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Biofisicoquímica
Presentación
Clase de repaso
Dr. Eduardo Prieto
[email protected]
Dr. Ariel Alvarez
[email protected]
INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA SALUD
UNIVERSIDAD NACIONAL ARTURO JAURETCHE
Av. Lope de Vega 106, Florencio Varela – Buenos Aires – Argentina
¿Qué es la Biofísica?
“Biofísica es una ciencia interdisciplinaria que
utiliza los métodos de la Física para estudiar
sistemas biológicos” ( de Wikipedia)
Utilizar un microscopio para el estudio de las
células ¿es Biofísica?
“Biofísica es todo aquello que los Biofísicos
dicen que es.” 9º Congreso IUPAB , Bristol
(UK) 1985
Las interdisciplinas
• Fisicoquímica
¿Química Física?
Física y Química
• Bioquímica
Biología y Química
¿Química Biológica?
• Biofísica
• Física Biológica
Biología y Física
3
¿Por qué Biofisicoquímica?
F
Q
B
4
Conceptos termodinámicos básicos
• 1. Introducción
• 2. Primer principio de la Termodinámica. Calor
y trabajo. Entalpía
• 3. Segundo principio de la Termodinámica.
Entropía. Energía Libre
• 4. Sistemas abiertos. Potencial Químico
• 5. Termodinámica de las reacciones químicas
Termodinámica: estudio de los procesos de
transferencia y transformación de la energía.
Objetivos:
• describir los estados energéticamente
accesibles
• describir las poblaciones relativas en dichos
estados
• predecir la dirección de los procesos que ligan
estos estados
Variables de estado:
- Intensivas: independientes del tamaño del sistema (presión,
temperatura,…)
-Extensivas: dependen del tamaño del sistema (masa,
volumen,…)
Estado de Equilibrio:
- las variables
de estado no varían en el tiempo
-no existen flujos de materia y/o energía a través de las
fronteras del sistema
Estado estacionario:
- las variables
de estado no varían en el tiempo
-flujos de materia y/o energía a través de las fronteras del
sistema
Tipos de sistemas:
- aislados: no intercambian materia ni energía con el exterior
- cerrados: pueden intercambiar energía, pero no materia
- abiertos: pueden intercambiar materia y energía
Procesos reversibles e irreversibles
- reversible: se pasa del estado inicial al final a través de
cambios infinitesimales. El proceso se puede invertir.
- irreversible: cada estado intermedio es mucho más probable
que el anterior: la probabilidad de que el proceso se pueda
invertir es muy pequeña
Primer principio de la termodinámica
• Conservación de la energía:
dU = δQ + δW
• U: energía interna (función de estado)
• W: trabajo realizado por (< 0) o sobre (> 0) el sistema
• Q: cedido (< 0) por el sistema o calor absorbido (> 0)
Trabajo:
describe un desplazamiento contra cualquiera de las
fuerzas que los seres vivos encuentran o generan
dW = Y dX
X: desplazamiento (variable extensiva )
Y: fuerza contra la que se realiza el trabajo (variable intensiva )
Ejemplos
• Mecánico: dW = - p dV (p: presión; V: volumen)
• Eléctrico: dW = ψ dq (ψ: potencial eléctrico; q: carga)
• Químico: dW = μ dn (μ: potencial químico; n: número de
moles)
Entalpía:
H = U - pV
Si sólo existe trabajo p-V y la presión es
constante: dH = dQ
Proceso exotérmico = ΔH < 0
Proceso endotérmico = ΔH > 0
Dirección de los procesos espontáneos:
Segundo principio de la termodinámica
_ ¿El primer principio dice algo de la dirección del
proceso?
_ Si bien se puede transformar todo el trabajo en
calor… ¿Se puede transformar todo el calor en
trabajo?
La respuesta es no
Teorema de Clausius
En un proceso irrreversible
T
Q
T
Q
0
0
Definición de entropía
2
1
En un proceso reversible

 QR
S2  S1 
T

1
0

1
2
 QR
T
y
2
 QR
T


dS 
1
 QR
T
2
 QR
T
0
Flujo entrópico y Creación de entropía
S2  S1 

1
2
 QR
T
y
dS 
 QR
T
En los procesos reversibles
basta conocer el calor intercambiado en función de la
temperatura para conocer la variación de entropía.
La entropía varía sólo debido al flujo de calor, y podemos
considerar que cuando el sistema intercambia Q con el entorno,
intercambia entropía
Llamaremos flujo entrópico en general a
deS=δQe/T
El subíndice "e" alude a "externo", para recordar que esta es la variación de entropía que
se debe a intercambios de calor con el exterior. Y para un proceso reversible deS=dS
Si uno de los caminos anteriores es irreversible

1
2
 QR
T

deS< dS

1
2
 QIrrev
T
0
δQIrrev/T < dS
Entonces diS=dS-deS > 0,
integrando ΔiS=Δ(dS-deS) > 0
Lo que indica que en procesos irreversibles la entropía no solamente crece por intercambio
de calor con el entorno, a este aumento se lo llama creación de entropía
Principio de aumento de entropía
Para un proceso adiabático Q=0 y por tanto no hay flujo de
entropía
ΔiS=ΔS. (en donde i se refiere a cambio interno)
Proceso adiabático reversible ΔiS = 0
Proceso adiabático irreversible ΔiS > 0;
ΔiS < 0 no ocurre nunca en un proceso adiabático.
Si extendemos a un sistema cualquiera de modo que definimos
universo a como el conjunto formado por el sistema más los
alrededores. Como, por definición, los alrededores son aquello
con lo que nuestro sistema intercambia materia o energía,
El universo es por construcción un sistema aislado, por tanto
adiabático, y se le aplica el principio de aumento de entropía.
Como S es extensiva
ΔSUni=ΔS+ΔSa siendo ΔSa el incremento de entropía de los alrededores o
entorno.
Entonces, para cualquier proceso.
Proceso reversible ΔSUni = 0
Proceso irreversible ΔSUni > 0
ΔSUni < 0 no ocurre nunca
Otras definiciones de entropía
Definiciones termodinámicas
Entropía:
Es una variable de estado
cuyo cambio se define por un
proceso reversible en T, y
donde Q es el calor absorbido.
Entropía:
una medida de la cantidad
de energía que no está
disponible para realizar
trabajo.
Definiciones estadisticas
Entropía:
una medida del
desorden de un
sistema.
Entropía:
una medida de la
multiplicidad de un sistema.
De la termodinámica estadística
_ Se puede calcular la energía Interna como
U-U0= (1/N) *Σ ni* Ei
Donde ni es la cantidad de partículas (o proporción del sistema) con energía Ei
_ Por lo que se puede originar un cambio en la energía interna debido a un
cambio en energía (dEi) o por cambio en la población (dni*)
Entonces:
dU-dU0= (1/N) *Σ ni*dEi + (1/N) *Σ Ei *dni
Si recordamos que:
dU-dU0= dQrev + dWrev= TdS + dWrev
Se deduce que: TdS= (1/N) *Σ Ei *dni
dS= (1/TN) *Σ Ei *dni= dQrev
La integral de esta ecuación da que
S= K* ln W*
W: función de probabilidad. Su valor está asociado con el número
de microestados compatibles con el estado macroscópico del sistema
La configuración (c)
representada en la figura
anterior es la que más
microestados accesibles
tiene y por tanto es la de
mayor entropía. El
sistema tratado en este
ejemplo tenderá a estar
en esta configuración
porque es la que mayor
entropía tiene.
La ecuación de la entropía
se encuentra grabada en
la tumba de Boltzmann en
Viena.