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