Noções de termodinâmica

Profa Dra Flavia Venancio Silva

Definição clássica de energia Capacidade de realizar trabalho.

Fonte: comunicacaoetendencias.com.br

Origem e conceito da termodinâmica No século XVII, os cientistas

estudavam o comportamento da matéria (sólida, líquida e gasosa) sob o efeito do calor e isso se intensificou no século XVIII com a invenção da máquina a vapor.

Termodinâmica é o ramo da física que estuda a energia e suas interações com a matéria. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor

O que tem a ver a termodinâmica com o estudo dos seres vivos?

Os processos biológicos envolvem complexas estruturas moleculares e contínuas transformações químicas e energéticas, que sópodem ser adequadamente compreendidas no contexto da termodinâmica.

Qual a relação da termodinâmica com o calor?

Calor – é a energia existente em um corpo (que pode estar vivo) em virtude do grau de agitação em suas moléculas.

Temperatura – é a grandeza que mede a quantidade de calor. Ex: 37 oC.

A termodinâmica estuda a interação entre a matéria e o calor.

Calor é uma forma de energia

O calor é a forma de energia que sentimos na pele porque temos receptores térmicos na superfície do corpo.

Porque a termodinâmica poderia se chamar ergodinâmica? Ergo = vocábulo grego que significa

energia ou trabalho.

As mesmas leis da termodinâmica são aplicáveis a todo sistema sob efeito de transferência de energia (térmica, elétrica, nuclear, luminosa, mecânica, acústica, etc).

Conceito atual de termodinâmica!!! A termodinâmica é o ramo da física que

estuda o comportamento de todas as modalidades de energia e suas interações com a matéria.

Princípio da termodinâmica que se aplica a qualquer conjunto de objetos na natureza:

Quanto mais energia (calor), mais pressão, mais expansão, mais movimento, menos certezas e menos ordem. Tendência espontânea para a desordem!!

Alberts et al, 2010.

Certeza e incerteza Quase nenhuma pergunta a respeito da natureza

pode ser respondida com certeza absoluta.

O que podemos ter é uma estimativa, uma noção aproximada do futuro.

Probabilidade – medida da estimativa, ou seja, medida do grau de incerteza.

Modelo determinístico e modelo probabilístico

Quanto mais tempo se passa, mais incerta é a posição do móvel.

O melhor modelo para descrever o funcionamento da natureza de maneira mais realista é o probabilístico.

Mourão Júnior & Abramov, 2012.

Modelo para uma sequência de eventos probabilísticos

A probabilidade de se conhecer o futuro no primeiro momento é de 50%.

E a probabilidade de prever o resultado de todos os lançamentos é igual a ½5; isto é, uma em 32 possibilidades que é igual a 3,125%.

Mourão Júnior & Abramov, 2012.

Processo caótico ou não determinístico Processo imprevisível e muito sensível às

suas condições iniciais.

Caos é sinônimo de incerteza, imprevisibilidade e vulnerabilidade às condições iniciais de um processo.

O movimento browniano explica a natureza física do calor

Mourão Júnior & Abramov, 2012.

Histórico sobre a descoberta do movimento browniano Robert Brown, botânico escocês no século XIX observou

grão de pólen em água se movimentando aleatoriamente.

Albert Einstein, no início do século XX explicou que se o pólen era imóvel a única explicação era a de que dentro da água ocorria um movimento contínuo e aleatório de suas moléculas e a colisão delas com o pólen fazia ele se mover.

No início do século XX, os cientistas da física quântica descobriram que o movimento browniano acontece porque, no átomo, as partículas subatômicas estão constantemente em movimento aleatório.

Importância da descoberta do movimento browniano

Fundamental para entender o comportamento físico das partículas em gases e líquidos.

Por que se abrirmos um recipiente com gás esse iráespalhar-se rapidamente pelo ambiente?

Calor e movimento browniano Calor é a energia produzida pela agitação

contínua e pelos choques entre as moléculas de um corpo.

Essa agitação da matéria é produzida pelo movimento browniano.

