Introdução à Termodinâmica

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• Iniciou com o estudo do rendimento em máquinas 
térmicas, se tornou mais abrangente na regulação 
dos fenômenos naturais, sendo assim, é a ciência que 
estuda as interações entre matéria e energia [calor] 
ao longo do tempo 
• Modelos de descrição do funcionamento da 
natureza: 
o Modelo determinístico: uma vez conhecidas as 
condições iniciais, pode-se prever com certeza o 
seu desfecho 
 
o Modelo probabilístico: ainda que se conheçam as 
condições iniciais, seu desfecho não pode ser 
previsto com certeza, apenas a partir de uma 
estimativa 
 
• A transformação de energia em trabalho, sendo 
mecânica, térmica ou elétrica, tem de obedecer às 
leis da termodinâmica 
 
• Trabalho ativo: ↓ energia interna = sistema realiza 
trabalho sobre o ambiente 
 
• Trabalho passivo: ↑ energia interna = ambiente 
realizou trabalho sobre o sistema 
o Quem tem mais força, seja o sistema ou ambiente, é 
o que trabalha 
• Sistema: 
porção 
definida do 
espaço; 
ex: 
soluções, 
moléculas, 
células, um 
ser – o menor sistema possível seria um composto por 
duas partículas que interagem entre si, e o maior é o 
próprio universo. 
 
o Pode variar em volume, 
temperatura, energia, 
classificando o sistema. em 
abertos e fechados 
 
o Aberto: trocam energia, 
trabalho e matéria c/ o 
ambiente; ex: fogareiro a 
gás ou carvão, motor de 
combustão, seres vivos... 
▪ Atingem estado 
estacionário [ΔG ≠ 0] – 
equivalência entre o que 
sai e o que entra no sistema, de modo que a 
composição interna se mantenha CTE – há 
trabalho 
▪ O que entra deve ter nível entrópico menor do que 
o que sai 
 
o Fechado: trocam energia e trabalho c/ o ambiente; 
ex: garrafa térmica, calorímetro, fotorreação... 
▪ Atingem equilíbrio dinâmico [ΔG = 0] com o 
ambiente [calor ou trabalho] – não há trabalho 
 
• Entorno – Ambiente: tudo que envolve o sistema e 
com o que ele se relaciona; não tem limites 
 
• Processo ideal – imaginário ou abstrato; a energia se 
conserva realizando trabalho, porque não há 
entropia, e o processo é reversível 
o Representa um sistema em que as interações 
ocorrem pra sempre, sem a necessidade de 
intercâmbio energético, matéria e/ou informação 
c/ outro sistema, um sistema isolado do mundo. 
 
• Processo real – físico ou concreto: há entropia, e o 
processo é irreversível – comprova que todos os 
sistemas são dissipativos, ou seja, ocorre perda de 
energia sob forma de calor quando seus elementos 
interagem 
o Todos os processos biológicos reais são irreversíveis, 
como o envelhecimento, o qual é a entropia natural 
dos seres vivos, e a morte sendo o estado máximo 
de entropia 
 
o Apenas parte da energia é aproveitada para a 
realização do trabalho, e o restante é perdido em 
forma de calor p/ outros sistemas ou p/ meio; ex: 
mitose, contração do músculo 
 
• Sistema caótico: sistema dinâmico [altera-se à 
medida que o tempo passa], não linear [sua resposta 
não é proporcional à perturbação] e sensível a 
perturbações mínimas de seu estado inicial 
[alteração desprezível no presente, porém, a longo 
prazo, causa mudanças imprevisíveis] 
 
Características dos sistemas 
• Complexibilidade: sistema cujos elementos interagem 
por meio de numerosas relações de 
interdependência ou de subordinação; 
o Quanto mais heterogêneos os elementos de um 
sistema, maior a complexibilidade e maior a troca 
energética; ex: cérebro humano interagindo com 
neurônios 
 
