Resumo Noções de Termodinâmica

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Biofísica
Resumo Prova I 
1. Noções de Termodinâmica:
Átomos → Moléculas → Corpos/Matéria
Matéria: Tudo aquilo que contém massa.
Calor: Reflete o movimento das moléculas (é um tipo de energia). “Energia existente em um corpo em virtude do grau de agitação em suas moléculas.”
Temperatura: Mede a quantidade de calor produzido pela agitação das moléculas (grandeza física). 
→ Os estados físicos da matéria também dependem da temperatura.
Energia: Capacidade de realizar trabalho.
Trabalho: Transformação. 
→ Ex.: DNApolimerase realiza trabalho ao unir pequenas moléculas, transformando-as em moléculas maiores.
→ Não existe trabalho sem movimento!
Termodinâmica: É o ramo da física que estuda a energia e suas interações com a matéria.
→ É uma ciência que precisou se tornar mais abrangente a partir do momento em que os cientistas perceberam que os processos termodinâmicos eram, na verdade, processos mais gerais, os quais se aplicavam de maneira irrestrita a quaisquer modalidades de matéria ou energia estudadas, independentemente do tipo de energia e de matéria que estivesse sendo observado. Se chamaria então, ergodinâmica.
Ergo: Vocábulo grego que significa energia ou trabalho.
→ Se fosse utilizado o termo Ergodinâmica, o conceito seria ampliado. 
Cinética: Termo físico que se refere a movimento 
Quanto mais energia (calor), mais pressão, mais expansão, mais movimento, menos certezas e menos ordem. Quanto menos energia, menos pressão, menos expansão, menos movimento, mais certezas e mais ordem
Entropia: Medida da desordem em um sistema.
Probabilidade: Medida da estimativa, ou seja, do grau de incerteza. A medida que o tempo passa, as estimativas se tomam mais difíceis. O tempo aumenta as incertezas. 
Os processos biológicos envolvem complexas estruturas moleculares e contínuas transformações químicas e energéticas, que só podem ser adequadamente compreendidas no contexto da termodinâmica.
O calor pode ser sentido na pele porque temos receptores térmicos na superfície do corpo.
Certeza e Incerteza: Quase nenhuma pergunta a respeito da natureza pode ser respondida com certeza absoluta. Trabalha-se com estimativas e probabilidade.
→ Probabilidade = Medida do grau de incerteza.
Modelo determinístico X Modelo probabilístico: → Quanto mais tempo se passa, mais incerta é a posição do móvel. Ou seja, o melhor modelo para descrever o funcionamento da natureza de maneira mais realista é o probabilístico.
Processo caótico ou não-determinístico: Processo imprevisível e muito sensível às suas condições iniciais. 
→ Caos = Incerteza = Vulnerabilidade
Movimento Browniano: movimento contínuo e aleatório das moléculas de água, cuja colisão faz com que outras moléculas também se movam, como foi o caso do grão de pólen no experimento de Robert Brown. Este movimento acontece porque, no átomo, as partículas subatômicas estão constantemente em movimento aleatório. 
→ Fundamental para entender o comportamento físico das partículas em gases e líquidos.
→ Por que se abrirmos um recipiente com gás esse irá espalhar-se rapidamente pelo ambiente?
Porque nos gases, onde as interações moleculares são mínimas, o movimento das moléculas é ainda mais rápido e imprevisível.
→ A agitação da matéria que gerará energia em forma de calor é produzida pelo movimento browniano. Logo, pode-se dizer que a temperatura é a medida do movimento browniano. 
Teoria do caos: A teoria do caos diz que o bater de asas de uma borboleta pode desencadear uma sequência de movimento de moléculas tão grande a ponto de ser capaz de gerar um furacão em algum lugar do planeta.
Sistema caótico: 
→ Dinâmico, altera-se com o tempo e é não linear.
→ Resposta não-proporcional à perturbação.
→ Sensível a perturbações mínimas de seu estado inicial.
→ Impossível de predizer ou controlar.
