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STMicroelectronics Ubaldo MASTROMATTEO STMicroelectronics – FTM group – R&D Scientific Fellow La termodinamica, la vita e i diavoletti di Maxwell Coherence.

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1 STMicroelectronics Ubaldo MASTROMATTEO STMicroelectronics – FTM group – R&D Scientific Fellow La termodinamica, la vita e i diavoletti di Maxwell Coherence 2006 – Roma, 21 Aprile 2006

2 2 Sommario Sistemi termodinamici Energia Libera: definizioni Equilibrio di radiazione Definizioni termodinamiche in fisiologia animale e vegetale Energia Libera nei viventi Trasformazioni termodinamiche nei vegetali Istruzioni ed entropia negativa: paradossi Conclusioni U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

3 3 energiamateria Sistema termodinamico isolato materia energia Sistema termodinamico chiuso energia materia Sistema termodinamico aperto I sistemi termodinamici U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

4 4 Energia Libera 1 F = U – TS L = - F = F(A)-F(B) Se un sistema compie una trasformazione reversibile da uno stato iniziale A a uno stato finale B, entrambi alla temperatura dellambiente, scambiando calore solo con lambiente, il lavoro che esso compie e uguale alla diminuzione della sua energia libera F. Se la trasformazione e irreversibile, la diminuzione di energia libera e un limite superiore per il lavoro compiuto dal sistema. (E. Fermi, Termodinamica, pag. 90) U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

5 5 Energia Libera 2 Facciamo lipotesi che il nostro sistema, pur essendo dinamicamente isolato, sia in contatto termico con lambiente e che la sua temperatura sia uguale alla temperatura T dellambiente. Per una qualunque trasformazione del sistema, abbiamo L=0; otteniamo allora 0<=F(A)-F(B), ossia F(B)<=F(A). Cio vuol dire che, se un sistema e in contatto termico alla temperatura T con i corpi che lo circondano, e se e dinamicamente isolato in modo da non poter compiere o assorbire lavoro esterno, la sua energia libera non puo aumentare durante una trasformazione. (E. Fermi, Termodinamica, pag 91) U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

6 6 Trasformazioni spontanee H+ H- S- S+ Spontanee solo per T alta Non spontanee per qualsiasi valore di T Spontanee per tutti i valori di T Spontanee solo per T bassa U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

7 7 è il valore dellenergia raggiante che complessivamente lascia una superficie, costituito dai due contributi: è il valore dellenergia raggiante che complessivamente lascia una superficie, costituito dai due contributi: EMISSIONE DIRETTA G G G G E n E n RIFLESSIONE di una parte dellirradianza che incide sulla superficie RIFLESSIONE + CORPO NERO CORPO GRIGIO Energia di radiazione e materia U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

8 8 In un sistema isolato, un corpo rinchiuso dentro un altro, dopo un certo tempo, rag- giunge la temperatura dellinvolucro, anche se sono legati solo il vuoto più spinto. I ma LEGGE DI KIRCHHOFF: T0T0 T1T1 t Equilibrio di radiazione e temperatura U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

9 9 Il rapporto tra il potere emittente ed il potere assorbente è identico per tutte le superfici alla stessa temperatura, allequilibrio. II da LEGGE DI KIRKHHOFF: Il caso è particolarmente interessante quando, quindi quando cè assorbimento totale. La cavità di questo tipo sono chiamate cavità di corpo nero. Quale forma ha W? Equivalenza tra radiazione e calore allequilibrio U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

10 10 Equilibrio di radiazione La crescita di una pianta puo avvenire in ambienti in equilibrio radiativo. Rimane sempre un processo endotermico per cui la radiazione assorbita e maggiore di quella riemessa, anche se la trasformazione avviene alla temperatura dellambiente circostante. (caso particolarmente evidente e quello delle piante acquatiche). U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

11 11 (definizioni da una lezione universitaria sulla fotosintesi) Il secondo principio della termodinamica afferma che in ogni reazione di un ciclo energetico complesso, come la catena alimentare, una parte dellenergia viene persa. La maggior parte dellenergia è persa sotto forma di calore inutilizzabile. Nota: il secondo principio della termodinamica se affermasse solo questo sarebbe superfluo e ci si potrebbe riferire solo al primo principio. U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

12 12 (da una lezione universitaria sulla fotosintesi) Le trasformazioni, orientate alla produzione di materia organica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sono processi che non avvengono spontaneamente, ma hanno bisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poter essere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni "endoergoniche"). La luce del Sole, catturata dal pigmento fotosintetico "clorofilla", fornisce appunto l'energia necessaria ad alimentare l'intera serie di reazioni. Nota: in quale parte del quadrante dei quattro casi per lenergia libera cade il processo fotosintetico? In basso a sinistra. Quindi? U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

13 13 Esperimento di Priestley U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

14 14 Se vogliamo considerare il vivente come un sistema termodinamico aperto per esso devono valere i principi della termodinamica Definizioni da un corso universitario di fisiologia Nota: il vivente e troppo complesso per assoggettarlo a quello che vale per i sistemi di particelle soggetti solo alle leggi di conservazione. Non viene affatto considerato il ruolo dellinformazione che per il vivente e un elemento fondamentale perche definisce gli aspetti finalistici. U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

