Conservação de energia

Conservação de energia

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UNIP – Universidade Paulista

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA

A energia existe sob várias formas – mecânica, elétrica, térmica, química e luminosa – podendo ser convertida de uma delas à outra. Entretanto, sempre que ocorre uma diminuição de energia sob dada forma, haverá o aparecimento dessa mesma quantidade de energia em outras formas, de modo que a energia total do universo, ou de qualquer sistema isolado seja conservada. Esse é o principio de conservação de energia. Desde que foi formulado, na metade do século passado, não se observou nenhum processo no qual esse principio tenha sido violado.

A transformação de um tipo de energia em outro e a eficiência da conservação de energia em trabalho e vice-versa são questões de fundamental importância por ocorrerem em qualquer processo físico, químico e biológico. Na Física e na Química, as transformações de energia envolvendo sistemas de muitas partículas são estudadas na Termodinâmica. O termo Bioenergética é usado para designar a área da Biologia que estuda essas transformações em organismos vivos. Essa divisão é puramente formal e didática, pois apesar das transformações de energia na matéria viva ser mais complexas, os princípios envolvidos são os mesmos da matéria inanimada. O principio da conservação da energia é também conhecido como a primeira lei da Termodinâmica.

ENERGIA TÉRMICA

A temperatura de um corpo varia quando ele recebe ou fornece calor. Suas moléculas estão em constante movimento, sendo essa agitação molecular, denominada agitação térmica, responsável pela energia térmica do corpo. Quando um material recebe calor, isto é, é aquecido, há um aumento dessa energia, indicado pela variação de sua temperatura. A energia térmica desse objeto pode ser interpretada como uma forma de energia cinética que ele possui em razão do movimento de suas moléculas.

A variação térmica de um objeto pode ser avaliada determinando-se a variação de sua temperatura por meio de termômetros.

Inicialmente, os estudos sobre calor e energia mecânica foram desenvolvidos independentemente, tendo sido definida uma unidade de calor, denominada caloria, diferente do Joule. Uma caloria é definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 g de água de 14,5o C a 15,5o C. Outra unidade utilizada muito utilizada quando se trata de alimentação ou dietas é a Caloria (Cal) -> 1 Cal = 103 cal = 1 kcal.

Quando dois corpos de diferentes temperaturas são colocados em contato, há uma troca de calor entre eles. A temperatura do corpo mais quente diminui, enquanto a do corpo mais frio aumenta.

A quantidade de calor trocada Q, durante a variação de temperatura t de um corpo, depende de sua massa m, e da própria variação de t de ainda do material de que ele é constituído.

Q = m.c. t

C = cte. calor especifico

ENERGIA QUÍMICA E BIOLÓGICA

Cada molécula possui uma energia potencial elétrica que depende da posição relativa dos átomos que a formam. Os mesmos átomos podem formar diferentes moléculas com diferentes energias potenciais, ou seja, diferentes energias químicas devido à absorção ou a emissão de algum outro tipo de energia. Isso significa que uma forma de energia pode ser transformada em outra numa reação química. Todas as formas de energia química são basicamente de natureza elétrica.

Na queima da gasolina ou na explosão da dinamite, parte da energia potencial armazenada (energia química) nessa substancia é convertida em calor e em energia de movimento. Quando se queima gás metano (CH4), ocorre a reação de oxidação representada por: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O.

A manutenção de qualquer forma de vida depende de transformações moleculares. As plantas armazenam energia liberada em reações químicas produzidas pela absorção de energia solar. Essa energia pode ser posteriormente transferida aos animais na forma de alimento. Uma grande parte desses processos de transferência de energia é realizada através de algumas reações químicas básicas. Uma dessas reações é a que envolve as moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e de trifosfato de adenosina (ATP), representadas por:

ADP:

Adenosina

ATP:

Adenosina

 

A ligação entre os grupos de fosfato P  P ou P  P  P, indicada por linhas curvas envolvem uma grande quantidade de energia potencial armazenada.

Ë por isso que essas moléculas desempenham um papel importante no processo de transferência de energia química em sistemas biológicos, denominada energia biológica. Quando uma molécula de ATP perde um grupo de fosfato, transformando-se numa molécula ATP ADP + P uma grande quantidade de energia é fornecida ao sistema. A energia liberada nessa reação pelas moléculas de ATP é cerca de 67 J/g.

TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA NA BIOSFERA

De modo geral, as reações químicas ocorrem num sistema biológico com liberação ou absorção de energia, sendo verificada a primeira lei da Termodinâmica. Na digestão de um pedaço de carne, por exemplo, moléculas de proteína soa desfeitas dando origem a outras moléculas de menor energia, como CO2 e H2O; nesse processo, parte da energia liberada é transformada em calor e parte é utilizada nos processos que requerem energia.

A fermentação alcoólica e a glicose são processos bioquímicos anaeróbicos (que ocorrem na ausência de oxigênio), pelos quais moléculas orgânicas são convertidas em outras com um conteúdo energético menor. Nesse processo, há portanto, liberação de energia, parte da qual é utilizada na formação de ATP. A glicose ocorre nas células musculares durante uma atividade física intensa, quando o fornecimento de oxigênio se torna insuficiente.

