Fluídos e Soluções na Biofísica

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BIOFÍSICA
Vanessa de Souza 
Machado
Fluídos e Soluções
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Identificar conceito de fluido e soluções.
 � Elencar a relação entre fluidos/soluções com difusão e osmose.
 � Reconhecer a aplicabilidade biológica de fluidos e soluções.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar os conceitos de fluidos e soluções, 
assim como suas propriedades e aspectos relacionados ao transporte 
de substâncias nos organismos biológicos. 
Soluções
Solução é qualquer mistura homogênea e seus componentes são chamados de 
solvente e soluto.
 � Soluto é o que está sendo dissolvido, em geral, em menor quantidade
na solução.
 � Solvente é a substância que dissolve o soluto, normalmente em maior
concentração na solução.
 Substâncias heterogêneas são chamadas de suspensões. Para entender me-
lhor, vejamos o exemplo abaixo.
Ex.: O plasma é considerado uma solução, enquanto o sangue é uma sus-
pensão (plasma + células sanguíneas).
 A solubilidade do soluto no solvente depende diretamente da tem-
peratura e é expressa pelo coeficiente de solubilidade, que é considerado, por 
sua vez, a quantidade máxima de soluto capaz de se dissolver em um volume 
de solvente em temperatura conhecida.
Classificação das soluções:
De acordo com a quantidade de soluto dissolvido, as soluções são classificadas:
 � Soluções saturadas: quantidade de soluto dissolvido igual à sua solu-
bilidade naquela temperatura, isto é, excesso de soluto em relação ao 
valor do coeficiente de solubilidade (Cs); não se dissolve e constituirá 
o corpo de fundo.
 � Soluções insaturadas: quantidade de soluto dissolvido menor que a 
sua solubilidade naquela temperatura.
 � Soluções supersaturadas (instáveis): quantidade de soluto dissolvido 
maior que a sua solubilidade naquela temperatura.
As soluções podem ser classificadas de acordo com quatro critérios, sendo eles:
 � Estado de agregação da solução em soluções sólidas, líquidas e ga-
sosas.
 � Proporção entre soluto e solvente em solução diluída (pouco soluto em 
relação ao solvente) e concentrada (grande quantidade de soluto em 
relação ao solvente). 
 � Natureza do soluto, em soluções moleculares (com moléculas) e iônicas 
(com íons).
 � Condução de corrente elétrica em soluções eletrolíticas ou iônicas (com 
íons e condução de corrente elétrica) e não-eletrolíticas ou moleculares 
(sem íons, somente moléculas e, portanto, sem condução de corrente).
As curvas de solubilidade são apresentadas na forma de gráficos e mos-
tram a variação dos coeficientes de solubilidade em função da temperatura. 
Podem apresentar-se de três formas:
 � Ascendentes: substâncias onde o coeficiente de solubilidade aumenta 
com a temperatura. 
 � Descendentes: substâncias onde o coeficiente de solubilidade diminui 
com a temperatura. 
 � Curvas com inflexões: substâncias que sofrem modificações com a va-
riação da temperatura.
A concentração de uma solução corresponde à quantidade de soluto dis-
solvido em um dado volume de solução, podendo ser expressa em massa, 
volume ou mol, através de distintas formas, como por exemplo:
- Concentração (C) = m (Quant. massa soluto - mg, g, kg, t, etc.)
 v (Quant. volume solução - cm3, mL, dm3, L, m3, etc.)
- Título de Massa (τ) = m (Quant. massa soluto)
 m (Quant. massa solução) 
OBSERVAÇÃO: Título de massa é uma grandeza adimensional, ou seja, 
não possui unidade, mas pode ser expressa através de porcentagem. Para 
tanto, deve-se adicionar, ao final da fórmula, uma multiplicação por 100.
- Molaridade (ɱ) = m (Quant. soluto)
 MM (massa molecular) x V (Quant. volume solução)
OBSERVAÇÃO: A molaridade expressa a quantidade de soluto, em mols, 
dividido pelo volume da solução.
- Densidade (d) = m (Quant. massa da solução)
 v (Quant. de volume da solução)
De forma geral, a concentração das soluções pode ser expressa pela quan-
tidade de soluto em relação à quantidade da solução, de três maneiras básicas: 
 � Massa por unidade de massa: mais precisa, no entanto, é mais utilizada 
para medir sólidos em material sólido.
