Termodinámica - Carlos Pedroza

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Unidad II ALL YOU NEED TO KNOW BY BR. CARLOS PEDROZA

Universidad Central de Venezuela Facultad de Medicina Escuela “José María Vargas” Cátedra de Bioquímica

TERMODINÁMICA

Br. Carlos Pedroza

Termodinรกmica ALL YOU NEED TO KNOW BY BR. CARLOS PEDROZA

CALOR

TRABAJO

ENERGÍA

Conceptos Básicos En términos físicos,

Capacidad de un sistema para realizar trabajo

W=F.d Es la energía, presente en todo tipo de materia, que se produce por el movimiento de los átomos y las moléculas. Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

¿Por qué es importante este tema?

Concepto de Termodinámica • Es un área de la física que estudia los procesos de intercambio, transformación y circulación de la energía en los procesos naturales y de origen humano.

Bioenergética • Especialidad de la termodinámica que estudia de forma cuantitativa las transducciones de la energía en los organismos vivos y los mecanismos mediante los cuales los estos adquieren, almacenan, utilizan y liberan la energía. Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

¿Por qué es importante este tema?

Metabolismo • Conjunto de todos los procesos químicos y físicos participantes en: ▪La producción y consumo de energía a partir de fuentes exógenas y endógenas. ▪La síntesis y degradación de componentes tisulares estructurales y funcionales. ▪La eliminación de los productos de desecho.

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

¿Por qué es importante este tema? Proteínas, Ácidos Nucleicos, Polisacáridos, Lípidos

Monómeros Aminoácidos, Nucleótidos, Monosacáridos, Ácidos Grasos

Catabolismo

Procesos Anabólicos

Procesos Catabólicos

Polímeros

Anabolismo

Intermediarios Piruvato, Acetil-CoA, Glucosa-6-P

Moléculas sencillas CO2, NH3, H2O Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

SISTEMA

Parte del universo que se aisla para su estudio

ENTORNO

Parte del Universo que no es puesta en estudio

UNIVERSO

Mรกs conceptos bรกsicos

Sistema + Entorno Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Aquel estado en que las propiedades macroscópicas del sistema están bien definidas y no cambian con el tiempo

VARIABLES

TERMODINÁMICA

FUNCIÓN DE ESTADO

ESTADOS DE EQUILIBRIO

Más conceptos básicos

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Propiedad de un sistema que tiene un valor definido para cada estado, con independencia de cómo se alcanza este estado.

VARIABLES

TERMODINÁMICA

ESTADOS DE EQUILIBRIO

Aquel estado en que las propiedades macroscópicas del sistema están bien definidas y no cambian con el tiempo

FUNCIÓN DE ESTADO

Más conceptos básicos Glucosa

Glicólisis

Ciclo de Krebs

Descarboxilación oxidativa del Piruvato

Fosforilación Oxidativa

Energía

Glucosa + O2

Energía + CO2 + H2 O

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Propiedad de un sistema que tiene un valor definido para cada estado, con independencia de cómo se alcanza este estado.

VARIABLES

TERMODINÁMICA

ESTADOS DE EQUILIBRIO

Aquel estado en que las propiedades macroscópicas del sistema están bien definidas y no cambian con el tiempo

FUNCIÓN DE ESTADO

Más conceptos básicos Glucosa

Glicólisis

Ciclo de Krebs

Descarboxilación oxidativa del Piruvato

Fosforilación Oxidativa

Energía

Glucosa + O2

Energía + CO2 + H2 O

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Propiedad de un sistema que tiene un valor definido para cada estado, con independencia de cómo se alcanza este estado.

VARIABLES

TERMODINÁMICA

ESTADOS DE EQUILIBRIO

Aquel estado en que las propiedades macroscópicas del sistema están bien definidas y no cambian con el tiempo

FUNCIÓN DE ESTADO

Más conceptos básicos

Variables mesurables usadas para el cálculo de las funciones de estado

▪ Presión → P → atm ▪ Volumen → V → L. ▪ Temperatura → T → ºK. ▪ Número de moles. ▪ Carga → q → Joule. ▪ Trabajo → w → Joule. ▪ Energía Interna → E ▪ Entalpía (H) y Entropía (S). ▪ Energía libre → G. Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Esquema

Leyes de la Termodinámica Energía Libre de Gibbs y Equilibrio Cálculo de la Variación de la Energía Libre

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Esquema

Leyes de la Termodinámica Energía Libre de Gibbs y Equilibrio Cálculo de la Variación de la Energía Libre

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinรกmica Ley Cero de la Termodinรกmica

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinรกmica Ley Cero de la Termodinรกmica

A B C Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica Primera Ley de la Termodinámica “En cualquier cambio físico o químico, la cantidad total de energía en el universo permanece constante”

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinรกmica Primera Ley de la Termodinรกmica

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la TermodinĂĄmica Primera Ley de la TermodinĂĄmica “Los cambios de energĂ­a de un sistema vienen dados por la cantidad de calor, transferida o absorbida, y el trabajo realizado por o sobre el sistemaâ€?.

