BiofizicaCurs 6Elemente de fizica moleculara sicaldura Energia intern. Micarea termic Msura general a diferitelor forme de micare ale materiei (substan sau cmp) este energia. La rndul ei energia apare sub diferite forme n funcie de tipul de micare al materiei: termic (caloric), mecanic, electro-magnetic, luminoas, nuclear, etc.Elemente de fizica moleculara sicaldura Energia intern. Micarea termic Toate sistemele (corpurile) sunt formate din particule aflate ntr-o continu micare. Astfel, sistemul posed energie, numit energie intern (U) care este dat de suma energiilor tuturorformelor de micare i energiile de interaciune a particulelor din sistem (suma tuturor energiilor cinetice de translatie, rotatie, vibratie ale particulelor + energiile potentiale datorate prezentei cmpurilor de forta exterioare) Micarea permanent i dezordonat, dependent de temperatur, a moleculelor unui corp se numete micare de agitaie termic. Aceast micare este dat de energia cinetic a moleculelor. Energia cinetica medie a moleculelor, care, la o concentratie datadeterminapresiunea gazului ideal, este n acelasi timp si o masura a temperaturii, cu att mai mult cu ct energia cinetica medie este independentade numarul moleculelor. Deci energia cinetica medie este o functie ce depinde numai de temperatura T. Pentru un gaz ideal: , Ep neglijabila==niCiE U1 Teoria cinetic a gazelor demonstreaz faptul c energia medie moleculelor este dat de urmtoarea relaie: i - numrul gradelor de libertate ale unei particule fiind egal cu numarul coordonatelor independentenecesarepentru determinarea poziieisalenspaiu i = 3 ( gaz monoatomic); i = 5 (gaz biatomic); i = 7 (gaz triatomic),etc.T KiBc =2cABNRK=ccNotiuni fundamentale termodinamice Termodinamica studiaz proprietile fizice ale sistemelor macroscopice, scond n eviden n special, legile care guverneaz procesele termice. Sistem termodinamic: este un sistem alctuit dintr-un numr foarte mare de particule sau elemente Clasificarea sistemelor termodinamice : izolate, inchise, deschise ( organismele vii ). Parametrii de stare : marimi fizice masurabile (p, V, T) Stare de echilibru: stare stationara cu parametrii constanti.Notiuni fundamentale termodinamice Transformari (procese) termodinamice: trecerea sistemului de la o stare iniial la o stare final .Reversibile = ca trecerea de la starea final a sistemului la cea iniial se realizeaz prin aceleai stri intermediare, dar parcurse n sens inversdect transformareadirect de la starea iniial ( I ) la cea final ( Fireversibile (toate procesele din natura ),= Cnd transformarea FI se realizeaz pe alt cale dect cea corespunztoare transformrii directe IF, Notiuni fundamentale termodinamice Transformari (procese) termodinamice: trecerea sistemului de la o stare iniial la o stare final . Cvasistatice = o succesiune de stri de echilibru . Nestatice Ciclice = n care sistemul evolueaz astfel nct starea final este identic cu cea iniial. Neciclice = cnd cele dou stri I i F sunt diferite sistemul a suferit o transformare neciclic sau deschis. Nu orice transformare cvasistatica estereversibila ( mbatrnirea )Principiile termodinamicii Principiul I principiul conservrii energiei n decursul evoluiei unui sistem izolat, exist anumite mrimi fizice care se conserv (pstreaz mereu aceeai valoare). Acest principiu nu este specific doar termodinamicii. n termodinamic mrimea fizic care se conserv este energia sistemului izolat. Principiul I al termodinamicii poate fi enunat i astfel:Energia intern (U) a unui sistem este o funcie de stare, depinznd doar de strile iniial i final prin care trece sistemul Pe baza Principiului I al termodinamicii s-a formulat legea general de conservare a energiei conform creia:Energia nu poate fi creat i nici distrus, ea poate numai s se transforme dintr-o form n alta, n cantiti echivalente. Ecuaia principiului I va fi: Q este cldura schimbat de sistem cu exteriorul datorit variaiei energiei micrii de agitaie termic (micarea dezordonat) sau variaiei energiilor interaciunilor dezordonate dintre molecule, L este lucrul mecanic schimbat de sistem cu exteriorul, datorit variaiei energiei de micare ordonat a unui ansamblu mare de molecule ale sistemului, care determin deplasri la scar macroscopic.L Q U + = ASistemele biologice Sistemele biologice sunt sisteme deschise, schimburile permanente de substane i energie fiind indispensabile