Aula 3 - Termodinâmica

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Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri
Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde
Departamento de Ciências Básicas
Disciplina de Biofísica
PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA E BIOENERGÉTICA
Prof. Harriman Aley Morais
Diamantina, 2011
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“Como os organismos vivos podem ser tão altamente ordenados?”
Figura 1 – Fluxo de matéria e energia a biosfera.
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1) INTRODUÇÃO
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA
Nicolas Léonard Sadi Carnot
1796 - 1832
“Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a développer cette puissance” (1824)
CALOR x TRABALHO
“On the quantitative and qualitative determination of forces” (1841)
EQUIVALÊNCIA ENTRE TRABALHO MECÂNICO E ENERGIA TÉRMICA
Julius Robert Mayer
1814 - 1878
Um pouco de história...no século XIX
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
James Joules
1818 - 1889
 Proporcionalidade entre o desprendimento de calor e o trabalho fornecido
1 caloria = 4,18 Joules!!
O QUE É A TERMODINÂMICA?
É a ciência que estuda as transformações da energia. 
É a ciência que estuda as interações entre a matéria e a energia ao longo do tempo.
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
O QUE É ENERGIA?
“É a capacidade de realizar trabalho, ou de transferir calor ou de promover transformação em um sistema qualquer.” 
TIPOS DE ENERGIA
Cinética (movimento)
Química
Gravitacional
Eletrostática
Potencial
(“armazenada”)
Térmica
Elétrica
Sonora
Nuclear
Eletromagnética
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
ENERGIA INTERNA (U)
“É a soma das energias cinética e potencial de um sistema.”
O que é sistema?
Como medimos o valor absoluto da energia interna?
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
SISTEMA
“Certa massa delimitada por uma fronteira (real ou conceitual) ou é a porção do universo tomada para consideração ou estudo.”
Isolado
Troca de energia
Tipos de 
sistema
Fechado
Não há troca de energia ou matéria com o ambiente
Aberto
Troca de energia e matéria com o ambiente
Ambiente
Ambiente
Ambiente
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
Fonte: disponível em: <http://2.bp.blogspot.com/_Yu0Yr_3DRZU/SRiwTh5hh3I/AAAAAAAAAAM/4z1iwRwfv-E/s320/CCI00001%5B1%5D.jpg.> Acesso em 11 jan. 2011.
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
VARIAÇÕES DE ESTADO
Energia Interna (U)
Temperatura
Concentração
Densidade
Pressão
Volume
TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS
Complexidade (riqueza de variáveis)
Estabilidade (capacidade de manter seu estado)
Equilíbrio (sem troca de energia ou matéria)
Ordem (grau de padronização)
Dinamismo (capacidade de transformar)
Interatividade (participação no funcionamento de outros sistemas)
“A estabilidade dos seres vivos não é espontânea, mas sim mantida à custa de trabalho e, assim, consumo de energia.”
Biofísica das trocas de calor corporal
Pressão, volume, temperatura, concentração, etc
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA (DU)
Avaliaremos a variação da energia que acompanha uma transformação física ou química de um sistema!!
TRABALHO (W) = transferência de energia
DU = DW + DQ
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E = mc2
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
LEIS DA TERMODINÂMICA
 “Se dois sistemas estão ambos em equilíbrio com um terceiro, esses dois sistemas estarão em equilibrio entre si.”
 Lei fundamental da termodinâmica
 1ª Lei da termodinâmica: conservação da energia
 2ª Lei da termodinâmica: transferência de energia
 “Todos os sistemas aproximam-se de um estado de equilíbrio.”
“Todos os processos naturais tendem para um estado de equilíbrio que se caracteriza por uma entropia máxima e por um conteúdo mínimo de energia.”
“O Universo caminha para o caos (desorganização total).”
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
“Qualquer forma de energia pode ser completamente transformada em calor, mas somente parte deste pode ser transformada em trabalho.” 
