Transcript teze2

Mechanické vlastnosti,
koligativní vlastnosti a
transportní jevy
Teze přednášky
Mechanika
síla F = m . a
[N]
[kg m s-2]
práce W = F . s . cosα [J]
W
výkon P = ---t
[kg m2 s-2]
[W] [J s-1] [kg m2 s-3]
Statické vlastnosti tkání a potravin
pevnost – soudržnost proti vnější síle
pružnost (elasticita) schopnost vrátit
se po deformaci do původního stavu
roztažlivost (distenzibilita)
poddajnost vůči vnější síle
tvárnost (plasticita) schopnost
vlivem deformující síly měnit trvale
tvar
ELASTICKÉ LÁTKY
HOOKŮV zákon
1
ε = --- . σ
E
ε deformace
E Youngův modul pružnosti
σ působící napětí
Prodloužení tyče o délce l a
průřezu S v podélné ose silou F
1
l
Δl = --- . --- . F
E
S
Ohyb trubice délky l o vnějším poloměru r1 a
vnitřním poloměru r2 (fixované na obou
koncích) silou F působící kolmo na střed
l3
1
s = ------- . ----------- . F
12π E
r14 – r24
PLASTICKÉ LÁTKY
Deformují se až po dosažení určité
hodnoty deformující síly nebo napětí
(síla/délka).
Deformace je trvalá.
VISKÓZNÍ LÁTKY
tekutiny u nichž rychlost deformace ε
je funkcí síly f
Δε
f = -------Δt
a) lineární funkce – NEWTONSKÉ kapaliny
(pravé roztoky, čistá rozpouštědla)
b) nelineární funkce – NENEWTONSKÉ
kapaliny
(koloidy)
Látky viskózně elastické
deformace je funkcí působící síly i času
současně
skokový nástup konstantní síly vede k
exponenciálnímu nárůstu i poklesu po
ukončení působení síly
k návratu do původního stavu je však
potřeba zrušení deformace působením síly
opačného směru
tento děj se nazývá RELAXACE
relaxační doba je poměr modulu pružnosti
a dynamické viskozity
Maxwellovy tekutiny (krev)
Maxwellův a Voigtův prvek
elastické vlastnosti modelujeme jako
pružinu
viskózní vlastnosti modelujeme jako píst
ve válci s obsahem tekutiny
sériové zapojení – Maxwellův prvek
rychlé působení síly vede možnosti
reversibilního návratu, delší působení síly
vede k deformaci
paralelní zapojení – Voigtův prvek
neumožňuje náhlé protažení
v organizmu kombinace obou prvků
(sval a jeho úpony)
VODA
Biofyzikální vlastnosti znamenají
možnost života na Zemi.
Ztráta 10 % vody u hospodářských
zvířat
představuje vážné poruchy,
ztráta 25 % smrt.
Voda je nejvíce zastoupenou
sloučeninou v organizmu
Krev 93 %
Ledviny 83 %
Srdce, plíce 79 %
Svalovina 76 %
Mozek 70 %
Skelet 22 %
Zubní sklovina 0,2 %
S věkem obsah
vody klesá z 80 %
při narození
na 50 % ve stáří
Silně polární struktura
σ
H
+
104,5o
O
σ
-
H
Parciální náboje
Vodíkové vazby
(můstky)
E ~ 8 – 40 kJ mol-1
asociace
(shlukování) molekul
Polární rozpouštědlo
KAPALNÁ VODA
USPOŘÁDÁNÍ DO „CLUSTERS“
Molekuly vzájemně asociují, střídají se
oblasti organizované s
neorganizovanými a se samostatnými
molekulami
Molekuly se mohou zasouvat do sebe
Různé energie H můstků v závislosti na
prostorovém uspořádání jednotlivých
clusters
Paměť molekul (transport informace,
homeopatika)
LED
„VURTZITOVÁ“
struktura
Každá molekula vody přitahuje 4 další
molekuly.
Molekuly vytvářejí pravidelný tetraedr
krystalů ledu.
Vodíkové můstky mají stejnou energii v
závislosti na teplotě.