• Previsibilidade: sistema cujo comportamento pode ser 
estimado c/ um grau de certeza; quanto menor a 
complexibilidade, mais previsível o sistema 
 
• Equilíbrio energético: estado no qual não ocorre troca 
de energia c/ o entorno – é a estabilidade 
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espontânea; a vida é incompatível c/ o equilíbrio, 
sendo assim, nesse âmbito, sinônimo de morte 
 
• Estabilidade: sistema que mantém sua configuração 
ao longo do tempo; nos seres vivos, a estabilidade 
não é espontânea, ocorrendo longe do equilíbrio [se 
dá à custa de trocas energéticas], e quanto mais 
estável, mais previsível 
o Padrão: configuração que ocorre com maior 
frequência na natureza; ex: orelhas, apesar da 
variação de tamanho, formato, etc, sempre são 
orelhas 
 
Tipos de energia da termodinâmica 
• Interna: soma das energias que ocorrem no interior do 
sistema; E. cinéticas [térmica – conteúdo de calor], 
potenciais [química, nuclear], massa e energias de 
campos radiantes 
o Em parâmetro microscópio, pode ou não depender 
da massa 
▪ Propriedades intensivas – independem da massa: 
pressão, temperatura, voltagem, viscosidade; ex: 
na pilha zinco, de 1,5V, a voltagem é a mesma, 
não importa o tamanho da pilha 
 
▪ Prop. Extensivas – dependem da massa: volume, 
quantidade de matéria, densidade, quantidade 
de energia; ex: a quantidade de energia elétrica é 
maior na pilha grande 
 
• Externa: soma das energias que impingem sobre o 
sistema a 
partir do 
entorno; E. cinética [deslocamento], potenciais [altura 
do sist. no campo gravitacional] 
 
Lei Zero da termodinâmica 
• Se dois sistemas estão em quilibrio térmico com um 
terceiro, logo ambos estão em equilíbrio térmico entre 
si; se A é igual a B, e B é igual a C, logo A é igual a C 
 
Primeira lei da termodinâmica 
• Energia 
não pode ser 
criada ou 
destruída, 
mas somente 
convertida de outra forma; a quantidade de energia 
que entra em um sistema é a mesma que sai 
 
• Toda transformação de energia é acompanhada da 
produção de calor, energia existente em um corpo 
em virtude do grau de agitação de suas moléculas, 
produzida pelos seres vivos em todo processo 
biológico, alguns perdendo para o ambiente e 
ficando em estado de temperatura ambiente, 
enquanto outros conservam parte desse calor e parte 
da temperatura 
 
• Qualquer 
forma de 
energia ou 
trabalho pode 
ser convertida 
em calor, porém, a recíproca não é verdadeira, 
permanecendo uma parte sob forma de calor, assim, 
a energia do universo é constante, originando a 
entropia 
o A soma total de energia é sempre CTE e em 
contínuo movimento 
 
Segunda lei 
• De onde tem mais, matéria ou energia, para onde 
tem menos – a energia é constante, onde há matéria 
existe movimento 
o Demanda do trabalho, ou seja, tem a sua energia 
diminuída; a quantidade de energia é constante, 
mas, após cada mudança, a qualidade dela piora, 
aparecendo uma energia degradada, a entropia, 
ex: a água de uma represa que aciona uma turbina, 
ao chegar ao solo, tem menos energia 
• Um sistema não pode reverter sua evolução 
natural a partir de seus próprios recursos 
Terceira lei 
• No zero Kelvin não há produção de entropia 
 
• Zero absoluto: situação hipotética na qual não existe 
calor e nenhuma agitação molecular, ou seja, a 
menor temperatura teórica que um sistema poderia 
alcançar, totalmente desprovido de energia 
 
