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W2017_Lecture_06_reading - Biologia


Matéria e Energia em Biologia

Matéria e Energia

Os conceitos de matéria e energia são essenciais para todas as disciplinas científicas. Nossos objetivos de ensino, no entanto, são ajudar os alunos a desenvolver uma estrutura conceitual que os ajudará a usar os conceitos de matéria e energia para:

  • descrever com sucesso reações e transformações biológicas;
  • criar modelos e hipóteses de “como as coisas funcionam” em biologia que incluam explicitamente matéria e energia e;
  • ser cientificamente correto e transferível para novos problemas e para outras disciplinas.

Embora possa haver algumas equações relacionadas à energia para aprender e usar no BIS2A, o foco principal do curso será no desenvolvimento robusto dos conceitos de energia e matéria e seu uso na interpretação de fenômenos biológicos.

Motivação para aprender sobre matéria e energia

As discussões sobre matéria e energia deixam muitos, mas não todos, os alunos do BIS2A um pouco apreensivos. Afinal, não são esses tópicos que pertencem à química ou à física? No entanto, as transformações da transferência de matéria e energia não são fenômenos reservados aos químicos e físicos ou mesmo aos cientistas e engenheiros em geral. Compreender, conceituar e fazer alguns cálculos básicos de transformações da matéria e transferências de energia são habilidades fundamentais, independentemente da ocupação ou formação acadêmica. O cientista pode precisar de descrições mais rigorosas e sistemáticas dessas transformações do que o artista, mas ambos fazem uso dessas habilidades em vários pontos de suas vidas pessoais e / ou profissionais. Veja os seguintes exemplos:

Exemplo 1: Transformação de matéria e energia no aquecimento global

Consideremos por um momento um tópico que afeta a todos nós, o aquecimento global. Em seu núcleo está um modelo relativamente simples que se baseia em nossa compreensão da energia na radiação solar, a transferência dessa energia com a matéria na Terra e o papel e o ciclo dos principais gases contendo carbono na atmosfera terrestre. Em termos simples, a energia solar atinge a terra e transfere energia para sua superfície, aquecendo-a. Parte dessa energia é transferida de volta para o espaço. No entanto, dependendo da concentração de dióxido de carbono (e outros chamados gases de efeito estufa), diferentes quantidades dessa energia podem ficar "presas" na atmosfera da Terra. Muito pouco dióxido de carbono e relativamente pouca energia / calor são aprisionados - a Terra congela e se torna inóspita para a vida. Muito dióxido de carbono e muito calor são aprisionados - a Terra superaquece e se torna inóspita para a vida. É lógico, portanto, que os mecanismos (biológicos ou outros) que influenciam os níveis de dióxido de carbono na atmosfera podem ser importantes a serem considerados na história do aquecimento global e que o desenvolvimento de uma boa compreensão dos fenômenos do aquecimento global requer que se rastreie o fluxo de carbono e oxigênio (matéria) através de suas diferentes formas e os mecanismos pelos quais a energia é transferida de e para os diferentes componentes do sistema.

Exemplo 2: Contração muscular

Consideremos agora um exemplo mais pessoal, a flexão de um braço partindo de uma posição estendida e terminando em uma posição flexionada. Como a maioria dos processos, este pode ser descrito e compreendido em vários níveis de detalhes: do ponto de vista anatômico, onde o sistema consiste de músculos, pele e ossos, até o molecular, onde o sistema é composto de biomoléculas individuais interagindo. Em qualquer nível de detalhe, se quisermos criar uma história descrevendo esse processo, sabemos que: (a) a descrição deve incluir uma explicação para o que aconteceu com a matéria no sistema (isso inclui a mudança na posição das moléculas que compõem as várias partes do braço e o combustível "queimado" para movê-lo) e (b) que algum combustível foi queimado para iniciar o movimento e, portanto, que qualquer descrição do processo também deve incluir uma mudança contábil na energia do sistema . Em termos mais simples, isso é realmente apenas dizer que se você deseja descrever um processo onde algo aconteceu, você precisa descrever o que aconteceu com as "coisas" no sistema e o que aconteceu com a energia no sistema para fazer o processo acontecer .

Não podemos cobrir todos os exemplos de transferência de matéria e energia em BIS2A. Mas, vamos explorar essas questões com frequência e praticar a descrição das transformações que acontecem na Natureza com uma atenção estruturada e explícita ao que está acontecendo com a matéria e a energia em um sistema conforme ele muda. Faremos esse exercício em diferentes níveis estruturais da biologia, desde o nível molecular (como uma única reação química) até modelos mais em grande escala e abstratos, como o ciclo de nutrientes no meio ambiente. Vamos praticar essa habilidade usando uma ferramenta pedagógica que chamamos de “A História da Energia”. Esteja preparado para participar!

