Elemente de termodinamica biologica

ELEMENTE DE TERMODINAMICA BIOLOGICA

1. Notiuni generale

2. Principiul I al termodinamicii

3. Aplicarea principiului I al termodinamicii in biologie

4. Principiul II al termodinamicii

5. Elemente de termodinamica proceselor ireversibile

6. Aplicarea principiului al II-lea al termodinamicii in biologie

1. NOTIUNI GENERALE

Definitie. In acceptiunea originala, termodinamica este acea ramura a fizicii care se ocupa de relatiile intre caldura (Q) si lucru mecanic (L), dar, intr-un sens mai larg, ea este stiinta care studiaza transformarile reciproce ale diferitelor forme de energie in sistemele naturale si in cele construite de om. Termodinamica biologica se ocupa cu studiul transformarilor de energie in sistemele biologice.

Sisteme termodinamice

Sistem - ansamblu de componente aflate in interactiune, delimitat de mediul extern care il inconjoara.

Sistem termodinamic - sistem macroscopic alcatuit dintr-un numar foarte mare de particule (atomi si molecule), aflate in interactiune energetica atat intre ele cat si cu mediul exterior.

Clasificarea sistemelor termodinamice

-deschise - schimba cu exteriorul atat energie cat si substanta

- inchise - schimba cu exteriorul numai energie

- izolate - nu au nici un fel de schimburi cu exteriorul, de care sunt separate prin pereti adiabatici.

Sistemul izolat este o abstractizare, caz limita, util numai pentru simplificarea unor rationamente. In natura nu exista sisteme izolate.

Starea sistemului termodinamic - este reprezentata de totalitatea parametrilor sai de stare care sunt marimi fizice masurabile).

Parametrii de stare sunt de doua feluri:

- intensivi - au in orice punct al sistemului valori definite, care nu depind de dimensiuni (presiunea, concentratia, temperatura);

- extensivi - depind de dimensiunile sistemului si de cantitatea de substanta existenta in sistem (volumul, masa, numarul de moli).

Starea de echilibru termodinamic - este caracterizata de urmatoarele proprietati:

- parametrii de stare sunt constanti in timp;

- parametrii intensivi sunt constanti in spatiu (omogenizare);

- dezordinea este maxima (entropia termodinamica este maxima);

- schimburile de energie si substanta, atat intre componentele sistemului, cat si cu mediul inconjurator inceteaza;

- producerea de entropie inceteaza.

Starea stationara se caracterizeaza prin urmatoarele

- parametrii locali sunt constanti in timp;

- parametrii intensivi nu sunt constanti in spatiu;

- schimburile de substanta si energie intre componentele sistemului si cu mediul extern nu inceteaza;

- producerea de entropie este minima, fara a fi egala cu zero.

Procese termodinamice - treceri ale sistemului termodinamic de la o stare (stationara sau de echilibru termodinamic) la alta stare (stationara sau de echilibru termodinamic) prin modificarea in timp a parametrilor termodinamici. Ele pot fi :

- reversibile - sunt procese cvasistatice; in orice moment sistemul este in echilibru termodinamic. Daca se schimba semnul parametrilor termodinamici, sistemul evolueaza de la starea finala spre starea initiala pe acelasi drum;

- ireversibile - sunt, in general, procese necvasistatice. Revenirea la starea initiala (daca este posibila) se face pe alt drum si pe seama unei interventii active din exterior (nu poate decurge de la sine).

2. PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII

In urma esecurilor de a construi o masina care, odata pornita, sa functioneze la nesfarsit fara a consuma energie (perpetuum mobile de speta I-a) s-a ajuns la concluzia ca nu se poate "crea" energie, ci pentru furnizarea unei energii este necesara consumarea alteia. In 1840, H. Hess a formulat regula dupa care caldura eliberata sau absorbita intr-o reactie chimica nu depinde de etapele intermediare prin care poate decurge aceasta reactie ci numai de starea initiala si cea finala a reactantilor. Intre 1842 si 1850 o serie de cercetatori (J.R. Mayer, J. Joule, H. Helmholtz) au descoperit echivalenta dintre lucru mecanic si energie si au determinat echivalentul mecanic al caloriei.

Principiul I al termodinamicii sau principiul conservarii energiei, postuleaza existenta unui parametru caracteristic oricarui sistem, numit energie interna (U) a sistemului, parametru care exprima capacitatea totala a sistemului de a efectua actiuni de orice tip si are o valoare bine determinata in fiecare stare a sistemului. Conform unei alte formulari a principiului I, variatia energiei interne a unui sistem la trecerea dintr-o stare in alta (DU) este egala cu suma algebrica dintre cantitatea de caldura (Q) si toate formele de travaliu (mecanic, chimic, osmotic, electric etc) schimbate de acest sistem cu exteriorul.

DU = Q + S L_i

sau conform conventiei de semn in care se considera negativ lucrul mecanic primit si pozitiva caldura primita:

DU = Q - S L_i

Intr-o alta formulare, care se refera la sistemele izolate, principiul I se enunta astfel: in orice proces care are loc intr-un sistem izolat nu se pierde, nu se creeaza energie, ci aceasta trece dintr-o forma in alta si de la o parte a sistemului la alta. Deci, in sistemul izolat:

DU = 0

Energia interna a unui sistem reprezinta suma energiilor cinetice si potentiale ale particulelor ce alcatuiesc sistemul (in aceasta nu este inclusa energia cinetica si potentiala a sistemului, luat ca intreg, in raport cu exteriorul). Cantitatea de caldura Q reprezinta variatia energiei interne prin miscari dezordonate ale moleculelor (agitatie termica), iar lucrul mecanic L - variatia energiei interne prin miscari ordonate la scara macroscopica (variatii de volum contra unei presiuni exterioare, variatii de suprafata contra unei tensiuni superficiale, transport de sarcina electrica intr-o diferenta de potential etc.)

In cursul transformarilor chimice, variatia energiei interne poate fi masurata in mod practic prin intermediul schimbului de caldura al sistemului considerat cu exteriorul, atunci cand acesta nu efectueaza nici un lucru mecanic, volumul sau ramanand constant (intr-un proces izocor).

Entalpia

Pentru procesele care au loc in atmosfera libera, asa cum sunt cele din sistemele biologice, presiunea este constanta (conditii izobare). In acest caz, in locul energiei interne U se introduce marimea numita entalpie, H:

Daca scriem expresia principiului I:

DU = Q - L = Q - pD