823 matches
-
IV.1.2.8. Principiul al III-lea al termodinamicii Principiul al II-lea al termodinamicii nu face nici o precizare cu privire la comportarea sistemelor în vecinătatea temperaturii de zero absolut (00K) și posibilitatea atingerii acestei temperaturi. Principiul al III-lea al termodinamicii se referă la entropia unui sistem a cărui temperatură tinde la 00 K. Principiul al III-lea al termodinamicii precizează că entropia oricărui sistem la temperatura și ca o consecință nici un sistem nu poate fi răcit la temperatura de 0K
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
precizare cu privire la comportarea sistemelor în vecinătatea temperaturii de zero absolut (00K) și posibilitatea atingerii acestei temperaturi. Principiul al III-lea al termodinamicii se referă la entropia unui sistem a cărui temperatură tinde la 00 K. Principiul al III-lea al termodinamicii precizează că entropia oricărui sistem la temperatura și ca o consecință nici un sistem nu poate fi răcit la temperatura de 0K. IV.1.2.9. Imposibilitatea atingerii temperaturii de zero absolut Din analiza ciclului Carnot rezultă, că randamentul este egal
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
cu temperatura de 0K, aceasta ar echivala cu posibilitatea construcției unui motor monoterm (cu un singur izvor de căldură), adică ar exista posibilitatea construcției unui perpetuum mobile de speța a II-a, fapt interzis de principiul al II-lea al termodinamicii. Studiul unui ciclu Carnot permite și demonstrarea imposibilității atingerii temperaturii de zero absolut. Această demonstrație se face prin reducere la absurd. Să considerăm un ciclu Carnot care evoluează ca în Fig. IV.4, adică temperatura izvorului rece este de T2
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
izvorului rece este de T2 = 0K. Deoarece ciclul Carnot este reversibil și entropia este o funcție de stare, variația totală de entropie în timpul unui ciclu este nulă, adică: 041342312 +∆+∆+∆+∆=∆ SSSSS (transformarea 2-3 este adiabatică) 34∆ (conform principiului al IV-lea al termodinamicii) 41∆S (transformarea 4-1 este adiabatică) Sumând variațiile entropiilor, pentru ciclul întreg se obține ∆S ceea ce contrazice prima relație. Rezultă că pe izoterma de zero absolut 3-4 nu se poate realiza o transformare termodinamică. Deci temperatura de 0K nu este
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
conform principiului al IV-lea al termodinamicii) 41∆S (transformarea 4-1 este adiabatică) Sumând variațiile entropiilor, pentru ciclul întreg se obține ∆S ceea ce contrazice prima relație. Rezultă că pe izoterma de zero absolut 3-4 nu se poate realiza o transformare termodinamică. Deci temperatura de 0K nu este realizabilă. IV.1.3. Căldura animală. Termogeneza Sursa de energie din corpul animalelor este constituită de hrana acestora care, în urma procesului de oxidare, produce căldură. Lavoisier a arătat la sfârșitul secolului al XVIV-lea
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
prin plămâni și secretă salivă. Prin evaporarea apei este frânată la homeoterme ridicarea temperaturii corpului. IV.1.4. Potențiale termodinamice Potențialele termodinamice caracterizează sensul de evoluție a diferitelor procese termodinamice. Din definiția entropiei și a principiului al II lea al termodinamicii rezultă: sau Dar conform principiului I al termodinamicii obținem: 0 (IV.34) ≤−+ TdSpdVdU în cazul unui sistem care evoluează la volum constant, aflat în legatură cu un termostat de temperatură constantă T (o reacție chimică de exemplu), relația de mai
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
este frânată la homeoterme ridicarea temperaturii corpului. IV.1.4. Potențiale termodinamice Potențialele termodinamice caracterizează sensul de evoluție a diferitelor procese termodinamice. Din definiția entropiei și a principiului al II lea al termodinamicii rezultă: sau Dar conform principiului I al termodinamicii obținem: 0 (IV.34) ≤−+ TdSpdVdU în cazul unui sistem care evoluează la volum constant, aflat în legatură cu un termostat de temperatură constantă T (o reacție chimică de exemplu), relația de mai sus poate fi scrisă: UF −= se numește energie
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
entalpie. Relația (IV.37) afirmă că procesele termodinamice care au loc la presiune și temperatură constantă se desfașoară în sensul scăderii entalpiei libere. O schemă simplă ce ilustrează aceste potențiale este dată în Fig.IV.7. Alte aplicații ale principiilor termodinamicii sunt transformările simple ale gazelor care au fost studiate pe larg în liceu. IV.1.5. Producția de entropie în cazul proceselor ireversibile, definiția entropiei este: ceea ce se mai poate scrie sub forma: unde este căldura necompensată. împărțind prin T
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