The Energy Story

Visão geral da história de energia

Quer saibamos ou não, contamos histórias que envolvem matéria e energia todos os dias, mas não costumamos usar terminologia associada a discussões científicas sobre matéria e energia.

Exemplo 1

A configuração: uma declaração simples com detalhes implícitos
Você conta ao seu colega de quarto uma história sobre como você chegou ao campus, dizendo: "Eu fui de bicicleta para o campus hoje". Nesta declaração simples estão várias suposições que são instrutivas para desempacotar, mesmo que possam não parecer muito críticas para incluir explicitamente em uma conversa casual entre amigos sobre as opções de transporte.

A reinterpretação de um estranho do processo
Para ilustrar isso, imagine um observador externo, por exemplo, um ser alienígena observando as idas e vindas dos humanos na Terra. Sem o benefício de saber muito dos significados implícitos e suposições razoáveis ​​que estão enterrados em nossa linguagem, a descrição do alienígena da viagem matinal de bicicleta seria bem diferente da sua. O que você descreveu de forma eficiente como "bicicleta para o campus" pode ser mais especificamente descrito pelo alienígena como uma mudança na localização de um corpo humano e sua bicicleta de um local (o apartamento, denominado posição A) para um local diferente (a universidade, denominado posição B). O alienígena pode ser ainda mais abstrato e descrever a viagem de bicicleta como o movimento da matéria (o corpo humano e sua bicicleta) entre um estado inicial (no local A) e um estado final (no local B). Além disso, do ponto de vista do alienígena, o que você chamaria de "bicicleta" pode ser mais especificamente descrito como o uso de uma ferramenta de duas rodas que acopla a transferência de energia dos campos elétricos em compostos químicos à aceleração da ferramenta de duas rodas - combinação de pessoa e calor em seu ambiente. Finalmente, enterrado na declaração simples que descreve como começamos a trabalhar também está o entendimento tácito de que a massa do corpo e da bicicleta foram conservadas no processo (com algumas ressalvas importantes que veremos em palestras futuras) e que alguma energia foi convertido para permitir o movimento do corpo da posição A para a posição B.

Nota: Possível discussão:

Os detalhes são importantes. E se você tivesse uma bicicleta totalmente elétrica e a pessoa com quem estava conversando não soubesse disso? Que detalhes importantes isso pode mudar sobre a história “cotidiana” que você contou e que a descrição mais detalhada teria esclarecido? Como a história do alienígena mudou? Em que cenários essas mudanças podem ser relevantes?

Como esta história simples ilustra, independentemente de muitos fatores, o ato de criar uma descrição completa de um processo inclui algum relato do que aconteceu com a matéria, o que aconteceu com a energia e quase sempre alguma descrição de um mecanismo que descreve como as mudanças na matéria e a energia de um sistema foi produzida.

Para praticar esta habilidade, em BIS2A vamos fazer uso de algo que gostamos de chamar de "A História da Energia". Você pode ser solicitado a contar uma "história de energia" em sala de aula, para praticar contando histórias de energia em seus guias de estudo de palestras e para usar o conceito em seus exames. Nesta seção, enfocamos principalmente a introdução do conceito de uma história de energia e a explicação de como contá-la. É importante notar que o termo "história de energia" é usado quase exclusivamente em BIS2A (e tem um significado específico nesta aula). Este termo preciso não aparecerá em outros cursos na UC Davis (pelo menos no curto prazo) ou, se aparecer, provavelmente não será usado da mesma maneira. Você pode pensar em “The Energy Story” como uma abordagem sistemática que cria uma declaração ou história que descreve um processo ou evento biológico. Seus instrutores BIS2A deram a essa abordagem um nome curto de "história de energia", para que todos possamos associá-la ao exercício comum. Dessa forma, quando o instrutor pede à classe para contar ou construir uma história de energia, todos sabem o que ela significa.

Definição 1: História de Energia

Uma história de energia é uma narrativa que descreve um processo ou evento. Os elementos críticos desta narrativa são:

  1. Identificar pelo menos dois estados (por exemplo, início e fim) no processo.
  2. Identificar e listar o assunto no sistema e seu estado no início e no final do processo.
  3. Descrever a transformação da matéria que ocorre durante o processo.
  4. Contabilizando a “localização” da energia no sistema no início e no final do processo.
  5. Descrever a transferência de energia que ocorre durante o processo.
  6. Identificar e descrever mecanismo (s) responsáveis ​​por mediar a transformação da matéria e transferência de energia.

Uma história de energia completa incluirá uma descrição dos reagentes iniciais e seus estados energéticos, bem como uma descrição dos produtos finais e seus estados energéticos após o processo ou reação ser completado.

