Lernzettel: Thermodynamique physiologique et diffusion

📋 Plan du Cours

1. Systèmes vivants et thermodynamique
2. Variables et fonctions d’état
3. Travail et premier principe
4. Chaleur et entropie
5. Énergie libre et spontanéité
6. Cellule ouverte et métabolisme
7. Flux, forces et conductances
8. Couplage et diffusion membranaire

📖 1. Systèmes vivants et thermodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Système ouvert : Peut échanger de la matière, de la chaleur et du travail mécanique avec son milieu extérieur.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

⚡ Un système isolé n’échange ni matière, ni chaleur ni travail mécanique, un système adiabatique n’échange ni matière ni chaleur mais peut recevoir un travail mécanique, un système fermé n’échange pas de matière mais échange chaleur et travail, et un système ouvert échange les trois.

Compléments

• Le flux d’énergie traversant une cellule est ce qui caractérise le vivant.

💡 Astuce mémo

Vivre = échanger

📖 2. Variables et fonctions d’état

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’état : Une grandeur dont la variation dépend uniquement de l’état initial et de l’état final du système.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

⚡ Une variable intensive se mesure localement et ne s’additionne pas, tandis qu’une variable extensive dépend de la taille du système et s’additionne.

• Le volume V, la pression P et la température T définissent complètement un gaz idéal et sont liés par l’équation PV = nRT, avec R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹.

Compléments

📌 Le rapport de deux variables extensives est une variable intensive, et le produit d’une variable intensive par sa variable extensive conjuguée représente un travail exprimé en joules.

💡 Astuce mémo

Intensif local, extensif total

📖 3. Travail et premier principe

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

🧮 Formule — Pour une transformation à pression constante, le travail vaut W = −P(Vf − Vi).

⚡ Le travail dépend de la manière dont le système passe de son volume initial à son volume final, contrairement à la variation d’une fonction d’état qui ne dépend que des états initial et final.

📌 Le premier principe affirme que les différentes formes d’énergie sont interconvertibles sans gain ni perte et que l’énergie totale d’un système isolé reste constante.

Compléments

🧮 Formule — Pour une transformation quasistatique d’un gaz idéal à température constante, le travail vaut W = −nRT ln(Vf/Vi).

💡 Astuce mémo

Rien ne se perd, tout se transforme

📖 4. Chaleur et entropie

🔑 Notions clés & Définitions

• Entropie : L’entropie mesure la dispersion de l’énergie dans les états microscopiques et l’espace disponibles d’un système.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

⚡ La chaleur est une énergie transférée entre systèmes, tandis que la température caractérise l’état thermique d’un système et peut rester constante pendant un changement d’état recevant de la chaleur.

🧮 Formule — L’entropie est reliée à la chaleur réversible par dS = δQ/T et sa variation entre deux états vaut ΔS = Sf − Si.

📌 Dans un système isolé, une transformation réversible conserve l’entropie, une transformation irréversible l’augmente, et une diminution d’entropie est impossible.

Compléments

🧮 Formule — L’entropie statistique est donnée par S = k ln Ω, où Ω est le nombre d’états microscopiques accessibles et k est la constante de Boltzmann, égale à 1,3 × 10⁻²³ J·K⁻¹ dans le cours.

💡 Astuce mémo

L’énergie se disperse

📖 5. Énergie libre et spontanéité

🔑 Notions clés & Définitions

• Enthalpie : L’enthalpie est la fonction d’état H = U + PV et, à pression constante, elle représente la chaleur échangée lors d’une transformation biochimique.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

🧮 Formule — L’énergie libre de Gibbs est définie par G = U + PV − TS.

🧮 Formule — À température et pression constantes, la variation de Gibbs vérifie ΔG = ΔU + PΔV − TΔS.

📌 À température ambiante, ΔG = 0 correspond à l’équilibre ou à une transformation réversible, tandis que les transformations spontanées considérées dans le cours ont ΔG < 0.

Compléments

• Une réaction spontanée est favorisée par une forte diminution d’enthalpie ou une forte augmentation d’entropie.

