Classical Thermodynamics: Principles, Properties, and Processes, Study notes of Biology

Download Classical Thermodynamics: Principles, Properties, and Processes and more Study notes Biology in PDF only on Docsity! Tema 6: Termodinamica Ciencies biomédiques- Curs 2021-22 Nuria Benseny Cases (nuria.benseny@uab.cat) Unitat de Biofisica - Fac. Medicina (UAB) UMB Universitat Autonoma deBarcelona Origen termodinamica: l’estudi de la maquina de vapor Carnot (1796-1832) Lavoisier (1743-1794) Laplace (1749-1827) Joule (1818-1889) Thomson (bar6 Kelvin) (1824-1907) Clausius ((1822-1888) Et. al. Les lleis de la termodinamica venen d’observacions experimentals. Sistemes termodinamics Transferéncia de Matéria i Energia Entorn Sistema: Part material de l’univers que s’ailla de la resta per poder-la estudiar. Separat de l’entorn per limit definits. Ex. Un planeta, un motor, una persona, una cél-lula.... Entorn o ambient: La resta de l’espai, tot allo extern al sistema. Classificacio dels sistemes segons l’intercanvi amb l’entorn Sistema obert Sistema tancat Sistema aillat ¥ Intercanvi de Intercanvi No hi ha matéria i d’energia d’energia pero No intercanvi ni de de matéria mateéria ni d’energia Propietats (o variables) d’un sistema S6n les magnituds necessaries o que cal especificar per donar una descripcid macroscopica d'un sistema. Una propietat termodinamica és una caracteristica o una particularitat que permet els canvis de la substancia de treball, és a dir, canvis d'energia. EXEMPLES: Temperatura, Volum, Pressié, Concentracid, energia interna, massa, treball, entalpia... Procés termodinamic: Transformacio variables ¢ Un procés termodinamic és qualsevol canvi que té lloc en el sistema. * En els processos termodinamics les variables canvien. * Matematicament, s’expressen com un increment: AT =TyinaiTinicial Principi O: si posem dos sistemes en contacte hi haura intercanvi d’energia i/o materia llevat que estiguin en equilibri termodinamic. EQUILIBRI iia is, tine, Llei zero de la termodinamica: Quan 2 sistemes es troben per separat en equilibri termic amb un tercer, aixd implica que es troben en equilibri termic l'un amb laltre. Equilibri Termic Joules va escalfar la mateixa quantitat d’H,O ara utilitzant energia eléctrica. Quina energia va ser necessaria? 1045 J Transferencia de calor Energia que rep una substancia per augmentar la seva temperatura (Per una substancia pura): Q=m<-c,:AT = m-c,:(T,-T;) c,-Calor especifica. ¢ = Q ( —al_. _tal_. ._d m:AT g: °C’ g: K’ kg - °C kg: K Q=C-AT= C-(T,-T;) C= Ce: M :capacitat térmica cee ( cal. cals J J AT °C’ OK °C’ OK Q- Calor guanyada o cedida pel sistema M-massa del sistema Tf- Temperatura final Ti- Temperatura incial c,-Calor especifica: Quantitat d’energia necessaria per elevar 12C 1g de substanica C= ce-m :Capacitat térmica d'una certa quantitat de matéria, és la quantitat de calor requerida, per augmentar la seva temperatura un kelvin 1 cal és l’energia necessaria per augmentar 1°C 1 g d’aigua. Q= m-c,:AT = m-c,:(T-T;) c,=1 cal /(°C-g) augment d’energia de l’aigua= 450 g - 1 cal /(°C-g) - 0.556 = 250 cal Per tant, 250 cal = 1045 Kg -m?-s | per tant, 1 cal JOULES Mecanismes de transmissi6 d’energia: TREBALL Forma d’intercanvi d’energia entre un sistema i l’entorn. No son funcio d’estat, el seu valor dependra del cami recorregut per arribar a l’estat final. Es una forca la que realitza el canvi en el sistema. Unitats del SI: J No és una energia que tingui el sistema sind una energia que es transmet. Exemples de For¢a Desplagament | Expressié def tipus de treball generalitzada generalitzat treball De desplacament Forga (F) Desplacgament (Al) FAI D'expansié-compressid | Pressio (p) Canvi de volum PAV de gasos (AV) Treball termodinamic oosS Ke W=F-Al (N-m=J) KY) We -P- AV=-F/S-S- Al=-F- Al (N-m=J) AV Al _—— —, — EE En sistemes de massa i composicié constant es pot expressar com; SY a, W=-PAV F=m-a Si es comprimeix AV és negatiu i per tant el W=F-l=m-a-l treball és positiu. El sistema guanya energia 1J=1kg-1m-s?