Transcript wykład 3. 24/11/2007
Slide 1
FIZYKA i BIOFIZYKA
prezentacja do wykładu 3.
Elementy termodynamiki
bioenergetyka
Dr Dorota Wierzuchowska
Slide 2
TERMODYNAMIKA
Dział fizyki, który zajmuje się
właściwościami cieplnymi układów
makroskopowych zaniedbując, w
odróżnieniu od fizyki statystycznej,
mikroskopową budowę ciał tworzących
układ. Zajmuje się przemianami
energetycznymi i warunkami równowagi w
układach termodynamicznych.
Slide 3
Układ termodynamiczny
wyodrębnione
z otoczenia ciało
lub zespół ciał makroskopowych.
zamknięty- nie wymienia z otoczeniem ani
materii ani energii, jest izolowany
adiabatycznie (nie wymienia z otoczeniem
ciepła) i mechanicznie (nie wymienia
energii poprzez wykonanie pracy).
otwarty- może wymieniać energię i materię
Slide 4
Stan układu
określony jest wielkościami fizycznymi
nazywanymi parametrami stanu:
objętość V
ciśnienie p
temperatura T.
Parametry związane są równaniem stanu np.
równaniem stanu gazu doskonałego:
pV nRT
Slide 5
Temperatura
Związana jest z chaotycznym ruchem
cząsteczek danej substancji. Jest
proporcjonalna do średniej energii
kinetycznej ruchu postępowego.
Zgodnie z zasadą ekwipatrycji energii, na
każdy stopień swobody cząsteczki gazu
doskonałego przypada energia:
Ek
1
2
kT
Slide 6
Funkcje stanu
parametry wyznaczają stan układu
scharakteryzowany przez funkcje stanu.
Przejście układu do innego stanu- proces
termodynamiczny- związany jest ze zmianą
parametrów i funkcji stanu.
Funkcja stanu jest to wielkość fizyczna,
której zmiana wartości nie zależy od rodzaju
procesu w wyniku którego ta zmiana
nastąpiła.
Jedną z funkcji stanu jest energia wewnętrzna,
kosztem której układ może wykonać pracę lub
oddać ciepło.
Slide 7
Energia wewnętrzna
Jest to suma wszystkich energii cząsteczek
danego ciała: energii kinetycznej chaotycznego
ruchu postępowego, obrotowego, drgań
wewnątrz cząsteczki, energii potencjalnej
związanej z oddziaływaniem między
cząsteczkami.
Energia wewnętrzna może być przekazywana w
procesie wykonywania pracy lub przekazywania
ciepła.
Slide 8
Ciepło
Ciepłem nazywamy tą część energii
wewnętrznej, która może być
przekazywana pod wpływem różnicy
temperatur.
Jest formą przekazu energii między
dwoma ciałami. Następuje spontanicznie z
ciała cieplejszego do chłodniejszego.
Ustaje, gdy temperatury się wyrównają.
Ciepło nie jest funkcją stanu.
Slide 9
Rezultatem pobierania lub oddawania
ciepła jest zmiana stanu ciała: albo
dochodzi do
przemian fazowych:
DQ=mL, L-ciepło przemiany
albo do zmiany temperatury:
DQ=CDT
pojemność cieplna C=mcw
Slide 10
Ciepło właściwe
Ilość ciepła jaką trzeba dostarczyć do
jednostki masy ciała, aby spowodować
przyrost temperatury o jedną jednostkę
(jeden stopień).
cw
DQ
mDT
Ciepło właściwe wody 4186 Jkg-1K-1
Slide 11
Przemiany fazowe
T
Tt
Topnienie
lodu
Ogrzewanie wody
Ogrzewanie lodu
Q
Slide 12
Zerowa zasada termodynamiki
Ciała mające jednakową temperaturę
znajdują się w równowadze
termodynamicznej.
Warunkiem przepływu ciepła jest różnica
parametru, który nazywamy temperaturą.
Slide 13
Sposoby przenoszenia ciepła
Przewodzenie
Konwekcja
Promieniowanie cieplne
Slide 14
Przewodzenie ciepła
Polega na stopniowym ogrzewaniu ciał i
przenoszeniu energii cieplnej skutkiem
zderzeń między cząsteczkami i
elektronami ciał.