vieii. Astfel variaia energiei interne (AU), a unui sistem, n particular a unui sistem biologic, la trecerea dintr-o stare n alta, va fi dat de bilanul dintre cantitatea de cldur (Q) i toate formele de lucru mecanic(Lm), chimic (Lc), etc. schimbate de sistem cu exteriorul:ecuaia principiului I. .......... + + + = Ac mL L Q UL sau Q cedeaz sistemul dac00 00)`(()`))LQLQL sau Q primeste sistemul dacBilanul energetic al organismelor vii Em este energia preluat din mediu, L este lucrul mecanic efectuat de organism, Q este cldura degajat de organism, Ed este energia depozitat n rezervele organismului Se aplic conservarea energiei numai pentru sistemul nchis format din organismul respectiv mpreun cu mediul su nconjurtor. n cazul organismelor homeoterme toat energia preluat din mediu const din energia chimic a alimentelor.d mE Q L E + + = La nivelul materiei vii, reactiile de oxidare ireversibile termodinamic sunt cele care genereaza caldura. Pentru toate procesele este valabila legea lui Hess : Efectul termic n procesele izocore si izobare nu depinde de calea urmata ci este determinat numai de starea initiala si finala cu alte cuvinte energia consumata pentru obtinerea unei substante depinde doar de tipul elementelelor care o alcatuiesc. Pe baza legii lui Hess se poate calcula cantitatea de caldura produsa la consumarea unei cantitati de alimente. Pentru aceasta este necesar sa se cunoasca cantitatea de caldura degajata la oxidarea aceleiasi cantitati de alimente.Coeficientul izocaloric Cldura (energia caloric) reprezint o form degradat de energie. n orice proces, o parte din energie se disip sub form de cldur. Coeficientul izocaloric : cantitatea de energie ( n kcal ) care se degaja la arderea a 1g de substanta. 1. Coeficient izocaloric fizic: energia degajata la arderea a 1g de substanta n bomba calorimetrica unde rezulta H2O + CO2. 2. Coeficient izocaloric fiziologic: energia degajata la descompunerea a 1g de substanta pna la produsii finali ( n organism nu rezulta H2O + CO2 ). 3. Coeficient izocaloric practic: energia degajata prin digerarea a 1g alimente o parte din alimentele consumate nu se digera si sunt partial eliminate; digerabilitatea variaza, n functie de aliment, ntre 50% - 90%.Valori ale coeficientilor izocalorici pentru cteva categorii desubstanteTipul deSubstanta/Coeficient izocaloricGlucide Lipide ProteineFizic 4,1 9,3 5,6Fiziologic 4,1 9,3 4,1Practic 3,83 8,65 3,68Principiul al II-lea (al creterii entropiei) Nu este posibil un proces termodinamic n care ntreaga cantitate de cldur absorbit de sistem s fie transformat total n lucru mecanic. Toate procesele spontane dintr-un sistem izolat se desfoar n sensul scderii lucrului mecanic pe care acest sistem l-ar putea efectua.Parametrii termodinamiciEntropia Pentru exprimarea cantitativ a pierderilor de energie i a tendinei de evoluie spontan a unui sistem termodinamic, se introduce o nou mrime, numit entropie. Energia pierdut sub form de cldur, cnd un sistem efectueaz lucrul mecanic (de orice natur) este legat de produsul dintre temperatura absolut T a sistemului i creterea AS a unui parametru de stare S numit entropia sistemului.TQS S T QA= A A = A Pentru un sistem izolat, entropia sa crete n timp, sistemul evolund spre starea de echilibrucaracterizat de entropie maxim, n care toat energia intern a sistemului a fost degradat n cldur, nemaiputnd fi trasformat n lucru mecanic util. Astfel pentru un sistem aflat la temperatura T, din energia sa intern (U) doar o parte poate (AF) fi transformat n lucru mecanic util, numit energie liber (F) a sistemului (sau potential termodinamic).S T U F =Energia liber F msoar capacitatea unui sistem de a efectua lucrul mecanic util (de orice form). n sistemele izolate, n care U = const. Energia liber unui sistem izolat scade, iar entropia sistemul crete O transformare de stare a unui sistem neizolat este: Spontana, daca AF00 ( A F Termodinamica clasic se ocup n special de procesele cvasistatice i de starea de echilibru ale sistemelor nchise. Ea nu poate da relaii cantitative pentru procese naturale, care sunt n general ireversibile i au loc n sistemele deschise. Pentru studiul acestor procese a fost nevoie de o nou dezvoltare a termodinamicii care are ca obiect studiul proceselor naturale. Aceast dezvoltare a permis descoperirea a o serie de legi noi care permit scrierea primelor dou