A. Stefanel: Termodinamica 41 Termodinamica 4 Energia interna e primo principio della termodinamica.
Introduzione alla biofisica Cenni storici e concetti fondamentali · 2016. 1. 22. · Corso di...
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Corso di Biofisica, Università di Cagliari
Introduzione alla biofisica Cenni storici e concetti fondamentali
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Corso di Biofisica, Università di Cagliari
Riferimenti • Books and others • Nelson, chap. 1
• http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/
• http://www.fisicamente.net/DIDATTICA/index-1350.htm
• http://online.scuola.zanichelli.it/chimicafacile/files/2011/02/app13.pdf
• Movies • https://www.youtube.com/watch?v=7-QJ-
UUX0iY&list=PL933F4D318515DDD0&index=11
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Key question Come si crea e si mantiene l’ordine nei sistemi biologici?
Flussi di energia
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Energia: conservazione e conversione • Energia meccanica (cinetica + potenziale): si conserva in mancanza
di attrito.
• Energia termica (calore): dovuta a forze di attrito.
• Energia totale (meccanica + termica): si conserva.
Energia si trasforma da una forma all’altra:
– potenziale in cinetica (dinamica corpi in campo di forze).
– meccanica in termica (e.g. attrito viscoso).
Principi della Termo-dinamica
(anche per energia chimica)
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Energia: conservazione e conversione • Energia meccanica (cinetica + potenziale): si conserva in mancanza
di attrito.
• Energia termica (calore): dovuta a forze di attrito.
• Energia totale (meccanica + termica): si conserva.
Energia si trasforma da una forma all’altra:
– potenziale in cinetica (dinamica corpi in campo di forze).
– meccanica in termica (e.g. attrito viscoso).
Principi della Termo-dinamica
(anche per energia chimica)
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Principi termodinamica 1. La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un
sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull’ambiente:
2. Diversi enunciati: 1. Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo
(formulazione di Clausius).
2. In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile:
3. Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.
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ΔE =Q−W
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Principi termodinamica 1. La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un
sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull’ambiente:
2. Diversi enunciati: 1. Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo
(formulazione di Clausius).
2. In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile:
3. Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.
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dSdt
≥ 0 dS = dQrev
T≥dQT
definizione di processi irreversibili, legati alla
freccia del tempo
ΔE =Q−W
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Principi termodinamica 1. La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un
sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull’ambiente:
2. Diversi enunciati: 1. Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo
(formulazione di Clausius).
2. In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile:
3. Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.
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dSdt
≥ 0 dS = dQrev
T≥dQT
definizione di processi irreversibili, legati alla
freccia del tempo
ΔE =Q−W
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Energia di diversa qualità?
• Il calore è una forma particolare di energia meccanica, è l’energia cinetica dovuta ai moti casuali delle molecole che
costituiscono la materia.
• L’energia meccanica che produce lavoro è “ordinata” (caduta di un grave, funzionamento di una turbina, etc…).
L’organizzazione rende conto di una distinzione fra energia di alta qualità (usata per produrre lavoro) e una di bassa qualità (risultato di conversione parziale di energia di alta qualità)?
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Energia di diversa qualità?
• Il calore è una forma particolare di energia meccanica, è l’energia cinetica dovuta ai moti casuali delle molecole che
costituiscono la materia.
• L’energia meccanica che produce lavoro è “ordinata” (caduta di un grave, funzionamento di una turbina, etc…).
L’organizzazione rende conto di una distinzione fra energia di alta qualità (usata per produrre lavoro) e una di bassa qualità (risultato di conversione parziale di energia di alta qualità)?
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Energia libera Definisce un’energia di alta qualità come la differenza fra
quella totale E e quella “dovuta al disordine”, proporzionale al prodotto tra temperatura e entropia:
• Un sistema a temperatura T può evolvere spontaneamente solo se l’energia libera diminuisce.
• Può avvenire sia tramite riduzione di E (es: caduta di un grave), sia tramite un aumento di S (es: espansione isoterma
di un gas, formazione di soluzioni)
• Alta qualità: TS << E à F ≈ E
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F = E −TS
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Energia libera Definisce un’energia di alta qualità come la differenza fra
quella totale E e quella “dovuta al disordine”, proporzionale al prodotto tra temperatura e entropia:
• Un sistema a temperatura T può evolvere spontaneamente solo se l’energia libera diminuisce.
• Può avvenire sia tramite riduzione di E (es: caduta di un grave), sia tramite un aumento di S (es: espansione isoterma
di un gas, formazione di soluzioni)
• Alta qualità: TS << E à F ≈ E
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F = E −TS
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Come si crea ordine nei sistemi viventi? • Definizione di energia libera e secondo principio
• In un processo che porta a riduzione di F, TS può diminuire a patto che ci sia una diminuzione maggiore in E.
• Non contraddice secondo principio nel caso il sistema non sia isolato (es. può scambiare calore con l’ambiente).
Esempi:
– Condensazione vapore (ΔS < 0, ΔE < 0).
– Interazione materia / campo elettromagnetico.
– Legame chimico.
– Comparsa forme di vita organizzate sulla Terra.
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F = E −TS
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Come si crea ordine nei sistemi viventi? • Definizione di energia libera e secondo principio
• In un processo che porta a riduzione di F, TS può diminuire a patto che ci sia una diminuzione maggiore in E.
• Non contraddice secondo principio nel caso il sistema non sia isolato (es. può scambiare calore con l’ambiente).
Esempi:
– Condensazione vapore (ΔS < 0, ΔE < 0).
– Interazione materia / campo elettromagnetico.
– Legame chimico.
– Comparsa forme di vita organizzate sulla Terra.
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F = E −TS
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Energia libera e ordine
Un flusso di energia che attraversa un sistema può
contribuire a incrementare l’ordine!!!
Trasduzioni di energia libera (anabolismo) in
specie vegetali e animali
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Esempio: Flussi osmotici La trasduzione di energia libera avviene anche in sistemi non viventi,
un’esempio è l’osmosi.
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Flussi osmotici La trasduzione di energia libera avviene anche in sistemi non viventi,
un’esempio è l’osmosi.
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• Dopo inizio scioglimento soluto, flusso d’acqua attraverso membrana semipermeabile verso regione a più alta concentrazione di soluto.
• Può essere utilizzato per compiere lavoro meccanico (ΔUpeso > 0).
• Associato a assorbimento di calore e dunque di entropia del soluto.
• Non dipende dal tipo di soluto, ma solo dalla sua concentrazione (proprietà colligativa)!
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Flussi osmotici osmosi inversa.
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• Tirando il pistone di sinistra si ha un aumento della concentrazione di soluto nella regione destra (osmosi inversa o ultrafiltrazione).
• Il lavoro meccanico consente di aumentare l’ordine, ma parte viene dissipata in calore ceduto all’ambiente circostante.
• Diminuzione entropia del soluto.
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Osmosi in organismi viventi
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Osmosi in organismi viventi
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Reazioni chimiche • Come flussi osmotici, procedono nella direzione di minima
energia:
– Esotermiche: spontanee, liberano calore
• Formazione legame covalente
• Reazioni di isomerizzazione
– Endotermiche: assorbono calore
• Idrolisi dell’acqua tramite flusso corrente elettrica
• Fotocatalisi
In genere necessario superare energia di attivazione
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Transition State Theory
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