O zdolności do przewodzenia ciepła
decydują wiązania międzycząsteczkowe.
Ciała w których elektrony zewnętrzne są
słabo związane są dobrymi przewodnikami
ciepła (i elektryczności).
Slide 15
Transport ciepła
Strumień ciepła DQ /Dt przechodzący przez
powierzchnię A proporcjonalny jest do różnicy
temperatur DT w warstwie o grubości Dx:
DQ
Dt
lA
DT
Dx
l przewodnictwo cieplne właściwe
w W/mK: srebro- 420, woda- 0.59, skóra i
mięśnie- 0.33-1.5, powietrze- 0.023
Slide 16
Konwekcja
Zjawisko unoszenia ciepła za
pośrednictwem poruszającej się
substancji. Przenoszenie ciepła w
cieczach i gazach odbywa się głównie
skutkiem ruchu płynu.
np. cieplejsze powietrze ma mniejszą
gęstość i skutkiem działania siły wyporu
unoszone jest do góry.
Slide 17
Konwekcja w kuchence
Slide 18
Promieniowanie cieplne
Każde ciało ogrzane do temp. Tc nie wyższej niż 500oC,
emituje najwięcej promieniowania podczerwonego.
Strumień ciepła oddawanego do otoczenia wyraża się
prawem Stefana-Boltzmana:
DQ
Dt
saA(Tc To )
4
4
a- zdolność absorpcyjna powierzchni promieniującej
s5,67x10-8 W/(m2K4) stała promieniowania ciała
doskonale czarnego
Slide 19
Prawo ostygania (ogrzewania)
Strumień ciepła oddawany przez ciało o temp.
Tc do powietrza o temp. Tp jest proporcjonalny
do różnicy temperatur:
DQ
Dt
aA(Tc To )
Współczynnik ostygania a zależy od ruchu
powietrza, jego gęstości, wilgotności, lepkości,
kształtu stygnącej powierzchni
Slide 20
Pierwsza zasada termodynamiki
Każdy proces musi przebiegać zgodnie z
zasadą zachowania energii, a więc
przyrost energii wewnętrznej układu DU
może się odbyć kosztem dostarczonego
do układu ciepła DQ i wykonanej nad
układem pracy DW:
DU=DQ+DW
Slide 21
Praca
Praca DW może być pracą objętościową
DWo, związaną ze zmianą objętości układu
oraz pracą nieobjętościową DWno, (pracą
wszystkich innych rodzajów: elektryczną,
osmotyczną, na pokonanie sił tarcia itp.)
I zasadę termodynamiki można zapisać:
DU=DQ+ DWo + DWno
Slide 22
Praca objętościowa
Związana jest ze zmianą objętości układu:
DWo FDx
F
F pA; DV ADx
DWo pDV
Dx
dWo pdV
Slide 23
DU=DQ+ DWo + DWno
DU=DQ+ DWno – pDV
DU zmiana energii wewnętrznej układu
DQ ciepło dostarczone do układu
– pDV praca objętościowa wykonana nad
układem
DWno praca nieobjętościowa wykona nad
układem
Slide 24
Druga zasada termodynamiki
Wyznacza kierunek przebiegu procesów
termodynamicznych. W układzie
zamkniętym (DQ=0) w żadnym procesie
entropia nie może maleć, w procesach
odwracalnych jest stała.
DS ≥ 0
Procesy zachodzące w przyrodzie są
nieodwracalne, a wiec związane ze
wzrostem entropii.
Slide 25
Entropia
Entropia S jest funkcją stanu, miarą
„nieuporządkowania” układu, czyli ilości
mikrostanów realizujących dany
makrostan (W-pradopodobieństwo
termodynamiczne).
S=k·lnW
Dla procesów przebiegających
nieskończenie powoli (quasi-statycznych)
ciepło dostarczone do układu
DQ= T·DS
Slide 26
Procesy odwracalne
i nieodwracalne
W procesach odwracalnych, w których możliwy
jest powrót układu do stanu początkowego bez
zmian w otoczeniu:
DS
DQ
T
W procesach nieodwracalnych
DS
DQ
T
Slide 27
Organizmy żywe są układami
otwartymi i zachodzą w nich procesy
nieodwracalne. Wzrost stopnia
uporządkowania i życie w stanach
stacjonarnych, bez wzrostu entropii
oznaczającego śmierć, jest możliwe
dzięki oddawaniu wytworzonej
entropii do otoczenia. Organizmy
pobierają ujemną entropię z
otoczenia, „żywią się negentropią”.
