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Universidade Católica de Moçambique Instituto de Educação à Distância Movimento da Energia Termodinâmica nos seres vivos Esquines Alfredo Guerra Caetano-7080191438 Curso: Licenciatura em Ensino de Biologia Disciplina: Fisiologia Humana e Animal Ano de Frequência: 3º Docente : Nampula, Maio, 2021 2 Universidade Católica de Moçambique Instituto de Educação à Distância Movimento da Energia Termodinâmica nos seres vivos Esquines Alfredo Guerra Caetano-7080191438 Trabalho de carácter avaliativo a ser entregue na Faculdade de Educação, na universidade católica de Moçambique, no curso de Licenciatura em Ensino de Biologia, na cadeira Fisiologia Humana e Animal , lecionado pelo docente: Nampula, Maio, 2021 Índice Introdução 3 Termodinâmica de Sistemas Vivos 4 Lei Zero da Termodinâmica 6 A Primeira lei da termodinâmica 6 A Segunda lei da termodinâmica 7 Entropia nos sistemas biológicos 7 Terceira lei da Termodinâmica 9 Regulação e Controlo 10 Conclusão 11 Introdução no presente trabalho vai-se abordar sobre o movimento da energia termodinâmica nos seres vivos, mas especificamente, lei zero da termodinâmica, a primeira, a segunda e a terceira lei da termodinâmica. são objectivos deste trabalho, definir termodinâmica; interpretar as leis da termodinâmica; descrever as leis da termodinâmica; distinguir as leis da termodinâmica; relacionar as leis da termodinâmica com os seres vivos. A metodologia utilizada para a elaboração deste trabalho foi a pesquisa e ou leitura das referências bibliográficas Termodinâmica de Sistemas Vivos Etimologicamente a palavra Termodinâmica provem de dois termos grego, therme que significa calor e dynamis que significa potência. Em palavras simples é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A grosso modo, calor significa energia em trânsito, e dinâmica se relaciona com estudo do movimento, procurando sempre as causas que provoca esses tais movimentos. Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. (Incropera & DeWitt, 2001) A termodinâmica constitui uma parte indispensável dos fundamentos da física, da química e da biologia, e encontra aplicação em áreas como motores de automóveis, refrigeradores, processos bioquímicos e a estrutura estrelas. Assim, em biologia, termodinâmica refere-se ao estudo das transferências de energia que ocorrem em moléculas ou conjuntos de moléculas. Quando se fala da termodinâmica, o item específico ou conjunto de itens que são tratados estamos (que poderia ser algo tão pequeno quanto uma célula, ou tão grande quanto um ecossistema) é chamado de sistema, enquanto que tudo que não está incluso no sistema nós então definimos como meio. Figura 1: Representação generalizada do sistema (um círculo), o meio (um quadrado em torno do círculo), e o universo (sistema + meio). Fonte: (Atkins & Jones, 2012) grifos da autora Por exemplo, se você está aquecendo uma panela de água no fogão, o sistema pode incluir o fogão, o pote, a panela e a água, enquanto o meio é todo o resto: o resto da cozinha, a casa, a vizinhança, o país, planeta, galáxia e universo. A decisão do que se define como sistema é arbitrária (depende do observador), e dependendo do que você quer estudar, você poderia da mesma forma fazer com que a água, ou a casa inteira, sejam parte do sistema. O sistema e o meio, juntos, formam o universo. (Pérez, 2018) Existem três tipos de sistemas na termodinâmica: aberto, fechado e isolado. · Um sistema aberto pode trocar tanto energia quanto matéria com o meio. O exemplo do fogão dado anteriormente seria um sistema aberto, pois o calor e o vapor d'água podem ser perdidos para o ar. · Um sistema fechado, por outro lado, pode trocar apenas energia com o meio, mas não pode trocar matéria. Se colocarmos uma tampa bem fechada na panela do exemplo anterior, ela estaria mais próximo de um sistema fechado. · Um sistema isolado não pode trocar nem matéria, nem energia com seu meio. Um sistema perfeitamente isolado é bem difícil de se encontrar, mas um cooler com tampa é conceitualmente similar a um verdadeiro sistema isolado. Os itens dentro do sistema podem trocar energia um com o outro, por isso a bebida fica gelada e o gelo derrete um pouco, mas eles trocam pouquíssima energia (calor) com o meio externo. Portanto, os seres humanos, assim como outros organismos, é um sistema aberto. Isto é, todo organismos biológicos são sistemas abertos. A energia é trocada entre eles e seus arredores, pois consomem moléculas de armazenamento de energia e liberam energia ao meio ambiente fazendo