DS = DQ/T
Entropia (S)
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2) PRINCÍPIOS DE TERMODINÂMICA (C0NTINUAÇÃO)
Para entender melhor...
 aumento de entropia = dispersão de energia e matéria
 equilíbrio = menor capacidade de realizar trabalho
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3) BIOENERGÉTICA
Sistemas biológicos  sistemas abertos
“Todos os seres vivos caminham para o equilíbrio.”
Mas como o organismo consegue manter sua estabilidade sem atingir o equilíbrio, obedecendo às leis da termodinâmica?
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
1ª lei da termodinâmica  energia interna constante 
DU = DW + DQ
2ª lei da termodinâmica  toda energia pode ser transformada em calor, mas nem todo calor pode ser transformado em trabalho 
DS = DQ/T (graus K)
DQ é proporcional à variação da entropia (DS )
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
Para refletir........
De acordo com a 2ª lei, toda vez que realizamos um trabalho, consumimos energia e geramos calor!
Se estamos perdendo calor (energia), então a tendência é que a nossa energia interna diminua, mas isso não contraria a 1ª lei da termodinâmica??
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
Seres vivos  mecanismos para captação, transformação e “armazenamento” de energia
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Fonte: Disponível em: <http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAABELsAH-2.jpg>. Acesso em 07 abr 2014.
Fonte: Disponível em: <https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images>. Acesso em 07 abr 2014.
3) BIOENERGÉTICA (continuação)
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
Fonte: Disponível em: <http://bloggiologia.blogspot.com.br/2012_05_01_archive.html>. Acesso em 07 abr 2014.
Fonte: Disponível em <https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images>. Acesso em 07 abr 2014.
6C02 + 6H20 C6H1206 + 02
Luz
Cloroplastos
Fotossíntese
C6H1206 + 02 6C02 + 6H20
Oxigênio
Mitocôndrias
Respiração celular
Energia (ATP) + calor
Energia livre de Gibbs (G)
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
RESPIRAÇÃO
Organismos autotróficos
Organismos heterotróficos
Trabalho
transporte
Trabalho
mecânico
Trabalho
químico
Fotossíntese
“Seres vivos buscam atingir os níveis mais altos de organização, informação e eficiência na utilização da energia  diminuição da entropia”
G = H – T S
Variação da energia livre (G)
H = variação da entalpia (kJ mol-1) 
T= temperatura (K)
DS = variação da entropia
G < 0
Reação exergônica
G = 0
Sistema em equilíbrio
G > 0
Reação endergônica
Go’
Bioquimíca [H+]= 10-7 M e pH = 7,0
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
Energia livre
Realização de trabalhos biológicos
Calor 
Manutenção da temperatura corporal
Eliminação
“Armazenamento”
Eliminada em forma de fezes e urina
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
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3) BIOENERGÉTICA (continuação)
Os trabalhos biológicos podem ser classificados como:
Químico ou biossintético
Transporte
Mecânico
Eficiência da conversão de energia química = cerca 30%
Temperatura corporal = 36,7 a 37,0 ºC.
Termorregulação = termogênese x termólise
Seres endotérmicos ou exotérmicos
Seres heterotermos ou homeotermos
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3) BIOFÍSICA DAS TROCAS DE CALOR CORPORAL
Mecanismos de termorregulação
Autonômicos (involuntários)
Comportamentais (voluntários)
Regulação do fluxo sanguíneo
Regulação sudomotora
Regulação metabólica
Tremores
HIPOTÁLAMO
Termorreceptores centrais e periféricos (pele)
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3) BIOFÍSICA DAS TROCAS DE CALOR CORPORAL (continuação)
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4) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAMBRAIA, J. et al. Introdução à Biofísica. Viçosa: UFV, 2000. p. 38-59.
HENEINE, I. F. Biofísica básica. São Paulo: Editora Atheneu, 2002. p. 55-74.
MOURÃO JÚNIOR, C. A.; ABRAMOV, D. M. Curso de Biofísica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2009. p. 34-57.