Slide 28
Energia wewnętrzna
W procesach izochorycznych V=const
więc DV=0 i praca wykonana nad układem
DW=0.
DQ=DU
Przyrost energii wewnętrznej jest równy
ciepłu dostarczonemu do układu.
Slide 29
Entalpia
W procesie izobarycznym, w którym układ
wykonuje jedynie pracę objętościową:
p=const, DWno=0
DQ=DU+pDV=D(U+pV)=DH
Entalpia H=U+pV jest funkcją stanu.
Przyrost entalpii jest równy ilości ciepła
dostarczonego układowi w procesie
izobarycznym. Gdy DH<0 proces jest
egzotermiczny.
Slide 30
Energia swobodna
Dla procesów odwracalnych DQ= T·DS :
DW=-DU+TDS
W procesach izotermicznych T=const
DW=-D(U-TS)= -DF
Energia swobodna F=U-TS jest funkcją stanu.
Praca jaką układ wykonuje w odwracalnej
przemianie izotermicznej jest równa ubytkowi
energii swobodnej. W przemianach
nieodwracalnych jest mniejsza.
Zmiana energii swobodnej DF jest w
samorzutnych procesach izotermicznych DF ≤0.
Są to przemiany egzoergiczne.
Slide 31
Energia związana
Część energii wewnętrznej
TS
nie może być wykorzystana na żadną
pracę zewnętrzną i jest nazywana energią
związaną.
Entropia jest miarą tej „bezużytecznej”
części energii wewnętrznej układu.
Slide 32
Entalpia swobodna
W procesach izotermiczno-izobarycznych układ
może również wykonać pracę nieobjętościową:
DWno=DWpDV
DW=-D(UTS)
DWno= D(U-TS) pDV= = D(U +pDV -TS)= -DG
Entalpia swobodna G=H-TS jest funkcją stanu.
Ubytek entalpii swobodnej -DG jest maksymalną
pracą nieobjętościową jaką układ może
wykonać. W samorzutnych procesach
izotermiczno-izobarycznych DG ≤0
Slide 33
Reakcje endoergiczne
Samorzutnie mogą zachodzić tylko reakcje
egzoergiczne: DF ≤0 i DG ≤0. Wykorzystanie
entalpii swobodnej tych reakcji do np. skurczu
mięśni, transportu aktywnego, syntezy
chemicznej, reakcji endoergicznych, następuje
poprzez wcześniejszą jej akumulację w
wiązaniach ATP.
Synteza sacharozy z glukozy i fruktozy może
zachodzić w sprzężeniu z egzoergiczną reakcją
fosforylacji glukozy z udziałem ATP:
ATP+ glukoza+ fruktoza → sacharoza +ADP + P*
Slide 34
Potencjał termodynamiczny
Jeżeli w procesie uczestniczy więcej niż jeden
składnik to możemy określić entalpię swobodną
G przypadającą na jeden mol danego składnika.
Zmiana DG związana ze zmianą liczby moli itego składnika Dni, (jest równa pracy DW)
DG=miDni
mi jest potencjałem termodynamicznym i-tego
składnika
Slide 35
Równowaga osmotyczna
Jeżeli układ przedzielony jest błoną
przepuszczalną jedynie dla
rozpuszczalnika, to rozpuszczalnik będzie
przepływać do obszaru gdzie potencjał
chemiczny substancji rozpuszczonej jest
większy, do momentu gdy ciśnienie
hydrostatyczne po stronie substancji
rozpuszczonej zrównoważy ciśnienie
osmotyczne P po stronie czystego
rozpuszczalnika.
Slide 36
Prawo van’t Hoffa
Ciśnienie osmotyczne dla roztworów
idealnych (bardzo rozcieńczonych) w
przypadku nieelektrolitów:
P= c R T
c- stężenie molowe
R- stała gazowa
T- temperatura
Slide 37
Deplazmoliza i plazmoliza
Zjawisko osmozy odpowiedzialne jest za
pęcznienie komórek umieszczonych w
wodzie i roztworach hipotonicznych, o
mniejszym ciśnieniu osmotycznym
oraz obkurczanie komórek umieszczonych
w roztworach hipertonicznych, o większym
ciśnieniu osmotycznym.