Δđ??¸ = đ?‘ž − đ?‘¤ Primera FĂłrmula

ΔE

VariaciĂłn de la energĂ­a interna del proceso

q

Calor absorbido o liberado por el sistema

w

Trabajo realizado por el sistema sobre el entorno o del entorno sobre ĂŠl đ?‘¤ = đ?‘ƒ Ă— Δđ?‘‰ đ?‘¤ = Δđ?‘›đ?‘…đ?‘‡

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la TermodinĂĄmica Primera Ley de la TermodinĂĄmica “Los cambios de energĂ­a de un sistema vienen dados por la cantidad de calor, transferida o absorbida, y el trabajo realizado por o sobre el sistemaâ€?.

Δđ??¸ = đ?‘ž − đ?‘¤ Primera FĂłrmula

Volumen constante đ?‘¤ = đ?‘ƒ Ă— Δđ?‘‰ đ?‘¤ =0

PresiĂłn constante

“La cantidad de calor liberada a los alrededores es ligeramente superior a presiĂłn constante porque el sistema realiza trabajoâ€?.

Δđ??¸ = đ?‘ž Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica

Contenido calórico del sistema de reacción. Refleja el número y la clase de enlaces químicos en los reactivos y los productos La cantidad de calor liberada a presión constante

ENERGÍA LIBRE

ENTROPÍA

ENTALPÍA

Tres Conceptos Más Importantes

𝐻 = 𝐸 + 𝑃𝑉 Entalpía como función de estado Δ𝐻 = 𝐸 + 𝑃𝑉 ΔH > 0

ΔHF > ΔHI

Reacción endotérmica

ΔH < 0

ΔHF < ΔHI

Reacción exotérmica Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinรกmica Segunda Ley de la Termodinรกmica

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica Segunda Ley de la Termodinámica “Todos los procesos naturales del universo tienden siempre hacia un aumento de la entropía”

La tendencia es minimizar la energía Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica ENTALPÍA

Contenido calórico del sistema de reacción. Refleja el número y la clase de enlaces químicos en los reactivos y los productos

ENTROPÍA

Expresión cuantitativa de la aleatoriedad o del desorden de un sistema

ENERGÍA LIBRE

Tres Conceptos Más Importantes

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la TermodinĂĄmica ENTALPĂ?A

Tres Conceptos MĂĄs Importantes

ExpresiĂłn cuantitativa de la aleatoriedad o del desorden de un sistema Baja EntropĂ­a

đ?‘† = đ?‘˜ Ă— ln đ?’˛

Alta EntropĂ­a

Hielo a 0 Âş C.

Agua a 25 ÂşC

Un diamante a 0ÂşK

Vapor de carbono a 1.000.000 ÂşK

Una proteĂ­na en su estado nativo

La misma proteĂ­na desnaturalizada

“Don Quijote de La Mancha�

Una serie aleatoria de letras

Tu escritorio

Mi escritorio

k

đ?’˛

Constante de Boltzman → 1,38 x 10-23 J/K

NĂşmero de estados posibles para un sistema

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica ENERGÍA LIBRE

Tres Conceptos Más Importantes

↑G

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante

↓G Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la TermodinĂĄmica ENERGĂ?A LIBRE

Tres Conceptos MĂĄs Importantes

Cantidad de energĂ­a capaz de realizar trabajo durante una reacciĂłn a temperatura y presiĂłn constante

Fosfoenolpiruvato Piruvato

Δđ??ş > 0

Δđ??ş < 0

Piruvato Fosfoenolpiruvato

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica ENERGÍA LIBRE

Tres Conceptos Más Importantes

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica ENERGÍA LIBRE

Tres Conceptos Más Importantes

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica ENERGÍA LIBRE

Tres Conceptos Más Importantes

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinรกmica Tres Conceptos Mรกs Importantes

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica ENERGÍA LIBRE

Tres Conceptos Más Importantes

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante

ΔE → Energía interna Capacidad para hacer trabajo.

