Agradeço à redação da revista Les Annales des Mines, que autoriza a publicação deste texto, extraído do artigo publicado no número de agosto de 2026 , na série Realidades industriais.

Introdução

O que a termodinâmica, essa disciplina com dois séculos de existência, pode ter a ver com nossas tecnologias atuais? Essa disciplina foi criada essencialmente com o objetivo de obter trabalho, isto é, energia utilizável, a partir do calor. Ela continua muito atual, pois uma parcela muito grande de nossas tecnologias é constituída de descendentes aperfeiçoados da máquina a vapor. Refiro-me aos nossos motores térmicos e às nossas centrais elétricas, de combustão química ou nucleares.

Mas o que as tecnologias mais modernas ainda podem ter a ver com a termodinâmica? Tomemos o exemplo de nossos painéis fotovoltaicos: já não se trata de transformar calor em trabalho, mas radiação em eletricidade, processo regido pela física quântica. Esta última teria, portanto, alguma relação com a termodinâmica? Dito de outra maneira, é possível fundir ou, pelo menos, conciliar as duas disciplinas?

O objetivo deste artigo é apresentar um resumo muito rápido da evolução da termodinâmica, até os trabalhos atuais de implementação de uma termodinâmica quântica, cuja apresentação será objeto de um próximo artigo.

A termodinâmica: ontem, hoje e amanhã

Uma parcela muito grande de nossa tecnologia, assim como de nossa economia, que se baseia nela, depende da termodinâmica!

Ela rege, de fato, as trocas ou as transformações de energia, e estas estão em ação em todos os processos naturais ou artificiais, em todas as escalas. Extrair, transportar, transformar, utilizar energia: isso sempre diz respeito à termodinâmica. É no âmbito dessa disciplina que as noções de calor, trabalho, temperatura, entropia e rendimento adquirem seu sentido.

Não foi sempre assim. A disciplina se formou essencialmente no século XIX, com múltiplas contribuições, e seus êxitos lhe permitiram tornar-se um dos pilares de nossa economia atual. Trata-se, antes de tudo, de uma construção matemática e conceitual da qual participaram numerosos autores. Mas destacarei aqui os trabalhos fundadores de Sadi Carnot, que ele apresentou aos 29 anos em sua obra Reflexões sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas próprias para desenvolver essa potência (1824). Com efeito, em 2024, acabamos de celebrar seu 200º aniversário, na origem do projeto « Nicolas Léonard Sadi Carnot no Panteão ».

O impressionante desenvolvimento teórico da disciplina foi acompanhado, e grandemente estimulado, por suas aplicações práticas. Ele permitiu, de fato, saber quais transformações entre diferentes formas de energia (notadamente de calor em trabalho) são autorizadas, e como expressar e melhorar sua eficiência. Transformar calor em trabalho foi o objetivo da invenção e dos aperfeiçoamentos das « máquinas térmicas » e, em particular, da máquina a vapor. Esses desenvolvimentos constituíram o objeto dessa termodinâmica aplicada. É preciso compreender que, até o desenvolvimento das máquinas a vapor a partir do século XVII, as únicas fontes de energia (não animal) provinham da exploração direta do vento ou dos cursos d’água. Os trabalhos desses « cientistas-engenheiros » levaram assim, por exemplo, ao desenvolvimento das locomotivas e das ferrovias no século XIX.

Figura 1 

Pode-se mencionar aqui, assim, o engenheiro-cientista do Corpo de Minas Émile Clapeyron, que trabalhou eficazmente para aproximar teóricos e profissionais. Quanto à exposição da disciplina, ela ultrapassaria em muito o volume deste artigo (ver, por exemplo, Energia inapreensível, M.Lachièze-Rey, Dunod 2026). Limitar-me-ei a destacar alguns pontos relativos à sua evolução e à sua pertinência atual. 