Pravidelné vzdálenosti vedou k zvětšení
objemu Vmax 4 oC - anomálie vody.
FUNKCE VODY
Univerzální
rozpouštědlo
Prostředí pro fyzikální
(osmóza) a chemické
(hydrolýza) procesy
Strukturální
(uspořádání membrán)
Transportní (plynů,
živin, tepla)
Termoregulační
Velké specifické teplo
4,2 kJ mol-1 →
akumulace tepla
Výborná tepelná vodivost
Vysoké skupenské teplo
výparné 2,4 kJ mol-1 (37oC)
Evaporace
Anomálie vody
ROZPOUŠTĚNÍ
Kapaliny mají schopnost rozrušovat
vzájemné interakce částic pevných
látek nebo jiných kapalin a uvolněné
částice rovnoměrně rozptylovat
(snaha o dosažení rovnovážného
stavu).
ROZPUSTNOST je stavová veličina
představující kvantitativní míru
rozpouštění
NASYCENÝ ROZTOK je rovnovážná
soustava, kdy za dané teploty se
přidávaná látka přestává rozpouštět
a vytváří samostatnou fázi.
DISOCIACE – rozpad na menší části
– ionty (disociační konstanta)
ASOCIACE – spojování částic
(H můstky)
SOLVATACE (HYDRATACE) obalování
částic molekulami rozpouštědla
(vody)
ROZDĚLENÍ VODY
Dříve volná x vázaná
Nyní dle aktivity vody aw
piw
aw = -----------piwo
piw parciální tenze vodních par nad
potravinou
piwo parciální tenze vodních par nad čistou
vodou
ROZDĚLENÍ VODY
1. aw 0,0 - 0,2 voda vicinální
monomolekulární vrstva, nemá
schopnost rozpouštědla, bez možnosti
chemických reakcí
2. aw 0,2 - 0,7 voda vícevrstvá
fyzikální sorpce na potravinu,
převládají vodíkové vazby mezi
vrstvami vody
3. aw 0,7 - 1,0 voda kondenzovaná
voda volná získá se odpařením
voda zachycená získá se lisováním
Všechny interakce vody v potravinách
vedou k poklesu entropie, tedy k
nárustu organizovanosti představované
terciární a kvartérní strukturou koloidů.
aw roste s teplotou 10 oC o 0,03-0,2
Představuje dostupnost
mikroorganismů
k vodě z potraviny, tedy vztah ke
údržnosti
Čerstvé maso 0,97
uzenina
0,82 – 0,85
KOLIGATIVNÍ VLASTNOSTI
SOUVISÍ S POČTEM ČÁSTIC V ROZTOKU,
JEJICHŽ VLASTNOSTI SE LIŠÍ OD
VLASTNOSTÍ ČISTÝCH SLOŽEK
Raultův zákon:
Tenze par rozpouštědla nad roztokem je
za stejných podmínek vždy nižší než
nad čistým rozpoštědlem (po).
