STMicroelectronics Ubaldo MASTROMATTEO STMicroelectronics – FTM group – R&D Scientific Fellow La termodinamica, la vita e i diavoletti di Maxwell Coherence

STMicroelectronics

Ubaldo MASTROMATTEOSTMicroelectronics – FTM group – R&D Scientific Fellow

La termodinamica, la vita e i diavoletti di Maxwell

Coherence 2006 – Roma, 21 Aprile 2006

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Sommario

Sistemi termodinamiciEnergia Libera: definizioniEquilibrio di radiazioneDefinizioni termodinamiche in fisiologia animale e vegetaleEnergia Libera nei viventiTrasformazioni termodinamiche nei vegetali“Istruzioni” ed entropia negativa: paradossiConclusioni

U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

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energia materia

Sistema termodinamico isolato

materiaenergia

Sistema termodinamico chiuso

energia materia

Sistema termodinamico aperto

I sistemi termodinamici


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Energia Libera 1F = U – TSL = - F = F(A)-F(B)“Se un sistema compie una trasformazione reversibile da uno stato iniziale A a uno stato finale B, entrambi alla temperatura dell’ambiente, scambiando calore solo con l’ambiente, il lavoro che esso compie e’ uguale alla diminuzione della sua energia libera F. Se la trasformazione e’ irreversibile, la diminuzione di energia libera e’ un limite superiore per il lavoro compiuto dal sistema.” (E. Fermi, Termodinamica, pag. 90)


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Energia Libera 2

“Facciamo l’ipotesi che il nostro sistema, pur essendo dinamicamente isolato, sia in contatto termico con l’ambiente e che la sua temperatura sia uguale alla temperatura T dell’ambiente. Per una qualunque trasformazione del sistema, abbiamo L=0; otteniamo allora 0<=F(A)-F(B), ossia F(B)<=F(A). Cio’ vuol dire che, se un sistema e’ in contatto termico alla temperatura T con i corpi che lo circondano, e se e’ dinamicamente isolato in modo da non poter compiere o assorbire lavoro esterno, la sua energia libera non puo’ aumentare durante una trasformazione.” (E. Fermi, Termodinamica, pag 91)


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Trasformazioni spontanee

H+ H-

S-

S+ Spontanee solo

per T alta

Non spontanee

per qualsiasi

valore di T

Spontanee per tutti

i valori di T

Spontanee solo

per T bassa


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è il valore dell’energia raggiante cheè il valore dell’energia raggiante checomplessivamente lascia una superficie,complessivamente lascia una superficie,costituito dai due contributi:costituito dai due contributi:

è il valore dell’energia raggiante cheè il valore dell’energia raggiante checomplessivamente lascia una superficie,complessivamente lascia una superficie,costituito dai due contributi:costituito dai due contributi:

EMISSIONEEMISSIONEDIRETTADIRETTA

EMISSIONEEMISSIONEDIRETTADIRETTA

GGGG

GGGG

EEnn

RIFLESSIONERIFLESSIONEdi una parte dell’irradianza di una parte dell’irradianza

che incide sulla superficieche incide sulla superficie

RIFLESSIONERIFLESSIONEdi una parte dell’irradianza di una parte dell’irradianza

che incide sulla superficieche incide sulla superficie

++

CORPO NEROCORPO NEROCORPO NEROCORPO NERO

4n TEJ

CORPO GRIGIOCORPO GRIGIOCORPO GRIGIOCORPO GRIGIO

G1TGEJ 4n

Energia di radiazione e materia


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In un sistema isolato, un corpo rinchiusodentro un altro, dopo un certo tempo, rag-giunge la temperatura dell’involucro, anchese sono legati solo il vuoto più spinto.

Ima LEGGE DI KIRCHHOFF:T0

T1

10 TT t10 TT

Equilibrio di radiazione e temperatura


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Il rapporto tra il potere emittente ed il potere assorbente è identico per tutte le superfici alla stessa temperatura, all’equilibrio.

IIda LEGGE DI KIRKHHOFF:

Il caso è particolarmente interessante quando , quindi quando c’è assorbimento totale. La cavità di questo tipo sono chiamate cavità di corpo nero. Quale forma ha W?

1a

),( TWe

Equivalenza tra radiazione e calore all’equilibrio


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Equilibrio di radiazione

La crescita di una pianta puo’ avvenire

in ambienti in equilibrio radiativo. Rimane

sempre un processo endotermico per cui

la radiazione assorbita e’ maggiore

di quella riemessa, anche se la

trasformazione avviene alla temperatura

dell’ambiente circostante.

(caso particolarmente evidente e’ quello

delle piante acquatiche).


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(definizioni da una lezione universitaria sulla fotosintesi)

Il secondo principio della termodinamica afferma che in ogni reazione di un ciclo energetico complesso, come la catena alimentare, una parte dell’energia viene persa.

La maggior parte dell’energia è persa sotto forma di calore inutilizzabile.

Nota: il secondo principio della termodinamica se affermasse solo questo sarebbe superfluo e ci si potrebbe riferire solo al primo principio.


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(da una lezione universitaria sulla fotosintesi)

Le trasformazioni, orientate alla produzione di materia organica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sono processi che non avvengono spontaneamente, ma hanno bisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poter essere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni"endoergoniche"). La luce del Sole, catturata dal pigmento fotosintetico "clorofilla", fornisce appunto l'energia necessaria ad alimentare l'intera serie di reazioni.

Nota: in quale parte del quadrante dei quattro

casi per l’energia libera cade il processo

fotosintetico? In basso a sinistra. Quindi?


