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
H = U + pV entalpia, pV- praca objętościowa
F = U - TS energia swobodna, TS- praca związana
G = U - TS + pV energia swobodna Gibbsa (entalpia swobodna)
S entropia
U
tendencja
kierunkowa:
procesy izobaryczne H procesy izotermiczne F procesy izotermiczno - izobaryczne G
energia wewnętrzna
procesy samorzutne stan równowagi
S
S
H
G
Smax
Hmin
Gmin
Główne funkcje stanu
S
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).
S
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 EA
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 Dni 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
W układzie dwuprzedziałowym potencjały chemiczne
każdego składnika w obu przedziałach są jednakowe Warunek równowagi
termodynamicznej w roztworach
a) równowaga stężeniowa
Potencjał chemiczny roztworu doskonałego
(nieskończenie rozcieńczonego, w stałej
temperaturze, bez reakcji chemicznych
Warunek występowania przepływu materii D mi różne od zera,
Gdy D mi =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
Jakie jest ciśnienie osmotyczne roztworu wewnatrzkomórkowego o osmomolarności
0.3 osmola/ litr w temperaturze 37oC ?
Osmomolarność roztworu wewnatrzkomórkowego - liczba moli
substancji rozpuszczonej
To nie jest ciśnienie osmotyczne tylko miara tendencji wody do
dyfuzji do komórki
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
Jakiej energii wymaga proces odsalania w
mola wody morskiej , której osmomolarność
wynosi 1.08 osmola/litr?
odwrotna
osmoza
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
przepływ materii - gradient koncentracji (grad )
przepływ ładunku - gradient potencjału elektrycznego (grad )
przepływ ciepła - gradient temperatury (grad T)
Przepływy energii i materii
przepływ pędu - gradient prędkości (grad )
Transport energii w kategoriach termodynamicznych
Dwa sposoby oszacowywania tempa metabolizmu
- przykłady obliczeń
a) transport energii - przewodnictwo cieplne
Sprawność „maszyny” a wydajność wykonywania pracy
Szybkość metabolizmu na
jednostkę masy 20-letniego
mężczyzny
1. Przewodnictwo cieplne
2. Konwekcja
3. Promieniowanie
4. Parowanie
Sposoby odprowadzania
ciepła z organizmu
Regulacja temperatury ciała
Bodźcem dla przepływ materii jest gradient koncentracji roztworów
d
b a
c
b) transport masy - dyfuzja
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
Top Related