iar este entropia produsă în timpul desfășurării porcesului ireversibil. Se înțelege că: Putem caracteriza sistemul prin variația entropiei în unitatea de timp și unitatea de volum și să facem notația: σ se numeste producție de entropie. Principiul al II-lea al termodinamicii pentru procese ireversibile se enunță atunci: într-un proces termodinamic ireversibil producția de entropie este pretutindeni și permanent mai mare ca zero (σ > 0). Să găsim în cele ce urmează această producție de entropie. Pentru aceasta să considerăm un proces
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
producția de entropie este pretutindeni și permanent mai mare ca zero (σ > 0). Să găsim în cele ce urmează această producție de entropie. Pentru aceasta să considerăm un proces termodinamic (o reacție chimică de exemplu), pentru care ecuația fundamentală a termodinamicii este: fiind potențialul chimic iar n numărul de particule din compusul i. iµ i Se modifică temperatura sistemului la T ′ , (componenții rămânând aceeași), variația de entropie va fi Sd ′dSdSi −= pentru producția de entropie se găsește: unde am definit fluxurile
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
poate fi scrisă sub forma: Se poate arăta că fluxurile termodinamice sunt proporționale cu forțele termodinamice care le produc. Am arătat deja că, în cazul difuziei, fluxul de substanță este proporțional cu gradientul de concentrație: gradientul de concentrație fiind forța termodinamică ce produce fluxul de substanță. Se poate postula o liniaritate între forțele termodinamice și fluxurile termodinamice, dacă forțele sunt slabe, deci sistemul se află în apropierea echilibrului. se numesc coeficienți fenomenologici și se pot scrie deci sub forma unei matrici
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
numesc coeficienți fenomenologici și se pot scrie deci sub forma unei matrici. Atunci pentru producția de entropie se obține: Teorema Onsager afirmă că factorii Lij sunt simetrici. Teorema Onsager este considerată de unii autori drept principiul al IV-lea al termodinamicii. IV.1.6. Semnificația entropiei. Entropie și ordine Evoluția ireversibilă a sistemelor izolate către starea de echilibru termodinamic poate fi descrisă cu ecuația lui Boltzmann. Boltzmann a avut o idee deosebită de a lega entropia, care este un concept macroscopic
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
către starea de echilibru termodinamic poate fi descrisă cu ecuația lui Boltzmann. Boltzmann a avut o idee deosebită de a lega entropia, care este un concept macroscopic, de proprietățile microscopice dând astfel o interpretare statistică principiului al II-lea al termodinamicii. Să considerăm că avem un gaz aflat într-un cilindru și, cu ajutorul unui perete despărțitor, se comprimă gazul până ce ocupă doar jumătate din volumul cilindrului. Dacă se înlătură peretele despărțitor, gazul revine la starea inițială cuprinzând tot cilindrul. Deosebirea constă
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
finală pozițiile moleculelor sunt mai puțin cunoscute, starea aceasta este mai puțin ordonată. Entropia este deci o măsură a dezordinii în sensul că starea cu dezordinea cea mai mare are entropia mai mare. Stefan Boltzmann a legat entropia de probabilitatea termodinamică prin relația care-i poartă numele: kS = k fiind constanta lui Boltzmann iar P probabilitatea termodinamică care este numărul de microstări corespunzătoare unei macrostări. Sub această formulare entropia are o interpretare statistică, ea fiind cu atât mai mare cu cât
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
o măsură a dezordinii în sensul că starea cu dezordinea cea mai mare are entropia mai mare. Stefan Boltzmann a legat entropia de probabilitatea termodinamică prin relația care-i poartă numele: kS = k fiind constanta lui Boltzmann iar P probabilitatea termodinamică care este numărul de microstări corespunzătoare unei macrostări. Sub această formulare entropia are o interpretare statistică, ea fiind cu atât mai mare cu cât numărul de microstări posibile este mai mare. Deci sensul fizic al noțiunii de entropie este acela
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
naturală și tendința generală de creștere a entropiei (spre o dezordine din ce în ce mai mare) sunt universale. Acesta este motivul pentru care, I. Prigogine, belgian de origine rusă (premiul Nobel pentru chimie în anul 1977) a extins principiul al II-lea al termodinamicii afirmând chiar că “pentru un sistem izolat, viitorul este dat de sensul în care entropia crește”. De altfel, principiul al II-lea al termodinamicii a fost denumit de Prof. H.F. Blum de la Universitatea Princeton ca “săgeată a timpului” în sensul
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
origine rusă (premiul Nobel pentru chimie în anul 1977) a extins principiul al II-lea al termodinamicii afirmând chiar că “pentru un sistem izolat, viitorul este dat de sensul în care entropia crește”. De altfel, principiul al II-lea al termodinamicii a fost denumit de Prof. H.F. Blum de la Universitatea Princeton ca “săgeată a timpului” în sensul că timpul se scurge în sensul creșterii entropiei (timpul, ca și procesele reale din lumea vie, sunt ireversibile). Stephen W. Hawking, unul dintre cei
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