(dokładnie błony biologiczne nie są
półprzepuszczalne, są selektywne)
Slide 38
Rozszerzalność cieplna ciał
Ze wzrostem temperatury ciała
zwiększają swoje rozmiary. W
przypadku ciał stałych obserwujemy
zarówno zwiększanie długości, jak i
objętości. W cieczach i gazach
występuje rozszerzalność
objętościowa. Wyjątek stanowi woda,
która w pewnym zakresie temperatur
(od 0oC do 4oC) zmniejsza swą
objętość przy ogrzewaniu.
Slide 39
Rozszerzalność liniowa i
objętościowa
Zmiana długości Dl ciała jest
proporcjonalna do zmiany temperatury Dt
oraz do długości początkowej l:
Dl = l l Dt .
Podobnie zmiana objętości:
DV = aVDt.
l, a - współczynniki rozszerzalności
liniowej i objętościowej.
Slide 40
Prawo Clapeyrona-Claussiusa
Zależność temperatury przemiany od
ciśnienia:
Q=T (V – Vo) Dp/DT
Vo V- objętości przed i po przemianie
Dla ciał, które topniejąc zmniejszają swoją
objętość temperatura topnienia obniża się
ze wzrostem ciśnienia.
regelacja lodu, jazda na łyżwach, klejenie
śniegu
Slide 41
Termoregulacja
Utrzymanie homeostazy, stałości parametrów,
wymaga termoregulacji sterującej procesami
wytwarzania i oddawania ciepła.
Utrzymanie stałej temperatury ciała wymaga
odprowadzenia wytworzonego ciepła.
ok. 70% przez konwekcję i promieniowanie
ok. 30% przez parowanie z płuc i powierzchni
skóry
Slide 42
Układ termoregulacji
Podwzgórze na podstawie temperatury
docierającej krwi uruchamia procesy nie
dopuszczające do utraty ciepła (część
tylna) lub włącza mechanizmy oddawania
jego nadmiaru (część przednia).
Wspomagane przez mniej czułe, ale
szybciej reagujące dwa rodzaje
receptorów obwodowych: reagujących na
wzrost i spadek temperatury.
Slide 43
Podwzgórze
Zadaniem podwzgórza jest
utrzymanie temperatury wnętrza ciała
na poziomie temperatury odniesienia,
zmieniającej się w rytmie dobowym,
w stanach chorobowych, pobudzenia
emocjonalnego.
Slide 44
Slide 45
Mechanizmy regulacji temperatury
W środowisku neutralnym utrzymanie stałości
temperatury odbywa się bez udziału
termoregulacji.
Przy odchyleniach od tego stanu włączają się:
regulacja fizyczna - reakcje naczynioruchowe,
wzmożone pocenie,
regulacja chemiczna - pobudzenie metabolizmu,
zwiększenie napięcia mięśniowego (drżenie),
reakcje hormonalne,
Slide 46
Granice tolerancji zmian temperatury
wewnętrznej
Odchylenia o 2oC są tolerowane
Hipertermia: wzrost do 41-42 oC wprowadza
zakłócenia i wyłączenie termoregulacji.
Wzmożenie procesów metabolicznych powoduje
dodatnie sprzężenie zwrotne. Przy temperaturze
44-45oC następuje śmierć.
Hipotermia: obniżenie do 33oC powoduje
zakłócenia, a do 30oC wyłączenie
termoregulacji, przy 28oC pojawia się zagrożenie
życia, ale pod kontrolą można obniżyć do 28oC.
Slide 47
Efekt cieplarniany
Stała słoneczna a wyraża ilość energii
słonecznej docierającej do Ziemi w jednostce
czasu na jednostkę powierzchni ustawionej
prostopadle do kierunku promieniowania w
górnej warstwie atmosfery a=1.4 kW/m2
Ziemia tą energię absorbuje, a następnie
emituje w postaci promieniowania
podczerwonego. CO2, para wodna i in., to
promieniowanie pochłaniają i emitują w kierunku
Ziemi. Nadwyżka gazów cieplarnianych
powoduje zatrzymywanie energii i ocieplenie
Ziemi.