15 15 Il vivente è –come minimo- una porzione di materia costituita da un insieme complesso di un grandissimo numero di particelle. Questa porzione di materia, considerata globalmente e non a livello delle singole particelle, costituisce un sistema termodinamico Da una lezione universitaria di fisiologia Nota: siamo sicuri che il sistema vivente sia solo questo? E gli aspetti relativi alla informazione genetica che ruolo giocano? I processi di sintesi delle proteine e la moltiplicazione cellulare in che modo sono ordinati? U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

16 16 Il vivente è una macchina chimica (trae la sua energia di esecuzione direttamente dai composti chimici). Lenergia chimica è trasferita direttamente da un composto chimico allaltro e solo una frazione è trasformata in calore (che è più che altro un prodotto collaterale) Il vivente e una macchina? (da una lezione universitaria di fisiologia) Nota: se il vivente e una macchina simile alle macchine prodotte dalluomo, come mai in natura si trovano tanti tipi di viventi e non si trovano macchine anche semplicissime simili agli artefatti opera dellingegno umano? U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

17 17 La spontaneità di un processo è determinata da 2 fattori: laumento del disordine e la diminuzione di energia interna (o entalpia) È il bilancio dei due fattori che imprime la direzione al processo Organizzazione molto probabile Sistema disordinato DISORDINE H Sistema ordinatissimo Nel sistema termodinamico costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione elevatissimo Organizzazione poco probabile: più elevate U e H Sistema ordinato Strane osservazioni offerte agli studenti Nota: Quello che in realta si osserva e il procedere della trasformazione in senso opposto U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

18 18 LENTROPIA S è associata al disordine e il II° principio della termodinamica, secondo il quale nei processi naturali lentropia del sistema + quella dellambiente esterno tende ad aumentare, equivale ad affermare che il disordine di (sistema + ambiente) tende ad aumentare H S fenomeno spontaneo: diminuzione di H aumento di S Organizzazione molto probabile Sistema disordinato Sistema ordinatissimo Nel sistema termodinamico costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione elevatissimo Altre strane osservazioni Nota: quanto qui osservato si ha quando la pianta muore e viene bruciata U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

19 19 Il vivente cresce e aumenta la sua organizzazione, la sua energia interna U e la sua energia libera G, mentre riduce la sua entropia S Nota: con questo si afferma esattamente che il vivente (che si era considerato come sistema di particelle) e in grado di subire trasformazioni termodinamicamente impossibili, ma non se ne traggono le conseguenze. U elevata G elevata S ridotta Flusso Energetico Entrante Flusso Energetico Uscente Da una lezione universitaria di fisiologia U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

20 20 Animated PCR Used with permission. U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

21 21 Peculiarita del vivente: le istruzioni le peculiarita del sistema vivente non permettono di assimilarlo ad un semplice sistema di N particelle. Infatti, per i sistemi viventi, ce un elemento fondamentale intrinseco che non e presente nei classici sistemi a N particelle: linformazione interna codificata (istruzioni). Siamo quindi in presenza di un sistema con dei diavoletti di Maxwell al suo interno in grado di far procedere, durante alcune trasformazioni, il sistema da una configurazione piu probabile ad una meno probabile, attribuendo alla variazione di S= (K ln W) un valore negativo. U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

22 22 Istruzioni 1 Alcuni elementi del sistema vivo sono costretti ad un comportamento univoco sulla base di istruzioni contenute allinterno del sistema e per farlo necessitano solo di energia o presente gia nel sistema, o proveniente dallambiente circostante: il sistema e aperto. Queste parti del sistema sono immerse in un ambiente di tipo classico dove le parti (acqua, elementi inorganici disciolti e composti organici) si comportano classicamente fin tanto che sono liberi, ma possono divenire elementi costituenti di parti del sistema in grado di gestire linformazione codificata di cui si e detto. U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

23 23 Istruzioni 2 Nel caso classico del paradosso di Gibbs si conclude che la violazione operata dal diavoletto di Maxwell e solo apparente, perche la verifica del numero di molecole del gas (di cui si parla in questo caso) effettivamente confinate dal diavoletto, necessitano di essere conosciute scambiando informazione con losservatore esterno e questo provoca quel dispendio di energia che riporta il bilancio verso un riequilibrio dellentropia. Ma cosa avviene quando questo scambio di informazione non e piu necessario? Puo, in sostanza, il diavoletto di Maxwell evitare di comunicare allesterno lesito del suo lavoro? Nel caso del vivente si, perche linformazione e generata e gestita totalmente allinterno del sistema. U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006

24 24 Conclusioni Lefficienza di esecuzione delle istruzioni allinterno di sistemi vivi e grandemente superiore a quella che si ha per i sistemi non vivi ad alto contenuto di informazione. Il fatto che le istruzioni per raggiungere le finalita per cui il vivente esiste siano contenute al suo interno, permette ad esso di eludere il secondo principio della termodinamica: F(B)>F(A). U. Mastromatteo - Coherence 2006 – Roma, 21 aprile 2006


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