Movimento Browniano 
• Movimento aleatório de partículas em um fluído, 
como consequência dos choques de suas moléculas 
nas partículas 
o É um movimento imprevisível, e, quanto menor as 
interações moleculares, maior a movimentação e a 
imprevisibilidade; assim, conceitua o calor como a 
energia produzida pela agitação contínua e pelos 
choques entre as moléculas corporais, medida 
através da temperatura, a qual é a intensidade do 
movimento browniano 
 
Entropia - ΔS 
• Grandeza 
que mede a 
desordem de um 
sistema, assim, é 
a qualidade de 
energia incapaz 
de realizar 
trabalho, sendo 
uma presença 
CTE em sistemas, 
processos e mudanças do universo, medida através 
da probabilidade [estimativa, grau de incerteza] – em 
Unidades, constantes e variáveis 
S.I Joule; Volts; Kilograma 
Medição de temperatura Escala absoluta 
Medição de calor Kilocaloria 
Propriedades constantes 
da matéria 
Calor específico; 
composição estrutural; 
condutividade... 
Propriedades variáveis da 
matéria 
Pressão; temperatura;volume; quant. de 
matéria; composição do 
sistema; energia; quant. 
de calor; trabalho 
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casos de entropia máxima [toda energia for utilizada], 
o universo [sistema + ambiente] estará em caos no 
zero absoluto de temperatura, e a entropia sempre 
tende ao máximo 
 
o O atrito [força de resistência ao movimento] produz 
calor, que produz agitação molecular, que produz 
desordem, que produz a entropia, assim, o calor se 
torna uma energia dissipada 
 
o Quantidade de entropia = T. ΔS 
 
o Toda transformação é acompanhada de mudança 
na entropia no sentido de aumento global 
 
o Os seres vivos procuram atingir altos graus de 
organização e eficiência na utilização de energia, a 
partir da diminuição da entropia, sendo um 
processo espontâneo – a entropia aumenta 
somente em solventes no sistema, pois, enquanto a 
molécula se organiza, a água se desorganiza, e a 
entropia total aumenta 
▪ Os seres vivos se nutrem de entropia negativa 
 
o Poluição: ecossistema com interferências estranhas, 
causando um aumento da entropia ambiental – 
geralmente efetuada pelos seres humanos 
 
o Sob determinado nível de calor [energia], as 
moléculas de água em estado líquido mantém 
determinada organização a partir de pontes de 
hidrogênio [ligação química entre H e elementos 
eletronegativos (F.O.N)], mantendo-as unidas, 
porém, com uma determinada agitação contínua 
dentro do líquido; c/ acréscimo de calor, as 
moléculas aumentam sua cinética, chocando-se 
continuamente e afastando-se, consequentemente, 
enfraquecendo e rompendo as pontes de 
hidrogênio, tornando o espaço ocupado pelo 
líquido menor, uma vez que a água transforma-se 
em gás [vapor], em virtude da agitação das 
partículas, e, caso não haja como ele ocupar um 
compartimento maior, os choques moleculares e as 
paredes do compartimento que o contém 
aumentam sensivelmente, elevando a pressão 
▪ Ao esfriar esse gás – retirando calor – as moléculas 
voltarão a se unir, formando a água em estado 
líquido, cessando a sua movimentação em 
determinado nível e se organizando 
simetricamente, podendo solidificar-se, formando 
o gelo. 
 
o Toda e qualquer doença ocorre devido a um 
aumento de entropia 
 
Entalpia - ΔH 
• Conteúdo de 
calor de um 
sistema; medida da 
alteração no 
conteúdo de calor 
dos reagentes e 
produtos 
o Ent. de formação 
[ΔHf]: síntese de 
compostos 
o Ent. de solução 
[ΔHs]:: substancia 
dissolvida 
o Ent. de reação 
[ΔHr]: uma reação 
se passa 
 
• Há uma entalpia 
para cada 
mudança no 
universo: 
o Exotérmica [-ΔH] 
: libera energia livre, 
e é espontânea 
 
