Aula1 noã§ãµes de termodinã¢mica

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Aula1 noã§ãµes de termodinã¢mica

  1. 1. Noções de termodinâmica Profa Dra Flavia Venancio Silva
  2. 2. Definição clássica de energia  Capacidade de realizar trabalho. Fonte: comunicacaoetendencias.com.br
  3. 3. Origem e conceito da termodinâmica  No século XVII, os cientistas estudavam o comportamento da matéria (sólida, líquida e gasosa) sob o efeito do calor e isso se intensificou no século XVIII com a invenção da máquina a vapor.  Termodinâmica é o ramo da física que estuda a energia e suas interações com a matéria. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor
  4. 4. O que tem a ver a termodinâmica com o estudo dos seres vivos?  Os processos biológicos envolvem complexas estruturas moleculares e contínuas transformações químicas e energéticas, que só podem ser adequadamente compreendidas no contexto da termodinâmica.
  5. 5. Qual a relação da termodinâmica com o calor?  Calor – é a energia existente em um corpo (que pode estar vivo) em virtude do grau de agitação em suas moléculas.  Temperatura – é a grandeza que mede a quantidade de calor. Ex: 37 oC.  A termodinâmica estuda a interação entre a matéria e o calor.
  6. 6. Calor é uma forma de energia  O calor é a forma de energia que sentimos na pele porque temos receptores térmicos na superfície do corpo.
  7. 7. Porque a termodinâmica poderia se chamar ergodinâmica?  Ergo = vocábulo grego que significa energia ou trabalho.  As mesmas leis da termodinâmica são aplicáveis a todo sistema sob efeito de transferência de energia (térmica, elétrica, nuclear, luminosa, mecânica, acústica, etc).
  8. 8. Conceito atual de termodinâmica!!!  A termodinâmica é o ramo da física que estuda o comportamento de todas as modalidades de energia e suas interações com a matéria.
  9. 9. Princípio da termodinâmica que se aplica a qualquer conjunto de objetos na natureza:  Quanto mais energia (calor), mais pressão, mais expansão, mais movimento, menos certezas e menos ordem. Tendência espontânea para a desordem!! Alberts et al, 2010.
  10. 10. Certeza e incerteza  Quase nenhuma pergunta a respeito da natureza pode ser respondida com certeza absoluta.  O que podemos ter é uma estimativa, uma noção aproximada do futuro.  Probabilidade – medida da estimativa, ou seja, medida do grau de incerteza.
  11. 11. Modelo determinístico e modelo probabilístico  Quanto mais tempo se passa, mais incerta é a posição do móvel.  O melhor modelo para descrever o funcionamento da natureza de maneira mais realista é o probabilístico. Mourão Júnior & Abramov, 2012.
  12. 12. Modelo para uma sequência de eventos probabilísticos  A probabilidade de se conhecer o futuro no primeiro momento é de 50%.  E a probabilidade de prever o resultado de todos os lançamentos é igual a ½5; isto é, uma em 32 possibilidades que é igual a 3,125%. Mourão Júnior & Abramov, 2012.
  13. 13. Processo caótico ou não determinístico  Processo imprevisível e muito sensível às suas condições iniciais.  Caos é sinônimo de incerteza, imprevisibilidade e vulnerabilidade às condições iniciais de um processo.
  14. 14. O movimento browniano explica a natureza física do calor Mourão Júnior & Abramov, 2012.
  15. 15. Histórico sobre a descoberta do movimento browniano  Robert Brown, botânico escocês no século XIX observou grão de pólen em água se movimentando aleatoriamente.  Albert Einstein, no início do século XX explicou que se o pólen era imóvel a única explicação era a de que dentro da água ocorria um movimento contínuo e aleatório de suas moléculas e a colisão delas com o pólen fazia ele se mover.  No início do século XX, os cientistas da física quântica descobriram que o movimento browniano acontece porque, no átomo, as partículas subatômicas estão constantemente em movimento aleatório.
  16. 16. Importância da descoberta do movimento browniano  Fundamental para entender o comportamento físico das partículas em gases e líquidos.  Por que se abrirmos um recipiente com gás esse irá espalhar-se rapidamente pelo ambiente?
