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1. Discuta os conceitos de calor e temperatura com a linguagem termodinâmica. Qual a relação entre temperatura e energia cinética? O que é energia de ativação? Comente a importância da temperatura nos processos biológicos.
Temperatura: está relacionada à energia cinética média do sistema; está associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos. Nos possibilita entender sensações de quente ou frio medindo com termômetro, ou ao tocar um corpo ou objeto.
Calor: é uma forma (desordenada) de transferir energia. O calor é definido como energia em trânsito, ou seja, que passa de um corpo para outro (do corpo mais quente para o mais frio).
Ex: o calor do fogo se transferindo para uma panela com água.
Temperatura é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos. No cotidiano é muito comum as pessoas medirem o grau de agitação dessas partículas pela sensação de quente ou frio que se sente ao tocar outro corpo. No entanto não podemos confiar na sensação térmica. Para isso existem os termômetros, que são graduados para medir a temperatura dos corpos.
Para que uma reação ocorra, é necessário que as moléculas atinjam um certo valor de energia mínima, que é chamada de energia de ativação (EA), característica de cada reação. 
A atividade enzimática é dependente da temperatura, sendo que cada enzima possui uma temperatura ótima para sua atividade.  
1. Discuta os conceitos de calor e temperatura com a linguagem termodinâmica. Qual a relação entre temperatura e energia cinética? O que é energia de ativação? Comente a importância da temperatura nos processos biológicos.
É muito comum ver pessoas dizendo que estão com calor, no entanto, fisicamente, essa afirmação está errada. Calor é definido como sendo energia térmica em trânsito e que flui de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura existente entre eles, sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio. 
A temperatura é uma função de estado e calor é energia em trânsito, que não é uma função de estado. 
 
A energia cinética das moléculas do sistema é proporcional a temperatura Ec=3/2kT
Animais de sangue frio: a temperatura corpórea é definida pela temperatura ambiente – poiquilotermicos
Animais de sangue quente (homeotérmicos) mantém a temperatura do corpo constante. Pequenas oscilações de temperatura podem ser fatais pois a temperatura altera a velocidade das reações que acontecem no organismo.
Reações enzimáticas acontecem melhor em condições ótimas de pH, temperatura, pressão, etc. Para que uma reação ocorra, é necessário que as moléculas atinjam um certo valor de energia mínima, que é chamada de energia de ativação (EA), característica de cada reação. A velocidade da reação vai depender de quantas moléculas têm energia suficiente para que a reação ocorra (E > EA). O número de moléculas com E > EA depende da temperatura, e é dado pela área sob a curva de distribuição a partir de EA.
2. Discuta os resultados obtidos com a reação do piruvato dando lactato. Por que este experimento serve para entendermos o Primeiro Princípio da Termodinâmica?
2. Discuta os resultados obtidos com a reação do piruvato dando lactato. Por que este experimento serve para entendermos o Primeiro Princípio da Termodinâmica?
A mesma reação pode ser feita de maneiras diferentes (processos diferentes) e portanto a quantidade relativa de q e w vai depender do processo específico, mas a variação total de energia DE será sempre a mesma.
DE = q – w
q negativo – liberado
q positivo + ganho
w negativo – realizado sobre o sistema
w positivo + realizado pelo sistema
3. A reação de hidrólise de ATP: ATP + H2O → ADP + Pi + H+
foi feita em diferentes condições:
i) solução aquosa de ATP.
ii) solução aquosa de ATP com uma proteína/enzima com atividade ATPásica (por exemplo miosina).
iii) músculo extraído excitado segurando um peso.
a) O que você pode dizer sobre a velocidade de reação da hidrólise do ATP nos casos i e ii? Em qual a reação ocorre mais rapidamente e por quê?
Resposta
No caso i a hidrólise é muito lenta pois o ATP é estável em condições aquosas e para que sua hidrólise ocorra é necessário energia de ativação. 
No caso ii a velocidade é bem maior pois está ocorrendo na presença de uma enzima que possui atividade ATPasica, diminuindo a energia de ativação (catalisador).
b) Comparando os casos ii e iii, discuta a variação de energia interna, DE = q – w, decorrente da reação de hidrólise do ATP. Em qual dos casos há realização de trabalho e por quê?
Resposta
Se houver hidrólise da mesma quantidade de ATP a variação de energia interna DE será a mesma, entretanto no caso iii haverá produção de trabalho e calor com movimentação do músculo, chamado de contração isotônica.
c) É possível relacionar esse exemplo à reação do piruvato mostrada no exercício anterior e à Primeira Lei da Termodinâmica?
.
Resposta
Sim. Nos dois casos a primeira lei da termodinâmica será obedecida, com conservação da energia interna do sistema (entretanto em um caso toda a variação da energia será convertida em calor e no outro em calor e trabalho).
4. Defina entalpia e por que se diz que em processos biológicos a sua variação é praticamente igual à variação da energia interna?
Resposta
Entalpia é a energia absorvida ou liberada quando ligações químicas são formadas ou quebradas. Variação de entalpia é a variação de energia no curso da reação. 
A entalpia H é definida da seguinte maneira: H = E + PV (H = J/mol)
E (energia interna) J/mol; P (N/m2); V (m3/mol)
PV N.m3/m2.mol = N.m/mol = J/mol
Assim como discutido para a energia interna, só estamos interessados em variações de entalpia, DH, ocorridas em um processo, e não em valores absolutos. Logo, podemos escrever DH como: DH = DE + PDV + VDP
Os processos biológicos, de um modo geral, se dão a pressão constante. Além disso, como ocorrem em líquidos e sólidos (que são praticamente incompressíveis) temos V  0, e por isto podemos assumir que nos sistemas biológicos E  H. 
5. Uma pessoa pesa 60 kg, dos quais 8 kg são de gordura. 
a) Quanto ela pesaria se a mesma quantidade de energia armazenada na forma de gordura fosse armazenada na forma de glicose?
b) E na forma de ATP?
Dados:						calor liberado
Combustão da Glicose	 	 16 kJ/g
Combustão de Gordura	 	 37 kJ/g
Hidrólise de ATP 		 		 42 J/g
Resposta a
Gordura 1 g libera 37 x 103 J em sua combustão
 8 x 103 g liberam 29,6 x 107 J 
 