▪ Em reações rápidas, a liberação súbita de calor 
chega a aquecer o sistema – a reação atinge o 
equilíbrio quando se retira calor, resfriando o sistema 
 
o Endotérmica [+ΔH]: absorve energia livre, não 
ocorre espontaneamente 
▪ Em reações rápidas, o sistema esfria enquanto não 
receber calor do meio – a reação atinge o 
equilíbrio quando se fornece calor 
 
Estados de entropia aumentada X Alterações 
fisiopatológicas 
Estado 
patológico 
Linguagem 
biológica 
Linguagem 
termodinâmica 
Arteriosclerose Depósito de 
gordura e cálcio 
nas artérias, com 
alterações 
estruturais, 
endurecimento 
da parede, 
hipertensão 
Aumento de 
entropia na 
circulação devido 
a desorganização 
da fina estrutura 
arterial; distúrbios 
energéticos da 
hemodinâmica 
Cárie Corrosão das 
camadas 
dentárias 
Aumento de 
entropia por 
desaparecimento 
de estruturas 
dentárias 
Drepanocitose 
[Hemoglobinose 
S] 
Presença de 
hemoglobina 
mutante, c/ 
anemia, 
afoiçamento das 
hemácias, 
entupimento e 
alterações 
circulatórias 
Aumento de 
entropia na 
molécula de Hb 
pela troca do 
glutâmico por 
valina [alteração 
na cadeia beta]; 
distúrbios 
entrópicos da 
circulação 
Diabetes Lesões nas células 
beta do 
pâncreas, falta 
de insulina ou 
utilização 
defeituosa; 
hiperglicemia, 
glicosúria, 
polidipsia... 
Aumento de 
entropia na 
utilização de 
glicose, lípides e 
outros metabólitos, 
por perturbação 
no mecanismo de 
controle 
metabólico 
insulina-
dependente 
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o Acoplada: em qualquer sistema, ocorre a reação 
endógena e exógena simultaneamente; frequente no 
Ciclo de Krebs Toda reação que ocorre em 2 sentidos, 
é espontânea em um sentido e provocada no sentido 
de outro, liberando [-ΔG] energia na ida e 
necessitando de absorção [+ΔG] da mesma 
quantidade que 
foi gasto, na 
volta 
 
• Energia livre [ΔG] = Entalpia – Entropia [ΔG = ΔH – 
TΔS]; capaz de realizar trabalho a volume [isocoria], 
temperatura [isotermia] e pressão [isobaria] constante 
– é a energia elétrica das células 
 
o Como ΔG depende de condições experimentais, 
varia para uma mesma reação e compara-se com 
ΔG° [e. livre das reações]; 𝚫𝐺 = 𝚫𝐺° +
𝑅𝑇 𝐼𝑛 
𝐶𝑒 ×𝐷𝑒
𝐴𝑒 ×𝐵𝑒 
[𝑐𝑜𝑛𝑐. 𝑛𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙í𝑏𝑟𝑖𝑜] = 𝚫𝐺° +
 𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 [𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙í𝑏𝑟𝑖𝑜] 
▪ Em biologia, 𝚫𝐺° é usualmente relacionado a pH = 
7 e t = 37°C 
 
o Aproxima-se de zero à medida que a reação atinge 
o equilíbrio – prevê uma reação favorável 
 
o Em questões biológicas, como o trabalho realizado 
pelo coração, a ΔG aciona mecanicamente, por 
atração e repulsão de carga, as fibras musculares 
de contração – energia química 
 
o Os organismos vivos preservam a ordem interna pela 
retirada de ΔG do ambiente na forma de nutrientes 
[ou e. solar], e devolvem p/ ambiente em forma de 
calor e entropia 
 
o A energia aparece como a diferença entre o 
conteúdo de energia dos produtos menos a dos 
reagentes [ΔG = ΔGp – ΔGr] 
 