Slide 48
Bilans energetyczny Ziemi
Slide 49
FIZYKA i BIOFIZYKA
prezentacja do wykładu 3.
Elementy termodynamiki
bioenergetyka
Dr Dorota Wierzuchowska
Slide 2
TERMODYNAMIKA
Dział fizyki, który zajmuje się
właściwościami cieplnymi układów
makroskopowych zaniedbując, w
odróżnieniu od fizyki statystycznej,
mikroskopową budowę ciał tworzących
układ. Zajmuje się przemianami
energetycznymi i warunkami równowagi w
układach termodynamicznych.
Slide 3
Układ termodynamiczny
wyodrębnione
z otoczenia ciało
lub zespół ciał makroskopowych.
zamknięty- nie wymienia z otoczeniem ani
materii ani energii, jest izolowany
adiabatycznie (nie wymienia z otoczeniem
ciepła) i mechanicznie (nie wymienia
energii poprzez wykonanie pracy).
otwarty- może wymieniać energię i materię
Slide 4
Stan układu
określony jest wielkościami fizycznymi
nazywanymi parametrami stanu:
objętość V
ciśnienie p
temperatura T.
Parametry związane są równaniem stanu np.
równaniem stanu gazu doskonałego:
pV nRT
Slide 5
Temperatura
Związana jest z chaotycznym ruchem
cząsteczek danej substancji. Jest
proporcjonalna do średniej energii
kinetycznej ruchu postępowego.
Zgodnie z zasadą ekwipatrycji energii, na
każdy stopień swobody cząsteczki gazu
doskonałego przypada energia:
Ek
1
2
kT
Slide 6
Funkcje stanu
parametry wyznaczają stan układu
scharakteryzowany przez funkcje stanu.
Przejście układu do innego stanu- proces
termodynamiczny- związany jest ze zmianą
parametrów i funkcji stanu.
Funkcja stanu jest to wielkość fizyczna,
której zmiana wartości nie zależy od rodzaju
procesu w wyniku którego ta zmiana
nastąpiła.
Jedną z funkcji stanu jest energia wewnętrzna,
kosztem której układ może wykonać pracę lub
oddać ciepło.
Slide 7
Energia wewnętrzna
Jest to suma wszystkich energii cząsteczek
danego ciała: energii kinetycznej chaotycznego
ruchu postępowego, obrotowego, drgań
wewnątrz cząsteczki, energii potencjalnej
związanej z oddziaływaniem między
cząsteczkami.
Energia wewnętrzna może być przekazywana w
procesie wykonywania pracy lub przekazywania
ciepła.
Slide 8
Ciepło
Ciepłem nazywamy tą część energii
wewnętrznej, która może być
przekazywana pod wpływem różnicy
temperatur.
Jest formą przekazu energii między
dwoma ciałami. Następuje spontanicznie z
ciała cieplejszego do chłodniejszego.
Ustaje, gdy temperatury się wyrównają.
Ciepło nie jest funkcją stanu.
Slide 9
Rezultatem pobierania lub oddawania
ciepła jest zmiana stanu ciała: albo
dochodzi do
przemian fazowych:
DQ=mL, L-ciepło przemiany
albo do zmiany temperatury:
DQ=CDT
pojemność cieplna C=mcw
Slide 10
Ciepło właściwe
Ilość ciepła jaką trzeba dostarczyć do
jednostki masy ciała, aby spowodować
przyrost temperatury o jedną jednostkę
(jeden stopień).
cw
DQ
mDT
Ciepło właściwe wody 4186 Jkg-1K-1
Slide 11
Przemiany fazowe
T
Tt
Topnienie
lodu
Ogrzewanie wody
Ogrzewanie lodu
Q
Slide 12
Zerowa zasada termodynamiki
Ciała mające jednakową temperaturę
znajdują się w równowadze
termodynamicznej.
Warunkiem przepływu ciepła jest różnica
parametru, który nazywamy temperaturą.
Slide 13
Sposoby przenoszenia ciepła
Przewodzenie
Konwekcja
Promieniowanie cieplne
Slide 14
Przewodzenie ciepła
Polega na stopniowym ogrzewaniu ciał i
przenoszeniu energii cieplnej skutkiem
zderzeń między cząsteczkami i
elektronami ciał.
O zdolności do przewodzenia ciepła
decydują wiązania międzycząsteczkowe.
