UNIDADE 01 - TERMODINÂMICA BIOLOGICA

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UNIDADE 01: 
TERMODINÂMICA BIOLÓGICA 
1 
Prof. Me. Augusto César R. Araújo 
2 
 VIDA NO UNIVERSO 
 ANÁLISE DIMENSIONAL 
 TERMODINÂMICA 
 TERMOGÊNESE 
 TERMÓLISE 
 
UNIDADE 01: 
TERMODINÂMICA BIOLÓGICA 
3 
 EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 CONTROLE DA HOMEOSTASIA 
 TERMORREGULAÇÃO CORPORAL 
 
UNIDADE 01: 
TERMODINÂMICA BIOLÓGICA 
4 
VIDA NO UNIVERSO 
VIDA NO UNIVERSO 
• Composição Fundamental 
 
Matéria (M) – Alimentos, objetos 
 
Energia (E) – Luz, Calor 
 
Espaço (L) – Estrada, Área de objetos 
 
Tempo (T) – Dia, meses, anos 
5 
VIDA NO UNIVERSO 
 
• Os seres vivos são compostos de Matéria, utilizam e 
produzem Energia, ocupam Espaço próprio, e vivem 
na dimensão Tempo. 
6 
7 
ANÁLISE 
DIMENSIONAL 
ANALISE DIMENSIONAL 
 
Área da física que se interessa pelas unidades de 
medida das grandezas físicas. 
 
Resolução de equações ( unidade de medida) 
 
Uma equação só pode ser fisicamente verdadeira se 
ela for dimensionalmente homogênea. 
 
8 
ANALISE DIMENSIONAL 
Grandezas físicas 
 
Tudo aquilo que pode ser comparado com um padrão 
por meio de uma dimensão. 
 
 
Grandezas fundamentais - independentes; 
 
 
Grandeza derivadas – guardam relação com as 
fundamentais. 
 
 
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• Analise Dimensional 
 
• Sistemas: 
 
CGS ( cm – grama – segundo) 
 
 
MKS ( m – quilograma – segundo) - SI 
 
 
 
10 
ANALISE DIMENSIONAL 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
 
Massa 
 (kg) 
 
11 
ANALISE DIMENSIONAL 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
 
Comprimento ( L) - m 
 
Área (L²) – m² / cm² 
 
Volume (L³) – m³ / dm³ / L (0,001 m³) 
 mL (0,000001m³) 
 
Tempo (T) – s / h 
 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Densidade 
 
 ρ = Massa = M = M x L-3 
 Volume L³ 
 
 Unidade: kg/m³ 
 
 Exemplo: A densidade dos tecidos e fluidos biológicos é 
caracteristicamente constante, variando dentro de certos 
limites. 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Velocidade 
 
 v = Espaço = L = L x T-1 
 Tempo T 
 
 Unidade: m/s 
 
 Exemplo: Corrente sanguínea, impulsos nervosos, 
movimentos musculares. 
14 
ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Aceleração (g = 9,8 m x s -2) 
 
 a = Velocidade = L x T -1= L x T -2 
 Tempo T 
 
 Unidade : m/s² 
 
 Exemplo: Aceleração do sangue na ejeção cardíaca, 
 aceleração de corrente aérea na respiração. 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Força 
 
 F = Massa x Aceleração = M x L x T -2 
 
 Unidade : kg x m x s-2 = N (Newton) 
 
 Exemplo: Força da contração muscular 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Energia e Trabalho 
 
 E/τ = Força x Distância = M x L x T -2 x L 
 E/τ = M x L² x T -2 
 
 Unidade : kg x m2 x s -2 = N x m = J (Joule) 
 
 Exemplo: Toda manifestação biológica 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Potência 
 
 W = E/τ = M x L2 x T -2 =M x L 2 x T -3 
 T T 
 
Unidade : kg x m2 x s-3 = J x s -1 = W (Watt) 
 
Exemplo: Realização de atividade física por um período 
de tempo 
 
 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Pressão 
 
 P = Força = M x L x T -2 =M x L -1 x T -2 
 Área L² 
 
Unidade : kg x m-1 x s-2 = N x m -2 = Pa (Pascal ) 
 
