08-Termidinamica

Termodinamica
ORGANISMI
VIVENTI ED ENERGIA .......................................................2
Primo principio della termodinamica....................................................................5
Secondo principio della termodinamica...............................................................6
energia libera di Gibbs (G).................................................................................9
Variazione di energia libera in una reazione chimica...........................................11
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Organismi viventi ed energia
 Tutti gli organismi viventi hanno bisogno di energia per
vivere.
 Nessuna cellula vivente produce energia, ma è in grado,
mediante reazioni chimiche (metabolismo) di convertire una
forma di energia in un altra.
 I sistemi viventi scambiano materia ed energia con
l'ambiente
La
Termodinamica
trasferimenti
di
energia
è la disciplina che si occupa dei
che
avvengono
nel
corso
di
trasformazioni chimico-fisiche e delle modalità con cui
queste avvengono.
●
Sistema aperto: scambia materia ed energia con l’ambiente.
●
Sistema chiuso: può scambiare con l'ambiente solo energia
●
Sistema isolato: NON scambia né materia né energia con
l’ambiente.
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Le cellule (e gli organismi) sono sistemi APERTI, ovvero
scambiano materia ed energia con l’ambiente.
Le cellule vivono in equilibrio dinamico, assumono nutrienti li
traformano
ricavando
energia
metabolismo.
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ed
eliminano
i
rifiuti
del
le
proprietà
di
un
sistema
possono
essere
INTENSIVE
(indipendenti dalle dimensioni del sistema) o ESTENSIVE
(dipendono dalle dimensioni del sistema)
•
proprietà INTENSIVE: pressione, temperatura,
•
proprietà ESTENSIVE: volume, massa, entropia, entalpia.. etc
Le proprietà di un sistema prendono il nome di FUNZIONI DI
STATO.
Lo stato di un sistema dipende dai valori delle FUNZIONI DI
STATO che sono correlate fra loro da equazioni di stato (p.es.
PV=nRT eq. di stato dei gas ideali).
Le funzioni di stato dipendono esclusivamente dallo
“stato” del sistema e sono INDIPENDENTI dal modo
attraverso il quale tale stato è stato raggiunto.
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Primo principio della Termodinamica
L'energia interna (U) di un sistema [f(x) di stato ] è la somma
delle energie di tutti i suoi componenti.
∆U = U f - U i
in un sistema chiuso si può far variare l'energia interna dando (o
sottraendo) calore oppure facendo (subendo) lavoro su di esso
∆ U = Uf - Ui = q - w
Uf
= energia del sistema
all’inizio di un processo
Ui=
energia del sistema alla
fine di un processo
q = calore assorbito dal
sistema (+)
w = lavoro svolto dal sistema
(+)
formulazione
matematica
del
primo
principio
della
termodinamica.
legge di conservazione dell’energia
L’energia non viene creata nè distrutta  l’energia totale di un
sistema e del suo ambiente è costante. (vale per l’universo e per
un qualsiasi sistema isolato dentro l’universo)
Con la prima legge NON si può predire se un dato
processo avviene spontaneamente oppure no.
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ENTALPIA
∆U=q-w
In chimica, ad eccezione delle celle galvaniche, l'unico modo di
produrre lavoro è quello dovuto a variazioni di volume
∆U = q + p∆V
Nella maggior parte dei processi biochimici V = 0 quindi
∆U = q
se anche p è costante l'energia interna si definisce entalpia:
∆H = q
la variaz. di entalpia di un sistema corrisponde al calore che il
sistema scambia a pressione costante.
 ∆H > 0 Reazione
ENDOTERMICA
(il sistema assorbe calore
dall’ambiente)
 ∆H < 0 Reazione
ESOTERMICA
all’ambiente)
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(il sistema cede calore
Secondo principio della termodinamica
 Il disordine (ENTROPIA) dell’universo (vale anche per un
qualsiasi sistema chiuso dentro l’universo) tende sempre ad
aumentare.
 Quando l’energia si converte fra una forma ad un’altra una
parte
diviene
inutilizzabile per
trasforma in calore).
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compiere
lavoro
(si
Un processo avviene spontaneamente se la somma dell’entropia
dell’ambiente e quella del sistema aumentano:
∆Suniverso = ∆Ssistema + ∆Sambiente > 0
S = kb lnW
kb = cost. di Boltzman
W = n. di modi equivalenti di
disporsi
di
(disordine)
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un
sistema
energia libera di Gibbs (G)
Ottimo criterio di SPONTANEITÀ per i processi che avvengono a
pressione e temperatura costanti (reazione chimiche degli
organismi viventi)
G = H - TS
La reazione è SPONTANEA se G < 0 (reaz.
∆H
+
+
∆S
+
+
-
ESOERGONICA)
∆G = ∆H - T∆S
G sempre < 0 sempre spontanea
Spontanea a temper. < di T=H / S
Spontanea a temper. > di T=H / S
G sempre > 0 MAI spontanea
G < 0 reaz.
ESOERGONICA
G > 0 reaz.
ENDOERGONICA
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(SPONTANEA)
(NON
SPONTANEA)
Le reazioni endoergoniche NON sono spontanee; occorre fornire
energia affinchè la reazione possa avvenire.
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Variazione di energia libera in una reazione
chimica
aA + bB  cC + dD
Il G di questa reazione è:
G  G
G0’
energia
0'
libera
C   D

 RT ln
 A  a  B b
c
standard
+
d
(ogni
reagente
concentrazione 1M (eccetto H ); 37°C; pH 7.0; p=1atm).
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G  G
All’equilibrio
∆G=0
0'
c
d
C   D

 RT ln
a
b
A
B
   
c
d
 C  D
e
a
b = Keq
 A  B
quindi:
0'
(1)
G  RT ln Keq
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0'
(1)
G  RT ln Keq
G
sostituendo (1) in
ottiene:
lnK eq
=
∆H
- T∆S e riarrangiando si
 H0  1 S0

 
R  T
R
Eq. di van’t Hoff
misurando
Keq
determinare
reazione.
H0
a
e
varie
S 0
temperature
(e quindi
G0)
è
possibile
di qualunque
misurando Keq a varie temperature è possibile
determinare ∆H0 e
qualunque reazione.
ln Keq
∆ S0
(e
Pendenza=-H0/R
1/T
Plot di Van't Hoff
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quindi
∆G0)
di
Una reazione chimica endoergonica, dunque,
NON potrà mai avvenire ??
REAZIONI ACCOPPIATE
1) A + B  C +D
2)
D+E
∆G1> 0
G2 < 0
F+G
se G1 + G2 < 0 la reazione 1 avviene anche
se è endoergonica.
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