Temperatura é a medida do movimento browniano.

Tudo é movimento!!!

No universo, nada está em completo repouso.

Onde existe matéria, existe movimento.

Sistema caótico deve ser: Dinâmico, altera-se com o tempo.

Não linear, sua resposta não éproporcional à perturbação.

Sensível a perturbações mínimas de seu estado inicial.

Conceito de sistema

Conjunto composto por coletividade e energia do sistema.

Coletividade – conjunto de elementos que constituem o sistema.

Energia do sistema – agitação resultante das interações entre os elementos do sistema.

Sistemas Um sistema pode conter outros sistemas, bem

como fazer parte de outros maiores.

O menor sistema seria aquele composto por duas partículas que interagem entre si (e esse interage com outros pois não está isolado no universo). O maior sistema possível seria o próprio universo.

Ex: átomos, moléculas, planetas, galáxias, coração, corpo humano, célula.

Movimento, atrito e entropia

Partículas em movimento aleatório chocam-se e esta colisão limita o movimento, produzindo atrito que produz calor e esse produz desordem (entropia).

O calor não é capaz de realizar trabalho (energia dissipada).

Sistemas conservativos Só existe em modelos teóricos, são sistemas

isolados que não trocam energia, matéria e informação com outros sistemas.

Ex: garrafa térmica tenta imitar um sistema conservativo, mas não consegue porque na natureza tudo é movimento e logo há atrito e troca de energia em forma de calor.

Na natureza todo sistema é dissipativo No sistema dissipativo ocorre perda de energia

sob a forma de calor quando os seus elementos interagem entre si ou com outros sistemas.

Ex: a célula que sofre mitose, o músculo que se contrai, o envelhecimento celular.

No metabolismo celular, apenas 20% da energia proveniente dos alimentos é capaz de realizar trabalho, os outros 80% se perdem em calor.

Características dos sistemas Complexidade – número de variáveis de um sistema, relativa ao número de

elementos e à variabilidade destes. Ex: o cérebro, um gás.

Quanto mais heterogêneos os elementos de um sistema, maior sua complexidade. Quanto maior a complexidade das trocas energéticas entre os elementos, maior a complexidade.

Imprevisibilidade – incerteza do futuro. Ex: camundongo, cadeira.

Quanto mais complexo for um sistema, menos previsível ele será.

Equilíbrio – condição na qual o sistema não pode mais se transformar espontaneamente, não há trocas de energia nem matéria mantendo a estabilidade.

O equilíbrio energético se dá quando não há mais troca de energia com o entorno. Equilíbrio é morte. Todos processos vitais se dão longe do equilíbrio.

Características dos sistemas Estabilidade – capacidade de manter seu estado atual ao longo do

tempo. Ex: folha como um sistema estável depende de um gasto de energia para se manter.

Quanto mais estável é um sistema, mais previsível ele é. Sistema estável é o oposto de sistema caótico.

A estabilidade só coincide com o equilíbrio em seres inanimados, seres pouco complexos. Ex: uma pedra.

Padrões – qualquer configuração que ocorra com maior frequênciana natureza.

Diferença entre equilíbrio e estabilidade Equilíbrio – caixa d’ água

mantém um nível fixo “h” na condição de estabilidade espontânea, as duas torneiras fechadas.

Estabilidade – as duas torneiras abertas com a mesma vazão (com gasto de energia da bomba d’ água ou a força gravitacional alimenta a torneira).

Mourão Júnior & Abramov, 2012.

Leis da termodinâmica Foram postuladas e sistematizadas por

diversos cientistas ao longo dos séculos 19 e 20.

Lei zero Se dois sistemas estão ambos em equilíbrio com um terceiro,

esses dois sistemas estarão também em equilíbrio entre si.

Essa lei pressupõe que o equilíbrio é a tendência natural dos sistemas do universo a encontrarem espontaneamente sua estabilidade quando a transferência de energia cessar naturalmente.

Obviamente, um sistema só encontraria o equilíbrio perfeito se estivesse isolado do universo e isso é impossível!!!!