entropiei). Cel mai important exemplu este formarea lanțurilor proteice. Cuplajul proceselor endoterme cu hidroliza ATP este universală în biologie. Dacă celulele ar fi sisteme izolate, ATP n-ar putea da energia liberă necesară derulării reacțiilor exoenergetice. Deci, în aproximația liniară, termodinamica proceselor ireversibile, arată că se pot produce, în sistemele deschise, procese interzise în sistemele închise. Conform legii lui Curie, într-un sistem izotrop, cuplajul între un proces scalar și unul vectorial însă nu se poate realiza. Acest cuplaj este intezis
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
și de transport de substanță între celulă și mediu (și în interiorul celulei), fluxul de substanță fiind un vector iar viteza de reacție fiind un scalar. IV.1.7. 2. Entropia sistemelor vii Imediat după formularea principiului al II-lea al termodinamicii a fost remarcată comportarea diametral opusă a organismelor vii. Erwin Schrodinger, a dat formularea celebră acestor observații, arătând că organismele vii “evită creșterea entropiei”, preluând din exterior entropie negativă (negentropy). Autorul arată că animalele ingeră produși cu entropie scăzută (se
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
diviziune celulară și de dereglări ale sistemelor homeostatice, este un proces de creștere a entropiei organismului, moartea reperezentând momentul când sistemele vii ajung la un grad de dezordine incompatibil cu viața. O altă comportare opusă principiului al II-lea al termodinamicii este aceea legată de evoluția sistemelor vii care se realizează în sensul creșterii complexității structurale, a creșterii ordinii, deci a scăderii entropiei. Organismele vii își complică structura sintetizând macromolecule complexe și organizându-le într-o arhitectură supramoleculară foarte bine definită
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
care se realizează în sensul creșterii complexității structurale, a creșterii ordinii, deci a scăderii entropiei. Organismele vii își complică structura sintetizând macromolecule complexe și organizându-le într-o arhitectură supramoleculară foarte bine definită. Ca urmare, principiul al II-lea al termodinamicii nu este valabil întocmai pentru sistemele vii, pentru că acestea sunt sisteme deschise. Principiul al II-lea al termodinamicii și temodinamica proceselor ireversibile se poate aplica deci sistemelor vii numai dacă se ține cont că acestea sunt sisteme deschise; dezvoltarea acestor
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
complică structura sintetizând macromolecule complexe și organizându-le într-o arhitectură supramoleculară foarte bine definită. Ca urmare, principiul al II-lea al termodinamicii nu este valabil întocmai pentru sistemele vii, pentru că acestea sunt sisteme deschise. Principiul al II-lea al termodinamicii și temodinamica proceselor ireversibile se poate aplica deci sistemelor vii numai dacă se ține cont că acestea sunt sisteme deschise; dezvoltarea acestor sisteme este determinată de o multitudine de factori fizici, chimici și biologici. în sistemele vii se pot produce
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
Evoluția sistemelor chimice și biologice de la cele mai simple la cele mai complexe, constituie unul dintre domeniile care preocupă atât pe fizicieni, chimiști și biologi. Existența structurilor disipative și evoluția temporală a acestora a putut fi explicată pe baza dezvoltării termodinamicii neliniare a proceselor ireversibile de către Prigogine, Glansdorf, Mazur, Ross. Astăzi există teorii care susțin faptul că ireversibilitatea transformărilor chimice a permis materiei o evoluție naturală, de la structuri simple către structuri din ce în ce mai complexe, atunci când structura internă și mediul înconjurător au oferit
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
a sarcomerului pot fixa Ca determinând individual, o reacție de migrare către zona mediană a sarcomerului. Studiul pompei de Ca și a contracției musculare sunt teme de actualitate în care cercetările actuale își aduc o contribuție esențială. IV.2.4. Termodinamica contracției musculare în timpul contracției musculare se efectuează lucru mecanic pe seama consumului de energie al mușchiului. Conform principiului I al termodinamicii, variația elementară a energiei interne a mușchiului este egală cu suma dintre căldura schimbată cu exteriorul, variația de energie chimică
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]
-
și a contracției musculare sunt teme de actualitate în care cercetările actuale își aduc o contribuție esențială. IV.2.4. Termodinamica contracției musculare în timpul contracției musculare se efectuează lucru mecanic pe seama consumului de energie al mușchiului. Conform principiului I al termodinamicii, variația elementară a energiei interne a mușchiului este egală cu suma dintre căldura schimbată cu exteriorul, variația de energie chimică ce ia parte la proces și lucrul mecanic efectuat în exterior. Dacă mușchiul este încărcat cu sarcina F el se
BIOFIZICA by Servilia Oancea () [Corola-publishinghouse/Science/533_a_1006]