Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych

Transkrypt

1 Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych dr hab. Jerzy Nakielski Katedra Biofizyki i Biologii Komórki

2 plan wykładu: 1. Funkcje stanu dla termodynamicznego układu otwartego 2. Przykłady równowagi termodynamicznej a) stężeniowa b) osmotyczna c) Donnana 3. Termodynamika stanów nierównowagi a) transport energii - przewodnictwo cieplne b) transport masy - dyfuzja c) transport pędu - lepkość c) transport materii przenoszącej ładunek 4. Stany nierównowagi i zjawiska transportu w układach biologicznych

3 1. Funkcje stanu dla termodynamicznego układu otwartego Główne funkcje stanu U S H = U + pv F = U - TS G = U - TS + pv energia wewnętrzna entropia entalpia, pv- praca objętościowa energia swobodna, TS- praca związana energia swobodna Gibbsa (entalpia swobodna) procesy izobaryczne H procesy izotermiczne F procesy izotermiczno - izobaryczne G tendencja kierunkowa: procesy samorzutne S H G stan równowagi S max H min G min

4 Zasadnicza różnica pomiędzy stanem stacjonarnym, a stanem równowagi polega na tym, że w stanie równowagi entropia osiąga wartość maksymalną, a szybkość tworzenia entropii zanika (wynosi zero), natomiast w stanie stacjonarnym szybkość tworzenia entropii jest stała (niezerowa).

5 Procesy w układach otwartych niejednorodnych, zachodzące w warunkach izotermiczno-izobarycznych opisywane są z zastosowaniem G

6 D G w reakcjach chemicznych zachodzących spontanicznie jest zawsze ujemne Do entalpii swobodnej wchodzi energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych Szybkość reakcji chemicznej jest zwykle uzależniona od energii aktywacji reakcji. Im E A jest większe, tym reakcja przebiega wolniej

7 potencjał chemiczny Wyraża przyrost G spowodowany zmianą ilości i-tego składnika o 1 mol Łączne ujęcie zasad termodynamiki dla układu otwartego Zmiana G przypadająca na Dn i moli substancji Samorzutnie mogą zachodzić tylko te procesy, w których przepływ przebiega od wyższego potencjału chemicznego do niższego. Może być wówczas wykonywana praca DG

8 2. Przykłady równowagi termodynamicznej a) równowaga stężeniowa Warunek równowagi termodynamicznej w roztworach W układzie dwuprzedziałowym potencjały chemiczne każdego składnika w obu przedziałach są jednakowe Potencjał chemiczny roztworu doskonałego (nieskończenie rozcieńczonego, w stałej temperaturze, bez reakcji chemicznych

9 Warunek występowania przepływu materii D m i różne od zera, Gdy D m i =0 mamy równowagę stężeniową

10 b) równowaga osmotyczna osmoza

11 W osmozie bodźcem przepływu rozpuszczalnika jest różnica potencjałów chemicznych Ciśnienie osmotyczne zależy od liczby cząstek rozpuszczonych w jednostce objętości, a nie zależy od rodzaju tych cząstek Osmomolarność roztworu wewnatrzkomórkowego - liczba moli substancji rozpuszczonej To nie jest ciśnienie osmotyczne tylko miara tendencji wody do dyfuzji do komórki Jakie jest ciśnienie osmotyczne roztworu wewnatrzkomórkowego o osmomolarności 0.3 osmola/ litr w temperaturze 37 o C? gdy komórka znajduje się w roztworze o osmomolarności mniejszej niż 0.3 osmola/l woda dyfunduje do komórki gdy komórka znajduje się w roztworze o osmomolarności większej niż 0.3 osmola/l woda dyfunduje z komórki

12 Odwrotna osmoza i jej zastosowanie do odsalania wody morskiej odwrotna osmoza Jakiej energii wymaga proces odsalania w mola wody morskiej, której osmomolarność wynosi 1.08 osmola/litr?

13 c) równowaga Donnana

14 przepływ spowodowany różnicą stężeń = przepływ spowodowany różnicą potencjału elektr. potencjał Nernsta równowaga Nernsta

15

16

17 Kanały K + odpowiedzialne za podtrzymywanie potencjału spoczynkowego to kanały przeciekowe

18

19 3. Termodynamika stanów nierównowagi Przepływy energii i materii przepływ ciepła - gradient temperatury (grad T) przepływ materii - gradient koncentracji (grad ) przepływ pędu - gradient prędkości (grad ) przepływ ładunku - gradient potencjału elektrycznego (grad )

20 Transport energii w kategoriach termodynamicznych

21 a) transport energii - przewodnictwo cieplne Dwa sposoby oszacowywania tempa metabolizmu - przykłady obliczeń

22 Szybkość metabolizmu na jednostkę masy 20-letniego mężczyzny Sprawność maszyny a wydajność wykonywania pracy

23 Sposoby odprowadzania ciepła z organizmu 1. Przewodnictwo cieplne 2. Konwekcja 3. Promieniowanie 4. Parowanie

24

25

26

27 Regulacja temperatury ciała

28 b) transport masy - dyfuzja a b c d Bodźcem dla przepływ materii jest gradient koncentracji roztworów

29 Graficzna ilustracja zjawiska dyfuzji

30 c) transport pędu - lepkość naprężenie ścinające wsp. lepkości

31 d) transport materii przenoszącej ładunek

32

33

34

35 4. Stany nierównowagi i zjawiska transportu w układach biologicznych

36 Prezentowane materiały pochodzą z następujących źródeł: 1. Halliday D, Resnick R, Walker J. Podstawy fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Hewitt P.G. Fizyka wokół nas, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Jaroszyk F. (red). Biofizyka. Podręcznik dla studentów, Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa, Miękisz S, Hendrich A.(red). Wybrane zagadnienia z biofizyki, Volumen, Wrocław, Przestalski S., Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki. Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław Biofizyka kwasów nukleinowych dla biologów. Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa 2002