Exemplo: Pressão sanguínea sobre as paredes do vaso 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Viscosidade dinâmica 
 
 η = Força x Tempo = M x L x T -2 x T=M x L-1 x T-1 
 Área L² 
 
Unidade : Kg x m-1 x s-1 = N x s x m-2 = Pa x s 
 
Exemplo: Escoamento de líquidos na circulação sanguínea 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
 
Viscosidade dinâmica 
 
Unidade (CGS) 
 
1 poise = 100 centipoise = 1 g / cm.s = 0,1 Pa.s 
21 
ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
 
Viscosidade cinemática 
 
 ν = η = Kg x m-1 x s-1 
 ρ kg x m-3 
 
Unidade : m2 x s-1 
 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
 
Viscosidade cinemática 
 
Unidade (CGS) 
 
1 stokes = 100 centistokes = 1 cm-2 x s-1 = 0,0001 m-2 x s-1 
23 
ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Tensão Superficial 
 
 σ = Trabalho = M x L2 x T-2 = M x T-2 
 Área L 2 
 
Unidade : kg x s -2 (erg x cm-2) 
 
Exemplo: Troca de gases no pulmão. 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Tensão Superficial 
 
 σ = Força = M x L x T-2 = M x T-2 
 Comprimento L 
 
Unidade : kg x s -2 = N x m -1 (erg x cm-2) 
 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Tensão Superficial 
 
 
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ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Temperatura (θ – K / t - ºC) 
 
 θ = t + 273,15 
 
Unidade : ºC / K 
 
Medida da intensidade da energia térmica. 
27 
ANALISE DIMENSIONAL 
 
• Grandezas Fundamentais e derivadas 
Frequência 
 
 f = 1 =T -1 
 T 
 
Unidade : Hertz (s -1) 
 
Exemplo: Frequência dos batimentos cardíacos, ondas 
elétricas cerebrais, movimentos respiratórios. 
28 
ANALISE DIMENSIONAL 
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30 
EXERCÍCIOS 
EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 
1) A partir do valores abaixo das unidades básicas 
determine todas as grandezas derivadas (Densidade, 
Velocidade, Aceleração, Força, Trabalho/Energia, 
Potência, Pressão, Viscosidade dinâmica, Viscosidade 
cinemática, Tensão superficial – 2 métodos) com 
unidade de medidas no Sistema internacional (SI) 
 
Unidade básicas: 
Comprimento (L) – 10 m 
Massa (M) – 100 kg 
Tempo (T) – 2 s 
 
 
31 
32 
TERMODINÂMICA 
TERMODINÂMICA 
 
• Conceito: 
 
Ramo da física que estuda as relações entre calor, 
temperatura, trabalho e energia. 
 
Abrange assim o comportamento geral dos sistemas 
físicos em condições de equilíbrio ou próximo dele. 
 
33 
TERMODINÂMICA 
• Sistema: 
 
Qualquer parte limitada do universo passível de 
observação e manipulação. 
 
• Meio Exterior 
 
Tudo que não pertence ao sistema e é dele separado por 
suas fronteiras. 
34 
TERMODINÂMICA 
• Sistema e meio exterior (exemplo): 
35 
TERMODINÂMICA 
• Fase: 
 
Porção homogênea de um sistema no que se refere a 
sua composição química. 
 
• 3 fases 
 
 Sólido – Líquido - Gasoso 
 
Parâmetros Definidos – Temperatura e Pressão 
 
36 
TERMODINÂMICA 
• Estado: 
 
Depende da natureza do sistema e necessita de grandeza 
que o represente o mais completamente possível. 
 
Parâmetros – Pressão, Temperatura, Volume, Número de 
mols. 
 
Se houver qualquer alteração dos parâmetros pode levar 
a uma mudança de estado sem necessariamente 
mudança de fase. 
 
