Elemente de Termodinamică Biologică

1. NOTIUNI GENERALE

Termodinamica este o ramura a fizicii care studiaza transformarile reciproce ale diverselor

forme de energie în sisteme macroscopice bine definite, sistemele termodinamice.

Sistemele termodinamice sunt constituite dintr-un numar foarte mare de atomi si molecule,

care interactioneaza în special prin forte cu raza mica de actiune, de exemplu fortele interatomice si

intermoleculare de natura electrostatica. Pentru a defini un anumit sistem termodinamic, trebuie

precizate limitele de separare între sistemul respectiv si mediul exterior sistemului. Proprietatile

acestor limite determina relatiile sistemului cu mediul prin schimburi de materie si energie.

Clasificarea sistemelor termodinamice:

- deschise - schimba cu exteriorul atât energie cât si substanta

- închise - schimba cu exteriorul numai energie

- izolate - nu au nici un fel de schimburi cu exteriorul, de care sunt separate prin pereti

adiabatici.

Un perete adiabatic reprezinta un element ideal care separa doua sisteme si permite celor

doua sisteme sa evolueze independent (parametrii de stare ai celor doua sisteme variaza în mod

independent).

Starea termodinamica a unui sistem este descrisa de parametrii de stare, care sunt marimi

macroscopice masurabile asociate sistemului si care depind de starea sistemului, dar nu si de modul

în care sistemul a ajuns în acea stare. Parametrii de stare pot fi intensivi sau extensivi.

Parametrii extensivi depind de dimensiunile sistemului si de cantitatea de substanta

existenta în sistem (de exemplu, volumul, masa, numarul de moli).

Parametrii intensivi au valori care nu depind de dimensiunile sistemului (de exemplu,

presiunea, densitatea, temperatura).

Pentru a descrie starea de echilibru sau miscare a sistemelor mecanice sunt necesare trei

marimi fizice fundamentale: lungime, masa, timp. Pentru descrierea fenomenelor termice este

necesara o alta marime fundamentala, temperatura (T). Sa luam de exemplu cazul a doua sisteme

termodinamice cu temperaturi diferite, aflate în contact. Datorita diferentei de temperatura, între

cele doua sisteme se va produce un schimb de energie. Starea de echilibru termic (sau

termodinamic) este atinsa atunci când toate modificarile parametrilor de stare ai celor doua sisteme

înceteaza, ceea ce înseamna ca starea termodinamica nu se mai modifica în timp.

Principiul zero al termodinamicii afirma ca doua sisteme aflate fiecare în echilibru termic

cu un al treilea sistem sunt în echilibru termic între ele.

2

Temperatura este deci proprietatea care determina daca sistemul va fi sau nu în echilibru cu

alte sisteme si spunem ca daca doua sau mai multe sisteme sunt în echilibru termic, atunci ele au

aceeasi temperatura. Temperatura unui sistem este direct legata de energia moleculelor sistemului;

ea nu are sens decât pentru sisteme cu numar mare de molecule.

Schimbul de caldura între doua sisteme poate fi astfel înteles ca fiind transferul de energie

datorat exclusiv diferentei de temperatura dintre cele doua sisteme (parametrii extensivi nu se

modifica, nu se efectueaza lucru mecanic).

Daca exista forte care determina deplasarea unor elemente ale sistemului, spunem ca se

efectueaza lucru mecanic. Exista mai multe forme de lucru mecanic: lucru mecanic de

comprimare/dilatare, lucru mecanic de deplasare în câmp electric sau magnetic, lucru mecanic de

crestere a suprafetei libere împotriva fortelor de tensiune superficiale etc. În discutiile din cursul de

fata se va considera ca sistemul termodinamic efectueaza numai lucru mecanic de

comprimare/dilatare.

Lucrul mecanic dL efectuat de sau asupra unui sistem la presiunea p, într-o transformare

infinitezimala în care volumul sistemului variaza cu dV este

dL = p dV

Atunci când parametrii de stare ai sistemului variaza în timp, sistemul sufera o

transformare termodinamica; aceasta reprezinta o schimbare a starii termodinamice si în acest caz

spunem ca are loc un proces termodinamic.

Procesele termodinamice pot fi:

- de echilibru sau cvasistatice: sistemul pleaca dintr-o stare de echilibru si ajunge într-o alta stare

de echilibru prin varierea infinit de lenta a parametrilor termodinamici, astfel încât sistemul se afla

în orice moment într-o stare de echilibru.

- de neechilibru: unul sau mai multi parametri de stare variaza în timp sau spatiu, astfel încât starile

prin care trece sistemul nu sunt stari de echilibru.

O alta clasificare a proceselor termodinamice:

- procese reversibile: atunci când conditiile externe se modifica într-un anumit sens, sistemul trece

printr-o succesiune de stari termodinamice. La inversarea sensului de variatie a conditiilor externe,

sistemul trece prin aceleasi stari termodinamice în ordine inversa.

- procese ireversibile: sistemul nu mai revine la starea initiala prin inversarea sensului de variatie a

conditiilor externe.

Toate procesele mecanice fara frecare sunt procese reversibile, în timp ce toate procesele

însotite de frecare sunt ireversibile. De asemenea, toate procesele de neechilibru sunt procese

ireversibile (de exemplu: vâscozitatea, difuzia). Orice proces reversibil este cvasistatic, dar

reciproca nu este întotdeauna adevarata. De exemplu, destinderea libera a unui gaz în volume

succesive infinitezimale este un proces cvasistatic dar ireversibil.