💡 Astuce mémo

G diminue spontanément

📖 6. Cellule ouverte et métabolisme

🔑 Notions clés & Définitions

• État quasi stationnaire : L’état quasi stationnaire d’une cellule correspond à une énergie interne approximativement constante malgré des entrées et des sorties continues d’énergie.
• Métabolisme : Mesure le flux d’énergie traversant l’organisme vivant.
• Calorimétrie : Mesure les flux d’énergie, directement en mesurant l’énergie sortante ou indirectement en mesurant l’énergie entrante.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

📌 Toute augmentation de l’activité énergétique sortante doit être compensée par une augmentation équivalente des apports, faute de quoi l’état énergétique de l’organisme change.

Compléments

• Le métabolisme indiqué pour un homme de 80 kg est de 80 W.

💡 Astuce mémo

Entrée chimique, sortie énergétique

📖 7. Flux, forces et conductances

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel chimique : Μ d’une substance représente une quantité d’énergie par mole associée à l’ajout de cette substance au système.
• Flux vectoriel : Une quantité de variable extensive traversant une unité de surface par unité de temps dans une direction donnée.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

📌 Un flux nécessite une force thermodynamique et une conductance, et il est nul si l’un de ces deux facteurs est nul.

⚡ Une différence de température produit une thermodiffusion, une différence de pression une filtration, une différence de concentration une diffusion et une différence de potentiel électrique une électrophorèse.

📌 Un flux passif se produit spontanément dans le sens décroissant du gradient de potentiel, avec diminution de l’énergie libre et sans intervention extérieure.

Compléments

• La charge d’une mole d’ions de valence Z vaut ZF, où F est la constante de Faraday égale à 96485 C·mol⁻¹.

💡 Astuce mémo

Force × conductance = flux

📖 8. Couplage et diffusion membranaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Affinité chimique : L’affinité d’une réaction est la somme algébrique des produits des coefficients stœchiométriques par les potentiels chimiques des réactants et produits.
• Couplage des flux : Permet à une réaction consommant de l’entropie ou de l’énergie libre de fonctionner grâce à une autre réaction dissipative produisant davantage d’entropie.
• Diffusion : Le transport net de matière provoqué par l’agitation thermique désordonnée des molécules, ou mouvement brownien.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

🧮 Formule — La fonction de dissipation de Rayleigh s’écrit Φ = J₁X₁ + J₂X₂ + J₃X₃ + … + JₙXₙ et doit être positive pour qu’il y ait dissipation d’énergie.

⚡ Le flux unidirectionnel décrit le déplacement des molécules dans une seule direction, tandis que le flux net est la résultante de tous les flux unidirectionnels entre deux points.

📌 Lorsque la concentration est plus élevée à gauche qu’à droite, le flux net de diffusion se dirige de gauche à droite jusqu’à l’homogénéisation des concentrations.

Compléments

📌 Une affinité positive favorise l’évolution de la réaction vers la droite, tandis qu’une affinité négative favorise son évolution vers la gauche.

📌 Un couplage nécessite une fonction de dissipation positive, un espace anisotrope et un mécanisme physique de couplage.

• La loi de réciprocité d’Onsager affirme qu’à proximité de l’équilibre les coefficients croisés vérifient Lij = Lji, ce qui réduit le nombre de coefficients de n² à n(n + 1)/2.

• La membrane plasmique est une bicouche lipidique fluide et asymétrique contenant des protéines, avec beaucoup de phosphatidylcholine du côté extracellulaire et de phosphatidylsérine du côté intracellulaire.

💡 Astuce mémo

Coupler pour organiser, diffuser pour équilibrer

📊 Tableaux de synthèse

Types de systèmes thermodynamiques

Système	Matière	Chaleur	Travail mécanique
Isolé	Non	Non	Non
Adiabatique	Non	Non	Oui
Fermé	Non	Oui	Oui
Ouvert	Oui	Oui	Oui

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Un système ouvert se distingue d’un système fermé, qui n’échange pas de matière.
2. La température et la pression sont intensives, alors que le volume et la quantité de matière sont extensifs.
3. Le signe négatif indique que l’expansion du système correspond à un travail fourni par celui-ci.
4. Une température constante n’implique pas l’absence de transfert de chaleur.
5. L’énergie libre de Gibbs ne se réduit pas à l’énergie interne U.
6. Quasi stationnaire ne signifie pas absence de flux énergétique.
7. Le potentiel chimique est une énergie molaire, tandis que μiΔni représente une énergie totale apportée.