Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych dr hab. Jerzy Nakielski Katedra Biofizyki i Biologii Komórki
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
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
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).
Procesy w układach otwartych niejednorodnych, zachodzące w warunkach izotermiczno-izobarycznych opisywane są z zastosowaniem G
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
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
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
Warunek występowania przepływu materii D m i różne od zera, Gdy D m i =0 mamy równowagę stężeniową
b) równowaga osmotyczna osmoza
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
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?
c) równowaga Donnana
przepływ spowodowany różnicą stężeń = przepływ spowodowany różnicą potencjału elektr. potencjał Nernsta równowaga Nernsta
Kanały K + odpowiedzialne za podtrzymywanie potencjału spoczynkowego to kanały przeciekowe
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 )
Transport energii w kategoriach termodynamicznych
a) transport energii - przewodnictwo cieplne Dwa sposoby oszacowywania tempa metabolizmu - przykłady obliczeń
Szybkość metabolizmu na jednostkę masy 20-letniego mężczyzny Sprawność maszyny a wydajność wykonywania pracy
Sposoby odprowadzania ciepła z organizmu 1. Przewodnictwo cieplne 2. Konwekcja 3. Promieniowanie 4. Parowanie
Regulacja temperatury ciała
b) transport masy - dyfuzja a b c d Bodźcem dla przepływ materii jest gradient koncentracji roztworów
Graficzna ilustracja zjawiska dyfuzji
c) transport pędu - lepkość naprężenie ścinające wsp. lepkości
d) transport materii przenoszącej ładunek
4. Stany nierównowagi i zjawiska transportu w układach biologicznych
Prezentowane materiały pochodzą z następujących źródeł: 1. Halliday D, Resnick R, Walker J. Podstawy fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003 2. Hewitt P.G. Fizyka wokół nas, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000. 3. Jaroszyk F. (red). Biofizyka. Podręcznik dla studentów, Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa, 2001 4. Miękisz S, Hendrich A.(red). Wybrane zagadnienia z biofizyki, Volumen, Wrocław, 1998 5. Przestalski S., Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki. Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 2001 6. Biofizyka kwasów nukleinowych dla biologów. Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa 2002