Ciała w których elektrony zewnętrzne są
słabo związane są dobrymi przewodnikami
ciepła (i elektryczności).
Slide 15
Transport ciepła
Strumień ciepła DQ /Dt przechodzący przez
powierzchnię A proporcjonalny jest do różnicy
temperatur DT w warstwie o grubości Dx:
DQ
Dt
lA
DT
Dx
l przewodnictwo cieplne właściwe
w W/mK: srebro- 420, woda- 0.59, skóra i
mięśnie- 0.33-1.5, powietrze- 0.023
Slide 16
Konwekcja
Zjawisko unoszenia ciepła za
pośrednictwem poruszającej się
substancji. Przenoszenie ciepła w
cieczach i gazach odbywa się głównie
skutkiem ruchu płynu.
np. cieplejsze powietrze ma mniejszą
gęstość i skutkiem działania siły wyporu
unoszone jest do góry.
Slide 17
Konwekcja w kuchence
Slide 18
Promieniowanie cieplne
Każde ciało ogrzane do temp. Tc nie wyższej niż 500oC,
emituje najwięcej promieniowania podczerwonego.
Strumień ciepła oddawanego do otoczenia wyraża się
prawem Stefana-Boltzmana:
DQ
Dt
saA(Tc To )
4
4
a- zdolność absorpcyjna powierzchni promieniującej
s5,67x10-8 W/(m2K4) stała promieniowania ciała
doskonale czarnego
Slide 19
Prawo ostygania (ogrzewania)
Strumień ciepła oddawany przez ciało o temp.
Tc do powietrza o temp. Tp jest proporcjonalny
do różnicy temperatur:
DQ
Dt
aA(Tc To )
Współczynnik ostygania a zależy od ruchu
powietrza, jego gęstości, wilgotności, lepkości,
kształtu stygnącej powierzchni
Slide 20
Pierwsza zasada termodynamiki
Każdy proces musi przebiegać zgodnie z
zasadą zachowania energii, a więc
przyrost energii wewnętrznej układu DU
może się odbyć kosztem dostarczonego
do układu ciepła DQ i wykonanej nad
układem pracy DW:
DU=DQ+DW
Slide 21
Praca
Praca DW może być pracą objętościową
DWo, związaną ze zmianą objętości układu
oraz pracą nieobjętościową DWno, (pracą
wszystkich innych rodzajów: elektryczną,
osmotyczną, na pokonanie sił tarcia itp.)
I zasadę termodynamiki można zapisać:
DU=DQ+ DWo + DWno
Slide 22
Praca objętościowa
Związana jest ze zmianą objętości układu:
DWo FDx
F
F pA; DV ADx
DWo pDV
Dx
dWo pdV
Slide 23
DU=DQ+ DWo + DWno
DU=DQ+ DWno – pDV
DU zmiana energii wewnętrznej układu
DQ ciepło dostarczone do układu
– pDV praca objętościowa wykonana nad
układem
DWno praca nieobjętościowa wykona nad
układem
Slide 24
Druga zasada termodynamiki
Wyznacza kierunek przebiegu procesów
termodynamicznych. W układzie
zamkniętym (DQ=0) w żadnym procesie
entropia nie może maleć, w procesach
odwracalnych jest stała.
DS ≥ 0
Procesy zachodzące w przyrodzie są
nieodwracalne, a wiec związane ze
wzrostem entropii.
Slide 25
Entropia
Entropia S jest funkcją stanu, miarą
„nieuporządkowania” układu, czyli ilości
mikrostanów realizujących dany
makrostan (W-pradopodobieństwo
termodynamiczne).
S=k·lnW
Dla procesów przebiegających
nieskończenie powoli (quasi-statycznych)
ciepło dostarczone do układu
DQ= T·DS
Slide 26
Procesy odwracalne
i nieodwracalne
W procesach odwracalnych, w których możliwy
jest powrót układu do stanu początkowego bez
zmian w otoczeniu:
DS
DQ
T
W procesach nieodwracalnych
DS
DQ
T
Slide 27
Organizmy żywe są układami
otwartymi i zachodzą w nich procesy
nieodwracalne. Wzrost stopnia
uporządkowania i życie w stanach
stacjonarnych, bez wzrostu entropii
oznaczającego śmierć, jest możliwe
dzięki oddawaniu wytworzonej
entropii do otoczenia. Organizmy
pobierają ujemną entropię z
otoczenia, „żywią się negentropią”.
