Biofisicoquímica Presentación Clase de repaso I NSTITUTO DE C IENCIAS DE LA S ALUD U NIVERSIDAD N ACIONAL A RTURO J AURETCHE Av. Lope de Vega 106, Florencio Varela – Buenos Aires – Argentina Dr. Eduardo Prieto Dr. Ariel Alvarez

¿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 FisicoquímicaFísica y Química ¿Química Física? BioquímicaBiología y Química ¿Química Biológica? BiofísicaBiología y Física Física Biológica 3

4 F Q B ¿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

Variables de estado: - 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: - las variables de estado no varían en el tiempo -flujos de materia y/o energía a través de las fronteras del sistema

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) el sistema Q: cedido ( 0)

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)

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

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

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 y

Si uno de los caminos anteriores es irreversible δQ Irrev /T < dS Llamaremos flujo entrópico en general a d e S=δQ e /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 d e S=dS d e S< dS Entonces d i S=dS-d e S > 0, integrando Δ i S=Δ(dS-d e S) > 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 Δ i S=ΔS. (en donde i se refiere a cambio interno) Proceso adiabático reversible Δ i S = 0 Proceso adiabático irreversible Δ i S > 0; Δ i S < 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.

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

Otras definiciones de entropía EntropíaEntropía: 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. EntropíaEntropía: una medida del desorden de un sistema. EntropíaEntropía: una medida de la multiplicidad de un sistema. Definiciones termodinámicas Definiciones estadisticas

De la termodinámica estadística _ Se puede calcular la energía Interna como U-U 0 = (1/N) *Σ n i * E i Donde n i es la cantidad de partículas (o proporción del sistema) con energía E i _ Por lo que se puede originar un cambio en la energía interna debido a un cambio en energía (dE i ) o por cambio en la población (dn i *) Entonces: dU-dU 0 = (1/N) *Σ n i *dE i + (1/N) *Σ E i *dn i

Si recordamos que: dU-dU 0 = dQ rev + dW rev = TdS + dW rev Se deduce que: TdS= (1/N) *Σ E i *dn i dS= (1/TN) *Σ E i *dn i = dQ rev 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.