Reconheçamos, em primeiro lugar, sua candente atualidade do ponto de vista prático: sem dúvida, não é preciso, nestes tempos difíceis, insistir na importância concreta da energia, da eficiência e dos rendimentos das diferentes etapas relativas ao seu uso: extração e purificação, transporte e armazenamento, refino, enriquecimento, purificações, transformações… A totalidade dos dispositivos que nossa técnica utiliza faz parte disso. Lembremos que nossos motores (não elétricos), nossas centrais químicas ou nucleares repousam essencialmente em aperfeiçoamentos da máquina a vapor. E veremos outra vez como a termodinâmica adquire uma nova pertinência na escala quântica!

É importante evocar os incessantes aperfeiçoamentos de que se beneficiaram os pontos de vista teórico e conceitual da disciplina. Isso já ocorreu, na origem, com a introdução das diversas « grandezas termodinâmicas » e o estabelecimento das primeiras leis (ou princípios) que governam seu comportamento: em primeiro lugar, a própria noção de energia, com o reconhecimento de suas duas vertentes constituídas pelo calor e pelo trabalho (ou « força viva »); depois, a de entropia, outra grandeza física que permite expressar as restrições relativas às trocas e transformações entre esses componentes. A disciplina é governada por seus dois grandes « princípios », que regem e controlam sem exceção todos os processos que nos cercam, sejam eles naturais ou artificiais. O primeiro, fundamental, enuncia a conservação da energia em todas as circunstâncias. A princípio, pode-se atribuir-lhe um caráter tautológico, pois a noção de energia foi introduzida precisamente para designar « o que se conserva » durante as trocas muito variadas consideradas pela disciplina. O primeiro grande mérito dos fundadores consiste em tê-la identificado; ela foi mais tarde reinterpretada no âmbito das reformulações da disciplina.  

O segundo princípio exprime o aumento (ou, mais exatamente, a não diminuição) da entropia. Na prática, isso constitui a expressão da restrição mais fundamental quando se busca obter trabalho (e, de modo mais geral, energia utilizável) a partir de calor. É também a manifestação da irreversibilidade dos fenômenos, ou melhor, da irreversibilidade do « olhar termodinâmico » que dirigimos para esses fenômenos. Mais tarde, as outras « formas » de energia foram compreendidas e incluídas nas discussões: mecânica, elétrica, química, nuclear, térmica, gravitacional…

Desde o final do século XIX, o reconhecimento da natureza corpuscular da matéria permitiu fazer evoluir a termodinâmica: fazê-la repousar sobre uma base mais concreta, permitindo uma ligação mais estreita com a mecânica. Isso foi a introdução de um novo olhar sobre ela que esclareceu seu significado físico, ao propor uma nova interpretação, estatística e probabilística. Isso fez aparecer vínculos estreitos e essenciais entre o segundo princípio e a noção de informação; e isso conduziu a uma interpretação da entropia – a grandeza fundamental em jogo nesse segundo princípio – como um « déficit de informação »; de informação a respeito do conhecimento das características precisas do sistema. Isso só adquire sentido quando se considera aquele que se interessa por essa informação, isto é, o observador (o termo designa aqui, de maneira geral, aquele que se interessa pelo processo estudado). É assim que a termodinâmica aparece como dependente da designação de um « observador termodinâmico », definido como aquele que observa o sistema com um olhar grosseiro, que qualificamos precisamente de « termodinâmico »; a existência do observador é, na maioria das vezes, implícita; quase nunca se faz alusão a ela, mas não se pode compreender a disciplina em si, nem suas diversas interpretações, sem a ela se referir. Em particular, isso implica que a noção de entropia depende tanto (como, aliás, a de energia) das características do observador quanto das do sistema estudado: assim – não devemos esquecer – essas duas grandezas são « subjetivas » ou, como se formula mais frequentemente, « relativas »; o que desempenha um papel essencial nas generalizações modernas da disciplina.

Essa interpretação da termodinâmica, e em particular da entropia, em termos de informação revelou-se, em todo caso, cada vez mais fundamental e universal até os dias de hoje; até a física quântica, onde ela mostra, em particular, uma nova pertinência, que se manifesta nas tentativas atuais de implementar uma « termodinâmica quântica », cuja apresentação sumária será feita em um próximo artigo.