• As vias catabólicas e anabólicas estão relacionadas – 
o ATP e o NADPH produzidos pela degradação 
[exotérmica] de metabólitos complexos são fonte de 
energia para reações biossintéticas [endotérmica], 
dentre outras reações 
 
• Energia de 
ativação: 
nenhuma reação 
ocorre sem que 
seja fornecida 
uma energia 
inicial, formando o 
complexo 
ativado, 
altamente 
energético e 
instável, que ao se 
desfazer, libera a 
energia de 
ativação, que 
pode ser utilizada 
em outros pares 
moleculares 
 
o 𝐴 + 𝐵 +
𝐸𝐴 ↔ (𝐴𝐵) ∗↔ 𝐶 +
𝐷 − Δ𝐺 [A & B = 
reagentes [absorvem 𝐸𝐴, formando (AB)*]; AB = 
complexo ativado [se desfaz em C + D]; C & D = 
produtos [libera 𝐸𝐴, capaz de realizar trabalho] 
 
o Ex: ao se riscar um fósforo, o atrito [calor] é a 𝐸𝐴que 
inicia a chama 
o Reações se passam facilmente quando 𝐸𝐴 é baixa 
 
• Depende da temperatura do sistema 
o > T = ↑ oferta de E.A e maior a velocidade da 
reação 
 
o < T = ↓ oferta de E.A e menor a velocidade da 
reação 
 
• Catálise: agentes [catalisadores] capazes de 
modificar uma energia de ativação, de modo a 
interferir na velocidade de uma reação, podendo ser 
positivo [↓𝐸𝐴 = ↑Vel.] ou negativo [↑ 𝐸𝐴 = ↓Vel.], sem 
modificar o equilíbrio, os produtos, aparecendo 
inalterado no final da reação, além de diminuir a 𝐸𝐴, 
aumentar a velocidade da reação, não modificar ΔG 
e nem K [constante de equilíbrio] e ter especificidade 
 
o A reação, com 
catálise, tendo 𝐸𝐴 
menor, termina 
mais rápido que a 
reação sem 
catálise 
 
• Os catalisadores 
biológicos são as 
enzimas; sem catálise, não há vida 
Valores de ΔG e propriedades das reações 
Valor 
relati
vo 
Tipo de 
reação 
Efeito 
observad
o 
Probabilidad
e de 
ocorrência 
Ex
em
plo 
-ΔG 
ou 
ΔG < 
0 
Exer. Libera 
energia 
Provável, 
espontânea 
Hid
róli
se 
do 
AT
P 
+ΔG 
ou 
ΔG > 
0 
Ender. Absorve 
energia 
Improvável, 
provocada 
Sínt
ese 
do 
AT
P 
ΔG= 
0 
Uma ou 
outra 
Reação em equilíbrio 
dinâmico, c/ energia mínima e 
entropia máxima 
Fatores que alteram a atividade enzimática 
Temperatura Condiciona a velocidade da reação 
Cada enzima atua sob uma 
temperatura ideal – extremamente 
altas podem desnaturá-las 
pH Cada enzima possui umafaixa de pH 
ideal 
Tempo Quanto mais tempo a enzima tiver 
em contato com o substrato, mais 
produtos no final da reação 
Conc.enzima- 
substrato 
Quanto maior a concentração, 
maior a velocidade da reação 
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Enzimas 
Catalase Decompõe H2O2 em H2O e O2 
DNA 
Polimerase – 
Transcriptase 
reversa 
Catalisa a duplicação do DNA 
Lactase Facilita a hidrólise da lactose 
Lipase Facilita a digestão dos lipídios 
Protease Atuam sobre as proteínas 
Uréase Facilita degradação da ureia 
Ptialina – 
Amilase 
Atua na degradação do amido na 
boca, transformando-o em maltose 
[moléc. menor] 
Pepsina – 
Protease 
Atua sobre proteínas, degradando-
as em moléculas menores 
Tripsina Atua na degradação de proteínas 
que não foram digeridas no 
estômago