Esta lei é útil na definição de escalas termométricas, não tem nenhum aplicação para a biofísica.

Primeira lei da termodinâmica (Lavoisier, 1760)

• A energia nunca se perde, nunca se cria, sempre se transforma (a quantidade de energia é constante).

• Se injetarmos uma quantidade X de energia em um sistema, esse sistema deverá liberar exatamente essa quantidade X de energia para outro sistema, seja em forma de trabalho, seja em forma de calor.

• Porém, os sistemas têm rendimentos variados, sempre abaixo de 100% porque nunca a energia total será convertida em trabalho. Então, parte da energia se dissipa em forma de calor.

Por que o rendimento dos sistemas éabaixo de 100%? Para atingirmos 100% de eficiência, o ambiente externo

deverá estar no zero absoluto (0 K) ou a fonte quente devera estar infinitamente quente. Claro, nenhuma destas duas alternativas e possível de ser alcançada na prática.

Segunda lei da termodinâmica A energia só flui

espontaneamente de um sistema quente para um sistema frio.

Tudo flui de um ponto onde há excesso para um ponto onde há falta.

A entropia (desordem) sóaumenta a cada transformação que ocorre no universo.

Terceira lei da termodinâmica A terceira lei foi baseada no

hipotético zero absoluto de LordKelvin, não existe nenhum calor e nenhuma agitação molecular, o sistema seria completamente desprovido de energia.

No zero absoluto não haveria nenhuma cinética molecular ou atômica, o zero absoluto não existe na prática.

No zero Kelvin ou zero absoluto não há produção de entropia. Fora desse estado, a entropia (desordem) do universo sempre aumenta!!!!!

Relação entre duas escalas que medem temperatura

Fonte: http://www.brasilescola.com/fisica/zero-absoluto.htm

O uso de energia pelos seres vivos Os seres vivos criam ordem em um

universo que está sempre tendendo a aumentar a desordem.

Para criar essa ordem, as células dos organismos vivos devem executar uma série de reações químicas que nunca terminam.

Ordem em estruturas biológicas

Fonte: Alberts et al., 2010.

Vias de reações do metabolismo celular ou mapa metabólico Vias de reações - são

lineares e longas e estão ligadas umas às outras e é isso que permite as células sobreviverem, crescerem e se reproduzirem.

Fonte: Alberts et al., 2010.

A ordem biológica é possibilitada pela liberação de energia térmica pelas células

Fonte: Alberts et al., 2010.

Se as células criam ordem elas desafiam a segunda lei da termodinâmica? Como isso épossível?

Isso ocorre porque a célula toma energia do ambiente, na forma de alimentos, fótons do sol ou de moléculas inorgânicas e usa essa energia para criar ordem para si mesma. Parte da energia que as células usam éconvertida em calor.

Fonte: http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://66.147.237.87/%7Epapacaio/modules/Cliparts/gallery/cliparts_

Qual o efeito do calor liberado pelas células?

O calor é descarregado no ambiente onde as células se encontram e o deixa mais desorganizado, de maneira que a entropia total, a da célula mais a dos seus arredores –aumenta obedecendo a segunda lei da termodinâmica.

Fonte: http://www.fge.if.usp.br/~sartorel/lab.html

A ordem da célula é mais que compensada pela desordem ao seu redor

Fonte: Alberts et al., 2010.

A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída

Fonte: Alberts et al., 2010.

Os organismos fotossintéticos utilizam a luz solar para sintetizar moléculas orgânicas

Fonte: Alberts et al., 2010.

A termodinâmica estuda o fluxo de energia em sistemas da natureza

Fonte: Alberts et al., 2010.

Ciclo do carbono na biosfera como exemplo de sistema

Sistema é um conjunto de elementos que interagem diretamente entre si.

Fonte: Alberts et al., 2010.

Bibliografia recomendada Mourão Júnior, C.A.; Abramov, D.M.

Biofísica Essencial. Guanabara Koogan. 2012.

Biologia Molecular da Célula, 5a edição. Alberts et al., 2010. Ed. Artmed. 1396 p.