Organismi viventi ed energia
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- Aldo Repetto
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1 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
2 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 è la disciplina che si occupa dei trasferimenti di energia 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. 2
3 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 ed eliminano i rifiuti del metabolismo. 3
4 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. 4
5 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 = U f - U i = q - w U f = energia del sistema all inizio di un processo U i = 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. 5
6 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 (il sistema cede calore all ambiente) 6
7 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 compiere lavoro (si trasforma in calore). 7
8 Un processo avviene spontaneamente se la somma dell entropia dell ambiente e quella del sistema aumentano: S universo = S sistema + S ambiente > 0 S = k b lnw k b = cost. di Boltzman W = n. di modi equivalenti di disporsi di un sistema (disordine) 8
9 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. ESOERGONICA) H S 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 (SPONTANEA) G > 0 reaz. ENDOERGONICA (NON SPONTANEA) 9
10 Le reazioni endoergoniche NON sono spontanee; occorre fornire energia affinchè la reazione possa avvenire. 10
11 Variazione di energia libera in una reazione chimica aa + bb cc + dd Il G di questa reazione è: G 0 0 G G ' RTln c C D a A B energia libera standard (ogni reagente d b concentrazione 1M (eccetto H + ); 37 C; ph 7.0; p=1atm). 11
12 All equilibrio G=0 e quindi: G G RT c C D a A B c d C D a A B 0 ' ln 0 G ' RTlnKeq (1) d b b = Keq 12
13 0 G ' RTlnKeq (1) sostituendo (1) in G = H - T S e riarrangiando si ottiene: lnk eq H R T S R Eq. di van t Hoff misurando Keq a varie temperature è possibile determinare H 0 e S 0 (e quindi G 0 ) di qualunque reazione. misurando K eq a varie temperature è possibile determinare H 0 e S 0 (e quindi G 0 ) di qualunque reazione. ln Keq Pendenza=- H 0 /R 1/T Plot di Van't Hoff 13
14 Una reazione chimica endoergonica, dunque, NON potrà mai avvenire?? REAZIONI ACCOPPIATE 1) A + B C +D G 1 > 0 2) D + E F + G G 2 < 0 se G 1 + G 2 < 0 la reazione 1 avviene anche se è endoergonica. 14
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