 � Massa por unidade de volume: a mais utilizada, geralmente, em solu-
ções líquidas.
 � Volume por unidade de volume: o espaço ocupado por um corpo ou a 
capacidade que ele tem de comportar alguma substância utilizada de 
acordo com as unidades das dimensões do corpo
 A unidade de massa utilizada para concentração do soluto é estabelecida in-
ternacionalmente através do quilomol por metro cúbico (kmol.m-3), mas é mais 
utilizado nos laboratórios e hospitais o seu equivalente mol.l-1 (mol por litro).
Fluidos
Fluido é o que corre ou se expande como líquido, ou seja, uma substância 
que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento 
(é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais ou opostos).
Podemos também definir fluido como sendo uma matéria que escoa cons-
tantemente depois de aplicada uma força. Nesse sentido, a matéria no estado 
líquido, gasoso e sólido possui inércia, mas somente no estado líquido e ga-
soso as matérias adquiriram aceleração quando aplicada uma força externa. 
Além disso, os fluidos distinguem-se dos sólidos em estrutura e compo-
sição. Por exemplo, enquanto as moléculas nos sólidos estão agrupadas (in-
teração molecular forte), as moléculas nos fluidos estão dispersas (menor in-
teração molecular) (Figura 2). Essa característica infere distintas densidades 
entre fluidos e sólidos, onde os fluidos possuem, então, menor densidade 
quando comparados com os sólidos. A densidade (ρ) ou massa específica re-
presenta a quantidade de matéria contida em um determinado volume (ρ = 
m/V), varia conforme a pressão e a temperatura e é muito importante para 
caracterizar a matéria. A unidade utilizada para a densidade resulta de kg/m3 
em kg.m3. Já a pressão é o conjunto de forças exercidas pelas partículas do 
fluido na superfície do recipiente. No sistema internacional, a unidade utili-
zada para pressão é N/m2 = 1 pascal (Pa), mas também podem ser utilizadas 
outras unidades, principalmente levando-se em conta a área de especifici-
dade, como por exemplo, o Bar na meteorologia (1 bar = 105 Pa) e o Torricelli 
na tecnologia de vácuo (1 torr = 133,3 Pa). Nas ciências biológicas, a unidade 
mmHg é muito utilizada.
Fonte: Shutterstock.
Hipoglicemia
Insaturado
3.3mmol/l
Normal
Saturado
3.3-5.5mmol/l
Hiperglicemia
Hipersaturado
5.5mmol/l
Figura 1. Concentração de açúcar no sangue.
Fonte: Shutterstock.
Sólido
Gasoso
Líquido
Figura 2. Figura mostrando a estrutura das moléculas nos diferentes estados da matéria. 
Fique atento
A hidrostática é responsável por estudar os fluidos em repouso. A densidade serve 
para saber como os corpos flutuam. Um corpo com densidade menor que a do líquido 
vai flutuar e com densidade maior, afunda.
Difusão e osmose
Para conceituar difusão, podemos dizer que se uma substância específica es-
tiver presente em alta concentração em uma área e em baixa concentração 
em outra, mais partículas da substância se difundem da região de alta con-
centração para a de baixa concentração do que ao contrário. Desta forma, 
DIFUSÃO é o soluto que tende a passar do meio mais concentrado para o 
meio menos concentrado.
 A difusão pode ocorrer de duas formas: 
 � Difusão simples: ocorre a movimentação de moléculas pequenas apo-
lares ou lipossolúveis, ou seja, as que são permeáveis à membrana, 
além de gases como o oxigênio e o gás carbônico, sem maiores pro-
blemas, até que o meio intra e extracelular estejam em equilíbrio. 
 � Difusão facilitada ocorre para o transporte de moléculas grandes ou 
impermeáveis à membrana, como a glicose e íons, por exemplo, e é 
feita com o auxílio de uma proteína (Figura 1 e Figura 2).
 Difusão é o mecanismo de dissipação das moléculas ou íons, o soluto 
que, em um determinado meio, através da energia cinética das próprias subs-
tâncias, podendo ocorrer em meios gasosos, líquidos e até sólidos.Como 
exemplo, imagine uma colher de café se dissipando em uma xícara de água. 
