Termodinâmica: Formas e Transformações de Energia, Notas de estudo de Biologia

Baixe Termodinâmica: Formas e Transformações de Energia e outras Notas de estudo em PDF para Biologia, somente na Docsity! Processos Termodinâmicos em Biologia A termodinâmica é a ciência que se ocupa do estudo das transformações de energia dos sitemas macroscópicos, isto é dos dos sistemas físicos constituídos de um grande número de átomos e moléculas que interagem entre si. Os processos biológicos, envolvendo complexas estruturas moleculares e continuas transfromações químicas e energéticas, só podem ser adequadamente comprendidos dentro do contexto da termodinâmica. 1. Formas e transformações de Energia As formas de energia que trata a termodinâmica são: a Energia Térmica, devido a agitação e movimentos de átomos e moléculas, a Energia Mecânica, promovida pelo deslocamentos dos corpos e pela ação das massas (por exemplo, pela ação da gravidade terrestre), a Energia Química, contida nas ligações químicas e interações entre átomos e moléculas, e a Energia Eletromagnética proviniente de cargas e correntes elétricas. A energia luminosa, que em última análise é a propagação de um campo eletromagnético, é também uma forma de energia eletromagnética. Alguns exemplos práticos de transformação entre as energias térmica e mecânica são a "Máquina a Vapor" e o "Refrigerador". No primeiro exemplo o calor de combustão liberado por uma caldeira é utilizado na expansão do vapor de água que por sua vez movimenta mecânicamente um embolo transmitindo o movimento para as rodas da máquina. No caso do funcionamento do refrigerador, um motor é acionado elétricamente provocando mecânicamente, através de um embolo, a expansão de um gás, durante esta expensão o gás absorve calor no interior do refrigerador, diminuindo sua temperatura, no exterior o gás volta a seu volume normal liberando o calor recebido para o meio externo. Durante este ciclo existe um bombeamento de calor do interior para o exterior do refrigerador através da ação mecânica sobre o gás. Um exemplo de transformação de energia elétrica em mecânica é o "Motor de Partida" do automovel, a energia elétrica armazenada na bateria aciona um dínamo que fornece o movimento inical ao motor até que este possa funcionar por si só. O exemplo contrário é o funcionamento de uma "Hidroelétrica" onde a energia mecânica gravitacional de uma queda de água é tranformada em energia elétrica através de turbinas que acionam um dínamo gerando energia elétrica. Exemplos de transformação de energia química em energia elétrica são as "Baterias" e "Pilhas", que armazenam energia química em soluções eletrolíticas ou em compostos sólidos, a qual pode ser liberada na forma de corrente elétrica através da conexão entre seus polos elétricos A transformação de energia química em energia térmica ocorre sempre em reações exotérmicas, isto é, em reações em que o produto obtido da mistura dos reagentes possui uma energia química, proviniente das ligações atômicas, nenor que a dos reagentes. A energia liberada denomina-se Calor de Reação. Em reações endotérmicas, docsity.com 2 isto é, as reações que necessitam de energia para se realizarem, a energia térmica absorvida do meio é transformada em energia química. O processo da Fotossíntese é um dos mais interessantes exemplos de conversão de energia eletromagnética em energia química. Provavelmente sem este processo, hoje vital na cadeia alimentar dos seres evoluidos, não haveria vida sobre a Terra, pelo menos na forma que hoje conhecemos. Os seres providos de um sistema fotossintético, vegetais e algumas algas, são capazes de absorver e acumular sob a forma de energia química.a energia eletromagnética produzida no Sol e transmitida a Terra na forma de luz. Outro exemplo biológico de transformação de energia é a Ação Muscular, a enegia química acumulada nos tecidos musculares na forma de ATP, é transformada, quando comandada por sinais eletrofisiológicos, em energia mecânica através de um sistema complexo de proteinas contrácteis, resultando no movimento mecânico de orgãos e membros dos animais. Finalmente um fenômeno que está na base da existência de qualquer tipo de vida, na forma que conhecemos, é o fenômeno do Transporte Ativo. Através deste processo, proteinas especializadas localizadas nas membranas biológicas são capazes de promover o transporte de íons e pequenas moléculas contra seu próprio gradiente de concentrações, criando no interior das células e dos compartimentos intracelulares uma composição química diferente do meio externo, de forma a criar um ambiente químico necessário a realização dos processos bioquímicos fundamentais para vida. Em um exemplo particular deste processo, a energia química acumulada na forma de ATP é transformada em energia eletroquímica pelo transporte de íons através da membrana, resultando em uma diferença de Potencial Elétrico entre as soluções que são separadas pela membrana. A energia elétrica armazenada desta forma pode ser transformada em energia química novamente através do processo inverso, isto é a síntese de ATP causada pela transferência de íons através da membrana. 