Δ p = po . X2
X2 molární zlomek rozpuštěné látky
podíl počtu částic rozpuštěné látky vůči součtu počtu
částic rozpuštěné látky a počtu částic rozpouštědla
EBULIOSKOPIE
Bod varu roztoku je vždy vyšší než
bod varu čistého rozpouštědla
ΔTe = Ee . m
Ee ebulioskopická konstanta
m molární koncentrace [mol . m-3]
KRYOSKOPIE
Bod tuhnutí roztoku je vždy nižší než
čistého rozpouštědla
ΔTk = Ek . m
Ek kryoskopická konstanta
m molární koncentrace [mol . m-3]
OSMOTICKÝ TLAK
π
Je výsledkem snahy koncentrovaného roztoku po
zředění (vyrovnání koncentračního gradientu)
Hydrostatický tlak:
p = h . ρ . g [Pa]
Vańt Hoffův vztah:
π = R . T . c . i [Pa]
c molární koncentrace [mol . m-3]
i Vańt Hoffův opravný koeficient
Pro neelektrolyty = 1
Pro elektrolyty počtu vzniklých iontů
Osmolarita [mosmol . l-1]
Osmolalita [mosmol . kg-1 rozpouštědla]
OSMÓZA
– TOK ROZPOUŠTĚDLA
Představuje transport hmoty
látkový tok
J = k . S (π1 – π2)
k – koeficient propustnosti
S – celková plocha rozhraní
π1 , π2 – osmotické tlaky roztoků
oddělených membránou
TYPY ROZTOKŮ
izotonický – stejný osmotický tlak
hypotonický
nižší osmotický tlak
x
hypertonický
vyšší osmotický tlak
směr pohybu molekul rozpouštědla
OSMOTICKÝ TLAK
Roztoky hepertonické
voda ven z buňky → svrašťování
plazmorhyza
(u rostlin plazmolýza)
Roztoky hypotonické
voda do buňky, zvětšení objemu
plazmoptýza, haemolýza
Roztoky isotonické pro krev π = 0,74 MPa
0,9 % NaCl (0,155 mol.l-1) nebo 5 %
glukóza (0,31 mol.l-1)
ONKOTICKÝ TLAK
Týká se koloidů
má v plazmě menší význam než
osmotický tlak solí, působí proti
hydrostatickému tlaku krve v
končetinách, a proto má význam v
tkáňové cirkulaci – zamezuje
hromadění vody ve tkáních
Hypoproteinemie plazmy vede k
otokům
ONKOTICKÝ TLAK
Schopnost potravin vázat přidanou
vodu
1 g albuminu či globulinu váže 1,3 g
vody
1 g škrobu váže
0,8 g
vody
(solení, prátování atd.)
Transportní jevy
viskozita
vedení tepla
difuze, osmóza
transport hybnosti
transport energie
transport hmoty
Transp.vel. = - K . Plocha . Gradient
Viskozita – transport hybnosti F . t
dv
F = η . S . ------dx
dv/dx gradient rychlosti podle
vzdálenost dvou vrstev
η dynamická viskozita [Pa.s] (kcP)
Transport tepla
kondukcí (vedením)
dT
Q = λ . S . --------dx
λ koeficient přestupu tepla
dt/dx gradient teploty podle
vzdálenosti
S plocha
Transport hmoty DIFUZE
Rotpuštěná látka přechází z místa o vyšší
koncentraci na místo o nižší koncentraci
nevyžaduje energii (pasivní transport)
cílem je dosažení rovnovážného stavu
částice se pohybují neuspořádáným
tepelným pohybem
v plynech a kapalinách probíhá rychle
v pevných látkách pomalu
HUSTOTA DIFUZNÍHO TOKU [J]
dn
1
J = ------ . -----dt
S
S – celková plocha
rozhraní
dt – časový interval, během
kterého projde rozhraním
množství látky dn
J [mol . s-1 . m-2]
počet molů dn, které
projdou za čas dt
jednotkovou plochou S
= množství
látky,vyjádřené počtem
molů dn, které projde
za sekundu
jednotkovou plochou
rozhraní
1. FICKŮV ZÁKON
jednosměrná stacionární difuze
dc
J = - D . ------dx
D – difuzní koeficient
[m2 . s-1]
c – koncentrace
x – souřadnice polohy na ose x
mínus – koncentrace ve směru
osy x klesá
vyrovnává zápornou hodnotu
poklesu koncentrace na
kladnou hodnotu látkového
toku
1. Fickův zákon:
Hustota difuzního toku J je
přímo úměrná
koncentračnímu
gradientu dc/dx
(platí pro jednosměrnou
difuzi ve směru osy x;
gradient se nemění v
čase/iontová pumpa/)
D nabývá hodnot od 1 . 10-9
po 1 . 10-12
mikromolekuly
makromolekuly
Difuze
transport molekul rozpuštěné látky přes
semipermeabilní membránu
Pro prostup neelektrolytů platí:
J = - P . S . (c1 – c2)
J látkový tok
P permeabilita membrány
c1 – c2 rozdíl koncentrací roztoků po
stranách membrány
S plocha