Física e Biofísica

Aula 04 –Conservação de energia

Denilson C. Resende resendedc@gmail.com

Antes de começar a falar em energia na biologia, precisamos discutir o que é energia!

Para a física energiaé definida como sendo um ente (algo) capaz de realizar trabalho.

Mas saimos do espeto e caimos na brasa, pois o que significa realizar trabalho (w). Ok, para entender vamos voltar nas leis de Newton e buscar o conceito de força, de posse dela, vamos definir trabalho como sendo :

dFdFdFw se o

Mas poderá haver um questionamento!, como pode ser realizado trabalho, ou seja, como podemos diferenciar, uma mesma quantidade de energia, mas feito em tempos diferentes.

EX. Sejam dois trabalhadores, que pretendem executar a mesma tarefa, ou seja, ambos gastarão a mesma energia para tal feito, mas um trabalhador gasta para isso um tempo t, o outro 2t. Como medir isso.

Para solucionar o problema acima definimos uma grandeza chamada de potência, como:

Isso nos ajudará a entende ainda mais sobre a dinâmica do vôo, pois o bater das asas, necessita de um consumo de energia, portanto a realização de trabalho, a forma que ele realiza este trabalho chamamos de potência.

Partindo desta idéia, vamos trabalhar um pouco na equação do trabalho.

ta ad isso com at d e, lado, outropor mv w dosubstituin vat atv maddFw

Energia cinética ou energia de movimento

Agora vammos pensar como a energia se comporta nesta transformação

Sistemas que estão submetido apenas a forças conservativas a energia total se conserva. Ou seja, ela apenas se transforma em outra forma de energia ou realiza trabalho externo.

A energia possui um conjunto de faces que vamos estudar aqui, e como el se interage ou interagimos com ela, bem como todos os animais na natureza. Entender melhor a natureza, passa em grande parte em buscar como ela se relaciona com a natureza.

A energia vai se mostrar como: Energia térmica Energia elétrica Energia luminosa Energia de movimento Energia armazenada ou potencial Energia Sonora, etc.....

Energia térmica

Quando um sistema cede ou recebe calor. A temperatura do sistema varia. Sabe-se que todo o universo é constituído de átomos, aglomerados de átomos e etc.

Como tudo o que existe é constituído por arranjo que contém um núcleo e seu orbitaal onde a grande possibilidade de encontrar o(s) eletron(s), que se encontra em constante movimento, a temperatura e a medida do grau de agitação deste átomo ou molécula.

Quando um material qualquer recebe calor, ou seja, ser aquecidoo há um aumento dessa energia indicada pela variação de temperatura dada por

Para mostrar que calor é uma forma de energia, esse era um grande problema, mas Joule imginou um sistema nde isso poderia acontecer de forma que ele possa, caso seja verdade, uma forma de ser medido.

Com a idéia abaixo, Joule conseguiu relacionar calorias e energia,

O experimento realizado tinha como objetivo transformar energia mecânica em calor, conforme esquema abaixo

A versão original do experimento, consta de dois pesos iguais que pendem simetricamente do eixo. O peso, que se move com velocidade praticamente constante, perde energia potencial. Como conseqüência, a água é agitada pelas paletas é aquecida devido a fricção.

Se o bloco de massa Mdesce uma altura h, a energia potencial diminui em Mgh, e eta esta é a energia que é utilizada para aquecer a água (são desprezadas outras perdas).

ele encontrou que a diminuição de energia potencial é proporcional ao aumento de temperatura da água. A constante de proporcionalidade (o calor específico de água) é igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energia mecânica aumentam a temperatura de 1g de água em 1º C. Se define a caloria como 4.186 J sem referência a substância que está sendo aquecida.

Na simulação da experiência de Joule, é desprezado o equivalente em água do calorímetro, do termômetro, do eixo e das paletas, a perda de energia pelas paredes isolantes do recipiente do calorímetro e outras perdas devidas ao atrito nas polias, etc.

Seja Ma massa do bloco que pende e hseu deslocamento vertical ma massa de água do calorímetro

T0a temperatura inicial da água e Ta temperatura final g=9.8 m/s2a aceleração da gravidade

A conversão de energia mecânica integralmente em calor é expressa mediante a seguinte equação.

Explicitamos o calor específico da água que é expresso em J/(kg K).

Como o calor específico da água é por definição c=1 cal/(g ºC), obtemos a equivalência entre as unidades de calor e de trabalho ou energia.

Movimento Browniano

Jan Ingenhousz fez algumas observações do movimento irregular de poeira de carbono em álcool em 1765, mas o movimento Browniano é geralmente c onsiderado como sendo descoberto pelo botânico Robert Brown em 1827. É acreditado que Brown estava estudando partículas de pólen flutuando na água com microscópio.