o trabalho. Como todas as coisas no mundo físico, a energia está sujeita às leis da física. As leis da termodinâmica regem a transferência de energia dentro e entre todos os sistemas do universo Os sistemas vivos têm de obedecer às leis da termodinâmica. A grande complexidade dos organismos aparentemente contradiz a segunda lei da termodinâmica, que enuncia que a entropia de um sistema fechado tende a aumentar; no entanto, os sistemas vivos são sistemas abertos que trocam energia e massa com o seu exterior. Assim, os organismos não se encontram em equilíbrio termodinâmico, sendo antes sistemas dissipativos, pois mantêm a sua ordem ao aumentar a entropia do seu ambiente. O metabolismo celular faz o acoplamento entre o processo espontâneo de catabolismo e o processo não espontâneo de anabolismo para obter este efeito. Em termos termodinâmicos, o metabolismo mantém a ordem ao criar desordem. Lei Zero da Termodinâmica A lei zero da termodinâmica diz que quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade entre si. A partir dessa lei, por exemplo, podemos justificar a medição de temperatura por um termómetro de mercúrio, pois ao colocar uma escala nesse termômetro, dizemos que o corpo tem a mesma temperatura lida no termômetro. Assim para (Carvalho, 2012), A Lei Zero da Termodinâmica: determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura A Primeira lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica é ambiciosa: ela trata com a quantidade total de energia no universo, e mais especificamente, afirma que esta quantidade total não se altera. Colocado de outra forma, a Primeira Lei da Termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Ela pode somente ser modificada ou transferida de um objeto a outro. De acordo com a primeira lei da termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. é o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar: "a energia do universo é constante" (Çengel & Boles, 2013) Por exemplo: · Lâmpadas transformam energia elétrica em energia para iluminação (energia radiante). · Uma bola de bilhar bate na outra, transferindo energia cinética e fazendo a segunda bola se mover. · Plantas transformam a energia da luz solar (energia radiante) em energia química armazenada em moléculas orgânicas. · o homem transforma a energia química do seu último lanche em energia cinética enquanto anda, respira e move. Consideravelmente, nenhuma dessas transferências é totalmente eficaz. Em vez disso, em cada cenário, um parte da energia inicial é liberada na forma de energia térmica. Quando se move de um objeto para outro, a energia térmica é chamada, mais popularmente, de calor. É óbvio que as lâmpadas geram calor, além de luz, mas quando bolas de bilhar são movidas, o mesmo acontece (devido ao atrito), assim como no caso das ineficientes transferências de energia química do metabolismo animal e vegetal. (Isihara, 1971) A Segunda lei da termodinâmica Numa primeira impressão, a primeira lei da termodinâmica parece uma novidade. Se a energia nunca é criada nem destruída, isso significa que ela é reciclada várias vezes. Mas energia não pode sercriada nem destruída, mas pode mudar de uma forma mais útil para uma forma menos útil. Como se verifica, em uma transferência ou transformação de energia no mundo real, uma certa quantidade de energia é convertida em uma forma inútil (que não pode ser usada para realizar trabalho). Na maioria dos casos, essa forma de energia inutilizável toma a forma de calor. (Incropera & DeWitt, 2001) Apesar do calor poder, de fato, realizar trabalho sob certas circunstâncias, jamais será possível transformá-lo em outras formas de energia (que gerem trabalho) com 100% de eficiência. Portanto, toda vez que uma transferência de energia acontece, uma parcela dessa energia útil vai se dissipar para uma forma inútil. Assim para (Carvalho, 2012)a segunda lei da termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direcção mas não podem ocorrer na direcção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo" O grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema é chamado de entropia. Como sabemos que toda transferência de energia resulta na conversão de uma parte da energia em uma forma inutilizável (como calor), e como o calor que não gera trabalho acaba aumentando a aleatoriedade do universo, podemos afirmar uma versão relevante para a biologia da Segunda lei da termodinâmica: toda transferência de energia aumentará a entropia do universo e reduzirá a quantidade de energia utilizável disponível para realizar