BiofisicoquímicaPresentación

Clase de repaso

INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA SALUDUNIVERSIDAD NACIONAL ARTURO JAURETCHE

Av. Lope de Vega 106, Florencio Varela – Buenos Aires – Argentina

Dr. Eduardo Prieto edprieto@quimica.unlp.edu.ar Dr. Ariel Alvarezaariel@iflysib.unlp.edu.ar

¿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 Física y Química ¿Química Física?

• Bioquímica Biología y Química ¿Química Biológica?

• Biofísica Biología y Física• Física Biológica

3

4

F

QB

¿Por qué Biofisicoquímica?

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 decambios infinitesimales. El proceso se puede invertir.

- irreversible: cada estado intermedio es mucho más probableque el anterior: la probabilidad de que el proceso se puedainvertir 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 lasfuerzas 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)

H = U - pV Si sólo existe trabajo p-V y la presión es

constante: dH = dQ

Proceso exotérmico = ΔH < 0

Proceso endotérmico = ΔH > 0

Entalpía:

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 ClausiusEn un proceso reversible

Definición de entropía

0

Q

T0

Q

T

0RQ

T

1

2

2 1

1 2

0R RQ Q

T T

2

2 11

RQS ST

RQdS

T

y

En un proceso irrreversible

Flujo entrópico y Creación de entropía

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

2

2 11

RQS ST

RQdS

T

y

Si uno de los caminos anteriores es irreversible

δQIrrev/T < dS

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

deS< 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

2 1

1 2

0

IrrevR QQ

T T

Principio de aumento de entropíaPara 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 = 0Proceso 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 tantoadiabático, 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 > 0ΔSUni < 0 no ocurre nunca

Otras definiciones de entropía

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.

Entropía:una medida del desorden de un sistema.

Entropía:una medida de la multiplicidad de un sistema.

Definiciones termodinámicas

Definiciones estadisticas

De la termodinámica estadística

_ Se puede calcular la energía Interna como

U-U0= (1/N) *Σ ni* EiDonde 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 númerode 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.