Miejsce biofizyki we współczesnej nauce. Obszary zainteresowania biofizyki. - Powrót do współczesności. - obiekty mikroświata.

Transkrypt

1 Zakład Biofizyki

2 Miejsce biofizyki we współczesnej nauce - trochę historii - Powrót do współczesności Obszary zainteresowania biofizyki - ekosystemy - obiekty makroświata - obiekty mikroświata - język biofizyki

3 Obszar zainteresowań termodynamiki klasycznej (fenomenologicznej) i statystycznej transport ciepła i praca mechaniczna czarna skrzynka i relacja we-wy struktura wewnętrzna i statystyka Relacje między termodynamiką i współczesną fizyką zasada korespondencji niezgodności termodynamiki z fizyką współczesneą Zastosowania i ograniczenia termodynamiki

4 układ izolowany (lbrak wymiany jakiejkolwiek formy energii i materii z otoczeniem) układ teoretyczny układ adiabatyczny (możliwość wymiany energii z pominięciem energii cieplnej) układ teoretyczny układ zamknięty (izotermiczny) (wymienia wszystkie formy energii ale nie wymienia materii) - układ rzeczywisty układ otwarty (wymienia wszystkie formy energii i materii) - układ rzeczywisty

5 parametry ekstensywne - addytywne (masa, objętość, rozmiary liniowe) parametry intensywne - nie addytywne liniowa kombinacja parametrów ekstensywnych (ciśnienie, stężenie, temperatura)

6 parametry praca intensywne extensywne równanie Objętościowa Ciśnienie (p) Objętość(V) dw = - pdv Powierzchnowa Napięcie (S) Powierzchnia (A) dw = - SdA powierzchniowe Elektrochemiczna Siła (E) Ładunek (Z) dw = - EdZ elektromotoreyczna Magnetyczna Indukcja (B) Moment (M) dw = - BdM magnetyczna magnetyczny

7 Stan równowagi (parametry wewnętrzne systemu są całkowicie zdeterminowane przez parametry zewnętrzne) Stan stacjonarny (parametry wewnętrzne systemu są ustalone ale nie są równe wartościom parametrów zewnętrznych. Stan stacjonarny jest osiągnięty dzięki obecności przepływów (strumieni) miedzy układem i otoczeniem Stan ten nazywany jest także Stanem równowagi wymiany )

8 Równanie stanu (równanie opisujące stan układu z wykorzystaniem parametrów termodynamicznych, dla przykładu: pv=nrt) Proces termodynamiczny (przejście układu z jednego stanu do drugiego, Dla przykładu: gaz w cyliondrze ściśnięty do mniejszej objętości)

9 V=const Energia wewnętrzna U U=Q+W ; Q v = du gdy W=0 Energia swobodna F F=U-TS ; S entropia Część energii wewnętrznej dostępna dla wykonania pracy

10 p=const Entalpia H H=U+pV; Q p = dh, (Ilość ciepła dostarczona do systemu przy p=const, użytego dla wzrostu energii wewnętrznej i wykonania pracy, dh=du+pdv Entalpia swobodna G G=H-TS; (potencjał Gibbsa) Część entalpii dostępna dla wykonania pracy innej niż objętościowa, dg=h-tds)

11 Zmiana swobodnej energii lub entalpii: - W procesach egzotermicznych dg < 0 df < 0 - W procesach endotermicznych dg > 0 df > 0 Pomierzone ciepło reakcji w procesie izochorycznym odpowiada energii wewnętrznej (Q V = du), a w procesie izobarycznym zmianie entalpii (Q p = dh) Prawo Hessa: ciepło reakcji nie zależy od drogi przejścia, ale od początkowego i końcowego stanu reagentów

12 ciepło zredukowane Q/T zdegradowana forma energii ds = dq/t, miara nieuporządkowania (Boltzman s equation) S = k lnw, k - stała Boltzmana; k=1,38x10-23 J/K) W prawdopodobieństwo termodynamiczne

13 Case number Number of bills in the first chamber Number of bills in the second chamber Thermodynamic probability (Sum of states W) n! W = n 1! n 2!... n m! n liczba dostępnych kul n i liczba kul w i-tym cylindrze n! = 1 x 2 x 3 x... x n

14 Entropia jest funkcją prawdopodobieństwa termodynamicznego S = f(w) Jeżeli S 1 i S 2 są entropiami dwóch podukładów a W 1 i W 2 są odpowiednimi prawdopodobieństwami termodynamicznymi tych podukładów, to entropia całego układu jest dana przez: S = f(w) = S 1 + S 2 = f(w 1 ) + f(w 2 ) Prawdopodobieństwo termodynamiczne układu jest iloczynem prawdopodobieństw podukładów: f(w) = f(w 1 ) + f(w 2 ) = f (W 1 W 2 ); Tylko funkcja logarytmiczna spełnia taki warunek: lna + lnb = ln (A B) Entropia musi mieć postać: S = k lnw

15 W układzie izolowanym suma wszystkich form energii jest wartością stałą: (U+Q+W=const)

16 ds > 0 dla procesów nieodwracalnych (procesy rzeczywiste) ds = 0 dla procesów odwracalnych (procesy teoretyczne)

17 (przykład) Przykład: Zmiana entropii w trakcie procesu fermentacji alkoholowej: C 6 H 12 O 6 ---> 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Standardowe entropie molowe wynoszą odpowiednio: C 6 H 12 O cal/k C 2 H 5 OH cal/k CO cal/k ds = 2x38.4 cal/k + 2x51.08 cal/k cal/k = 128,26 cal/k Proces może przebiegać tylko w prawą stronę, tak jak wskazuje na to wartość entropii

18 (lim S =0) T => 0 Pozostałe funkcje stanu (U,F,H,G) w T=0 osiągają minimalne wartości ale nie zero. W T=0 procesy rzeczywiste mogą przebiegać bez zmiany entropii, oznacza to, że w T=0 procesy rzeczywiste mogą być odwracalnymi.