1

NOTIUNI DE TERMODINAMICĂ BIOLOGICA

2

Sistem termodinamic

• ansamblu de corpuri separate mintal sau fizic de celelalte corpuri (exterioare). În multe cazuri sistemul trebuie să conţină un număr foarte mare de componente pentru a i se aplica legi statistice.

• proprietăţile unui sistem sunt evaluate de mărimi fizice (parametrii) şi capătă valori numerice cu ajutorul unităţilor de măsură (toate definite arbitrar).

3

Sisteme termodinamice

• Izolate – nu schimbă cu exteriorul nici masă nici energie

• Închise – nu schimbă cu exteriorul masă dar schimbă energie

• Deschise – schimbă cu exteriorul atât masă cât şi energie

4

Parametrii de stare

intensivi – nu depind de mărimea sistemului şi nu sunt aditivi

• extensivi – depind de mărimea sistemului şi sunt aditivi

5

Stările sistemului termodinamic

• Starea sistemului termodinamic este dată de totalitatea proprietăţilor sistemului la un moment dat.

• Starea de echilibru termodinamic – parametrii intensivi sunt constanţi în spaţiu şi timp

• Starea staţionară – parametrii intensivi sunt diferiţi în spaţiu dar constanţi în timp

• Starea de neechilibru – parametrii intensivi sunt diferiţi în spaţiu şi se modifică în timp

6

Transformări de stare

• trecerea dintr-o stare în alta (modificarea a cel puţin un parametru de stare).

• cvasistatică parametrii de stare variază foarte lent în timp

• ciclică starea finală coincide cu cea iniţială

7

• reversibilă (singura care poate fi reprezentată grafic) sistemul poate reveni la starea iniţială trecând prin aceleaşi stări intermediare de echilibru ca şi în transformarea primară şi fără ca în mediul extern să se fi produs vreo modificare (transformarea trebuie să fie cvasistatică şi toate stările intermediare trebuie să fie de echilibru)

• ireversibilă (toate transformările necvasistatice şi cele cvasistatice care trec şi prin stări intermediare de neechilibru) sistemul nu poate reveni la starea iniţială prin stările intermediare prin care a trecut în transformarea primară şi fără modificarea exteriorului

8

PRINCIPIILE TERMODINAMICIIMărimi fundamentale

• Energia internă= suma tuturor energiilor de mişcare (cinetice) a părţilor componente una faţă de alta precum şi a energiilor de interacţiune (potenţiale) dintre ele (nu intră energiile cinetice sau potenţiale faţă de sisteme externe)

• Căldura =formă de schimb de energie între sisteme prin mişcări dezordonate (agitaţie termică). Convenţie.

• Lucru mecanic =formă de schimb de energie între sisteme prin mişcări ordonate (deplasări ale sistemelor sau modificări de volum). Convenţie.

• Entropie =măsură a dezordinii din sistem S=k*ln N (Boltzmann) N=numărul de dispuneri diferite ale microcomponentelor sistemului pentru o macrostare dată, k=1,38*10-23J/K (constanta lui Boltzmann)

9

• Sursa de entropie= viteza producerii de entropie într-un sistem (entropia produsă în unitatea de timp) .

• Fluxuri= cantităţi (de substanţă, căldură, electricitate etc.) ce trec dintr-o regiune în alta a sistemului.

• Forţe termodinamice=gradienţi (diferenţe) de concentraţii, temperatură, potenţial electric între diferitele regiuni ale sistemului şi care pot produce fluxuri. Se demonstrează că sursa de entropie este dată de suma produselor fluxurilor

şi forţelor conjugate i

n

niiXJ

1

10

PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII

• ΔU=Q-L sau

• dU=dQ-dL.

• Simbolul d înseamnă foarte mic (variaţie sau mărime foarte mică, tinzând la zero). Acest principiu ne arată că nu putem efectua ceva util (L) decât dacă primim din exterior Q sau dacă pierdem din energia internă.

11

PRINCIPIUL II AL TERMODINAMICII

• un sistem izolat nu poate evolua spre o stare mai ordonată. Matematic:

• dS ≥ 0 (S=entropia, măsură a dezordinii din sistem). Semnul egal reflectă situaţia în care în sistemul izolat au loc transformări reversibile iar semnul „>” cea în care în sistem au loc procese ireversibile.

12

• Definim probabilitatea termodinamică (P) a unei stări macroscopice ca fiind numărul de configuraţii distincte în care se pot amplasa elementele componente ale sistemului (molecule, atomi) astfel încât să se păstreze proprietăţile macroscopice ale stării sistemului

• S = K · log P• în care K este constanta lui Boltzmann, K =

1,38·10-23 J/K.