Nota: Possível discussão:

Argumentamos que a história da energia pode ser usada para comunicar todos os detalhes úteis necessários para descrever quase todos os processos. Você consegue pensar em um processo que não pode ser descrito adequadamente por uma história de energia? Em caso afirmativo, descreva esse processo.

Exemplo 2: Exemplo de história de energia

Suponhamos que estejamos falando sobre o processo de dirigir um carro do "Ponto A" ao "Ponto B" (veja a figura).

Figura 1: Esquema de um carro movendo-se na partida da posição "Ponto A" para a posição "Ponto B" no final. O retângulo azul representado na parte de trás do carro representa o nível de gasolina, a linha roxa ondulada perto do tubo de escapamento representa o escapamento, linhas azuis onduladas no topo do carro representam vibrações sonoras e o sombreado vermelho representa áreas que são mais quentes do que em o começo.

Fonte: Criado por Marc T. Facciotti (Obra do próprio) Um carro se move do ponto A para o ponto B

Vamos examinar a rubrica da Energy Story:

1. Identificar pelo menos dois estados (por exemplo, início e fim) no processo.
Neste exemplo, podemos identificar facilmente dois estados. O primeiro estado é o carro parado no "Ponto A", o início da viagem. O segundo estado, após a conclusão do processo, é o carro parado no "Ponto B".

2. Identificar e listar o assunto no sistema e seu estado no início e no final do processo.
Neste caso, primeiro observamos que o "sistema" inclui tudo na figura - o carro, a estrada, o ar ao redor do carro, etc.

É importante entender que vamos aplicar a lei física da conservação da matéria. Ou seja, em qualquer um dos processos que discutiremos, a matéria não é criada ou destruída. Pode mudar de forma, mas deve-se ser capaz de dar conta de tudo no final de um processo que estava lá no início.

No início do processo, a questão no sistema consiste em:
1. O carro e todas as coisas nele
2. O combustível no carro (uma coisa especial no carro)
3. O ar (incluindo oxigênio) ao redor do carro.
4. A estrada
5. O motorista

Ao final do processo, a matéria no sistema é distribuída da seguinte forma:
1. O carro e todas as coisas nele estão em um novo lugar (vamos supor, além do combustível e da posição, que nada mais mudou)
2. Há menos combustível no carro e ele também está em um novo lugar
3. O ar mudou - agora tem menos oxigênio molecular, mais dióxido de carbono e mais vapor de água.
4. A estrada (vamos supor que não mudou - a não ser algumas pedras que se moveram)
5. A motorista (vamos supor que ela não mudou - embora veremos no final do semestre que ela mudou (pelo menos um pouco) .Mas, a motorista agora está em um lugar diferente.

3. Descrever a transformação da matéria que ocorre durante o processo.

O que aconteceu com o assunto neste processo? Graças a muitas suposições simplificadoras, vemos que duas grandes coisas aconteceram. Primeiro, o carro e seu motorista mudaram de posição - eles foram do "Ponto A" para o "Ponto B". Em segundo lugar, notamos que algumas das moléculas no combustível, que costumavam estar no carro como um líquido, mudaram de forma e agora estão principalmente na forma de dióxido de carbono e vapor de água (uma gota roxa saindo do tubo de escape). Algumas das moléculas de oxigênio que ficavam no ar agora também estão em um novo lugar, como parte do dióxido de carbono e da água que saíram do carro.

4. Contabilizar a “localização” da energia no sistema no início e no final do processo.
É novamente importante entender que vamos invocar a lei física da conservação de energia. Ou seja, estipulamos que a energia no sistema não pode ser criada ou destruída e, portanto, a energia que está no sistema no início do processo ainda deve estar lá no final do processo. Pode ter sido redistribuído, mas você deve ser capaz de contabilizar toda a energia.

No início do processo, a energia no sistema é distribuída da seguinte forma:
1. A energia ligada às associações entre os átomos que constituem a matéria do carro.
2. A energia ligada às associações entre os átomos que constituem o combustível.
3. A energia ligada às associações entre os átomos que constituem o ar.
4. A energia ligada às associações entre os átomos que constituem a estrada.
5. A energia ligada às associações entre os átomos que constituem o driver.
6. Para todas as coisas acima, também podemos dizer que há energia nos movimentos moleculares dos átomos que constituem a substância.

No final do processo, a energia no sistema é distribuída da seguinte forma:
1. Para todas as coisas acima, também podemos dizer que há energia nos movimentos moleculares dos átomos que compõem o material.

Isso é interessante em certo sentido porque as listas são quase as mesmas. Sabemos que a quantidade de energia armazenada no carro diminuiu porque há menos combustível. Algo deve ter acontecido.