Slide 28
Energia wewnętrzna
W procesach izochorycznych V=const
więc DV=0 i praca wykonana nad układem
DW=0.
DQ=DU
Przyrost energii wewnętrznej jest równy
ciepłu dostarczonemu do układu.
Slide 29
Entalpia
W procesie izobarycznym, w którym układ
wykonuje jedynie pracę objętościową:
p=const, DWno=0
DQ=DU+pDV=D(U+pV)=DH
Entalpia H=U+pV jest funkcją stanu.
Przyrost entalpii jest równy ilości ciepła
dostarczonego układowi w procesie
izobarycznym. Gdy DH<0 proces jest
egzotermiczny.
Slide 30
Energia swobodna
Dla procesów odwracalnych DQ= T·DS :
DW=-DU+TDS
W procesach izotermicznych T=const
DW=-D(U-TS)= -DF
Energia swobodna F=U-TS jest funkcją stanu.
Praca jaką układ wykonuje w odwracalnej
przemianie izotermicznej jest równa ubytkowi
energii swobodnej. W przemianach
nieodwracalnych jest mniejsza.
Zmiana energii swobodnej DF jest w
samorzutnych procesach izotermicznych DF ≤0.
Są to przemiany egzoergiczne.
Slide 31
Energia związana
Część energii wewnętrznej
TS
nie może być wykorzystana na żadną
pracę zewnętrzną i jest nazywana energią
związaną.
Entropia jest miarą tej „bezużytecznej”
części energii wewnętrznej układu.
Slide 32
Entalpia swobodna
W procesach izotermiczno-izobarycznych układ
może również wykonać pracę nieobjętościową:
DWno=DWpDV
DW=-D(UTS)
DWno= D(U-TS) pDV= = D(U +pDV -TS)= -DG
Entalpia swobodna G=H-TS jest funkcją stanu.
Ubytek entalpii swobodnej -DG jest maksymalną
pracą nieobjętościową jaką układ może
wykonać. W samorzutnych procesach
izotermiczno-izobarycznych DG ≤0
Slide 33
Reakcje endoergiczne
Samorzutnie mogą zachodzić tylko reakcje
egzoergiczne: DF ≤0 i DG ≤0. Wykorzystanie
entalpii swobodnej tych reakcji do np. skurczu
mięśni, transportu aktywnego, syntezy
chemicznej, reakcji endoergicznych, następuje
poprzez wcześniejszą jej akumulację w
wiązaniach ATP.
Synteza sacharozy z glukozy i fruktozy może
zachodzić w sprzężeniu z egzoergiczną reakcją
fosforylacji glukozy z udziałem ATP:
ATP+ glukoza+ fruktoza → sacharoza +ADP + P*
Slide 34
Potencjał termodynamiczny
Jeżeli w procesie uczestniczy więcej niż jeden
składnik to możemy określić entalpię swobodną
G przypadającą na jeden mol danego składnika.
Zmiana DG związana ze zmianą liczby moli itego składnika Dni, (jest równa pracy DW)
DG=miDni
mi jest potencjałem termodynamicznym i-tego
składnika
Slide 35
Równowaga osmotyczna
Jeżeli układ przedzielony jest błoną
przepuszczalną jedynie dla
rozpuszczalnika, to rozpuszczalnik będzie
przepływać do obszaru gdzie potencjał
chemiczny substancji rozpuszczonej jest
większy, do momentu gdy ciśnienie
hydrostatyczne po stronie substancji
rozpuszczonej zrównoważy ciśnienie
osmotyczne P po stronie czystego
rozpuszczalnika.
Slide 36
Prawo van’t Hoffa
Ciśnienie osmotyczne dla roztworów
idealnych (bardzo rozcieńczonych) w
przypadku nieelektrolitów:
P= c R T
c- stężenie molowe
R- stała gazowa
T- temperatura
Slide 37
Deplazmoliza i plazmoliza
Zjawisko osmozy odpowiedzialne jest za
pęcznienie komórek umieszczonych w
wodzie i roztworach hipotonicznych, o
mniejszym ciśnieniu osmotycznym
oraz obkurczanie komórek umieszczonych
w roztworach hipertonicznych, o większym
ciśnieniu osmotycznym.
