Caldura, lucrul mecanic si variatia energiei interne

Caldura, lucrul mecanic si variatia energiei interne

v     Marimea care exprima cantitativ capacitatea unui sistem de a efectua lucru mecanic se numeste energie.

v     In sistemele cu care opereaza bioenergetica exista diferite tipuri de energie:

mecanica, termica, electrica, chimica etc.

OBS. Fiecare tip de energie are o expresie specifica.

EX. In mecanica, energia cinetica a unui corp are expresia:

E_c = mv²

Termodinamica biologica → studiul transformarilor de energie in sistemele biologice.

OBS.

v     Intr-un sistem termodinamic izolat, aflat in echilibru, energia acestuia nu se modifica, sistemul nerealizand un transfer de energie spre exterior sau din exterior spre interior, energia sistemului ramanand constanta la o anumita valoare.

v     Sistemele biologice fiind sisteme deschise, schimburile permanente de energie si substanta cu exteriorul sunt indispensabile pentru desfasurarea ansamblului de procese care reprezinta viata.

I. Caldura (Q) este o forma de energie datorita careia se modifica energia cinetica a moleculelor supuse miscarii haotice de agitatie termica.

OBS.

v     Intre caldura primita sau cedata de un sistem (Q) si variatia de temperatura (ΔT) exista o stransa legatura.

v     Caldura poate fi corelata cu variatia de temperatura ΔT prin relatiile:

Q = C ΔT

Q = m c ΔT

Q = ν C_ν ΔT

v     Daca schimbul de caldura se realizeaza la presiune constanta (Q_p) se utilizeaza c_p si C_p sau daca schimbul de caldura se realizeaza la volum constant (Q_v), c_v si C_v.

Unitate de masura:

[Q] = 1J

1 kcal = 4185,5 J

DEF.

Kilocaloria reprezinta cantitatea de caldura necesara unui kilogram de apa distilata pentru a-i ridica temperatura cu un grad, de la 19,5 la 20,5C.

II. Lucrul mecanic (L) este o forma de energie care intr-o transformare reversibila se poate converti integral in energie cinetica sau potentiala la nivel macroscopic.

Din mecanica L =

EXP.

• Presupunem ca avem un cilindru mobil cu piston in interiorul caruia se afla un gaz. Incalzind gazul, el se dilata, isi mareste volumul si impinge pistonul cu o forta de presiune F (F = p S), deplasandu-l pe distanta d, efectuand un lucru mecanic:

L = p S d = p ΔV

III. Energia interna (U) reprezinta suma tuturor energiilor cinetice (de oscilatie, rotatie si translatie) datorate miscarilor dezordonate ale particulelor constituente ale unui sistem termodinamic si ale energiilor potentiale de interactiune.

OBS.

• In cazul sistemelor ideale, energia interna depinde de temperatura.
• Energia interna este o marime de stare (variatia ei depinde doar de starile initiala si finala si nu depinde de starile intermediare prin care trece sistemul, ΔU = U₂ - U₁)
• Este o marime aditiva (in cazul reuniunii mai multor sisteme, energia interna a sistemului format este egala cu suma energiilor interne ale sistemelor componente).

Primul principiu al termodinamicii si aplicabilitatea lui in lumea vie

• Principiul I al termodinamicii reprezinta o lege de conservare a energiei aplicata la procesele termice.
• Intr-un sistem fizic izolat, in care au loc procese mecanice si termice, energia totala a sistemului se conserva.
• Pentru sistemele inchise dar neizolate (exista schimb de energie cu exteriorul), primul principiu al termodinamicii exprima din punct de vedere cantitativ dependenta care exista intre variatia energiei interne ΔU si celelalte doua forme de schimb de energie: lucrul mecanic L si cantitatea de caldura Q.

Cantitatea de caldura primita de un sistem duce la variatia energiei interne a sistemului si la efectuarea de catre sistem a unui lucru mecanic asupra mediului exterior.

Matematic, primul principiu al termodinamicii se exprima sub forma:

Q = L + ΔU

In cazul sistemelor vii, care sunt sisteme deschise, transferul de energie intre sisteme si mediul inconjurator se realizeaza si prin schimb de substanta, iar in acest caz, o data cu schimbul de molecule se transfera si toate formele de energie asociate cu acestea.

• Organismele vii sunt sisteme a caror energie interna poate creste sau poate sa scada in functie de diferite conditii, cum sunt varsta, starea fiziologica etc.
• Aplicand primul principiu la transformarile gazului ideal, vom obtine pentru L, Q si ΔU relatiile cuprinse in urmatorul tabel:

Bilantul energetic al organismului

Aplicand unui organism primul principiu al termodinamicii, se obtine urmatorul bilant energetic:

E_m = L + Q + E_d

Unde:

E_m = energia preluata din mediu (aportul energetic)

L = lucrul mecanic efectuat de organism

Q = caldura degajata de organism

E_d = energia depozitata in rezervele organismului

Situatia se simplifica daca se lucreaza in conditii de repaus a organismului:

nu efectueaza lucru mecanic (L = 0) si nu preia energie din mediu (E_m = 0)

In aceste conditii:

E_d + Q = 0

Organismul degaja caldura pe seama propriilor sale rezerve energetice, care sunt diminuate prin utilizare:

Q = - E_d = E_u

unde E_u este energia utilizata de organism.

OBS.

Organismul poate fi comparat cu o masina termica functionand in conditii izobare si izoterme, iar energia necesara functionarii lui rezulta in urma reactiilor de oxido-reducere.

Compusii acestor reactii provin din alimente

Bilantul energetic al unui organism, B(E), se poate determina daca se cunosc aportul A(E) respectiv cheltuielile energetice C(E), relatia dintre ele fiind urmatoarea:

B(E) = A(E) - C(E)

• Daca aportul energetic este egal cu cheltuielile, atunci bilantul este egal cu zero, B(E)=0, adica bilantul este echilibrat. Aceasta este situatia in cazul organismelor sanatoase, carora le este specifica starea stationara.
• Daca insa bilantul este pozitiv, ceea ce inseamna ca aportul energetic este mai mare decat cheltuielile, este sugerata instalarea obezitatii sau instalarea convalescentei dupa o boala.
• Daca bilantul este negativ, cheltuielile sunt mai mari decat aportul energetic ceea ce duce la aparitia unui dezechilibru,      in cazul subnutritiei sau al unor boli.

Entalpia si sensul ei fizic

In cazul proceselor biologice care au loc la o presiune constanta (procese izobare), este util sa se introduca in locul energiei interne marimea numita entalpie care se noteaza cu H si reprezinta suma dintre energia interna si produsul dintre presiunea si volumul sistemului, adica:

H = U + PV

Variatia entalpiei este:

ΔH = ΔU + PΔV + VΔP

Termenul PΔV este egal cu lucrul mecanic efectuat de sistem si, avand in vedere faptul ca procesul are loc la presiune constanta, variatia presiunii este zero (VΔP = 0).

Atunci relatia de mai sus devine:

ΔH = ΔU + L

Tinand cont de principiul I (Q = ΔU + L) si comparand ecuatiile obtinem:

ΔH = Q_p

• Variatia entalpiei sistemului se masoara prin cantitatea de caldura rezultata din transformarea termica izobara in proces.

• Variatia de entalpie, respectiv cantitatea de caldura obtinuta prin arderea izobara a diferitelor substante biochimice este aproximativ aceeasi pentru aminoacizi, proteine si hidrati de carbon, dar este de circa trei ori mai mare pentru lipide, ceea ce explica functia de rezerve energetice pe care o au grasimile in organism.