A velocidade de difusão é proporcional à concentração de solutos, obede-
cendo a 1° Lei de Flick, onde a velocidade de difusão é diretamente propor-
cional ao gradiente de concentração, mas também depende do tamanho da 
partícula e da temperatura. No primeiro caso, quanto menor a partícula, mais 
rápida será a difusão e, no segundo caso, quanto mais elevadas estiverem as 
temperaturas, maior será a velocidade de difusão. 
1° Lei de Flick - Fórmula velocidade de transporte ou densidade do fluxo (Js):
Js = - DA ΔCs
 Δx
D - coeficiente de difusão
A - área da membrana
ΔCs - diferença de concentração entre os dois lados da membrana
ΔX - espessura da membrana
A membrana plasmática é composta basicamente de lipídios e proteínas 
e possui uma característica essencial para a manutenção das funções vitais 
das células, que é a permeabilidade seletiva. Nesse contexto, a membrana é 
permeável ao solvente (água), mas é impermeável aos solutos (sais, açúcares, 
etc.). Essa propriedade permite que a célula mantenha suas condições dife-
rentes do meio extracelular. Nesse sentido, os meios intra e extracelulares 
então sempre trocando água e solutos através do gradiente de concentração 
presente na membrana das células. De acordo com esse gradiente, a difusão 
ocorre até que as soluções estejam em equilíbrio, ou seja, quando a quanti-
dade de soluto é proporcional à quantidade de solvente. 
Para tentar entender o que é OSMOSE e diferenciar do conceito de DI-
FUSÃO apresentado anteriormente, podemos dizer que é um processo pas-
sivo em que há um movimento efetivo de água por uma membrana seletiva-
mente permeável. Por processo de osmose, ocorre a movimentação da área de 
maior concentração de água para uma área de menor concentração de água 
(ou de uma área de menor concentração de soluto para uma área de maior 
concentração de soluto). 
 Sendo assim, o solvente tende a passar do meio menos concentrado para 
o mais concentrado. 
 A osmose ocorre sempre a favor do gradiente, no sentido de igualar as 
concentrações nas duas faces da membrana, não envolve gasto de energia e é 
um caso particular de difusão simples, onde consideramos a concentração de 
soluto, mas o solvente é que se movimenta (Figura 2). 
Na osmose, quando duas soluções possuem a mesma quantidade de partí-
culas por unidade de volume, mesmo que sejam diferentes, exercem a mesma 
pressão osmótica e são chamadas de isotônicas. Isso quer dizer que, mesmo 
sendo separadas por uma membrana, seguirá o fluxo de água nos dois sen-
tidos de modo ajustado.
 No caso de soluções de concentrações diferentes, a que possui mais soluto 
(maior pressão osmótica) é chamada hipertônica, e a de menor concentração 
de soluto (menor pressão osmótica) é chamada hipotônica. Isso significa dizer 
que, mesmo separadas por uma membrana, há maior fluxo de água da solução 
hipotônica para a hipertônica, até que as duas soluções se tornem isotônicas.
Fonte: Shutterstock.
Figura 3. Imagem ilustrando os meios intracelular e extracelular.
Fonte: Shutterstock.
Figura 4. Imagem ilustrando o processo de difusão e osmose. Em A, duas soluções sepa-
radas por uma barreira, uma com soluto (bolinhas maiores) e outra apenas com solvente 
(bolinhas menores). Em B, simulação do processo de difusão, onde a barreira é retirada e 
ocorre uma dispersão e uniformização do soluto na solução. Em C, simulação do processo 
de osmose, ou seja, colocação de uma membrana semipermeável. Note que houve movi-
mento de solvente para a solução com maior quantidade de soluto, a fim de diluir o soluto 
e ambas as soluções chegarem a um equilíbrio osmótico.
Fonte: Shutterstock.
Figura 5. Imagem ilustrando o processo de difusão facilitada, ou seja, o transporte de molé-
culas de glicose através das proteínas transportadoras da membrana plasmática
Saiba Mais
Para saber mais sobre o processo de difusão e osmose, leia o trecho “O que são os pro-
cessos passivos do transporte de membrana?” do livro “Vida: A Ciência da Biologia - Vol. 