trabalho (ou, no caso mais extremo, manterá a entropia geral inalterada). Em outras palavras, qualquer processo, como uma reação química ou um conjunto de reações interligadas, vai direcionar-se para o aumento da entropia geral do universo. Entropia nos sistemas biológicos Uma implicação da segunda lei da termodinâmica é que, para que um processo aconteça, ele deve, de alguma forma, aumentar a entropia do universo. Toda célula do ser vivo tem sua própria organização interna; as células são organizadas em tecidos, e os tecidos em órgãos; e todo o seu corpo do ser vivo mantém um sistema cuidadoso de transporte, troca e comércio que mantêm o ser vivo. Sendo assim, à primeira vista, pode não ser muito claro o modo como o ser vivo, ou até mesmo uma simples bactéria, pode representar um aumento na entropia do universo. Para esclarecer isto, vamos olhar as trocas de energia que acontecem em do ser humano - digamos, quando ele sai para uma caminhada. Conforme o homem contrai os músculos de suas pernas para mover seu corpo para frente, o homem está usando energia química de moléculas complexas como a glicose e convertendo esta energia química em energia cinética (e, se ser homem está subindo um morro, em energia potencial). Contudo, ele está fazendo isto com uma eficiência bastante baixa: uma grande fração da energia de suas fontes combustíveis é simplesmente transformada em calor. Parte do calor conserva seu corpo aquecido, mas uma grande parte se dissipa no ambiente a seu redor. Figura 2: uma pessoa andando, com um hambúrguer nas mãos Fonte: (Atkins & Jones, 2012) grifos da autora A figura 2 mostra uma pessoa andando, com um hambúrguer nas mãos. A pessoa está absorvendo macromoléculas complexas do hambúrguer e liberando-as como moléculas de dióxido de carbono e água, aumentando a entropia. Ela também está andando para frente (transformando energia química das macromoléculas em energia cinética), mas grande parte da energia liberada é perdida na forma de calor (o que também aumenta a entropia). Essa transferência de calor aumenta a entropia do meio, assim como o fato de você pegar biomoléculas grandes e complexas e convertê-las em diversas moléculas pequenas e simples, como dióxido de carbono e água, à medida que metaboliza combustível para possibilitar sua caminhada. Este exemplo usa uma pessoa em movimento, mas o mesmo aconteceria no caso de uma pessoa, ou de qualquer outro organismo, em repouso. A pessoa ou organismo manterá alguma taxa basal da atividade metabólica, causando a quebra de moléculas complexas em moléculas menores e mais numerosas, bem como a liberação de calor, consequentemente, aumentando a entropia do meio. (Atkins & Jones, 2012) De forma mais geral, os processos que diminuem a entropia localmente, como os que constroem e mantêm os corpos altamente organizados dos seres vivos, podem, sim, ocorrer. Entretanto, essas diminuições locais de entropia podem ocorrer somente com gasto de energia, em que uma parte dessa energia é convertida em calor ou em outras formas não utilizáveis. O efeito líquido do processo original (diminuição local de entropia) e a transferência de energia (aumento de entropia no meio exterior) é um aumento geral na entropia do universo. Os seres vivos são, portanto, “ilhas de baixa entropia” em um universo relativamente desordenado, cujo alto grau de organização é mantido por uma constante entrada de energia, contra balanceada por um aumento da entropia no meio exterior. De modo geral, o alto grau de organização dos seres vivos é mantido por uma entrada constante de energia e é compensado por um aumento na entropia do ambiente. Terceira lei da Termodinâmica De acordo com (Carvalho, 2012), A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reacções químicas, como a combustão, por exemplo. Princípio da Termodinâmica De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior. consideremos um sistema recebendo uma certa quantidade de calor Q. Parte desse calor foi utilizado para realizar um trabalho W e o restante provocou um aumento na sua energia interna U. De acordo com (Carvalho, 2012)Representa analiticamente o primeiro princípio da termodinâmica cujo enunciado pode ser: A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior. Ela também pode ser representada pela fórmula , onde n é o número de mols do gás, R é a constante dos gases, Tf a temperatura final e Ti a temperatura inicial do gás. Para a aplicação do primeiro princípio de Termodinâmica devem-se respeitar as seguintes convenções: · Q > 0: calor recebido pelo sistema; · Q < 0: calor