ΔG → Energía libre Trabajo ÚTIL que puede realizar un sistema.

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la TermodinĂĄmica ENERGĂ?A LIBRE

Tres Conceptos MĂĄs Importantes

Cantidad de energĂ­a capaz de realizar trabajo durante una reacciĂłn a temperatura y presiĂłn constante

Δđ??ş = Δđ??ť − đ?‘‡Î”đ?‘† Segunda FĂłrmula

ΔG

VariaciĂłn de EnergĂ­a Libre

ΔH

NĂşmero de estados posibles para un sistema

T

Temperatura absoluta

ΔS

VariaciĂłn de EntropĂ­a Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Leyes de la Termodinámica Tres Conceptos Más Importantes

Segunda Fórmula

↓Entalpía

↓Entalpía

↑Entalpía

↑Entropía

↓Entropía

↑Entropía

Fermentación de la glucosa a etanol

Combustión del etanol

Descomposición del Pentaóxido de Nitrógeno Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Esquema

Leyes de la Termodinámica Energía Libre de Gibbs y Equilibrio Cálculo de la Variación de la Energía Libre

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

EnergĂ­a Libre de Gibbs y Equilibrio

aA

+ bB Kđ?‘’đ?‘ž =

cC

+ dD

[đ??ś]đ?‘? Ă—[đ??ˇ]đ?‘‘ [đ??´]đ?‘Ž Ă—[đ??ľ]đ?‘?

Esta tendencia puede ser aprovechada para generar trabajo químico útil → Durante una reacción química se genera un ΔG aprovechable, hasta que se alcanza el equilibrio. Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

EnergĂ­a Libre de Gibbs y Equilibrio

aA

+ bB Kđ?‘’đ?‘ž =

Se establece siempre por comparación con otro compuesto de referencia. El valor del ΔG dependerå de cuan lejanas estÊn [S] y [P] (iniciales) del equilibrio de la reacción.

cC

+ dD

[đ??ś]đ?‘? Ă—[đ??ˇ]đ?‘‘ [đ??´]đ?‘Ž Ă—[đ??ľ]đ?‘? La cantidad de EnergĂ­a Libre de Gibbs que posee un compuesto depende de manera inversamente proporcional de su estabilidad quĂ­mica → Mientras mĂĄs inestable sea un compuesto, mĂĄs trabajo Ăştil podrĂĄ generar buscando alcanzar su estabilidad. Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

EnergĂ­a Libre de Gibbs y Equilibrio

aA

+ bB

cC

+ dD

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

EnergĂ­a Libre de Gibbs y Equilibrio

aA

+ bB

cC

+ dD

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

EnergĂ­a Libre de Gibbs y Equilibrio

aA

+ bB Kđ?‘’đ?‘ž =

cC

+ dD

[đ??ś]đ?‘? Ă—[đ??ˇ]đ?‘‘ [đ??´]đ?‘Ž Ă—[đ??ľ]đ?‘?

Δđ??şÂ° = −đ?‘…đ?‘‡ ln đ??žđ?‘’đ?‘ž Tercera FĂłrmula

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Esquema

Leyes de la Termodinámica Energía Libre de Gibbs y Equilibrio Cálculo de la Variación de la Energía Libre

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

CĂĄlculo de la VariaciĂłn de la EnergĂ­a Libre

aA

+ bB

Δđ??şÂ° Δđ??ş

cC

+ dD

Δđ??şÂ° = −đ?‘…đ?‘‡ đ?‘™đ?‘› đ??žđ?‘’đ?‘ž đ?›Ľđ??ş = đ?›Ľđ??şÂ° + đ?‘…đ?‘‡ ln đ??žđ?‘’đ?‘ž Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

CĂĄlculo de la VariaciĂłn de la EnergĂ­a Libre

Δđ??¸ = đ?‘ž − đ?‘¤ Primera FĂłrmula

Δđ??ş = đ?›Ľđ??ť − đ?‘‡đ?›Ľđ?‘† Segunda FĂłrmula

Δđ??şÂ° = −đ?‘…đ?‘‡ ln đ??žđ?‘’đ?‘ž Tercera FĂłrmula

đ?›Ľđ??ş = đ?›Ľđ??şÂ° + đ?‘…đ?‘‡ ln đ??žđ?‘’đ?‘ž Cuarta FĂłrmula

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

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