-m=1kg -m? -s# Mecanismes de transmissio d’energia: CALOR * Forma d’intercanvi d’energia entre un sistema i l’entorn. * Conseqiéncia d’una diferencia de temperatura. * Noson funci6 d’estat, el seu valor dependra del cami recorregut per arribar a |’estat final * Unitats del SI: J * Energia transformada com a resultat d'una reaccid quimica o nuclear i transferida entre dos sistemes, o entre dues parts d'un mateix sistema. * No és una energia que tingui el sistema sind una energia que es transmet. Energia * Energia cinética: Es la que posseeix un cos per rad del seu moviment. * Energia potencial: Es la capacitat d'un cos per a transmetre energia. ie of Energy —e FA / Energy Tipus d’energia Energia quimica: relacionada amb la capacitat d’alliberar o absorbir energia en la formaci6 d’enllagos i trencament d’enllacos quimics. Energia gravitatoria: relacionada amb la posicid d’un cos a un camp gravitatori. Energia nuclear: energia alliberada en canvis en el nucli dels atoms. Energia de ionitzacié: energia que uneix un electro al nucli de l'atom. Energia eléctrica: relacionat amb la posicié d'una carrega eléctrica en un camp electric. Energia electromagnética o radiant: causada per ones electromagnétiques, mitjancant les quals es propaga directament sense desplacament de la materia. Energia calorifica o termica: es transmet en forma de calor d'un cos a un altre que es troba a menys temperatura. Energia sonora: causada per ones de pressio. ler Principi de la Termodinamica Qi W es reconeixen en el moment en qué transiten, flueixen. No es poden associar a l’estat del sistema U — Energia total que té el sistema ENERGIA INTERNA (U) ¢ Energia cinética dels atoms i molécules. ¢ Energia potencial microscopica de la interaccid de les molécules entre si. e Energia potencial d’enlla¢, energia emmagatzemada als enllacos entre els atoms. Q E cinetica ) molecular ——_ (E térmica) It u (Energia W interna) E potencial ———- a nivell d’enlla¢ Venergia interna NO es pot mesurar, només en podem mesurar variacions: AU= Usinat ~ Vinicial AU=Q+W Teoria Cinetico-Molecular . ate te te tte te te te te Se el te tee ee eee Cate eee ee SOLIDS Forces d’atraccié entre molécules MOLT intenses. Particules proximes entre elles i en posicions fixes. Moviment de vibracié LIQUIDS Forces d’atraccié entre molécules intenses. Particules proximes entre elles pero no ocupen posicions fixes. Llibertat de desplagament sense allunyar-se les unes de les altres, també rotacid i vibracié. GASOS Forces d’atraccié entre molécules negligibles. Particules allunyades entre elles, en total desodre. Total llibertat de desplagament, de rotacid i de vibracio. Moviment caotic en els solids: vibracié —_> <—_— 1 grau de llibertat de vibracié - Les velocitats reals son més de 10.000 vegades superiors a aquestes. Energia cinetica mitjana d’un sistema gasos: (energia cinética molecular, energia térmica, energia de l’agitacid térmica) Ee cinéet = 1mol nRT 2 nN : nombre de graus de llibertat de moviment (n=3; n=6; etc ) R (constant dels gasos) = 8.31 J-mol-K+ T : temperatura absoluta ( °Kelvin) La temperatura és una expressio de l’energia cinética Mitjana