Biofisica___Termodinamica

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Termodinâmica 
 
I - Introdução 
 
“Energia pode produzir Trabalho” 
“Trabalho pode produzir Energia” 
 
Energia e Trabalho são definidos pela Força vezes a distância 
percorrida pela força: 
 
E ou T = Força x Distância = ML2.T-2 
 
A transformação da energia em trabalho e vice-versa, nas diferentes 
formas (mecânica, térmica, elétrica etc.) segue as duas leis da 
termodinâmica. 
 
1- Sistema e Entorno 
 
Sistema é uma porção definida do espaço (ex.: solução, molécula, 
uma célula, o corpo humano, uma sala etc.). 
Entorno é tudo que envolve o sistema (ambiente). 
 
2- Energia Interna e Energia Externa 
 
Os sistemas possuem dois tipos de energia: 
 
a) Energia Interna: 
E. Potencial (composição química). 
E. Cinética (conteúdo de calor). 
 
b) E. Externa: 
E. Potencial (altura em relação ao campo G). 
E. Cinética (velocidade de deslocamento do sistema) 
 
A energia interna pode ser estudada separadamente da energia 
externa. 
 
Exemplos: 
Bomba tem a mesma energia interna independente da altura ou se 
for lançada. 
Ingestão de banana por macaco em movimento (saltando, correndo, 
parado). A energia interna da banana é a mesma. 
 
3 – Propriedades Intensivas ou Extensivas da Energia Interna 
 
Propriedades Intensivas 
(independem da massa) 
Propriedades Extensivas 
(dependem da massa) 
Pressão Volume 
Temperatura Quantidade de Matéria 
Voltagem Densidade 
Viscosidade Quantidade de Energia 
 
Exemplos: 
A voltagem de duas pilhas de zinco de 1,5v é a mesma, 
independente do tamanho delas; a quantidade de energia 
(elétrica) é maior em uma pilha maior. 
Um litro de água a 90ºC tem maior temperatura que uma 
piscina de 100 mil litros a 25ºC, mas a quantidade de energia é 
maior na piscina. 
 
II - Termodinâmica – Conceitos e Fundamentos 
 
As duas leis da termodinâmica disciplinam toda e qualquer mudança 
que ocorre no Universo. 
 
1) Primeira Lei da Termodinâmica 
Diz respeito à conservação da energia: 
“A energia não pode ser criada ou destruída, mas somente 
convertida de uma forma em outra”. 
ou 
“Em todo processo natural, a energia do Universo se conserva”. 
 
Exemplo: energia gravitacional da água se transforma em 
diversos tipos. 
 
Constatações da 1a. Lei: 
 
i)Toda transformação de Energia se acompanha da produção de 
Energia Térmica (calor). 
 
Ex.: alguns seres vivos perdem calor para o ambiente e possuem a 
temperatura corporal igual a ambiental; outros conservam calor e 
regulam a sua temperatura. 
 
ii) Qualquer forma de energia ou trabalho pode ser convertida 
totalmente em calor. 
 
No entanto, o calor não pode ser totalmente convertido em 
energia ou trabalho, pois uma parte continua sempre como calor. 
Esta constatação origina o conceito de Entropia. 
 
Em todas as transformações, a soma total de Energia (Trabalho) é 
constante. 
iii) A Energia do Universo é constante. 
 
2) Segunda Lei da Termodinâmica 
Diz respeito à transferência de energia: 
i) Energia, espontaneamente, sempre se desloca dos 
níveis mais altos para os mais baixos. 
ou 
ii) De onde tem mais, matéria ou energia, vai para onde 
tem menos. 
 
Exemplos: águas caindo da cachoeira, objetos largados ao 
espaço caem, uma xícara de café quente se esfria, luz é mais 
intensa perto da lâmpada, som é mais perto na caixa de som 
etc. 
 
iii) A única forma de transmitir matéria ou energia de um 
nível mais baixo para um outro mais alto é com a 
realização de trabalho. 
 
Exemplos: bomba hidráulica puxando água de um poço para 
a caixa, uma pessoa levantando um objeto, uma geladeira 
retirando calor do meio interno (mais frio) e o transferindo 
para o meio externo (mais quente) com auxílio de um motor 
(trabalho), célula expulsando Na+, realizando trabalho na 
membrana. 
 
iv) todo sistema que realizou trabalho tem sua energia 
diminuída. 
 
Exemplos: água de uma represa que aciona uma turbina, 
quando chega ao solo tem menos energia, as fogueiras se 
extinguem, os animais envelhecem etc. 
 
A cada transformação aparece uma energia degradada, 
incapaz de realizar trabalho chamada de Entropia. 
 
Existe uma tendência ao aumento geral e constante da 
entropia, à medida que as transformações ocorrem. Logo: 
 
v) A Entropia do Universo tende ao máximo. 
 
A Entalpia (H) é o calor de um sistema. 
Esse calor modifica de acordo com as diferentes mudanças. 
 
Exemplos: formação de compostos, dissolução de uma 
substância etc. 
“Existe uma entalpia para cada mudança que ocorre no 
Universo.” 
 
Quando a mudança libera calor: reação exotérmica e o 
sistema fica com entalpia negativa (-H). 
Quando a mudança absorve calor: reação endotérmica e o 
sistema fica com entalpia positiva (H). 
 
Quando retiramos calor de uma reação exotérmica, 
resfriamos o sistema e a reação atinge o equilíbrio mais 
rapidamente. 
Quando adicionamos calor a uma reação endotérmica, 
aquecemos o sistema e a reação atinge o equilíbrio mais 
rapidamente. 
 
Exemplo: a febre causa um aumento da entropia dos 
processos biológicos de um paciente. 
 
A Energia Livre (G) de um sistema após reações é: 
 
Energia Livre = (Entalpia) – (Entropia) 
Valor 
relativo 
Tipo de 
reação 
Efeito 
observado 
Probabilidade 
de ocorrência 
G < 0 Exergônica Libera 
energia 
Provável, 
espontânea. 
G > 0 Endergônica Absorve 
energia 
Improvável, 
provocada. 
G = 0 Uma ou 
outra 
Reação em equilíbrio dinâmico 
com Energia mínima e Entropia 
máxima. 
 
Toda reação que ocorre em dois sentidos é espontânea em 
um sentido e provocada no outro: 
 
(Sentido espontâneo  (-G) 
A + B  C + D 
( Sentido provocado (+G) 
 
 
H2O  H+ + OH - G = - 19 Kcal (espontânea) 
H+ + OH -  H2O G = 19 Kcal (provocada) 
 
A energia inicial que deflagra o processo de uma reação, mesmo 
espontânea com -G chama-se energia de ativação (Ea). Assim, 
uma reação pode ser descrita como: 
 
A + B + Ea  (AB)*  C + D -G 
 
(AB)*: complexo ativado que se desfaz nos produtos C + D e libera 
-G. 
 
As reações são mais rápidas quando a Ea é baixa. 
 
Um catalisador positivo diminui a Ea, tornando a reação mais 
rápida. 
Um catalisador negativo aumenta a Ea, tornando a reação mais lenta.