  17. 17. Calor e movimento browniano  Calor é a energia produzida pela agitação contínua e pelos choques entre as moléculas de um corpo.  Essa agitação da matéria é produzida pelo movimento browniano.  Temperatura é a medida do movimento browniano.
  18. 18. Tudo é movimento!!!  No universo, nada está em completo repouso.  Onde existe matéria, existe movimento.
  19. 19. Sistema caótico deve ser:  Dinâmico, altera-se com o tempo.  Não linear, sua resposta não é proporcional à perturbação.  Sensível a perturbações mínimas de seu estado inicial.
  20. 20. Conceito de sistema  Conjunto composto por coletividade e energia do sistema.  Coletividade – conjunto de elementos que constituem o sistema.  Energia do sistema – agitação resultante das interações entre os elementos do sistema.
  21. 21. Sistemas  Um sistema pode conter outros sistemas, bem como fazer parte de outros maiores.  O menor sistema seria aquele composto por duas partículas que interagem entre si (e esse interage com outros pois não está isolado no universo). O maior sistema possível seria o próprio universo.  Ex: átomos, moléculas, planetas, galáxias, coração, corpo humano, célula.
  22. 22. Movimento, atrito e entropia  Partículas em movimento aleatório chocam-se e esta colisão limita o movimento, produzindo atrito que produz calor e esse produz desordem (entropia).  O calor não é capaz de realizar trabalho (energia dissipada).
  23. 23. Sistemas conservativos  Só existe em modelos teóricos, são sistemas isolados que não trocam energia, matéria e informação com outros sistemas.  Ex: garrafa térmica tenta imitar um sistema conservativo, mas não consegue porque na natureza tudo é movimento e logo há atrito e troca de energia em forma de calor.
  24. 24. Na natureza todo sistema é dissipativo  No sistema dissipativo ocorre perda de energia sob a forma de calor quando os seus elementos interagem entre si ou com outros sistemas.  Ex: a célula que sofre mitose, o músculo que se contrai, o envelhecimento celular.  No metabolismo celular, apenas 20% da energia proveniente dos alimentos é capaz de realizar trabalho, os outros 80% se perdem em calor.
  25. 25. Características dos sistemas  Complexidade – número de variáveis de um sistema, relativa ao número de elementos e à variabilidade destes. Ex: o cérebro, um gás.  Quanto mais heterogêneos os elementos de um sistema, maior sua complexidade.  Quanto maior a complexidade das trocas energéticas entre os elementos, maior a complexidade.  Imprevisibilidade – incerteza do futuro. Ex: camundongo, cadeira.  Quanto mais complexo for um sistema, menos previsível ele será.  Equilíbrio – condição na qual o sistema não pode mais se transformar espontaneamente, não há trocas de energia nem matéria mantendo a estabilidade.  O equilíbrio energético se dá quando não há mais troca de energia com o entorno.  Equilíbrio é morte.  Todos processos vitais se dão longe do equilíbrio.
  26. 26. Características dos sistemas  Estabilidade – capacidade de manter seu estado atual ao longo do tempo. Ex: folha como um sistema estável depende de um gasto de energia para se manter.  Quanto mais estável é um sistema, mais previsível ele é. Sistema estável é o oposto de sistema caótico.  A estabilidade só coincide com o equilíbrio em seres inanimados, seres pouco complexos. Ex: uma pedra.  Padrões – qualquer configuração que ocorra com maior frequência na natureza.
  27. 27. Diferença entre equilíbrio e estabilidade  Equilíbrio – caixa d’ água mantém um nível fixo “h” na condição de estabilidade espontânea, as duas torneiras fechadas.  Estabilidade – as duas torneiras abertas com a mesma vazão (com gasto de energia da bomba d’ água ou a força gravitacional alimenta a torneira). Mourão Júnior & Abramov, 2012.
  28. 28. Leis da termodinâmica  Foram postuladas e sistematizadas por diversos cientistas ao longo dos séculos 19 e 20.
  29. 29. Lei zero  Se dois sistemas estão ambos em equilíbrio com um terceiro, esses dois sistemas estarão também em equilíbrio entre si.  Essa lei pressupõe que o equilíbrio é a tendência natural dos sistemas do universo a encontrarem espontaneamente sua estabilidade quando a transferência de energia cessar naturalmente.  Obviamente, um sistema só encontraria o equilíbrio perfeito se estivesse isolado do universo e isso é impossível!!!!  Esta lei é útil na definição de escalas termométricas, não tem nenhum aplicação para a biofísica.