de les particules d’un sistema. Distribucid de Maxwell-Boltzmann (Corba densitat de probabilitat) Probabilitat (o Nombre de molécules) 0.002 0.0015 0.001 0.0005 f(vi [sim] T= 100K Fraccié de molécules que, depenent de la temperatura, participen en el procés T=300K Energia cinética o velocitat Energia potencial i enlla¢g quimic Associada a interaccions entre molécules. ¢ Enllag quimic ¢ |nteraccions intermoleculars Energia potencial a nivell d’enllac E pot E d’enllac O---0 (E alliberada pel sistema en (E absorbida pel sistema en la formaci6 de |’enllac) el trencament de l’enllag ) Energia potencial i Energia d’enllac E pot Oo Oo E enlla¢ ‘ormacio A E enlla¢ formacio B A O---O B o--O - é Quin sistema té major E potencial, A o B ? A - é Quin sistema té major E d’enllac, Ao B ? B Ill - é Quin enllag és més fort ? B - é Quin enllac és més curt ? B le agua porizacié Energia que rep per guanyar Energia Potencial E potencial G d’ai Oo © Gas (vapor d’aigua) E denllac Intermolec. a liquid ° ° E denlla¢g o o slid intermolec. = soll A nivell macroscopic: L: Calor latent de canvi d’estat d’agregacié Q=m:L; | -— (cal/g; J/kg) le agua porizacia Gratico de Microsoft Termodinamica quimica o termoquimica Canvis d’energia de les reaccions quimiques: In Vitro E pot oO oO Molécula de glucosa energia PSebe enerment "So 8, enllacgos glucosa + O, | Q O---O Glucosa+6O, 0--0 6CO,+6H,0 6H,O +6 CO, ° Energia formacié enllagos CO, +H,0 AU =Q, en abséncia de treball util Criteri de signes AH ‘Procés en Que No AH = 0 hi ha intercanvi de Q - Procés endotermic AH > O El sistema absorbeix Q - Procés exotermic AH <0 El sistema cedeix Q Entalpia de reaccio: Calor que es desprén o s’absorbeix quan té lloc una reacci6 que té lloc a pressid constant AH1 H AH3 AH2 Recorregut 1 Recorregut 2 Reaccio quimica: Reagrupament dels atoms dels reactius per formar productes, cal trencar i formar enllacos. Com podem calcular l’entalpia d’una reaccid quimica? Calcul a partir de l’energia d’enllac (energia que cal per trencar un enllac). AH°=%(Henllacos trencats)- 2(Henllacos formats) Cal indicar en quines condicions té lloc la reaccid, normalment es defineixen les condicions normals o estandard AH®. * P=1atm * T=298 °C Energia absorbida (+), energia alliberada (-)- Les energies d’enllacg son aproximades: * No tenen en compte les interaccions intermoleculars, en gasos son petites en liquids i solids grans. * Les energies d’enllag sén una mitjana ja que les energies d’enllag també depenen dels atoms als que estan enllagats els atoms que formen I’enllac. CgHi206 + 6 O2 ~ 6 COD + 6 H2O H 4 + 60-0 => — 6 O=C=O + eNO B—D-glucopiranosa e Calcul de l’entalpia de reaccié de la combustid . , . , , de la glucosa a partir de les energies d’enllag. e Calcul de l’entalpia de reaccid de la combustio de la glucosa a partir de |’Entalpia de formacié de |’enllag: C-C : 347 KJ/mol AH? psmacio (CgH420¢)= -2811 KJ/mol C-H: 414 KJ/mol AH®yormacio (CO>)= -393,8 KJ/mol O-H: 528 KJ/mol AH®ormacio (H0)= -252.8 KJ/mol C-O: 352 KJ/mol AH? pormacis (O2)= 0 KJ/mol C=O: 715 KJ/mol O=0: 498 KJ/mol E pot Pi {inorganic P) E (enll formats) + E (enll trencats) = -30 KJ/mol 1* etapa de la glucolisi io cH 4 H 0H 4 + | Adenosina -o-P-0-P-o 3P-0° ——b H , GH A ia i 0 Cinasa OH H + ADP Ha H HO H Difosfato de HOH Trifosfato de adenisina (ATP) adenosina Canhidrido} HOH D-Glucosa B-Glucosa- 6-fosfato QO Adenosina Lo-b-o-b-0" | app 8 8 ATP + H20 — ADP ¢ Pi............000 Energia = -31 kJ/mol Pi + glucose — glucose-6-P + H20 ...Energia = +14 kJ/mol ATP + glucosa — glucosa + ADP Energia reaccié = -16 KJ/mol