5. Descrever a transferência de energia que ocorre durante o processo.
No exemplo particular, é a transferência de energia sobre os componentes do sistema que é mais interessante. Como mencionamos, há menos energia armazenada no tanque de gasolina do carro no final da viagem porque agora há menos combustível. Também sabemos intuitivamente (por experiência de vida real) que a transferência de energia do combustível para outra coisa foi fundamental para mover o carro do "Ponto A" para o "Ponto B". Então, para onde foi essa energia? Lembre-se, ele não simplesmente desapareceu. Deve ter se movido para outro lugar no sistema.

Bem, sabemos que há mais dióxido de carbono e vapor de água no sistema após o processo. Há energia nas associações entre esses átomos (átomos que costumavam estar no combustível e no ar). Portanto, parte da energia que estava no combustível agora está no escapamento. Vamos também tirar proveito de nossa experiência de vida real novamente e afirmar que sabemos que partes do nosso carro ficaram quentes no final da viagem (por exemplo, o motor, a transmissão, as rodas / pneus, o escapamento, etc.). Por enquanto, vamos apenas tocar nossa intuição e dizer que entendemos que fazer algo quente envolve alguma transferência de energia. Portanto, podemos postular razoavelmente que parte da energia do combustível foi (direta ou indiretamente) para aquecer o carro, partes da estrada, o escapamento e, portanto, o ambiente ao redor do carro. Uma quantidade de energia também foi usada para acelerar o carro da velocidade zero para qualquer velocidade que ele viajasse, mas a maior parte dessa energia acabou se esquentando quando o carro parou.

Esta é uma explicação um pouco ondulada e vamos aprender como fazer um trabalho melhor ao longo do trimestre. O ponto principal é que devemos ser capazes de adicionar toda a energia em do sistema no início do processo (em todos os locais onde se encontra) e no final do processo (em todos os locais onde se encontra) e esses dois valores devem ser iguais.

6. Identificar e descrever mecanismo (s) responsáveis ​​por mediar a transformação da matéria e transferência de energia.

Finalmente, é útil tentar entender como essas transformações da matéria e transferências de energia podem ter sido facilitadas. Por uma questão de brevidade, neste exemplo, podemos apenas dizer que houve um dispositivo mecânico complicado (o motor) que ajudou a facilitar a conversão de matéria e transferência de energia sobre o sistema e acoplou isso à mudança na posição do carro. Alguém interessado em motores, é claro, daria uma explicação mais detalhada.

Neste exemplo, fizemos várias suposições simplificadoras para destacar o processo e focar na transformação do combustível. Mas tudo bem. Quanto mais você entende sobre os processos, mais detalhes você pode adicionar. Observe que você pode usar a rubrica Energy Story para descrever sua compreensão (ou procurar falhas em sua compreensão) de quase qualquer processo (certamente em biologia). Em BIS2A, usaremos a Energy Story para obter uma compreensão de processos tão variados como reações bioquímicas, replicação de DNA, a função de motores moleculares, etc.

Importante:

Primeiro: Estaremos trabalhando com muitos exemplos da história da energia ao longo do curso - não sinta que precisa ter domínio sobre este tópico hoje.

Segundo: No entanto, embora seja tentador pensar que tudo isso é supérfluo ou não pertinente ao seu estudo de biologia no BIS2a, deixe isso servir como um lembrete de que seus instrutores (aqueles que estão criando as avaliações intermediárias e finais do curso) o veem como material central. Iremos revisitar este tópico frequentemente ao longo do curso, mas precisamos que você se familiarize com alguns dos conceitos básicos agora.

Este é um material importante e uma habilidade importante a ser desenvolvida - não deixe de estudar porque não "parece" com "biologia" para você hoje. O período acadêmico se move MUITO rápido e será difícil recuperá-lo mais tarde se você não pensar nisso agora.

Energia

A energia é um conceito central em todas as ciências. A energia é uma propriedade de um sistema. Embora não possa ser criado nem destruído, compreender a transferência de energia em torno dos sistemas físicos é um componente-chave para entender como e por que as coisas mudam. Nas seções a seguir, vamos explorar alguns conceitos básicos associados a transformações comuns em biologia e química - a solubilidade de várias biomoléculas, a formação e a quebra de ligações químicas, a transferência de elétrons, a transferência de energia de e para a luz e a transferência de energia como calor. Em sala de aula, muitas das discussões acontecerão no contexto do Energy Story rubrica, então quando consideramos uma reação de transformação, estaremos interessados ​​em definir precisamente o sistema em questão e tentar contabilizar todas as várias transferências de energia que ocorrem dentro do sistema, certificando-nos de que obedecemos a Lei de conservação de energia.

