aula1 noã§ãµes de termodinã¢mica
TRANSCRIPT
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.