A termodinâmica estatística não equilibrada é uma abordagem que combina conceitos da termodinâmica fora do equilíbrio com a teoria da mecânica estatística. Essa abordagem busca descrever sistemas fora do equilíbrio em termos de distribuições de probabilidade das variáveis microscópicas do sistema, como as posições e velocidades das partículas. Ela utiliza métodos estatísticos para calcular médias de observáveis macroscópicos e investigar as flutuações nessas grandezas. A termodinâmica estatística não equilibrada é especialmente útil para sistemas com um grande número de partículas, onde os efeitos estatísticos são dominantes.
4. Termodinâmica de Dissipação
A termodinâmica de dissipação é uma abordagem que se concentra na descrição de sistemas fora do equilíbrio que estão sujeitos a fluxos contínuos de energia e matéria. Esses sistemas estão longe do equilíbrio termodinâmico e apresentam processos dissipativos, nos quais a energia é convertida em outras formas, geralmente na forma de calor. Essa abordagem utiliza conceitos como a entropia de produção, que quantifica a taxa de dissipação de energia no sistema. A termodinâmica de dissipação permite analisar a eficiência dos processos de conversão de energia e compreender os limites impostos pela segunda lei da termodinâmica.
Essas abordagens fornecem ferramentas e conceitos teóricos para entender e descrever sistemas fora do equilíbrio termodinâmico. Cada uma delas tem suas próprias vantagens e limitações, e a escolha da abordagem depende das características específicas do sistema em estudo e dos fenômenos que se deseja analisar. O estudo da termodinâmica fora do equilíbrio é essencial para compreender uma ampla gama de fenômenos naturais e processos tecnológicos, como o transporte de calor, a convecção, a reologia de fluidos complexos e o funcionamento de células biológicas.
Neste artigo, discutimos quatro das abordagens mais comuns na termodinâmica fora do equilíbrio: termodinâmica de não equilíbrio linear, termodinâmica de processos irreversíveis, termodinâmica estatística não equilibrada e termodinâmica de dissipação. Cada uma delas contribui para a compreensão dos sistemas fora do equilíbrio de diferentes maneiras, fornecendo insights valiosos sobre os mecanismos que regem o comportamento desses sistemas complexos. A termodinâmica fora do equilíbrio continua sendo um campo ativo de pesquisa, com aplicações em diversas áreas da ciência e engenharia, e é fundamental para o avanço do conhecimento na compreensão e controle de sistemas não lineares e dissipativos.