Existem muitos exemplos em que usamos o conceito de energia em nossa vida cotidiana para descrever processos. Um ciclista pode ir de bicicleta ao campus para as aulas. O ato de mover a si mesma e sua bicicleta do ponto A ao ponto B pode ser explicado até certo ponto examinando as transferências de energia que ocorrem. Podemos olhar para este exemplo através de uma variedade de lentes, mas como biólogos, mais do que provavelmente queremos entender a série de eventos que explicam como a energia é transferida das moléculas de comida, para a atividade coordenada conectada de biomoléculas em seu músculo flexionado, e como isso pode finalmente ser conectado ao movimento da bicicleta para levá-la do ponto A ao ponto B. Para fazer isso, precisamos ser capazes de falar sobre as várias maneiras pelas quais a energia pode ser transferida entre as partes de um sistema e onde ela é armazenada ou transferidos para fora do sistema. Na próxima seção, veremos também a necessidade de considerar como essa energia é distribuída entre os muitos microestados (estados moleculares) do sistema e seus arredores.

Como vamos abordar a conceitualização de energia

Em BIS2A, vamos pensar sobre energia com uma metáfora de "coisas". Observe, no entanto, que a energia é NÃO uma substância, é antes um propriedade de um sistema. Mas pensaremos nisso, em certo sentido, como uma propriedade que pode ser armazenada em uma parte de um sistema físico e transferida ou "movida" de um local de armazenamento para outro. A ideia é reforçar as ideias de que a energia mantém sua identidade quando transferida - não está mudando de forma per se. Isso, por sua vez, também nos encoraja a garantir que a energia sempre tenha um lar e que contabilizemos toda a energia em um sistema antes e depois de uma transformação, ela não apenas "se faz" ou se "perde" (ambas as idéias são contraditórias da Lei de Conservação de Energia). Quando a energia está sendo transferida, devemos, portanto, identificar de onde ela vem e para onde está indo - tudo isso! Novamente, não podemos simplesmente perder alguns. Quando a energia é transferida, deve haver algum mecanismo associado a essa transferência. Vamos pensar sobre isso para nos ajudar a explicar alguns dos fenômenos nos quais estamos interessados. Esse mecanismo é parte do "como" que frequentemente estamos interessados ​​em compreender. Finalmente, se falamos de transferência, devemos perceber que ambos os componentes, a parte do sistema físico que cedeu a energia e a parte do sistema que recebeu essa energia, mudaram de seus estados iniciais. Devemos ter certeza de que estamos olhando para todos os componentes de um sistema para mudanças na energia ao examinar uma transformação.

Fontes de energia

Em última análise, a fonte de energia para muitos processos que ocorrem na superfície da Terra vem da radiação solar. Mas, como veremos, a biologia tem sido muito hábil em explorar uma variedade de formas de energia para construir e manter os seres vivos. À medida que avançamos neste curso, exploraremos uma variedade de fontes de energia e as maneiras pelas quais a biologia planejou transferir energia desses combustíveis.

Energia em reações químicas

As reações químicas envolvem uma redistribuição de energia dentro dos produtos químicos que reagem e com seu ambiente. Então, goste ou não, precisamos desenvolver alguns modelos que podem nos ajudar a descrever onde a energia está em um sistema (talvez como ela é "armazenada" / distribuída) e como ela pode ser movida em uma reação. Os modelos que desenvolvemos não serão excessivamente detalhados - no sentido de que não satisfariam um químico ou físico radical com detalhes técnicos - mas esperamos que eles ainda sejam tecnicamente corretos e não formem modelos mentais incorretos que farão com que a obtenção do "refinamentos" mais tarde.

A esse respeito, um dos conceitos-chave a entender é que vamos pensar na transferência de energia entre as partes de um sistema. Tentaremos não pensar nisso como algo transformado. Transferência vs. transformação - isso é importante. Este último dá a impressão de que a energia é uma propriedade que existe em diferentes formas, que é remodelada de alguma forma. Um problema com a linguagem da "transformação" é que é difícil reconciliar-se com a ideia de que a energia está sendo conservada (de acordo com a primeira lei da termodinâmica) se mudar constantemente de forma. Como a entidade pode ser conservada se não é mais a mesma coisa? Além disso, a segunda lei da termodinâmica nos diz que nenhuma transformação conserva toda a energia em um sistema. Se a energia está sendo "transformada", como pode ser conservada?

Então, em vez disso, vamos abordar essa questão transferindo e armazenando energia entre diferentes partes de um sistema e, assim, pensar na energia como uma propriedade que pode ser redistribuída. Espero que isso torne a contabilidade mais fácil.