Glicose		 1 g libera 16 x103 J em sua combustão
	 Para liberar 29,6 x 107 J de energia são						 necessários 18,5 kg de glicose.
 
Portanto, para esta pessoa armazenar a mesma quantidade de energia ela precisaria de 18,5 kg de glicose ao invés dos 8 kg de gordura, ou seja, ela teria 10,5 kg a mais do que ela possui, portanto 70,5 kg.
Resposta b
ATP			1 g armazena 42 J
Portanto, para armazenar 29,6 x 107 J de energia em suas ligações seriam necessários 7047 kg de ATP e a massa do indivíduo seria de 7099 kg.
5. Uma pessoa pesa 60 kg, dos quais 8 kg são de gordura. 
a) Quanto ela pesaria se a mesma quantidade de energia armazenada na forma de gordura fosse armazenada na forma de glicose?
b) E na forma de ATP?
Dados:						calor liberado
Combustão da Glicose	 	 16 kJ/g
Combustão de Gordura	 	 37 kJ/g
Hidrólise de ATP 		 		 42 J/g
6. Uma pessoa de 70 kg precisa de aproximadamente 2000 kcal de energia por dia para manter seu metabolismo. Sabendo-se que o peso molecular do ATP é 503 g/mol e que a hidrólise de 1 mol de ATP fornece 5 kcal, calcule qual a massa de ATP necessária para manter o metabolismo desta pessoa durante 1 dia. Discuta o armazenamento de energia de um organismo, baseado nas respostas obtidas nesta questão e na questão anterior (1cal = 4,18J)
Resposta
Necessidade diária do indivíduo: 2000 kcal
ATP PM= 503 g/mol
Hidrólise do ATP fornece 5 kcal/molSe 503 g de ATP fornecem 5 kcal, precisaríamos de 201200 g para fornecer 2000 kcal (2000 x 503/5).
Portanto a massa de ATP seria de aproximadamente 200 kg (201,2 kg de ATP)
Discuta o armazenamento de energia de um organismo, baseado nas respostas obtidas nesta questão e na anterior.
Considerando que:	1J = 0,239 cal ou 1 cal = 4,18 J
			1 kJ = 239 cal ou 0,239 kcal
 