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Esperimento di Priestley


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Se vogliamo considerare il vivente come un “sistema termodinamico aperto”

per esso devono valere i principi della termodinamica

Definizioni da un corso universitario di fisiologia

Nota: il vivente e’ troppo complesso per assoggettarlo a quello che vale

per i sistemi di particelle soggetti solo alle leggi di conservazione.

Non viene affatto considerato il ruolo dell’informazione che per il vivente

e’ un elemento fondamentale perche’ definisce gli aspetti finalistici.


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Il vivente è –come minimo- una porzione di materia costituita da un insieme complesso di un grandissimo numero di particelle. Questa porzione di materia, considerata globalmente e non a

livello delle singole particelle, costituisce un “sistema termodinamico”

Da una lezione universitaria di fisiologia

Nota: siamo sicuri che il sistema vivente sia solo questo? E gli aspetti relativi alla

informazione genetica che ruolo giocano? I processi di sintesi delle proteine e

la moltiplicazione cellulare in che modo sono ordinati?


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Il vivente è una macchina chimica (trae la sua energia di esecuzione direttamente dai composti chimici).L’energia chimica è trasferita direttamente da un composto chimico all’altro e solo una frazione è trasformata in calore (che è più che altro un prodotto collaterale)

Il vivente e’ una macchina? (da una lezione universitaria di fisiologia)

Nota: se il vivente e’ una macchina simile alle macchine

prodotte dall’uomo, come mai in natura si trovano tanti tipi

di viventi e non si trovano “macchine “ anche semplicissime

simili agli artefatti opera dell’ingegno umano?


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La spontaneità di un processo è determinata da 2 fattori:

l’aumento del disordine e la diminuzione di energia interna (o entalpia)

È il bilancio dei due fattori che imprime la direzione al processo

Organizzazione molto probabile

Sistema disordinato

DISORDINE

HSistema

ordinatissimo

Nel sistema termodinamico

costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione

elevatissimoOrganizzazione poco probabile:più elevate U e H

Sistema ordinato

Strane osservazioni offerte agli studenti

Nota: Quello che in realta’

si osserva e’ il procedere

della trasformazione in

senso opposto


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L’ENTROPIA S è associata al disordine e il II° principio della termodinamica, secondo il quale nei processi

naturali l’entropia del sistema + quella dell’ambiente esterno tende ad aumentare, equivale ad affermare che

il disordine di (sistema + ambiente) tende ad aumentareH

S

fenomeno spontaneo:diminuzione di H

aumento di S

Organizzazione molto probabile

Sistema disordinato

Sistema ordinatissimo

Nel sistema termodinamico

costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione

elevatissimo

Altre strane osservazioni

Nota: quanto qui

osservato si ha quando la pianta

muore e viene bruciata


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Il vivente cresce e aumenta la sua organizzazione, la sua energia interna U e la sua energia libera G, mentre riduce la sua entropia S

Nota: con questo si afferma esattamente che il vivente (che si era considerato come sistema di particelle) e’ in grado di subire trasformazioni termodinamicamente impossibili, ma non se ne traggono le conseguenze.

U elevataG elevataS ridotta

FlussoEnergeticoEntrante

FlussoEnergeticoUscente

Da una lezione universitaria di fisiologia


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Animated PCR

Used with permission.U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

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Peculiarita’ del vivente: le istruzioni

le peculiarita’ del sistema vivente non permettono di assimilarlo ad un semplice sistema di N particelle. Infatti, per i sistemi viventi, c’e’ un elemento fondamentale intrinseco che non e’ presente nei classici sistemi a N particelle: l’informazione interna codificata (istruzioni).

Siamo quindi in presenza di un sistema con dei “diavoletti di Maxwell” al suo interno in grado di far procedere, durante alcune trasformazioni, il sistema da una configurazione piu’ probabile ad una meno probabile, attribuendo alla variazione di “S”= (K ln W) un valore negativo.


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Istruzioni 1

Alcuni elementi del sistema vivo sono “costretti” ad un comportamento univoco sulla base di istruzioni contenute all’interno del sistema e per farlo necessitano solo di energia o presente gia’ nel sistema, o proveniente dall’ambiente circostante: il sistema e’ aperto.Queste parti del sistema sono immerse in un ambiente di tipo classico dove le parti (acqua, elementi inorganici disciolti e composti organici) si comportano classicamente fin tanto che sono “liberi”, ma possono divenire elementi costituenti di parti del sistema in grado di gestire l’informazione codificata di cui si e’ detto.


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Istruzioni 2

Nel caso classico del paradosso di Gibbs si conclude che la violazione operata dal diavoletto di Maxwell e’ solo apparente, perche’ la verifica del numero di molecole del gas (di cui si parla in questo caso) effettivamente confinate dal diavoletto, necessitano di essere conosciute scambiando informazione con l’osservatore esterno e questo provoca quel dispendio di energia che riporta il bilancio verso un riequilibrio dell’entropia. Ma cosa avviene quando questo scambio di informazione non e’ piu’ necessario? Puo’, in sostanza, il diavoletto di Maxwell evitare di comunicare all’esterno l’esito del suo lavoro? Nel caso del vivente si, perche’ l’informazione e’ generata e gestita totalmente all’interno del sistema.


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Conclusioni

L’efficienza di esecuzione delle istruzioni all’interno di sistemi vivi e’ grandemente superiore a quella che si ha per i sistemi non vivi ad alto contenuto di informazione.

Il fatto che le istruzioni per raggiungere le finalita’ per cui il vivente esiste siano contenute al suo interno, permette ad esso di eludere il secondo principio della termodinamica: F(B)>F(A).


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