CUIDADO:

Se vamos pensar em transferir energia de uma parte de um sistema para outra, também precisamos ter cuidado com NÃO tratar a energia como uma substância que se move como um fluido ou "coisa". Em vez disso, precisamos avaliar a energia simplesmente como uma propriedade de um sistema que pode ser medido e reorganizado, mas que não é uma "coisa" nem algo que está em um momento em uma forma e posteriormente em outra.

Uma vez que frequentemente estaremos lidando com transformações de biomoléculas, podemos começar pensando sobre onde a energia pode ser encontrada / armazenada nesses sistemas. Começaremos com algumas idéias e adicionaremos mais a elas posteriormente.

Vamos propor que um lugar onde a energia pode ser armazenada seja no movimento da matéria. Para resumir, daremos um nome à energia armazenada em movimento: energia cinética. As moléculas em biologia estão em movimento constante e, portanto, têm uma certa quantidade de energia cinética (energia armazenada em movimento) associada a elas.

Vamos propor também que existe uma certa quantidade de energia armazenada nas próprias biomoléculas e que a quantidade de energia armazenada nessas moléculas está associada aos tipos e números de átomos nas moléculas e à sua organização (o número e tipos de ligações entre eles). A discussão de exatamente onde a energia é armazenada nas moléculas está além do escopo desta classe, mas podemos aproximar isso sugerindo que um bom proxy está nas ligações. Diferentes tipos de ligações podem estar associados ao armazenamento de diferentes quantidades de energia. Em alguns contextos, este tipo de armazenamento de energia pode ser rotulado energia potencial ou energia química. Com essa visão, uma das coisas que acontecem durante a formação e a quebra de ligações em uma reação química é que a energia é transferida sobre o sistema em diferentes tipos de ligações. No contexto de uma Energy Story, pode-se teoricamente contar a quantidade de energia armazenada nas ligações e movimento dos reagentes e a energia armazenada nas ligações e energia dos produtos.

Em alguns casos, você pode descobrir que, quando soma a energia armazenada nos produtos e a energia armazenada nos reagentes, essas somas não são iguais. Se a energia dos reagentes for maior do que a dos produtos, para onde foi essa energia? Ele teve que ser transferido para outra coisa. Alguns certamente terão se movido para outras partes do sistema, armazenados no movimento de outras moléculas (aquecendo o ambiente) ou talvez na energia associada aos fótons de luz. Um bom exemplo da vida real é a reação química entre a madeira e o oxigênio (reagentes) e sua conversão em dióxido de carbono e água (produtos). No início, a energia do sistema está principalmente nas ligações moleculares do oxigênio e da madeira (reagentes). Ainda resta energia no dióxido de carbono e na água (produtos), mas menos do que no início. Todos nós reconhecemos que parte dessa energia foi transferida para a energia da luz e do calor. Esta reação onde a energia é transferida para o meio ambiente é denominada exotérmico. Em contraste, em algumas reações, a energia será transferida do meio ambiente. Essas reações são chamadas endotérmico.

A transferência de energia para dentro ou para fora da reação do ambiente NÃO é a única coisa que determina se uma reação será espontânea ou não. Discutiremos isso em breve. Por enquanto, é importante se sentir confortável com a ideia de que a energia pode ser transferida entre diferentes componentes de um sistema durante uma reação e que você deve ser capaz de imaginar o rastreamento dela.

Termodinâmica

A termodinâmica se preocupa em descrever as mudanças nos sistemas antes e depois de uma mudança. Isso geralmente envolve uma discussão sobre as transferências de energia e sua dispersão dentro do sistema. Em quase todos os casos práticos, essas análises requerem que o sistema e seus arredores sejam completamente descritos. Por exemplo, ao discutir o aquecimento de uma panela de água no fogão, o sistema pode incluir o fogão, a panela e a água e o ambiente ou arredores podem incluir tudo o mais. Os organismos biológicos são os chamados sistemas abertos; a energia é transferida entre eles e seus arredores.

1ª Lei da Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica trata da quantidade total de energia no universo. Afirma que esta quantidade total de energia é constante. Em outras palavras, sempre houve, e sempre haverá, exatamente a mesma quantidade de energia no universo. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia pode ser transferida de um lugar para outro, mas não pode ser criada ou destruída. As transferências de energia acontecem ao nosso redor o tempo todo. As lâmpadas transferem energia de uma estação de energia elétrica em calor e fótons de luz. Os fogões a gás transferem a energia armazenada nas ligações de compostos químicos em calor e luz. A propósito, calor é a quantidade de energia transferida de um sistema para outro devido a uma diferença de temperatura. As plantas realizam uma das transferências de energia mais úteis biologicamente na Terra: elas transferem energia dos fótons da luz solar para as ligações químicas das moléculas orgânicas. Em cada um desses casos, a energia não é produzida ou destruída e devemos tentar contabilizar toda a energia ao examinarmos algumas dessas reações.