1 g de gordura armazena 37 kJ, que corresponde a 8,843 kcal. Para armazenar as 2000 kcal de energia seriam necessária 226,2 g de gordura.
1 g de glicose armazena 16 kJ, que correspondem a 3,82 kcal. Para armazenar as 2000 kcal de energia seriam necessária 523,5 g de glicose.
1 g de ATP armazena 42 J, que correspondem a 0,01 kcal. Para armazenar as 2000 kcal de energia seriam necessária 200 kg de ATP.
7. Quando a oxidação completa da glicose é feita em um calorímetro à pressão de 1 atm, 673 kcal/mol são liberados na forma de calor.
				C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
a) Qual a variação de entalpia, DH, desta reação?
b) Suponha agora que a glicose seja toda consumida por uma cultura de bactéria (aeróbica) e que 400 kcal/mol são agora liberados na forma de calor. Por que existe essa discrepância entre os valores de calor de oxidação?
Resposta
Nesta reação ocorre liberação de 673 kcal/mol (nestas condições especificadas)
Como a reação ocorre a pressão (e volume) constante DH = qp = - 673 kcal/mol
P e V são constantes, portanto DH =~ DE, DE = -673 kcal/mol
A diferença de energia liberada na forma de calor nos dois sistemas está relacionada ao fato que a bactéria utiliza parte da energia da glicose para realizar processos, ou seja, para geração de outras moléculas e manutenção de seu metabolismo. (usou 273kcal/mol)
			 																 			E (kJ/mol)
	a) ATP + H2O  ADP + Pi + H+ 				 -21
 b) CH3COOH  H+ + CH3-COO 	 0
 c) H2O (gelo)  H2O (líquido) 6
Respostas
Processo exotérmico 
Processo isotérmico
Processo endotérmico
Entretanto, nada se pode afirmar sobre a espontaneidade dessas reações, pois a espontaneidade é dada pela relação DG = DE - TDS, quando DG < 0. Portanto, para fazermos qualquer afirmação acerca da espontaneidade das reações precisamos do valor de DS e da T.
8. O que você pode concluir a respeito da espontaneidade dos processos abaixo?
9. Imagine uma caixa separada ao meio por uma parede. Quatro moléculas (a, b, c, d) encontram-se inicialmente confinadas em um dos compartimentos. A parede é então removida permitindo a difusão dessas quatro moléculas por todo o volume da caixa. Identifique os microestados (W) acessíveis nas condições inicial e final e calcule a entropia nos estados inicial e final. A variação DS ocorrida neste processo é positiva ou negativa? Qual a configuração mais provável na situação final?
Resposta
Para esse sistema, N = 4 Portanto W = N!/m! (N-m)!
Microestado 1 (zero partículas do lado esquerdo) W1 = 4!/4!0! = 1 
Microestado 2 (uma partícula do lado esquerdo) W2 = 4!/3!1! = 4
Microestado 3 (duas partículas do lado esquerdo) W3 = 4!/2!2! = 6 (estado mais provável)
Microestado 4 (três partículas do lado esquerdo) W4 = 4!/1!3! = 4
Microestado 5 (quatro partículas do lado esquerdo) W5 = 4!/0!4! = 1
No estado inicial a entropia vale S = klnW1 = kln1 = 0 
No estado final (estado de equilíbrio) a entropia vale S = klnW = kln16 = k.2,77 (k = 1,38062 x 10-23 J/K) = 3,82 x 10-23 J/K
10. Explique com suas palavras o que é entropia e qual o significado da segunda lei da termodinâmica. Dê três exemplos de processos/acontecimentos de seu cotidiano que sejam uma consequência da segunda lei da termodinâmica.
Resposta
Entropia é uma grandeza termodinâmica que mede a desordem de um sistema. Por exemplo, no gêlo as moléculas estão bem arrumadas, ordenadas, então o gêlo tem baixa entropia. Quando derretemos o gelo, as moléculas ficam mais desorganizadas, com isso a entropia aumenta. Se fervermos essa água, as moléculas no estado de vapor possuem maior entropia. A tendência geral do universo é aumentar a entropia. 
11. Nos processos abaixo, defina (qualitativamente) se Ssistema é positivo ou negativo. Quais processos são espontâneos?
	a) ATP + H2O ADP + Pi + H+;
	DSsistema>0
 
	b) formação de um órgão qualquer;
	DSsistema<0
	Sozinho este processo não é espontâneo, mas se for acoplado a outras reações exergônicas pode ser espontâneo
 
	c) diluição de um soluto;
	DSsistema>0
 
	d) droga + vírus complexo inativante.
	DSsistema < 0 
12. Organismos são altamente ordenados, e constantemente criam estruturas organizadas a partir de moléculas relativamente simples. Isto significa que organismos vivos violam a segunda lei da termodinâmica? Explique.
Resposta
Não, não violam. Quando dizemos que a entropia ou desordem aumenta ao longo do tempo estamos nos referindo a sistemas isolados. Ou seja, a segunda lei não afirma de maneira alguma que a entropia de um sistema não possa diminuir espontaneamente. Entretanto, para que isto ocorra, é necessário que a entropia dos arredores aumente para pelo menos compensar a diminuição local de entropia ocorrida no sistema. Enfatizando matematicamente:
DStotal = DSsistema + DSarredores ≥ 0
Organismos vivos, tanto no contexto de crescimento e de reprodução, e no contexto da evolução não são definitivamente sistemas isolados. Isto quer dizer que os organismos vivos aumentam sua complexidade às custas de um maior aumento da desordem em outro lugar. Especificamente, comemos alimentos que, com todos os seus carboidratos e proteínas, são bastante ordenados, e produzem muito calor, suor e outros subprodutos. Em sistemas abertos, sistemas que trocam energia e entropia com o ambiente, é possível aparecer ordem (diminuição da entropia) sem violar a Segunda Lei da Termodinâmica (SLT). A SLT afirma que no sistema total, que neste caso é o sistema aberto mais o ambiente, a entropia aumenta. A SLT não impede a possibilidade de que em uma parte do grande sistema haja diminuição da entropia. Os seres vivos podem diminuir ou manter constante sua entropia por exportar entropia para o ambiente. Um refrigerador, para dar um exemplo de um sistema não-vivo, é um sistema que também diminui localmente a entropia e não viola a SLT. 
	Processo
	q (J/mol)
	W (J/mol)
	E (J/mol)
	a) Reação em um béquer
	- 90.455
	0
	- 90.455
	b) Reação na cela eletroquímica 
 (em condições ideiais, processo reversível)
	- 42.636
	+ 47.819
	- 90.455
	 (em condições de irreversibilidade)
	- 48.655
	+ 41.800
	- 90.455