1: Célula e Hereditariedade”.
Aplicabilidade biológica dos fluidos
Inicialmente, podemos abordar as células como a menor estrutura viva do 
nosso corpo. Todas as células do corpo humano necessitam de condições re-
lativamente estáveis para manter seu perfeito funcionamento e garantir a so-
brevivência do nosso corpo.
A manutenção dessas condições é denominada de homeostasia, ou seja, 
é um processo que garante a constante do ambiente interno do corpo, apesar 
de mudanças dentro e fora do corpo. Uma grande parte do meio interno do 
nosso corpo é um fluido circundante das células do corpo, chamado líquido 
intersticial.
De um modo geral cada sistema do corpo humano colabora para a home-
ostasia. O sistema circulatório, por exemplo, os movimentos do coração (con-
tração e relaxamento) fazem com que o sangue (fluido) circule no corpo todo. 
Uma forma bem simples de relacionar o assunto com algum sistema do 
nosso corpo é abordando o sistema circulatório. Este sistema é formado pelo 
coração, pelos vasos sanguíneos e sangue. O coração é a bomba propulsora 
do sangue e os vasos sanguíneos são as vias de transporte. O termo circulação 
refere-se ao movimento de UM FLUIDO ao longo de um circuito fechado.
O sangue é um tecido fluido com mais de 90.000 km, o que equivale a mais 
de duas voltas ao redor da Terra, e é impulsionado por uma bomba muito efi-
ciente, o coração. O sistema circulatório é um verdadeiro leva e traz contínuo 
de metabólitos diversos. O coração, a bomba propulsora, os vasos sanguíneos, 
formam uma verdadeira rede de canais contínuos e cíclicos, o sangue, que é 
um fluido formado por líquidos e células, e o sistema de controle, que liga ao 
sistema nervoso central. 
A circulação sanguínea é um sistema fechado e contínuo, dividido em 
grande e pequena circulação. A pequena circulação envolve o coração e o 
pulmão e a grande circulação, o coração e o restante do corpo, conforme a 
Figura 1. A maior parte da massa sanguínea, cerca de ¾, está na grande cir-
culação. No entanto, a quantidade de sangue movimentada a cada impulso do 
coração é a mesma em ambas as circulações, 83 ml de cada ventrículo e 166 
ml do coração em cada batida.
 Os fluidos em escoamento possuem outras características particu-
lares, além da densidade e pressão, são eles: 
 � Compressibilidade: fluido que, sob pressão, diminui de volume e, con-
sequentemente, aumenta de densidade.
 � Rotacionalidade: os fluidos podem possuir partículas que giram em torno 
de seu centro de massa, influenciando diretamente na sua viscosidade. 
 � Viscosidade: refere-se ao atrito interno do fluido, entre as moléculas 
que se movem com distintas velocidades.
 � Coeficiente de viscosidade: está relacionado com o movimento de um 
fluido, ou seja, quanto maior a viscosidade, menor será a velocidade de 
movimentação do fluido.
 � Turbulência: refere-se ao escoamento de um fluido em que as partí-
culas se misturam de forma não linear.
 O sangue, por exemplo, é um fluido compressível, turbulento, rotacional 
e viscoso. Tais propriedades são descritas a seguir.
 Na área da saúde, que infere diretamente o funcionamento do corpo hu-
mano, existem muitos aspectos que são compreendidos por meio dos con-
ceitos e propriedades do escoamento dos fluidos. Os fluidos corporais são 
compartimentalizados por membranas ou finas camadas de células, permeá-
veis à água e solutos. São divididos em dois grandes espaços, os meios extra-
celular e intracelular. Esse último corresponde ao plasma, a linfa, o líquido 
intersticial e o transcelular. 
O plasma é o meio intravascular, exceto as células sanguíneas, limitado 
pelo endotélio. O líquido intersticial ou linfa é um fluido claro e transparente 
entre as células. Os meios intra e extracelulares estão sempre trocando água 
e solutos.