1ª Lei e a História da Energia

A primeira lei da termodinâmica é aparentemente simples. Os alunos geralmente entendem que a energia não pode ser criada ou destruída. No entanto, ao descrever uma história de energia de um processo, eles freqüentemente cometem o erro de dizer coisas como "a energia é produzida a partir da transferência de elétrons do átomo A para o átomo B". Enquanto a maioria de nós vai entender o que o aluno está tentando fazer, as palavras erradas estão sendo usadas. A energia não é feita ou produzida, ela é simplesmente transferida. Para ser consistente com a primeira lei, ao contar uma história de energia, certifique-se de tentar rastrear explicitamente todos os lugares que TODA a energia no sistema no início de um processo vai até o final de um processo.

2ª Lei da Termodinâmica

Um conceito importante em sistemas físicos é o de entropia. Entropy is related to the with the ways in which energy can be distributed or dispersed within the particles of a system. The 2nd Law of Thermodynamics states that entropy is always increasing in a system AND its surroundings (everything outside the system). This idea helps explain the directionality of natural phenomena. In general, the notion is that the directionality comes from the tendency for energy in a system to move towards a state of maximal dispersion. The 2nd law, therefore, means that in any transformation we should look for an overall increase in entropy (or dispersion of energy), somewhere. A idea that is associated with increased dispersion of energy in a system or its surroundings is that as dispersion increases the ability of the energy to be directed towards work decreases.

There will be many examples of where the entropy of a system decreases. To be consistent with the second law, however, we must try to find something else (likely a closely connected system in the surroundings) that must compensate for the "local" decrease in entropy with an equal or greater increase in entropy.

The entropy of a system can increase when:(a) it gains energy; (b) a change of state occurs from solid to liquid to gas; (c) mixing of substances occurs; (d) the number of particles increases during a reaction.

Possível discussão

Does the second law say that entropy is conserved?

Possível discussão

Biological systems, on the surface, see to defy the Second Law of Thermodynamics. Eles não querem. Porque?

Possível discussão

A fine point. The figure above discusses order and disorder and shows that this is somehow related to a change in entropy (ΔS). It is common to describe entropy as a measure of order as a way to simplify the more concrete description relating entropy to the number of states in which energy can be dispersed in a system. While the idea of measuring order to define entropy has some flaws, it is sometimes a useful, if imperfect, proxy. Consider the figure above. Here order serves as a good proxy for approximating the number of ways to distribute energy in the system. Can you describe why this is the case?

Energia livre

If we want to describe transformations, it is useful to have a measure of (a) how much energy is in a system and (b) the dispersal of that energy within the system and, of course, (c) how theses change between the start and end of a process. O conceito de energia livre, muitas vezes referida como energia livre de Gibbs ou entalpia livre (abreviada pela letra G), em certo sentido, faz exatamente isso. A energia livre de Gibbs pode ser definida de várias maneiras interconvertíveis, mas uma útil no contexto da biologia é a entalpia (energia interna) de um sistema menos a entropia do sistema escalada pela temperatura. A diferença na energia livre quando um processo ocorre é freqüentemente relatada em termos da mudança (Δ) da entalpia (energia interna) denotada H, menos a mudança na escala de temperatura (Δ) na entropia, denotada S. Veja a equação abaixo.

[ΔG=ΔH−TΔS]

A energia de Gibbs é freqüentemente interpretada como a quantidade de energia disponível para fazer um trabalho útil. With a bit of handwaving we can interpret this by invoking the idea presented in the section on entropy that states the dispersion of energy (required by the Second Law) associated with a positive change in entropy somehow renders some of the energy that is transferred less useful to do work. Pode-se dizer que isso se reflete em parte no termo T∆S da equação de Gibbs.

Para fornecer uma base para comparações justas de mudanças na energia livre de Gibbs entre diferentes transformações ou reações biológicas, a mudança de energia livre de uma reação é medida sob um conjunto de condições experimentais padrão comuns. The resulting standard free energy change of a chemical reaction is expressed as an amount of energy per mole of the reaction product (either in kilojoules or kilocalories, kJ/mol or kcal/mol; 1 kJ = 0.239 kcal) when measured at a standard pH, temperature, and pressure conditions. Standard pH, temperature, and pressure conditions are generally calculated at pH 7.0, 25 degrees Celsius, and 100 kilopascals (1 atm pressure), respectively. É importante notar que as condições celulares variam consideravelmente em relação às condições padrão e, portanto, o ∆G real dentro de uma célula será consideravelmente diferente daqueles calculados nas condições padrão.