37 
TERMODINÂMICA 
 
Exemplo: 
 
Inicial: Recipiente fechado – 1 atm e 5ºC 
 
Final: Recipiente fechado – 1 atm e 90ºC 
 
Distribuição da energia interna 
 
38 
TERMODINÂMICA 
 
• Fase x Estado: 
 
Principal Diferença 
 
Fase – Características macroscópicas 
 
 
Estado – Características microscópicas 
 
39 
TERMODINÂMICA 
• Transformação: 
Toda e qualquer mudança de estado. 
 
40 
TERMODINÂMICA 
• Transformações: 
 
Fusão 
 
 
Solidificação 
 
 
Vaporização 
 
 
 
41 
Condensação 
 
 
Sublimação 
 
 
Cristalização 
TERMODINÂMICA 
 
• Formas e Transformação de Energia 
 
Energia Térmica – Agitação e movimentos dos 
átomos. 
 
Energia Mecânica – Deslocamentos dos corpos e 
ação das massas. 
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TERMODINÂMICA 
• Formas e Transformação de EnergiaEnergia Química – Interação entre átomos e moléculas 
 
Energia Eletromagnética – Cargas e correntes elétricas. 
 
Energia Luminosa – Uma forma de energia 
eletromagnética, propagação de um campo 
eletromagnético. 
 
43 
TERMODINÂMICA 
 
• Leis da Termodinâmica 
 
 
Primeira Lei 
 
 
Segunda Lei 
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TERMODINÂMICA 
• Primeira Lei 
 
“Lei da conservação da energia” 
 
 
Transferência de Calor; 
 
 
Variação da Energia Interna. 
45 
TERMODINÂMICA 
• Primeira Lei 
 
Enunciado: 
 
“Em todo sistema quimicamente isolado em que há 
troca de trabalho e calor com o meio externo e em que, 
durante essa transformação, realiza-se um ciclo, as 
quantidades de calor (Q) e trabalho (W) são iguais.” 
46 
TERMODINÂMICA 
• Primeira Lei 
 
A variação da Energia interna (∆U) entre dois estados 
quaisquer pode ser determinada pela diferença entre a 
quantidade de calor (Q) e o trabalho (W) trocados com 
meio externo. 
 
∆U = Q - W 
47 
TERMODINÂMICA 
• Primeira Lei 
 
Tipos de Sistema: 
 
Sistema Isolado; 
 
Sistema Fechado; 
 
Sistema Aberto. 
48 
TERMODINÂMICA 
• Tipos de Sistema: 
 
Sistema Isolado - Não trocam energia e nem matéria 
com o meio externo. 
 
Sistema Fechado - Trocam energia com meio externo 
na forma de trabalho ou calor mas não trocam matéria 
com o meio externo. 
 
Sistema Aberto - Trocam energia e matéria com o 
meio externo. 
 
 
 
49 
TERMODINÂMICA 
 
• Tipos de Reações: 
 
 
Reações Exotérmicas - Exemplo: Quebra da molécula 
de ATP 
 
 
Reações Endotérmicas - Exemplo: Síntese da 
molécula de ATP 
 
 
50 
TERMODINÂMICA 
• Relação de Calor e trabalho com meio externo 
 
 
51 
TERMODINÂMICA 
 
• Segunda Lei 
 
Formas de organização estrutural 
 
Periodicidade e evolução dos sistemas Biológicos. 
 
A busca pela máquina perfeita 
52 
TERMODINÂMICA 
• Segunda Lei 
 
Enunciado: 
 
“Em todo sistema isolado tende a máxima desordem 
possível, ou seja, a máxima entropia compatível com 
seu estado termodinâmico, no estado final de máxima 
desordem corresponde ao Equilíbrio Termodinâmico.” 
53 
54 
TERMOGÊNESE 
TERMOGÊNESE 
 
• Energia sob a forma de calor proveniente do 
metabolismo corporal. 
 
 
• O metabolismo corporal está associado ao 
metabolismo basal celular e aos metabolismos 
adicionais tais como atividade muscular, efeito de 
hormônios e atividade química. 
55 
TERMOGÊNESE 
• Metabolismo basal 
 
É o consumo de oxigênio na transformação metabólica 
dos alimentos. 
 