(dokładnie błony biologiczne nie są
półprzepuszczalne, są selektywne)
Slide 38
Rozszerzalność cieplna ciał
Ze wzrostem temperatury ciała
zwiększają swoje rozmiary. W
przypadku ciał stałych obserwujemy
zarówno zwiększanie długości, jak i
objętości. W cieczach i gazach
występuje rozszerzalność
objętościowa. Wyjątek stanowi woda,
która w pewnym zakresie temperatur
(od 0oC do 4oC) zmniejsza swą
objętość przy ogrzewaniu.
Slide 39
Rozszerzalność liniowa i
objętościowa
Zmiana długości Dl ciała jest
proporcjonalna do zmiany temperatury Dt
oraz do długości początkowej l:
Dl = l l Dt .
Podobnie zmiana objętości:
DV = aVDt.
l, a - współczynniki rozszerzalności
liniowej i objętościowej.
Slide 40
Prawo Clapeyrona-Claussiusa
Zależność temperatury przemiany od
ciśnienia:
Q=T (V – Vo) Dp/DT
Vo V- objętości przed i po przemianie
Dla ciał, które topniejąc zmniejszają swoją
objętość temperatura topnienia obniża się
ze wzrostem ciśnienia.
regelacja lodu, jazda na łyżwach, klejenie
śniegu
Slide 41
Termoregulacja
Utrzymanie homeostazy, stałości parametrów,
wymaga termoregulacji sterującej procesami
wytwarzania i oddawania ciepła.
Utrzymanie stałej temperatury ciała wymaga
odprowadzenia wytworzonego ciepła.
ok. 70% przez konwekcję i promieniowanie
ok. 30% przez parowanie z płuc i powierzchni
skóry
Slide 42
Układ termoregulacji
Podwzgórze na podstawie temperatury
docierającej krwi uruchamia procesy nie
dopuszczające do utraty ciepła (część
tylna) lub włącza mechanizmy oddawania
jego nadmiaru (część przednia).
Wspomagane przez mniej czułe, ale
szybciej reagujące dwa rodzaje
receptorów obwodowych: reagujących na
wzrost i spadek temperatury.
Slide 43
Podwzgórze
Zadaniem podwzgórza jest
utrzymanie temperatury wnętrza ciała
na poziomie temperatury odniesienia,
zmieniającej się w rytmie dobowym,
w stanach chorobowych, pobudzenia
emocjonalnego.
Slide 44
Slide 45
Mechanizmy regulacji temperatury
W środowisku neutralnym utrzymanie stałości
temperatury odbywa się bez udziału
termoregulacji.
Przy odchyleniach od tego stanu włączają się:
regulacja fizyczna - reakcje naczynioruchowe,
wzmożone pocenie,
regulacja chemiczna - pobudzenie metabolizmu,
zwiększenie napięcia mięśniowego (drżenie),
reakcje hormonalne,
Slide 46
Granice tolerancji zmian temperatury
wewnętrznej
Odchylenia o 2oC są tolerowane
Hipertermia: wzrost do 41-42 oC wprowadza
zakłócenia i wyłączenie termoregulacji.
Wzmożenie procesów metabolicznych powoduje
dodatnie sprzężenie zwrotne. Przy temperaturze
44-45oC następuje śmierć.
Hipotermia: obniżenie do 33oC powoduje
zakłócenia, a do 30oC wyłączenie
termoregulacji, przy 28oC pojawia się zagrożenie
życia, ale pod kontrolą można obniżyć do 28oC.
Slide 47
Efekt cieplarniany
Stała słoneczna a wyraża ilość energii
słonecznej docierającej do Ziemi w jednostce
czasu na jednostkę powierzchni ustawionej
prostopadle do kierunku promieniowania w
górnej warstwie atmosfery a=1.4 kW/m2
Ziemia tą energię absorbuje, a następnie
emituje w postaci promieniowania
podczerwonego. CO2, para wodna i in., to
promieniowanie pochłaniają i emitują w kierunku
Ziemi. Nadwyżka gazów cieplarnianych
powoduje zatrzymywanie energii i ocieplenie
Ziemi.
Slide 48
Bilans energetyczny Ziemi
Slide 49