Endergonic and Exergonic Reactions

Reactions that have a ∆G < 0 means that the products of the reaction have less free energy than the reactants. Since ∆G is the difference between the enthalpy and entropy changes in a reaction a net negative ∆G can arise in different ways. The left panel of the figure below shows a common graphical representation an exergonic reaction. Free energy is plotted on the y-axis and the x-axis in arbitrary units shows model for the progress of a reaction. Este tipo de gráfico é denominado diagrama de coordenadas de reação. In the case of an exergonic reaction, depicted below, the chart indicates two key things: (1) the difference between the free energy of the reactants and products is negative and (2) the progress of the reaction requires some input of free energy (shown as an energy hill). Este gráfico não nos diz como a energia no sistema foi redistribuída, apenas que a diferença entre entalpia e entropia é negativa. As reações que têm um ∆G negativo são denominadas reações exergônicas. Essas reações ocorrem espontaneamente. Understanding which chemical reactions are spontaneous is extremely useful for biologists that are trying to understand whether a reaction is likely to "go" or not.

It is important to note that the term spontaneous - in the context of thermodynamics - does NOT imply anything about how fast the reaction proceeds. The change in free energy only describes the difference between beginning and end states NOT how fast that transition takes. This is somewhat contrary to the everyday use of the term which usually carries the implicit understanding that something happens quickly. Por exemplo, a oxidação / ferrugem do ferro é uma reação espontânea. However, an iron nail exposed to air does not rust instantly - it may take years.

A chemical reaction with a positive ∆G means that the products of the reaction have a higher free energy than the reactants (see the right panel of Figure 2). Essas reações químicas são chamadas reações endergônicas, e eles NÃO são espontâneos. Uma reação endergônica não ocorrerá por si mesma, sem a transferência de energia para a reação ou o aumento da entropia em algum outro lugar.

As reações exergônicas e endergônicas resultam em alterações na energia livre de Gibbs. In exergonic reaction the free energy of the products is lower than that of the reactants; meanwhile in endergonic the free energy of the products is higher than that of the reactants. Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

A construção de moléculas complexas, como os açúcares, a partir de outras mais simples é um processo anabólico e endergônico. On the other hand, the catabolic process, such as the breaking down of sugar into simpler molecules is generally exergonic. Like the example of rust above, while the breakdown of biomolecules is generally spontaneous these reactions don’t necessarily occur instantaneously (quickly). Remember, the terms endergonic and exergonic only refer to the difference in free energy between the products and reactants - they don't tell you about the rate of reaction (how fast it happens). A questão da taxa será discutida em seções posteriores.

Um conceito importante no estudo do metabolismo e da energia é o do equilíbrio químico. A maioria das reações químicas é reversível. They can proceed in both directions, often transferring energy into their environment in one direction, and transferring energy in from the environment in the other direction. O mesmo é verdadeiro para as reações químicas envolvidas no metabolismo celular, como a quebra e a formação de proteínas em e a partir de aminoácidos individuais, respectivamente. Os reagentes em um sistema fechado sofrerão reações químicas em ambas as direções até que um estado de equilíbrio seja alcançado. This state of equilibrium is one of the lowest possible free energy and a state of maximal entropy. Equilíbrio in a chemical reaction, is the state in which both reactants and products are present in concentrations which have no further tendency to change with time. Normalmente, esse estado ocorre quando a reação direta prossegue na mesma taxa da reação reversa. NOTE ESTA ÚLTIMA DECLARAÇÃO! Equilibrium means that the relative concentrations of reactants and products is not changing in time BUT it does NOT mean that there is no interconversion between substrates and products - it just means that when reactant is converted to product that product is converted to reactant at an equal rate.

Um rebalanceamento das concentrações de substrato ou produto (adicionando ou removendo substrato ou produto) ou uma mudança positiva na energia livre, normalmente pela transferência de energia de fora da reação, é necessária para mover uma reação fora de um estado de equilíbrio. In a living cell, most chemical reactions do not reach a state of equilibrium - this would require that they reach their lowest free energy state. Portanto, a energia é necessária para manter as reações biológicas fora de seu estado de equilíbrio. In this way, living organisms are in a constant energy-requiring, uphill battle against equilibrium and entropy.

At equilibrium, do not think of a static unchanging system. Instead, picture molecules moving, in equal amounts from one area to another. Aqui, em equilíbrio, as moléculas ainda se movem da esquerda para a direita e da direita para a esquerda. O movimento líquido, entretanto, é igual. Ainda haverá cerca de 15 moléculas em cada lado deste frasco uma vez que o equilíbrio seja alcançado.
Fonte: https://courses.candelalearning.com/...apter/entropy/


Assista o vídeo: W2017 PY04 06 Garcia Rigo (Novembro 2021).