Introduzione alla biofisica Cenni storici e concetti fondamentali. Corso di Biofisica, Università di Cagliari 1

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1 Introduzione alla biofisica Cenni storici e concetti fondamentali 1

2 Riferimenti Books and others Nelson, chap /02/app13.pdf Movies UUX0iY&list=PL933F4D318515DDD0&index=11 2

3 Key question Come si crea e si mantiene l ordine nei sistemi biologici? Flussi di energia 3

4 Energia: conservazione e conversione Energia meccanica (cinetica + potenziale): si conserva in mancanza di attrito. Energia termica (calore): dovuta a forze di attrito. Energia totale (meccanica + termica): si conserva. Energia si trasforma da una forma all altra: potenziale in cinetica (dinamica corpi in campo di forze). meccanica in termica (e.g. attrito viscoso). Principi della Termo-dinamica (anche per energia chimica) 4

5 Energia: conservazione e conversione Energia meccanica (cinetica + potenziale): si conserva in mancanza di attrito. Energia termica (calore): dovuta a forze di attrito. Energia totale (meccanica + termica): si conserva. Energia si trasforma da una forma all altra: potenziale in cinetica (dinamica corpi in campo di forze). meccanica in termica (e.g. attrito viscoso). Principi della Termo-dinamica (anche per energia chimica) 5

6 Principi termodinamica 1. La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull ambiente: ΔE = Q W 2. Diversi enunciati: 1. Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo (formulazione di Clausius). 2. In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile: 3. Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale. 6

7 Principi termodinamica 1. La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull ambiente: ΔE = Q W 2. Diversi enunciati: 1. Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo (formulazione di Clausius). 2. In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile: ds dt 0 ds = dq rev T dq T definizione di processi irreversibili, legati alla freccia del tempo 3. Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale. 7

8 Principi termodinamica 1. La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull ambiente: ΔE = Q W 2. Diversi enunciati: 1. Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo (formulazione di Clausius). 2. In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile: ds dt 0 ds = dq rev T dq T definizione di processi irreversibili, legati alla freccia del tempo 3. Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale. 8

9 Energia di diversa qualità? Il calore è una forma particolare di energia meccanica, è l energia cinetica dovuta ai moti casuali delle molecole che costituiscono la materia. L energia meccanica che produce lavoro è ordinata (caduta di un grave, funzionamento di una turbina, etc ). L organizzazione rende conto di una distinzione fra energia di alta qualità (usata per produrre lavoro) e una di bassa qualità (risultato di conversione parziale di energia di alta qualità)? 9

10 Energia di diversa qualità? Il calore è una forma particolare di energia meccanica, è l energia cinetica dovuta ai moti casuali delle molecole che costituiscono la materia. L energia meccanica che produce lavoro è ordinata (caduta di un grave, funzionamento di una turbina, etc ). L organizzazione rende conto di una distinzione fra energia di alta qualità (usata per produrre lavoro) e una di bassa qualità (risultato di conversione parziale di energia di alta qualità)? 10

11 Energia libera Definisce un energia di alta qualità come la differenza fra quella totale E e quella dovuta al disordine, proporzionale al prodotto tra temperatura e entropia: F = E TS Un sistema a temperatura T può evolvere spontaneamente solo se l energia libera diminuisce. Può avvenire sia tramite riduzione di E (es: caduta di un grave), sia tramite un aumento di S (es: espansione isoterma di un gas, formazione di soluzioni) Alta qualità: TS << E à F E 11

12 Energia libera Definisce un energia di alta qualità come la differenza fra quella totale E e quella dovuta al disordine, proporzionale al prodotto tra temperatura e entropia: F = E TS Un sistema a temperatura T può evolvere spontaneamente solo se l energia libera diminuisce. Può avvenire sia tramite riduzione di E (es: caduta di un grave), sia tramite un aumento di S (es: espansione isoterma di un gas, formazione di soluzioni) Alta qualità: TS << E à F E 12

13 Come si crea ordine nei sistemi viventi? Definizione di energia libera e secondo principio F = E TS In un processo che porta a riduzione di F, TS può diminuire a patto che ci sia una diminuzione maggiore in E. Non contraddice secondo principio nel caso il sistema non sia isolato (es. può scambiare calore con l ambiente). Esempi: Condensazione vapore (ΔS < 0, ΔE < 0). Interazione materia / campo elettromagnetico. Legame chimico. Comparsa forme di vita organizzate sulla Terra. 13

14 Come si crea ordine nei sistemi viventi? Definizione di energia libera e secondo principio F = E TS In un processo che porta a riduzione di F, TS può diminuire a patto che ci sia una diminuzione maggiore in E. Non contraddice secondo principio nel caso il sistema non sia isolato (es. può scambiare calore con l ambiente). Esempi: Condensazione vapore (ΔS < 0, ΔE < 0). Interazione materia / campo elettromagnetico. Legame chimico. Comparsa forme di vita organizzate sulla Terra. 14

15 Energia libera e ordine Un flusso di energia che attraversa un sistema può contribuire a incrementare l ordine!!! Trasduzioni di energia libera (anabolismo) in specie vegetali e animali 15

16 Esempio: Flussi osmotici La trasduzione di energia libera avviene anche in sistemi non viventi, un esempio è l osmosi. 16

17 Flussi osmotici La trasduzione di energia libera avviene anche in sistemi non viventi, un esempio è l osmosi. Dopo inizio scioglimento soluto, flusso d acqua attraverso membrana semipermeabile verso regione a più alta concentrazione di soluto. Può essere utilizzato per compiere lavoro meccanico (ΔU peso > 0). Associato a assorbimento di calore e dunque di entropia del soluto. Non dipende dal tipo di soluto, ma solo dalla sua concentrazione (proprietà colligativa)! 17

18 Flussi osmotici osmosi inversa. Tirando il pistone di sinistra si ha un aumento della concentrazione di soluto nella regione destra (osmosi inversa o ultrafiltrazione). Il lavoro meccanico consente di aumentare l ordine, ma parte viene dissipata in calore ceduto all ambiente circostante. Diminuzione entropia del soluto. 18

19 Osmosi in organismi viventi 19

20 Osmosi in organismi viventi 20

21 Reazioni chimiche Come flussi osmotici, procedono nella direzione di minima energia: Esotermiche: spontanee, liberano calore Formazione legame covalente Reazioni di isomerizzazione Endotermiche: assorbono calore Idrolisi dell acqua tramite flusso corrente elettrica Fotocatalisi In genere necessario superare energia di attivazione 21

22 Transition State Theory 22