13

• Dacă sistemul nu este izolat dS=dSi+dSe

• dSi componentă datorită proceselor din sistem (i se aplică principiul II al termodinamicii )

• dSe componentă datorită schimburilor cu exteriorul

T

dQdSe

14

• În starea de echilibru termodinamic S este maximă iar σ= 0. În starea staţionară S= ct iar deci toată entropia produsă în sistem este eliberată în exterior, iar un sistem izolat nu poate fi în stare staţionară (nu are schimburi cu exteriorul. În starea staţionarăexistă forţe termodinamice (gradienţi) şi fluxuri constante.

min 00

dt

dS

dt

Sd

dt

Sd ie 0

15

Procese cuplate si procese cuplante

Dacă într-un domeniu al sistemului are loc un proces ireversibil acesta va duce la generarea de entropie dS1> 0 dar aceasta nu exclude posibilitatea ca, în acelaşi domeniu, să se producă şi un alt proces care să ducă la scăderea entropiei dS2< 0 cu condiţia ca pe total entropia să crească dS= dS1+ dS2> 0. Procesul ireversibil generator de entropie se numeşte cuplant iar procesul consumator de entropie ce

are loc pe seama lui se numeşte cuplat (ex. catabolism- anabolism)

16

FUNCŢII TERMODINAMICE

• Partea din energia internă a unui sistem ce poate fi transformată în lucru mecanic într-un proces particular

• energie liberă F (T=constant) F=U-TS

• Entalpie H (p=constant) H=U+pV

• entalpie liberă G (Gibbs) (T,p =constant) G=U+pV-TS

17

Ecuaţiile fenomenologice liniare

• În principiu orice flux poate fi produs de orice forţă fie ca flux conjugat (determinat direct de acea forţă) fie ca flux cuplat (determinat de alt flux conjugat cu altă forţă). Dacă forţele nu sunt prea mari fiecare flux va depinde liniar de toate forţele termodinamice din sistem. J1=L11X1+L12X2+…+L1nXn … Jn=Ln1X1+Ln2X2+…LnnXn

18

• Lik= coeficienţi fenomenologici

(raportul dintre variaţia unui flux şi variaţia unei forţe neconjugate când celelalte forţe sunt constante) care nu depind de forţele Xi iar fizic reprezintă permeabilităţi, conductanţe etc. Cum Lii≥ 0.

Se poate demonstra şi că există o simetrie a coeficienţilor fenomenologici Lik=Lki

kik

i

X

J

01

i

n

iiXJ

19

Nutriţia

• asigurarea energiei necesare vieţii;• asigurarea creşterii şi reînnoirii ţesuturilor;• asigurarea substanţelor necesare reglării

proceselor vitale• Pentru aceasta, este necesar să se

aprovizioneze organismul cu următoarele şase categorii de substanţe nutritive:

• 1. glucide, 2. lipide, 3. proteine, 4. vitamine, 5. săruri minerale, 6. apă

20

• Glucidele, lipidele şi protidele au atât rol energetic cât şi de constituţie. Vitaminele au rol catalizator în numeroase procese biochimice. Sărurile minerale servesc atât în catalizarea unor procese cât şi în transportul unor substanţe la nivel membranar. Apa constituie solventul mediului din interiorul celulelor şi dintre celule, cu rol esenţial în fenomenele de transport şi în reglarea temperaturii.

21

• Variaţia de entalpie prin arderea izobară a diferitelor substanţe biochimice (catabolism), este practic aceeaşi pentru aminoacizi şi hidraţi de carbon, dar este aproximativ triplă pentru lipide, ceea ce explică funcţia de rezervă energetică pe care o au grăsimile în organism. Astfel, pentru glicocol ΔH = 3,12 Kcal/g, pentru glucoză ΔH = 3,74 Kcal/g, iar pentru tripalmitină ΔH = 9,3 Kcal/g.

22

Metabolismul bazal

• minimul de consum energetic realizat de un organism în repaus

• din energia totală cheltuită în repaus, 2/3 sunt utilizate pentru pomparea ionilor împotriva gradienţilor ionici transmembranari

23

CALORIMETRIE

• │Qcedat│=Qprimit

• Căldura schimbată de un sistem într-un proces în care are loc variaţia temperaturii poate fi scrisă sub forma

Q=mcΔt

• În cursul unei transformări de fază Q=mλ

24

Autoclava