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Leis da termodinâmica

Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica, como elas são aplicadas em sistemas biológicos.

Introdução

Que tipo de sistema você é: aberto ou fechado? Essa é, na verdade, uma pergunta física, e não filosófica. Você, como todos os outros seres vivos, é um sistema aberto, o que significa que você troca tanto matéria quanto energia com o seu ambiente. Por exemplo, você ingere energia química na forma de comida, e realiza trabalho em seu entorno ao se movimentar, falar, andar e respirar.
Todas as trocas de energia que acontecem dentro de você (como as suas muitas reações metabólicas, por exemplo), e entre você e seu entorno, podem ser descritas pelas mesmas leis da física como a troca de energia entre objetos quentes e gelados, ou moléculas de gases, ou qualquer outra coisa que possa vir a encontrar em um livro de física. Aqui, veremos duas leis físicas - a Primeira e a Segunda lei da Termodinâmica - e veremos como elas se aplicam à sistemas biológicos como você.

Sistemas e meios

Termodinâmica em biologia refere-se ao estudo das transferências de energia que ocorrem em moléculas ou conjuntos de moléculas. Quando nós estamos discutindo termodinâmica, o ítem específico ou conjunto de ítems que nós estamos interessados (que poderia ser algo tão pequeno quanto uma célula, ou tão grande quanto um ecosistema) é chamado de sistema, enquanto que tudo que não está incluso no sistema nós então definimos como meio.
Por exemplo, se você está aquecendo uma panela de água no fogão, o sistema pode incluir o fogão, o pote, a panela e a água, enquanto o meio é todo o resto: o resto da cozinha, a casa, a vizinhança, o país, planeta, galáxia e universo. A decisão do que se define como sistema é arbitrária (depende do observador), e dependendo do que você quer estudar, você poderia da mesma forma fazer com que a água, ou a casa inteira, sejam parte do sistema. O sistema e o meio, juntos, formam o universo.
Existem três tipos de sistemas na termodinâmica: aberto, fechado e isolado.
  • Um sistema aberto pode trocar tanto energia quanto matéria com o meio. O exemplo do fogão dado anteriormente seria um sistema aberto, pois o calor e o vapor d'água podem ser perdidos para o ar.
  • Um sistema fechado, por outro lado, pode trocar apenas energia com o meio, mas não pode trocar matéria. Se colocarmos uma tampa bem fechada na panela do exemplo anterior, ela estaria mais próximo de um sistema fechado.
  • Um sistema isolado não pode trocar nem matéria, nem energia com seu meio. Um sistema perfeitamente isolado é bem difícil de se encontrar, mas um cooler com tampa é conceitualmente similar a um verdadeiro sistema isolado. Os itens dentro do sistema podem trocar energia um com o outro, por isso a bebida fica gelada e o gelo derrete um pouco, mas eles trocam pouquíssima energia (calor) com o meio externo.
Você, assim como os outros organismos, é um sistema aberto. Quer você pense sobre isso ou não, você está constantemente trocando energia e massa com seu meio. Por exemplo, vamos supor que você come uma cenoura, ou levanta um cesto de roupas sujas, ou simplesmente expira e libera gás carbônico na atmosfera. Em cada um desses casos, você está trocando energia e massa com seu ambiente.
Trocas energéticas que acontecem em criaturas vivas devem seguir as leis da física. Nesse sentido, elas não são diferentes das transferências de energia que acontecem, digamos, num circuito elétrico. Vamos olhar mais de perto como as leis da termodinâmica (leis físicas da transferência de energia) se aplicam aos seres vivos como você.

A Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é ambiciosa: ela trata com a quantidade total de energia no universo, e mais especificamente, afirma que esta quantidade total não se altera. Colocado de outra forma, a Primeira Lei da Termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Ela pode somente ser modificada ou transferida de um objeto a outro.
Crédito da imagem: OpenStax Biology. Crédito de "Sorvete", modificação de arte por D. Sharon Pruitt; crédito de "Crianças de bicicleta", modificação de arte por Michelle Riggen-Ransom, e crédito de “Folha”: modificação de arte por Cory Zanker.
Essa lei pode parecer um tanto abstrata, mas se começarmos a ver os exemplos, descobriremos que transferências e transformações de energia ocorrem ao nosso redor o tempo todo. Por exemplo:
  • Lâmpadas transformam energia elétrica em energia para iluminação (energia radiante).
  • Uma bola de bilhar bate na outra, transferindo energia cinética e fazendo a segunda bola se mover.
  • Plantas transformam a energia da luz solar (energia radiante) em energia química armazenada em moléculas orgânicas.
  • Você está transformando a energia química do seu último lanche em energia cinética enquanto anda, respira e move seu dedo para rolar esta página para cima e para baixo.
Consideravelmente, nenhuma dessas transferências é totalmente eficaz. Em vez disso, em cada cenário, um parte da energia inicial é liberada na forma de energia térmica. Quando se move de um objeto para outro, a energia térmica é chamada, mais popularmente, de calor. É óbvio que as lâmpadas geram calor, além de luz, mas quando bolas de bilhar são movidas, o mesmo acontece (devido ao atrito), assim como no caso das ineficientes transferências de energia química do metabolismo animal e vegetal. Para saber por que esta geração de calor é importante, fique atento para a Segunda lei da termodinâmica.

A Segunda lei da termodinâmica

Numa primeira impressão, a primeira lei da termodinâmica parece uma novidade. Se a energia nunca é criada nem destruída, isso significa que ela é reciclada várias vezes, certo?
Bem... Sim e não. Energia não pode ser criada nem destruída, mas pode mudar de uma forma mais útil para uma forma menos útil. Como se verifica, em uma transferência ou transformação de energia no mundo real, uma certa quantidade de energia é convertida em uma forma inútil (que não pode ser usada para realizar trabalho). Na maioria dos casos, essa forma de energia inutilizável toma a forma de calor.
Apesar do calor poder, de fato, realizar trabalho sob certas circunstâncias, jamais será possível transformá-lo em outras formas de energia (que gerem trabalho) com 100% de eficiência. Portanto, toda vez que uma transferência de energia acontece, uma parcela dessa energia útil vai se dissipar para uma forma inútil.

O calor aumenta a desordem do universo

Se o calor não está realizando trabalho, o que está fazendo, exatamente? O calor que não realiza trabalho aumenta a aleatoriedade (desordem) do universo. Isso pode parecer um grande salto lógico, portanto vamos retroceder um pouco e ver como pode acontecer.
Quando você tem dois objetos (por ex., dois blocos do mesmo metal) em temperaturas diferentes, seu sistema é relativamente organizado: as moléculas são divididas por velocidade, com as moléculas do objeto mais frio movendo-se lentamente e as do objeto mais quente movendo-se rapidamente. Se o calor fluir do objeto mais quente para o objeto mais frio (o que acontecerá espontaneamente), as moléculas do objeto quente vão desacelerar, e as moléculas do objeto mais frio vão acelerar até que todas as moléculas estejam se movendo à mesma velocidade média. Agora, em vez de termos uma divisão entre moléculas rápidas e lentas, temos simplesmente um grande conjunto de moléculas movendo-se mais ou menos na mesma velocidade – uma situação menos ordenada do que o nosso ponto de partida.
O sistema tenderá a se direcionar para esta configuração mais desordenada, simplesmente porque ela é estatisticamente muito mais provável que a configuração de temperaturas separadas (ou seja, há muito mais estados possíveis que correspondem à configuração desordenada). Você pode explorar ainda mais este conceito nos vídeos deste tutorial, ou neste vídeo de física simples e direto.

Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

O grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema é chamado de entropia. Como sabemos que toda transferência de energia resulta na conversão de uma parte da energia em uma forma inutilizável (como calor), e como o calor que não gera trabalho acaba aumentando a aleatoriedade do universo, podemos afirmar uma versão relevante para a biologia da Segunda lei da termodinâmica: toda transferência de energia aumentará a entropia do universo e reduzirá a quantidade de energia utilizável disponível para realizar trabalho (ou, no caso mais extremo, manterá a entropia geral inalterada). Em outras palavras, qualquer processo, como uma reação química ou um conjunto de reações interligadas, vai direcionar-se para o aumento da entropia geral do universo.
Para resumir, a Primeira lei da termodinâmica nos fala sobre a conservação de energia entre processos, enquanto a Segunda lei da termodinâmica nos fala sobre a direcionalidade dos processos, ou seja, da menor para a maior entropia (no universo geral).

Entropia nos sistemas biológicos

Uma implicação da segunda lei da termodinâmica é que, para que um processo aconteça, ele deve, de alguma forma, aumentar a entropia do universo. Isso pode lhe gerar algumas dúvidas quando você pensar em organismos vivos, como você mesmo. Afinal, você não é um conjunto bem organizado de matéria? Toda célula do seu corpo tem sua própria organização interna; as células são organizadas em tecidos, e os tecidos em órgãos; e todo o seu corpo mantém um sistema cuidadoso de transporte, troca e comércio que mantêm você vivo. Sendo assim, à primeira vista, pode não ser muito claro o modo como você, ou até mesmo uma simples bactéria, pode representar um aumento na entropia do universo.
Para esclarecer isto, vamos olhar as trocas de energia que acontecem em seu corpo - digamos, quando você sai para uma caminhada. Conforme você contrai os músculos de suas permas para mover seu corpo para frente, você está usando energia química de moléculas complexas como a glicose e convertendo esta energia química em energia cinética (e, se você está subindo um morro, em energia potencial). Contudo, você está fazendo isto com uma eficiência bastante baixa: uma grande fração da energia de suas fontes combustíveis é simplesmente transformada em calor. Parte do calor conserva seu corpo aquecido, mas uma grande parte se dissipa no ambiente a seu redor.
Essa transferência de calor aumenta a entropia do meio, assim como o fato de você pegar biomoléculas grandes e complexas e convertê-las em diversas moléculas pequenas e simples, como dióxido de carbono e água, à medida que metaboliza combustível para possibilitar sua caminhada. Este exemplo usa uma pessoa em movimento, mas o mesmo aconteceria no caso de uma pessoa, ou de qualquer outro organismo, em repouso. A pessoa ou organismo manterá alguma taxa basal da atividade metabólica, causando a quebra de moléculas complexas em moléculas menores e mais numerosas, bem como a liberação de calor, consequentemente, aumentando a entropia do meio.
De forma mais geral, os processos que diminuem a entropia localmente, como os que constroem e mantêm os corpos altamente organizados dos seres vivos, podem, sim, ocorrer. Entretanto, essas diminuições locais de entropia podem ocorrer somente com gasto de energia, em que uma parte dessa energia é convertida em calor ou em outras formas não utilizáveis. O efeito líquido do processo original (diminuição local de entropia) e a transferência de energia (aumento de entropia no meio exterior) é um aumento geral na entropia do universo. Os seres vivos são, portanto, “ilhas de baixa entropia” em um universo relativamente desordenado, cujo alto grau de organização é mantido por uma constante entrada de energia, contrabalanceada por um aumento da entropia no meio exterior.
Resumindo, o alto grau de organização dos seres vivos é mantido por uma entrada constante de energia e é compensado por um aumento na entropia do ambiente.

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  • Avatar old spice man blue style do usuário Daniela Faria
    É muito difícil imaginar a finitude da energia útil no universo... hm.
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  • Avatar piceratops seedling style do usuário Julia Souza
    como funciona as trocas de calor em animais pecilotérmicos?
    (4 votos)
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  • Avatar aqualine ultimate style do usuário tacnost
    A primeira lei da termodinâmica afirma que a quantidade total de energia no universo não se altera.
    Mas a entropia do universo está constantemente aumentando. Como?
    (2 votos)
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    • Avatar piceratops seed style do usuário RenanzinhoSF
      Sua pergunta é pertinente, mas a resposta está brevemente descrita nos primeiros parágrafos sobre a segunda lei.

