Presentación Clase de repaso Biofisicoquímica Presentación Clase de repaso Dr. Eduardo Prieto edprieto@quimica.unlp.edu.ar Dr. Ariel Alvarez aariel@iflysib.unlp.edu.ar Instituto de Ciencias de la Salud Universidad Nacional Arturo Jauretche Av. Lope de Vega 106, Florencio Varela – Buenos Aires – Argentina

¿Qué es la Biofísica? “Biofísica es una ciencia interdisciplinaria que utiliza los métodos de la Física para estudiar sistemas biológicos” ( de Wikipedia) Utilizar un microscopio para el estudio de las células ¿es Biofísica? “Biofísica es todo aquello que los Biofísicos dicen que es.” 9º Congreso IUPAB , Bristol (UK) 1985

Las interdisciplinas Fisicoquímica Física y Química ¿Química Física? Bioquímica Biología y Química ¿Química Biológica? Biofísica Biología y Física Física Biológica

¿Por qué Biofisicoquímica?

Conceptos termodinámicos básicos 1. Introducción 2. Primer principio de la Termodinámica. Calor y trabajo. Entalpía 3. Segundo principio de la Termodinámica. Entropía. Energía Libre 4. Sistemas abiertos. Potencial Químico 5. Termodinámica de las reacciones químicas

Termodinámica: estudio de los procesos de transferencia y transformación de la energía. Objetivos: • describir los estados energéticamente accesibles • describir las poblaciones relativas en dichos estados • predecir la dirección de los procesos que ligan estos estados La Termodinámica se ocupa de estudiar procesos y propiedades macroscópicas de la materia y no contiene ninguna teoría de la materia. Por lo tanto no nos dice nada acerca de la estructura de la materia. Como las variables con la cuales se trabaja son siempre macroscópicas, no es posible obtener de la Termodinámica la información de escala microscópica acerca del sistema, ya sea en lo referente a su estructura como a sus procesos internos. Si bien ésta es una limitación, en compensación significa que la Termodinámica tiene gran generalidad.

Variables de estado: Estado de Equilibrio: Estado estacionario: - Intensivas: independientes del tamaño del sistema (presión, temperatura,…) -Extensivas: dependen del tamaño del sistema (masa, volumen,…) Estado de Equilibrio: - las variables de estado no varían en el tiempo -no existen flujos de materia y/o energía a través de las fronteras del sistema Estado estacionario: -flujos de materia y/o energía a través de las fronteras del sistema Sistema Un sistema es aquella particular porción del universo en la cual estamos interesados. Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor, una mezcla de dos líquidos, una solución, un sólido cristalino, etc.. Entorno Todo lo que se encuentra en el universo, con excepción del sistema, se denomina ambiente. Pared Es todo límite, contorno o borde real o ideal que separa el sistema del ambiente. En Termodinámica se supone que el límite de un sistema es una superficie matemática, a la que atribuimos ciertas propiedades ideales como rigidez, impermeabilidad y otras que describiremos más adelante. Los límites reales tan sólo se aproximan a las propiedades de los límites ideales de la Termodinámica. Un sistema se dice cerrado cuando está rodeado por un límite impermeable a la materia, y abierto cuando está rodeado por un límite permeable.

Procesos reversibles e irreversibles Tipos de sistemas: - aislados: no intercambian materia ni energía con el exterior - cerrados: pueden intercambiar energía, pero no materia - abiertos: pueden intercambiar materia y energía Procesos reversibles e irreversibles - reversible: se pasa del estado inicial al final a través de cambios infinitesimales. El proceso se puede invertir. - irreversible: cada estado intermedio es mucho más probable que el anterior: la probabilidad de que el proceso se pueda invertir es muy pequeña

Primer principio de la termodinámica • Conservación de la energía: dU = δQ + δW • U: energía interna (función de estado) • W: trabajo realizado por (< 0) o sobre (> 0) el sistema • Q: cedido (< 0) por el sistema o calor absorbido (> 0) Recordar que Q y W no son función de estado. El primer Principio no es la conservación de la energía, si no que la conservación de la energía se desprende del primer Principio. Este establece las condiciones para que se conserve la energía dQ=-dW, pero vale incluso cuando no se conserva la energía…