principii ale termodinamicii i pentru procesele ireversibile, care se desfoar n sistemele deschise, naturale. Aceste noi legi exprim proporionalitatea ntre aa-numite foretermodinamice i fluxurile lor corespunztoare. Prin fore termodinamice se neleg cauzele care provoacfenomenele ireversibile, de exemplu gradientul unei marimi A (concentraie, temperatura, etc.) Efectele cantitative ale fenomenelor ireversibile corespunztoare, provocate de forele termodinamice, se numesc fluxuri ; de ex. fluxul de masa, fluxul de cldur etc. D reprezint un coeficient caracteristic fiecrui fenomen. TFTdAF Adx= = VAJ DA = VAJTermodinamica proceselor ireversibileFenomene moleculare de transport Procesele metabolice reprezinta un schimb permanent de substanta, energie si informatie cu mediul exterior, schimburi controlate de mecanismele celulare. Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise (termodinamica Prigogine) influx - transport spre interior eflux - transport spre exterior Cauza fenomenelor de transport: prezenta fortelor termodinamice la suprafete de separare si in interiorul fazelor separate Tendinte: sa diminueze neomogenitatile din sistem cum ar fi: concentraie, densitate, presiune osmotic. Au loc n mod spontan, fr consum de energie (pasiv) conducnd la creterea dezordonrii moleculelor. Fenomenele moleculare de transport sunt datorate miscarii de agitatie termica a moleculelor.Fenomene moleculare de transport Fenomenele de transport pot avea loc i sub aciunea unor cauze externe: diferine de presiune hidrostatic, de cmp electric, magnetic, etc. Aceste deplasri sunt corelate, avnd loc o deplasare relativ ordonat a ansamblului tuturor particulelor, numindu-se drift. Fenomenele moleculare de transport prezint importan deosebit pentru viaa plantelor i animalelor, desfurndu-se fr consum de energie metabolic (transport pasiv). Din aceast categorie un rol deosebit l au difuzia i osmoza.Fenomenul de difuzie Difuzia pasiv reprezint fenomenul de transport pasiv, datorat agitaiei termice, a unor particule din zonele de concentraie sau densitate mai mari spre zonele cu valori mai mici ale acestor mrimi, printr-un mediu suportomogen. Se numete flux cantitatea de substan, sarcin, energie, etc. transportat printr-o suprafa n unitatea de timp. Exemple de flux: Flux de mas: (la limit:), Flux molar: (la limit:).tmAAdtdmt AAvdtdvFenomenul de difuzie Gradientul, n mod simplificat semnific variaia unei mrimi ntre dou puncte ale spaiului raportat la distana dintre puncte(n fiecare punct va arta direcia n care marimea crete cel mai repede): n cazul difuziei se folosesc: x xcAAAA ,kzMjyMixMM M grad cc+cc+cc= V =Fenomenul de difuzieC 1C 2C 1CC2x1x2xLegile lui Fick (difuziei) Legea I a lui Fick: Fluxul de mas printr-o suprafa E este direct proporional cu aria S a suprafeei i cu gradientul densitatii . D coeficient de difuzie ( ), - densitatea moleculelor difuzante.xS DtmAA =AAE v == = CV VmxCS Dt AA =AAEvs m /2 Legea a II-a a lui Fick: Variaia temporal a concentraiei, n oricare punct al soluiei, este proporional cu variaia spaial a gradientului concentraiei. Experimental s-a constatat c D variaz direct cu temperatura, invers proporional cu volumul particulelor care difuzeaz i depinde de forma particulelor.22dxC dDdtdc =Fenomenul de osmoz Fenomen spontan (pasiv) de difuzie a moleculelor de solvent ale unei soluii printr-o membran semipermeabil poart denumirea de osmoz. deplasarea unei cantiti de solvent genereazo diferen de presiune hidrostatic intre compartimente laincetarea difuziei solventului, starea staionar corespunde compensrii celor dou fore termodinamice : presiunea hidrostatic este echilibrat de presiunea osmotic.Membrana semipermeabila = permite trecerea particulelor de solvent (apa), ns nu i a solvitului Presiunea t care apare datorit osmozei solventului prin membrana semipermeabil s.n. presiune osmotici este msurabil prin presiunea hidrostatic (cu ajutorul unui manometru). - densitatea lichidului manometric. Dac asupra soluiei mai concentrate acioneaza opresiune foarte mare din exterior, molecula de solvent traverseaz membrana n mod forat de la soluia mai concentrat spre cea mai diluat; se produce osmoza invers. Acest fenomen are importante aplicaii practice (desalinizarea apei). Ea este ntlnit i la animalele acvatice sau unele psri (pescrui) pentru procurarea apei potabile din apa de mare.h g = t