      Imagine a seguinte situação:
      Para fazer um carrossel infantil ganhar movimento angular (aumentar a velocidade giratória), você irá direcionar suas mãos ao objeto e impor força (energia muscular/química) para retirá-lo do estado de inércia (a propriedade da resistência de um corpo em repouso ou movimento), ou seja, tirá-lo da sua velocidade referencial nula e pô-lo em movimento (energia mecânica).

      No entanto, o próprio efeito de tocar às mãos no objeto, carrossel, resulta em energia sonora (o som da pele encostando nas hastes metálicas) e energia térmica (o atrito das mãos pela sobreposição de força).

      Lembra da energia útil (a capaz de realizar trabalho) e a inútil (comumente dissipada em calor)?

      Pois bem!

      A útil, neste exemplo, seria a energia mecânica, isto é, o ato do brinquedo ganhar movimento giratório, uma vez que você forneceu trabalho ao sistema.
      As inúteis (irrelevantes ao propósito da operação), por sua vez, são a sonora e a térmica, tais quais se "desperdiçam" (no sentido de não ter relevância para o objeto em questão, porém no universo não há sentido consciente de atribuição de valores), convertidas ao meio (o ar).

      Enfim, a entropia não é uma quantidade de energia, todavia, sim, uma forma de relacionar as possíveis circunstâncias que um sistema pode ter em função de todos os tipos de energia presentes. Quanto mais interação enérgica, mais configurações disponíveis haverá e, por fim, mais entropia.
      (1 voto)
  • Avatar blobby green style do usuário maria.eduarda20355
    utilizando-se os conceitos das leis da
    termodinâmica, e das pirâmides ecológicas,
    como fazer para uma empresa ter menos
    efeitos negativos sobre o ser humano e
    sobre o meio ambiente?
    (1 voto)
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  • Avatar blobby green style do usuário edinelsonvalentemiranda
    Boa tarde....
    A transferência de energia sempre ocorrerá unidirecional da mais positiva para a negativa?
    (1 voto)
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  • Avatar blobby green style do usuário sergioreck
    como funciona a troca de calor entre resistência elétrica e a agua
    (1 voto)
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    • Avatar starky ultimate style do usuário Daniela S.
      Há um aumento da temperatura no resistor e este calor é transferido para água que passa por ali. O resistor como o nome já diz, exerce certa resistência para a corrente elétrica do circuito, isto implica em maiores colisões de elétrons o que acaba por aumentar a temperatura do fio e este calor é transferido para a água.
      (2 votos)
  • Avatar blobby green style do usuário Nayara Souza Araujo
    Como as duas leis da termodinâmica podem ser aplicadas no funcionamento celular?
    (1 voto)
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    • Avatar blobby green style do usuário Lucas Melo
      A primeira Lei da termodinâmica diz que a energia no universo não é perdida, não "some", é mas transformada apenas; logo, é possível concluir que a energia que entra e sai na célula não foi gerada aleatóriamente e nem some do nada, mas é transformada (absorvida, tranformada e liberada, visto que a célula é um sistema aberto).

      A segunda Lei da termodinâmica diz que as transformações de energia sempre favorecem o aumento de entropia no universo; logo, é possível concluir que essas transformações de energia que ocorrem na célula não são 100% eficientes (nenhuma transformação energética na prática é 100% eficiente), e tambem aumentam a entropia do universo quando a célula libera calor. Inclusive, é justamente essa ineficiência que gera a necessidade de entrada constante de energia na célula, porque senão ela seria "desfeita" enquanto mantém as transformações energéticas necessárias à manutenção da vida.
      (6 votos)
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