)mc(T-TMgh QE

Ele, então, observou minúsculas partículas dentro dos vacúolos dos grãos de pólen executando um movimento agitado. Repetindo o experimento com partículas de poeira, ele foi capaz de definir que o movimento se deu devido às partículas estarem "vivas", embora a origem do movimento ainda estivesse para ser explicada.

A primeira pessoa a descrever a matemática por trás do movimento

Browniano foi Thorvald N. Thiele em 1880 em um artigo no método dos menores quadrados. Isto foi seguido independentemente por Louis Bachelier em 1900 em sua tese de PhD "A Teoria da Especulação". De qualquer maneira, foi a pesquisa independente de Albert Einstein do problema em seu paper de 1905.

J xk

BoltzmannStefandeteconskT k

Chamamos de energia química ou biológica os processos que envolvem principalmente reações químicas dentro do organismo.

No organismo aliberação de energia (calor) se da principalmente pela quebra de um grupo fosfato

KOHCOOCH592 2

J P67 ADP ATP

Em geral, a energia é absorvida ou emitida por uma reação dentro de um sistema biológico, sendo verificado a primeira lei da termodinâmica

Reação

Absorçãoliberação

seFotossínte BEA spiração oFermentaçã EBARe

Os processos são:

Absorção de energia A B

C D L iberação de energia

Fermentação: A fermentação são processos químicos anaeróbicos

ATPHOHCOHC2 42

Respiração: A respiração é um processo aeróbico

Fotossíntese:

A fotossíntese é um processo químico, no qual há abssorção de energia, como ele é único, é de fundamental importância para a manutenção da vida, podemos através dele entender todo o processo da cadeia alimentar e mais, verificar, bem como afirmar a nossa dependência da energia proveniente do sol.

SATPHCOOOHC23 O66 6
66 O6

Em uma concepção groceira, o fluxo de energia na biosfera de dá baseados

Sol fotossíntese energia química org. heterotrofos calor

Energia e o corp humano

Depois de discutir todo esse processo de troca e transferência de energia, podemos entender que ela é fundamental para os seres vivos e é cllaro para nós.

Consumidores produtores

O corpo humano necessita desta energia para manter suas atividades rotineiras, este consumo por órgãos é proporcional a sua atividade

Sabemos que a energia necessária deve ser retirada do que alimentamos e todos os processos metabólicos que acontecem tem como objetivo produzir a energia que precisamos para viver.

Sabemos que:

Consumo de energiaórgão

25%Coração e esqueleto 19% Cérebro 10% Rins 27%Fígado e basso 5% Eliminado

Por outro lado

Quando em repouso, uma pessôa consome em média 95 kcal/h. A este consumi mínimo de energia denominamos de taxa de metabolismo basal que indica a quantidade de energia necessária à manutenção das atividades indispensáveis do organismo vivo em repouso.

Chamamos de rendimento tWtQt E tWQE

Potência média com que o organismo realiza trabalho

Por outro lado

Trocas de calor

Nós trocamos calor com o meio ambiente através da pele, ou ceja provém da capacidade do sistema em ceder ou absorver calor, que dependerá da diferença de temperatura etreo os sistemas físicos em questão, mas obedecendo a lei de Stefan- Boltzmann

Chamamos de rendimento

Uma criança nua irradia cerca de 445 w, contudo ela absorve a energia irradiada pelos objetos que a circunda, logo temos:

apeae TTAKPP

hKm kcal

Potência absorvida

Potência emitida

Agora vamos fazer uma reflexão sobre o fluxo de energia na natureza e como nos inserimos nesse processo.

Quanto mais a sociedade evolui, cresce o peder aquisitivo, maior a demanda por energia.

A pergunta é! Quanto estamos preparados para abrir mão de conforto e qualidade de vida em detrimento da preservação ambiental?

Qualidade de vida Gasto de energia

O quanto estamos dispostos a pagar por isso?

Sabemos que quanto maior a demanda maior tem de ser a oferta, e para produzí-la, há de se causar impactos por menor que eles sejam.

pergunta é! Quanto estamos preparados para abrir mão de conforto e qualidade de vida em detrimento da preservação ambiental?

Há um consenso que tomar um banho quente, estar confortável sob um local climatizado, passar roupas, lavar um automóvel e muitos outros casos necessita de forma direta ou indireta da energia.

O consumo de energia acompanha crescimento da economia e da qualidade de vida, a proporção deste consumo normalmente é maior que crescimento.

As fontes de energia se dividem em duas categorias, a que chamamos de convencionais que possui um custo de produção economicamente estável e barato e as não-convencionais que a tecnologia não estão totalmente desenvolvidas ou socialmente não são bem aceitas.

Fontes de energia

Sol Hidráulica (hidroelétrica e hidrodinâmica)

De combustíveis (fósseis e vegetais)

Termoelétrica a gás e alcool

Geotérmica

Nuclear (Fusão e fissão)

Solar (células fotovoltaicas, coletores térmicos) Eólica

Biomassa

Mares

Lixo (retirada do metano, queima direta)

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