Podemos trazer um exemplo relacionado à INSUFICIÊNCIA CAR-
DÍACA CONGESTIVA, uma síndrome clínica de débito cardíaco inadequado 
que provocauma cascata de evento. O uso de diuréticos, como a furosemida, 
diminui a sobrecarga de fluidos e melhora o esforço respiratório. Com fre-
quência, é necessário tomar medidas adicionais, incluindo suplementação de 
oxigênio, pressão positiva na via aérea em dois níveis (BiPAP) e, mesmo, ven-
tilação mecânica. De maneira geral, o aprimoramento no estado repiratório 
alivia a explosão de catecolaminas e, assim, reduz a pressão arterial e quebra 
o ciclo patológico.
Outra forma de exemplificar pode ser através do sistema excretor, no in-
terior do corpúsculo renal. Em razão da alta pressão do sangue no interior 
dos capilares do glomérulo, substâncias extravasam para o interior da cápsula 
renal. O filtrado resultante, que possui composição semelhante à do plasma 
sanguíneo, mas com menor quantidade de proteínas, segue em direção aos 
túbulos renais. Após, ocorre ainda a absorção de algumas substâncias pelo 
sangue e a secreção resultante é a urina. 
A aldosterona é o principal mineralocorticoide. Regula a homeostasia de 
dois íons minerais, isto é, os íons sódio (Na+) e os íons potássio (K+). A al-
dosterona aumenta a reabsorção no sangue de Na+ do fluido que se tornará a 
urina e estimula a sua secreção. Além disso, ajuda no ajuste da pressão e do 
volu- me sanguíneos e promove a excreção de H+ na urina. Essa remoção de 
ácidos do corpo ajuda a evitar a acidose (pH do sangue abaixo de 7,35).
Fonte: Shutterstock.
Figura 6. Ilustra uma amostra de sangue sendo analisada. 
Fonte: Shutterstock.
Figura 7. Imagem ilustrando a grande (coração - corpo) e pequena (coração - pulmão) 
circulação.
Exemplo
No sistema respiratório, cada pulmão está recoberto por um saco completamente fe-
chado denominado de saco pleural. Entre o pulmão e a pleura existe um líquido, o 
fluido intrapleural. Este fluido tem a função de lubrificação, permitindo que a pleura 
visceral e a pleura parietal deslizem uma sobre a outra durante a respiração. 
Referência
ENDEAVOR BRASIL. PDCA: a prática levando sua gestão à perfeição. Disponível em: 
<https://endeavor.org.br/pdca/>. Acesso em: 04 nov. 2016.
PEQUENO, C. N.; CARVALHO, M. G. F.; FONTES, V. M. Redução do consumo de produ-
to químico utilizado em uma linha de produção de uma indústria de pneus. 
2015. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Produção) – Uni-
versidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2015.
REY, B. Como fazer um brainstorming eficiente. Exame Carreira. 26 jul. 2013. Dispo-
nível em: <http://exame.abril.com.br/carreira/como-fazer-um-brainstorming-eficien-
te/>. Acesso em: 04 nov. 2016.
RODRIGUES, S. Crise: perigo, oportunidade e… papo furado. Sobre palavras. Veja.com, 
18 set. 2013. Disponível em <http://veja.abril.com.br/blog/sobre-palavras/lendo-a-len-
da/crise-perigo-oportunidade-e-papo-furado/>. Acesso em: 04 nov. 2016.
SILVA, M. D. L. et al. Gestão da Produção: Estudo sobre a gestão da manutenção na 
geração de energia e vapor utilizando caldeiras de uma indústria. In: ENCONTRO PARA-
ENSE DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO, 7., 2016, Belém. Anais... Belém: 2016.
Leituras recomendadas
SLACK, N.; CHAMBERS, S.; JOHNSTON, R.; BETTS, A. Gerenciamento de operações 
e de processos: princípios e práticas de impacto estratégico. 2. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2013.
SOUZA, T. de J. F. et al. Proposta de melhoria do processo de uma fábrica de polpas por 
meio da metodologia de análise e solução de problemas. In: ENCONTRO NACIONAL DE 
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO, 35., 2015, Fortaleza. Anais... Fortaleza: 2015. Disponível 
em: <http://www.abepro.org.br/biblioteca/TN_STP_207_228_27341.pdf>. Acesso em: 
04 nov. 2016
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