cedido pelo sistema; · W > 0: volume do sistema aumenta; o sistema realiza trabalho; · W < 0: volume do sistema diminui; o sistema recebe trabalho; · ΔU > 0: temperatura do sistema aumenta; · ΔU < 0: temperatura do sistema diminui. Uma forma fácil de saber o sinal sem ter que decorar essa tabela é usar as fórmulas. Por exemplo, na fórmula do trabalho W = p(V2 − V1), se V2 > V1, o sinal do trabalho será positivo. Logo, quando o gás realiza trabalho sobre o meio (expansão), o sinal é positivo (volume aumenta). Podemos dizer que a energia interna do sistema é uma função de estado pois ela depende unicamente da temperatura do sistema. Se não há variação de temperatura a variação da energia interna é nula. Regulação e Controlo O ambiente da maioria dos organismos encontra-se em constante mudança, sendo necessária uma apertada regulação das reacções metabólicas de modo a manter um conjunto de condições mais ou menos constante nas células, chamado homeostase. A regulação metabólica permite aos organismos dar resposta a estímulos do exterior, permitindo a interacção com o seu ambiente. Existem dois conceitos relacionados que são importantes para a compreensão da forma como são reguladas vias metabólicas: em primeiro lugar, a regulação de uma enzima numa via refere se ao aumento ou diminuição da sua actividade enzimática em resposta a estímulos; o segundo conceitoé o controlo exercido por esta enzima na velocidade total da via por sofrer variações na sua actividade enzimática, ou seja, o controlo do fluxo da via metabólica. Por exemplo, uma enzima pode sofrer grandes alterações na sua actividade (ou seja, ser muito regulada) mas se estas mudanças não tiverem um efeito significativo no fluxo da via metabólica, então esta enzima não está envolvida no controlo da via. (Carvalho, 2012) Conclusão Ao estudar energia, os cientistas usam o termo "sistema" para se referir ao assunto e ao seu ambiente envolvidos nas transferências de energia. Tudo fora do sistema é chamado de ambiente. Células únicas são sistemas biológicos. Os sistemas podem ser considerados como tendo uma certa quantidade de ordem. É preciso energia para fazer um sistema mais ordenado. Quanto mais ordenado um sistema é, menor é a sua entropia. Entropia é uma medida da desordem de um sistema. À medida que um sistema se torna mais desordenado, menor sua energia e maior sua entropia se torna. Uma série de leis, chamadas de leis da termodinâmica, descrevem as propriedades e processos de transferência de energia. A primeira lei diz que a quantidade total de energia no universo é constante. Isso significa que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transferida ou transformada. A segunda lei da termodinâmica afirma que toda transferência de energia envolve alguma perda de energia de forma inutilizável, como a energia térmica, resultando em um sistema mais desordenado. Em outras palavras, nenhuma transferência de energia é completamente eficiente e tende para a desordem. A lei zero da termodinâmica diz que quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade entre si. A partir dessa lei, por exemplo, podemos justificar a medição de temperatura por um termómetro de mercúrio, pois ao colocar uma escala nesse termômetro, dizemos que o corpo tem a mesma temperatura lida no termômetro. A primeira lei estabelece um balanço de energia segundo o qual ela não cria nem se extingue e sim se transforma, mantendo a quantidade original. A segunda lei da termodinâmica diz respeito à quantidade de energia que pode ser transformada em trabalho, fixando limites de desempenhos e junto com a terceira lei, estabelece instrumentos sobre a espontaneidade. Referências Bibliográficas Atkins, P., & Jones, L. (2012). Príncipios de Química: Questionando a vida moderna e o meio Mabiente. (R. B. Alencastro, Trad.) Porto Alegre: Bookman. Carvalho, J. A. (2012). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia: Fisiologia Humana e Animal. (U. C. Moçambique, Ed.) Beira: UCM-CED. Çengel, Y. A., & Boles, M. (2013). Termodinâmica (7ª ed ed.). (P. M. Gomes, Trad.) Porto Alegre: AMGH. Incropera, F. P., & DeWitt, D. (2001). Fundamentos do Calor e transferência de massa (5ª ed.). Nova York: John Wiley & Sons. Isihara, A. (1971). Física Estatística. Nova Iorque: Imprensa Acadêmica. Landau, L. D., & Lifshitz, E. M. (1996). Física Estatística. Curso de Física Teórica 5 (3ª ed ed.). (J. B. Sykes, & M. Kearsley, Trads.) Oxford: Pergamom Press. Pérez, E. A. (2018). Boltzmann. La termodinámica y la entrópia:Eluniverso morirá de frío. Budapest: epublibre.