Matemática fractal: Padrões infinitos que se repetem em escalas diferentes. Ex.: Galhos de uma árvore.
Sistema: É um conjunto composto por coletividade e energia.
Coletividade: Conjunto de elementos que constituem o sistema
Energia do sistema: Agitação resultante das interações entre os elementos do sistema.
O menor sistema possível seria 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.
Atrito: É uma resistência ao movimento. Atrito produz calor, que produz agitação molecular, que, por sua vez, produz desordem. Logo, atrito produz entropia.
O movimento aleatório de partículas gera colisão, o que limita o movimento, gerando atrito, que produz calor e esse por sua vez origina desordem ou entropia.
Calor não realiza trabalho porque é energia dissipada. 
Sistemas Conservativos: Sistemas hipotéticos isolados que não trocam energia, matéria e informação com outros sistemas.
Por que uma garrafa térmica embora tenta imitar um sistema conservativo não consegue? 
Porque na natureza tudo está em constante movimento, o que gera atrito e, consequentemente, entropia.
Na natureza, todo sistema é dissipativo, ou seja, há perda de energia sob a forma de calor.
→ Ex.: No metabolismo celular, apenas 20% da energia proveniente dos alimentos é capaz de realizar trabalho.
Características dos Sistemas
Complexidade: Número de variáveis de um sistema.
→ Pode-se dizer que um sistema é tão complexo quanto maior for a quantidade de informação necessária para descrevê-lo. Quanto mais heterogêneos forem os elementos de um sistema, maior será a complexidade deste sistema. Quanto maior a complexidade das trocas energéticas que ocorre entre os elementos de um sistema, maior a complexidade deste sistema
Imprevisibilidade: Incerteza do futuro
Equilíbrio: Condição na qual o sistema não pode mais se transforma espontaneamente. Não há trocas de energia nem matéria mantendo a estabilidade. Incapacidade de realizar trabalho.
→ Equilíbrio é morte! → Equilíbrio: Meio intracelular = Meio extracelular.
→ Qualquer sistema dissipativo pode, ao longo do tempo, entrar em equilíbrio com o meio que o circunda. O equilíbrio energético se dá quando não há mais troca de energia com o entorno 
Estabilidade: É manter uma ordem que faz o sistema trabalhar da melhor forma possível tendo diferença entre os meios intra e extracelular. Capacidade de manter seu estado atual ao longo do tempo. 
→ Quanto mais estável, mais previsível.
Padrões: Qualquer configuração que ocorra com maior frequência na natureza
Equilíbrio x Estabilidade: 
→ Equilíbrio: Nada entra, nada sai.
→ Estabilidade: A mesma quantidade que entra, sai.
Leis de Newton
Lei 0: Se dois sistemas estão ambos em equilíbrio com um terceiro, esses dois sistemas estarão também em equilíbrio entre si.
→ pressupõe que o equilíbrio é a tendência natural dos sistemas do universo
→ É hipotética porque um sistema só encontraria o equilíbrio perfeito se estivesse isolado do universo e isso é impossível.
1ª Lei (Conservação): A energia nunca se perde, nunca se cria, sempre se transforma.
 ΔU=Q-t → Variação da energia interna = Calor – Trabalho
→ A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída
2ª Lei: A energia flui de onde há excesso para onde há falta.
3ª Lei: Entropia. A desordem tende sempre a aumentar
→ Baseada no hipotético zero absoluto de Kelvin (-273ºC) onde não haveria agitação molecular, o que, por consequência, impossibilitaria a existência de entropia.
Uso de energia pelos seres vivos
Os seres vivos criam ordem em um universo que está sempre tendendo a aumentar a desordem. A ordem biológica é possibilitada pela liberação de energia térmica pelas células.
Se as células criam ordem elas desafiam a segunda lei da termodinâmica? Como isso é possível?
 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 é convertida em calor.
Qual o efeito do calor liberado pelas células?
O calor é descarregadono 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.
→ A ordem da célula é mais que compensada pela desordem ao seu redor. 
→ Ordem intracelular = Desordem extracelular