2. A Escala Termodinâmica Embora tenha se desenvolvido de forma independente do conceito atomístico, o entendimento e a comprensão moderna da Termodinâmica ficaram consolidados e facilitados através do reconhecimento da natureza atômica e molecular da matéria. Sabe-se atualmente que toda a matéria é constituida por átomos, suas unidades básicas, e que estes átomos se associam e interagem de diversas formas, formando moléculas e outros tipos de agregados. Enquanto a Física Quântica se ocupa em desvendar o mundo atômico e sub-atômico, a Termodinâmica trata dos sistemas macroscópicos, definidos como sitemas formados por um conjunto muito grande de átomos ou moléculas. Enquanto o Mundo Atômico descrito pela Física Quântica, que se ocupa da descrição dos Átomos constituidos de Protons, Neutrons e Elétrons e outras partículas subatômicas, corresponde a dimensões menores que o Angstron [10-10 m], o Mundo Macroscópico da Termodinâmica, envolvendo um conjunto muito grande de átomos, se refere a gama de dimensões, que vão desde a ordem do metro [1m], que corresponde a nossa dimensão humana até dimensões do namometro [nm=10-9m], que corresponderia aproximadamente a espessura da membrana citoplasmática, passando docsity.com Ec = N 1 N ? i =1 N 1 2 mi vi2 = 1 N ? a 1 2 = a ,b , c ,.. 1 ma N a vi2 = 2 < mv 2 > Finalmente a energia cinética total do sistema pode se escrita como: 1 Ec = Nec = N 2 < mv 2 > Como veremos mais adiante a energia cinética molecular pode ser relacionada diretamente as variáveis termodinâmicas como a pressão e temperatura de um gás. docsity.com 5 Outros Graus de Liberdade Embora a Energia Térmica no estado gasoso esteje relacionada exencialmente com os movimentos de translação das moléculas, em outros estados ou em moléculas complexas existem outros tipos de movimentos devidos a agitação térmica, que devem ser considerados da mesma forma que os movimentos de translação. Estes movimentos comprendem os modos de rotação em moléculas assimétricas, os movimentos de vibração das ligações covalentes em geral e modos de torsão em moléculas mais complexas. O princípio geral de equipartição da energia deve valer também para estes modos. Um choque molecular pode provocar a transformação de energia translacional em energia de vibração ou rotação, ou vice versa, de forma que existe uma repartição estatística uniforme entre os vários modos de agitação molecular, definindo assim vários graus de liberdade para a repartição da energia térmica. Estados Físicos da Matéria Na maioria das situações as diversas partes da matéria parecem "coladas" umas as outras (frase de Newton) de onde se conclui a existência de forças atrativas, ou de coesão, entre as moléculas. Por outro lado sabe-se hoje em dia que a natureza química.das substâncias é mantida por forças repulsivas a curta distância que se opõem a aproximação de outras moléculas ou átomos conservando sua identidade química. Como vimos anteriormente, a intensidade destas forças de interação dependem da natureza química das moléculas e da distância entre elas. Estas forças são nulas quando as moléculas se encontram suficentemente longe uma das outras. Quando elas se aproximam a força atrativa, exencialmente de origem elétrica, é efetiva a distâncias da ordem de algums diâmetros atômicos, enquanto as forças repulsivas, de origem quântica, só tem um efeito relevante a pequenas distancias quando as moléculas praticamete se tocam. Devemos notar que os estados físicos da matéria estão diretamente relaciondos com a comparação entre as enegias térmicas e a energia envolvida nas interações moleculares. No Estado Gasoso a energia térmica, basicamente relacionada com o movimento de translação das moléculas, exede em muito a energia de interação entre elas: Eterm >> Einter As distâncias intermoleulares são enormes e as contribuições dos termos de atração despresíveis. Nesta situação as moléculas tendem a preencher todo o volume disponível, uma das características usualmente atribuida aos gases, pois as forças que as manteriam coesas praticamente não existem. No Estado Líquido os dois tipos de energia são comparáveis, embora com sinais opostos, pois a energia térmica associada a energia cinética dos movimentos docsity.com 6 moleculares é sempre positiva e a energia de interação no estado líquido é sempre de natureza atrativa, ou seja negativa : Eterm ~ - Einter As distâncias interatômicas são tais que uma molécula, mesmo se livrando da influência de uma molécula vizinha, facilmente encontrará uma outra molécula com a qual manterá uma forte interação. Nesta situação, embora as moléculas tenham uma grande facilidade de movimentação, elas permanecem coesas “rolando” umas sobre as outras (como bolas de gude dentro de um saco). Neste estado as moléculas ocupam o espaço disponível porém mantendo-se coesas, por isso assumem a forma do recepiente onde estão contidas. No Estado Sólido a energia térmica é muito menor que a energia de interação: Eterm docsity.com