O ensemble canônico é apropriado para descrever sistemas biológicos? Justifique.
Passo 1
O enunciado pergunta se o ensemble canônico é apropriado para descrever sistemas biológicos. O ensemble canônico caracteriza um sistema em equilíbrio térmico com um reservatório a temperatura fixa
, com número de partículas
e volume
constantes. A função partição canônica é
com
e
os níveis de energia do sistema.
Passo 2
Sistemas biológicos são tipicamente abertos: trocam não apenas energia, mas também matéria (íons, moléculas, prótons) com o ambiente. Além disso, mantêm-se longe do equilíbrio termodinâmico, pois ocorrem reações químicas contínuas e fluxos de energia (por exemplo, em mitocôndrias ou na bomba de prótons).
Passo 3
O ensemble canônico assume
fixo e apenas troca calor. Como sistemas biológicos trocam partículas e mantêm gradientes químicos, o ensemble canônico falha em capturar variações no número de moléculas e potenciais químicos. Mesmo para processos quase isotérmicos, a hipótese de equilíbrio estrito é muito forte, pois há fluxo constante de energia e matéria e estabelecimento de estados estacionários não\mbox{-}equilíbrio.
Passo 4
Para descrever adequadamente sistemas biológicos costuma\mbox{-}se usar o ensemble grand\mbox{-}canônico (onde
são fixos e
flutua) ou formalismos de não\mbox{-}equilíbrio (cinética de reações, termodinâmica de fluxo), que permitem incorporar trocas de partículas e gradientes químicos.
Resposta
O ensemble canônico não é, em geral, apropriado para sistemas biológicos, pois eles trocam tanto energia quanto matéria e operam em estados longe do equilíbrio; usa-se antes o ensemble grand-canônico ou teorias de não-equilíbrio.