Respiração – Nos animais e na maioria dos microrganismos, a produção de ATP se deve, principalmente, a respiração. Esse é um processo metabólico no qual há a liberação de energia e formação de ATP, a partir de uma série de reações entre elementos básicos de alimentação e oxigênio, produzindo dióxido de carbono e água.

Fotossíntese é o processo pelo qual plantas e certos microrganismos convertem energia luminosa em energia biológica, produzindo carboidratos. Ela ocorre em cloroplastos, estruturas celulares que ontem pigmentos de clorofila.

No processo de respiração , essa reação ocorre no sentido contrário com liberação de energia. Comparando-se esses processos, pode-se concluir que, na formação de glicose pela fotossíntese, parte da energia luminosa é convertida em energia potencial dessa molécula. Alem disso, há também armazenamento de energia em moléculas de ATP.

O processo de transformação de energia luminosa em energia química da molécula de ATP é denominado fotofosforilação, esquematizado na figura ao lado.

Quando um fóton se choca com uma molécula de clorofila (Cl), sua energia é absorvida por um dos elétrons da molécula. Nas células fotossintetizadoras, as moléculas de clorofila estão próximas a outros componentes celulares, especialmente os citocromos (Ci) (moléculas de pigmento que contem ferro e são ligadas a pequenas moléculas de proteína). Um citocromo captura o elétron energético que pertencia a molécula de clorofila, retém uma parte dessa energia e transfere o elétron a outro citocromo. Dessa forma a energia do fóton incidente é distribuída entre vários citocromos. Depois, o elétron envolvido pode ser novamente capturado por uma molécula de clorofila.

Um citocromo, após absorver a energia de o elétron, pode cedê-la sob a forma de calor ou através da emissão de um fóton de baixa energia, ou ainda, se ele estiver próximo a uma molécula de ADP e a um grupo fosfato, para a formação de uma molécula de ATP.

FLUXO DE ENERGIA NA BIOSFERA.

A fonte de energia utilizada por qualquer animal provem de uma hierarquia de organismos relacionados em uma cadeia alimentar. Essa cadeia pode se iniciar nas células fotossintetizadoras das plantas que podem servir de alimentação para as larvas e estas para os pássaros, que por sua vez podem ser comidos por animais.

Os animais que fazem parte de uma cadeia alimentar podem ser classificados em produtores, consumidores e decompositores.

Os produtores são os únicos que conseguem utilizar compostos de carbono na forma mais simples, existentes no meio ambiente, como o dióxido de carbono.

Os consumidores se alimentam de produtores e de outros consumidores.

Os decompositores, como as bactérias e os fungos, provocam a decomposição dos consumidores mortos e restituem ao solo a à atmosfera compostos simples de carbono.

Os produtores utilizam a luz solar como fonte de energia na fotossíntese. O mesmo não acontece com os consumidores, que obtêm a energia de que necessitam pela oxidação de complexas moléculas orgânicas, contidas em sua alimentação.

Apenas uma pequena fração de energia armazenada pelos produtores atinge os consumidores. Parte da energia disponível para cada organismo é dissipada e não pode ser aproveitada para realizar trabalho. Quando os consumidores morrem e são decompostos,a energia nelas armazenada é absorvida pelo ambiente na forma de calor. Dessa forma o fluxo de energia, que se inicia com a absorção de luz solar, é totalmente transferido ao ambiente na forma de calor, como ilustra a figura abaixo.

Nas células heterotróficas, moléculas orgânicas são desfeitas durante a respiração, sendo a energia química liberada utilizada na formação de ATP. A energia armazenada nas moléculas de ATP é empregada na biossíntese, na realização de trabalho mecânico e no transporte de substancias através da membrana celular, conforme demonstra a figura abaixo.

Bibliografia

OKUNO Eminio, CALDAS Iberê e CHOW Celil. Física para ciências biológicas e biomédicas - São Paulo: Harper & Row do Brasil, 1982 (págs. 102 a 289) Nº UNIP 577.3 O41f e.20.

Estudo Dirigido

1) Explique o principio de conservação de energia.

2) Quando empregamos o termo Bioenergética?

3) O que ocorre com a temperatura de um corpo quando ele ganha energia?

4) Como se avalia a variação térmica de um objeto?

5) Como de define uma caloria (cal)?

6) Qual a unidade de energia utilizada no estudo da alimentação?

7) Como se calcula a quantidade de calor trocada por um objeto?

8) Do que depende a manutenção das formas de vida? Como é o processo de transferência de energia?

9) Descreva as reações que envolvem a adenosina?

10) De modo geral como ocorrem as reações químicas?

11) O que são fermentação alcoólica e a glicose

12) Defina como ocorre a respiração?

13) Defina como ocorre a fotossíntese?

14) O que é um citocromo? E qual a sua função?

15) Como são classificados os animais de uma cadeia alimentar? Defina cada um deles.

16) Qual é o aproveitamento da energia armazenada pelos produtores?

8ª aula da disciplina de Biofísica do Curso de Ciências Biológicas – 1º semestre de 2005

Prof. Celso Machado Junior

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