Trabajo: describe un desplazamiento contra cualquiera de las fuerzas que los seres vivos encuentran o generan dW = Y dX X: desplazamiento (variable extensiva ) Y: fuerza contra la que se realiza el trabajo (variable intensiva ) Ejemplos • Mecánico: dW = - p dV (p: presión; V: volumen) • Eléctrico: dW = ψ dq (ψ: potencial eléctrico; q: carga) • Químico: dW = μ dn (μ: potencial químico; n: número de moles)

Entalpía: H = U - pV Si sólo existe trabajo p-V y la presión es constante: dH = dQ Proceso exotérmico = ΔH < 0 Proceso endotérmico = ΔH > 0

Dirección de los procesos espontáneos: Segundo principio de la termodinámica _ ¿El primer principio dice algo de la dirección del proceso? _ Si bien se puede transformar todo el trabajo en calor… ¿Se puede transformar todo el calor en trabajo? La respuesta es no

Teorema de Clausius Definición de entropía y En un proceso irrreversible En un proceso reversible Definición de entropía 2 1 y

Flujo entrópico y Creación de entropía En los procesos reversibles basta conocer el calor intercambiado en función de la temperatura para conocer la variación de entropía. La entropía varía sólo debido al flujo de calor, y podemos considerar que cuando el sistema intercambia Q con el entorno, intercambia entropía

δQIrrev/T < dS deS< dS Llamaremos flujo entrópico en general a deS=δQe/T El subíndice "e" alude a "externo", para recordar que esta es la variación de entropía que se debe a intercambios de calor con el exterior. Y para un proceso reversible deS=dS Si uno de los caminos anteriores es irreversible δQIrrev/T < dS deS< dS Entonces diS=dS-deS > 0, integrando ΔiS=Δ(dS-deS) > 0 Lo que indica que en procesos irreversibles la entropía no solamente crece por intercambio de calor con el entorno, a este aumento se lo llama creación de entropía

Principio de aumento de entropía Para un proceso adiabático Q=0 y por tanto no hay flujo de entropía ΔiS=ΔS. (en donde i se refiere a cambio interno) Proceso adiabático reversible ΔiS = 0 Proceso adiabático irreversible ΔiS > 0; ΔiS < 0 no ocurre nunca en un proceso adiabático. Si extendemos a un sistema cualquiera de modo que definimos universo a como el conjunto formado por el sistema más los alrededores. Como, por definición, los alrededores son aquello con lo que nuestro sistema intercambia materia o energía, El universo es por construcción un sistema aislado, por tanto adiabático, y se le aplica el principio de aumento de entropía.

Entonces, para cualquier proceso. Proceso reversible ΔSUni = 0 Como S es extensiva ΔSUni=ΔS+ΔSa siendo ΔSa el incremento de entropía de los alrededores o entorno. Entonces, para cualquier proceso. Proceso reversible ΔSUni = 0 Proceso irreversible ΔSUni > 0 ΔSUni < 0 no ocurre nunca

Otras definiciones de entropía Definiciones termodinámicas Entropía: Es una variable de estado cuyo cambio se define por un proceso reversible en T, y donde Q es el calor absorbido. Entropía: una medida de la cantidad de energía que no está disponible para realizar trabajo. Definiciones estadisticas Entropía: una medida del desorden de un sistema. Entropía: una medida de la multiplicidad de un sistema.

De la termodinámica estadística _ Se puede calcular la energía Interna como U-U0= (1/N) *Σ ni* Ei Donde ni es la cantidad de partículas (o proporción del sistema) con energía Ei _ Por lo que se puede originar un cambio en la energía interna debido a un cambio en energía (dEi) o por cambio en la población (dni*) Entonces: dU-dU0= (1/N) *Σ ni*dEi + (1/N) *Σ Ei *dni

dU-dU0= dQrev + dWrev= TdS + dWrev Si recordamos que: dU-dU0= dQrev + dWrev= TdS + dWrev Se deduce que: TdS= (1/N) *Σ Ei *dni dS= (1/TN) *Σ Ei *dni= dQrev La integral de esta ecuación da que S= K* ln W* W: función de probabilidad. Su valor está asociado con el número de microestados compatibles con el estado macroscópico del sistema

La configuración (c) representada en la figura anterior es la que más microestados accesibles tiene y por tanto es la de mayor entropía. El sistema tratado en este ejemplo tenderá a estar en esta configuración porque es la que mayor entropía tiene. La ecuación de la entropía se encuentra grabada en la tumba de Boltzmann en Viena.