  30. 30. Primeira lei da termodinâmica (Lavoisier, 1760) • A energia nunca se perde, nunca se cria, sempre se transforma (a quantidade de energia é constante). • Se injetarmos uma quantidade X de energia em um sistema, esse sistema deverá liberar exatamente essa quantidade X de energia para outro sistema, seja em forma de trabalho, seja em forma de calor. • Porém, os sistemas têm rendimentos variados, sempre abaixo de 100% porque nunca a energia total será convertida em trabalho. Então, parte da energia se dissipa em forma de calor.
  31. 31. Por que o rendimento dos sistemas é abaixo de 100%?  Para atingirmos 100% de eficiência, o ambiente externo deverá estar no zero absoluto (0 K) ou a fonte quente devera estar infinitamente quente. Claro, nenhuma destas duas alternativas e possível de ser alcançada na prática.
  32. 32. Segunda lei da termodinâmica  A energia só flui espontaneamente de um sistema quente para um sistema frio.  Tudo flui de um ponto onde há excesso para um ponto onde há falta.  A entropia (desordem) só aumenta a cada transformação que ocorre no universo.
  33. 33. Terceira lei da termodinâmica  A terceira lei foi baseada no hipotético zero absoluto de Lord Kelvin, não existe nenhum calor e nenhuma agitação molecular, o sistema seria completamente desprovido de energia.  No zero absoluto não haveria nenhuma cinética molecular ou atômica, o zero absoluto não existe na prática.  No zero Kelvin ou zero absoluto não há produção de entropia. Fora desse estado, a entropia (desordem) do universo sempre aumenta!!!!!
  34. 34. Relação entre duas escalas que medem temperatura Fonte: http://www.brasilescola.com/fisica/zero-absoluto.htm
  35. 35. O uso de energia pelos seres vivos  Os seres vivos criam ordem em um universo que está sempre tendendo a aumentar a desordem.  Para criar essa ordem, as células dos organismos vivos devem executar uma série de reações químicas que nunca terminam.
  36. 36. Ordem em estruturas biológicas Fonte: Alberts et al., 2010.
  37. 37. Vias de reações do metabolismo celular ou mapa metabólico  Vias de reações - são lineares e longas e estão ligadas umas às outras e é isso que permite as células sobreviverem, crescerem e se reproduzirem. Fonte: Alberts et al., 2010.
  38. 38. A ordem biológica é possibilitada pela liberação de energia térmica pelas células Fonte: Alberts et al., 2010.
  39. 39. Se as células criam ordem elas desafiam a segunda lei da termodinâmica? Como isso é possível?  Isso ocorre porque a célula toma energia do ambiente, na forma de alimentos, fótons do sol ou de moléculas inorgânicas e usa essa energia para criar ordem para si mesma. Parte da energia que as células usam é convertida em calor. Fonte: http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://66.147.237.87/%7Epapacaio/modules/Cliparts/gallery/cliparts_
  40. 40. Qual o efeito do calor liberado pelas células?  O calor é descarregado no ambiente onde as células se encontram e o deixa mais desorganizado, de maneira que a entropia total, a da célula mais a dos seus arredores – aumenta obedecendo a segunda lei da termodinâmica. Fonte: http://www.fge.if.usp.br/~sartorel/lab.html
  41. 41. A ordem da célula é mais que compensada pela desordem ao seu redor Fonte: Alberts et al., 2010.
  42. 42. A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída Fonte: Alberts et al., 2010.
  43. 43. Os organismos fotossintéticos utilizam a luz solar para sintetizar moléculas orgânicas Fonte: Alberts et al., 2010.
  44. 44. A termodinâmica estuda o fluxo de energia em sistemas da natureza Fonte: Alberts et al., 2010.
  45. 45. Ciclo do carbono na biosfera como exemplo de sistema Sistema é um conjunto de elementos que interagem diretamente entre si. Fonte: Alberts et al., 2010.
  46. 46. Bibliografia recomendada  Mourão Júnior, C.A.; Abramov, D.M. Biofísica Essencial. Guanabara Koogan. 2012.  Biologia Molecular da Célula, 5a edição. Alberts et al., 2010. Ed. Artmed. 1396 p.

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