Sendo que para regular a média da temperatura corporal, 
o homem possui mecanismos reguladores que produzem 
e dissipam calor corporal, isto se deve para o equilíbrio 
da temperatura interna do corpo 
56 
TERMOGÊNESE 
 
• Termogênese Mecânica: 
 
A produção de calor a partir de processos mecânicos 
desenvolvidos pelo organismo visando o controle da 
temperatura corporal. 
 
Exemplo: 
 
Calafrio – Contração muscular – Consumo de oxigênio 
 
57 
TERMOGÊNESE 
 
• Termogênese Química: 
 
Se apresenta como aumento do metabolismo basal 
promovendo a regulação da temperatura corporal. 
 
É um mecanismo mais lento que a termogênese 
mecânica entretanto, é mais importante para a 
manutenção da temperatura corporal. 
 
A liberação de calor provem de reações exotérmicas a 
partir do metabolismo de gorduras, açucares e proteínas. 
 
58 
TERMOGÊNESE 
• Termogênese Química: 
 
Hipotálamo 
 
Tirosina 
 
Epinefrina 
 
Norepinefrina 
59 
TERMOGÊNESE 
• Termogênese Química: 
 
Tirosina 
 
Aceleração metabolismo – Consumo de O2 
 
Hidrólise de ATP 
 
Espécies homeotérmicas – Estimular produção de calor 
60 
TERMOGÊNESE 
Tireóide - Tirosina – Tiroxina - Triiodotirosina 
61 
62 
TERMÓLISE 
TERMÓLISE 
 
• Corresponde a um processo em que ocorre a perda de 
energia térmica para o meio externo, através de 
absorção ou dissipação seguindo o gradiente térmico. 
 
• Mecanismos: 
 
Radiação 
 
Condução 
 
 
63 
Vaporização 
 
Convecção 
TERMÓLISE 
• Radiação: 
 
Processo físico de emissão de calor sob a forma de 
ondas eletromagnéticas, em específico, ondas 
infravermelhas. 
 
60% - perda do calor corporal 
 
A pele quem sinaliza ao cérebro as variações de 
temperatura do meio externo. 
 
O cérebro responde alterando a corrente sanguínea 
 
64 
TERMÓLISE 
• Condução: 
 
Processo físico de transferência direta de calor, se 
fazendo necessário contato para que ocorra a 
transferência de calor de um corpo mais quente para um 
corpo mais frio. 
 
Vibração constante das moléculas da pele, onde a 
energia cinética deste movimento pode ser transmitido 
ao ar até atingir equilíbrio térmico. 
 
65 
TERMÓLISE 
• Vaporização: 
 
Processo físico associado à passagem de estado físico de 
um determinada substância, ou seja, mudança do estado 
líquido para estado gasoso. 
 
Evaporação – Lento e a baixa temperatura 
Ebulição - Endotérmica 
Calefação – Superfície superaquecida 
 
66 
TERMÓLISE 
• Vaporização: 
No corpo humano ocorre principalmente nos pulmões e 
na pele através de evaporação da água. 
Corresponde a 20 a 25% da energia calorífica total 
perdida pelo corpo humano. 
 
• Convecção: 
Processo físico de transferência de energia térmica por 
meio de correntes de ar, que tendem a ser deslocar das 
regiões mais frias para as mais quentes e vice-versa. 
 
67 
68 
EQUILÍBRIO X 
HOMEOSTASE 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Conceito de Homeostase 
 
Manutenção de condições quase constantes no meio 
interno. 
Glicemia = 110 mg/dl 
Pressão Arterial = 120mm x 80 mm Hg 
Frequência Cardíaca = 60 bpm 
 
• Variação da Homeostase 
Peso, Idade, Gênero 
 
69 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
• Equilíbrio Hidroeletrolítico 
 
É um equilíbrio resultante da quantidade corporal de 
água/eletrólitos presente nos líquidos corporais. 
 
• Eletrólitos 
 
Substâncias químicas ativas carregadas positivamente 
(cátions) ou negativamente ( ânions). 
 
 
70 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
 
• Eletrólitos 
Cátions 
 
Sódio (Na+) 
Potássio (K+) 
Magnésio (Mg2+) 
Hidrogênio(H+) 
 
 
71 
Ânions 
 
 
Bicarbonato (HCO3-) 
Fosfato (PO4
3-) 
Sulfato (SO4
2-) 
 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
• Eletrólitos 
 
Concentração 
 
Expressa a relação da quantidade de soluto no solvente. 
 
Unidade: Miliequivalentes/Litro (Meq/L) 
 
72 
73 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Sódio – Regulação de Volume 
 
• Retenção de Sódio – Retenção de Líquido 
 
 
LEC - Elevada Concentração de Sódio (Na+) 
 
LIC - Elevada Concentração de Potássio (K+) 
 
 
74 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Bombas de Sódio e Potássio 
 
75 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Osmolaridade 
 
Conceito 
 
É a molaridade de uma substância multiplicada pelo 
número de partículas em que uma molécula ou agregado 
iônico pode se dissociar quando em solução aquosa. 
 
Osmolaridade da célula = 0,3 osmolar. 
 
76 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
• Osmolaridade 
 
Substância iônica → Molaridade ≠ Osmolaridade 
Ex: Sal de Cozinha (NaCl) 
 
Substância Molecular → Molaridade = Osmolaridade 
Ex: Glicose (C6H12O6) 
77 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Osmolaridade 
 
Substância iônica 
 
1 molar de NaCl = 2 osmolar ( 1Na+ / 1 Cl-) 
 
Pergunta: 1 molar de CaCl2? 
 
Substância Molecular 
 
1 molar de glicose = 1 osmolar (C6H12O6) 
 
78 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Tipos de solução 
 
 
79 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Alterações na osmolaridade 
 
Alterações no Na+ → Hiponatremia 
 Hipernatremia 
Alterações no Cl- → Hipocloremia 
 Hipercloremia 
Alterações no K+ → Hipocalemia 
 Hipercalemia 
 
80 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Alterações na osmolaridade 
 
Fatores que aumentam a OsmolaridadeDesidratação Grave 
 
Perda de Água Livre 
 
Hipernatremia 
 
Hiperglicemia 
 
81 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Alterações na osmolaridade 
 
Fatores que diminuem a Osmolaridade: 
 
Excesso de volume de líquidos 
 
Insuficiência Renal 
 
Hiponatremia 
 
Hidratação excessiva 
 
82 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Controle da Homeostasia 
 
Sistema Endócrino 
 
 Químico 
 
Sinalização 
 
83 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Controle da Homeostasia 
 
Sistema Nervoso 
 
Elétrico 
 
Controle 
 
 
84 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
• Controle da Homeostasia 
 
• Sistema Nervoso – Ação Rápida – Curto Prazo -Efeito 
Localizado 
 
• Sistema Endócrino – Ação Lenta e Duradoura – Ação a 
Médio e Longo Prazo - Efeito Amplo 
 
85 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
• Mecanismos Homeostáticos 
 
 
86 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
Retroalimentação 
Negativa 
 
 
87 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
• Retroalimentação Negativa - Exemplos 
 
Regulação da Temperatura Corporal; 
Controle da maioria dos Hormônios; 
Redução dos níveis plasmáticos de glicose; 
 
88 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
Retroalimentação 
Positiva 
 
 
89 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
 
• Retroalimentação Positiva - Exemplos 
 
Coagulação Sanguínea; 
Liberação de Ocitocina; 
Potencial de Ação 
 
90 
EQUILIBRIO X HOMEOSTASE 
Resposta 
Antecipatória 
(Feedfoward) 
 
 
91 
92 
TERMORREGULAÇÃO 
CORPORAL 
TERMORREGULAÇÃO CORPORAL 
 
 
 
 
 
93 
TERMOGÊNESE 
TERMÓLISE 
TERMORREGULAÇÃO CORPORAL 
• Fatores que influenciam: 
 
Esforço físico 
 
Idade 
 
Ciclo menstrual 
 
Ambiente 
94 
TERMORREGULAÇÃO CORPORAL 
95 
TERMORREGULAÇÃO CORPORAL 
96