TERMODYNAMIKA CHEMICZNA efekty cieplne ( energetyczne ), towarzyszące reakcjom chemicznym ( TERMOCHEMIA ) stany równowagi, jakie ustalają się w wyniku reakcji chemicznych ( STATYKA CHEMICZNA ) Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
POJĘCIA PODSTAWOWE UKŁAD – pewna część przyrody ( wszechświata ), która jest przedmiotem rozważań. OTOCZENIE – wszystko to, co znajduje się poza układem. GRANICA UKŁADU – płaszczyzna fizyczna lub granica „pomyślana”„ oddzielająca układ od otoczenia. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
RODZAJE UKŁADÓW Układ OTWARTY – możliwy jest przepływ materii i energii pomiędzy układem a otoczeniem. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Układ ZAMKNIĘTY – możliwy jest przepływ energii, a nie zachodzi wymiana materii pomiędzy układem a otoczeniem. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Układ IZOLOWANY – nie ma wymiany materii i energii pomiędzy układem a otoczeniem. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Układ IZOLOWANY ADIABATYCZNIE – nie zachodzi wymiana materii i ciepła pomiędzy układem a otoczeniem, natomiast możliwa jest wymiana energii np. na sposób pracy. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
RODZAJE UKŁADÓW ( inny podział ) Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
ZMIENNE STANU UKŁADU – ( PARAMETRY STANU ) są to wielkości fizyczne ( m, V, T, p, c ), które w sposób jednoznaczny opisują własności układu. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
RÓWNANIE STANU GAZU DOSKONAŁEGO - najprostsze równanie wiążące parametry stanu układu - Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
UKŁADY IDENTYCZNE – wartości wszystkich zmiennych stanu są dla obu układów jednakowe. np. 1 m3 i 1 m3 tlenu w tej samej temperaturze i pod jednakowym ciśnieniem. UKŁADY PODOBNE – nie różnią się wartościami zmiennych, ale ich masy ( objętości ) mogą nie być jednakowe. np. 1 dm3 i 1 m3 powietrza o identycznym składzie, w tej samej temperaturze i pod jednakowym ciśnieniem. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
SKŁADNIK NIEZALEŻNY – każdy chemicznie niezależny składnik układu. SKŁADNIK UKŁADU – chemiczne indywiduum ( jon lub cząsteczka ), które jest w nim obecne. SKŁADNIK NIEZALEŻNY – każdy chemicznie niezależny składnik układu. Liczba składników niezależnych ( C ) w układzie jest to minimalna liczba niezależnych indywiduów chemicznych, niezbędnych do określenia składu wszystkich faz obecnych w układzie. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
CIŚNIENIE CZĄSTKOWE ( PARCJALNE ) ( p ): UKŁADY WIELOSKŁADNIKOWE ( np. roztwory ) SPOSOBY WYRAŻANIA STĘŻENIA ( SKŁADU ) ( w chemii fizycznej ) STĘŻENIE MOLOWE ( c ): [mol dm-3] STĘŻENIE MOLARNE ( m ): [mol kg-1] UŁAMEK MOLOWY ( x ): CIŚNIENIE CZĄSTKOWE ( PARCJALNE ) ( p ): [Pa] AKTYWNOŚĆ ( a ): Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
OGÓLNY SCHEMAT WYKRESU FAZOWEGO ( układu jednoskładnikowego ) POJĘCIE FAZY UKŁADU FAZA – część lub całość układu, która wykazuje w całej swej masie jednakowe własności fizyczne i chemiczne ( w szczególności jednakowe równanie stanu ) i jest odgraniczona wyraźnie od reszty układu ( otoczenia ). Liczba faz w układzie zależy od parametrów stanu ( np. p, T, c, V ). OGÓLNY SCHEMAT WYKRESU FAZOWEGO ( układu jednoskładnikowego ) Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
PRZEMIANA FAZOWA – samorzutna przemiana jednej fazy w drugą (dla danego ciśnienia zachodzi w charakterystycznej temperaturze). Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
REGUŁA FAZ GIBBSA F + S = N + 2 LICZBA STOPNI SWOBODY ( S ) – liczba parametrów intensywnych, które można niezależnie zmieniać, nie powodując zmiany liczby faz w stanie równowagi. REGUŁA FAZ GIBBSA określa związek pomiędzy liczbą stopni swobody ( S ), liczbą faz ( F ) i liczbą składników ( N C ) w układzie. F + S = N + 2 Dla układów skondensowanych: F + S = N + 1 Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
PROCES TERMODYNAMICZNY PROCES FIZYCZNY – substancje zmieniają właściwości fizyczne ( np. stan skupienia, lepkość, sprężystość ) ale nie zmieniają swego składu chemicznego, np. a) przemiana fazowa – parowanie, skraplanie, topnienie, krzepnięcie, sublimacja, resublimacja, b) rozpuszczanie, PROCES CHEMICZNY – substancje ( substraty ) ulegają przemianom prowadzącym do powstania nowych substancji ( produktów reakcji ) o odmiennych właściwościach fizycznych i chemicznych, np. a) reakcje chemiczne – syntezy, analizy, wymiany, b) reakcje biochemiczne – w warunkach in vitro luh in vivo, Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
PROCES TERMODYNAMICZNY ( w zależności od stałości danego parametru stanu ) IZOTERMICZNY ( T = const., dT =0 ) IZOBARYCZNY ( p = const., dp =0 ) IZOCHORYCZNY ( V = const., dV =0 ) ADIABATYCZNY ( Q = const. ) Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
PRACA W [ J ] – dżul W = F dx W < 0 układ wykonuje pracę ENERGIA UKŁADU – zdolność układu do wykonania pracy. PRACA W [ J ] – dżul W = F dx W < 0 układ wykonuje pracę W > 0 praca jest wykonywana na układzie Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
SENS FIZYCZNY STAŁEJ GAZOWEJ proces izobarycznego rozprężania 1 mola gazu doskonałego przy wzroście temperatury o 1 K. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
R = 8.314 [ J mol-1 K-1 ] Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
CIEPŁO Q [ J ] – dżul Q < 0 układ oddaje ciepło do otoczenia Q > 0 układ pobiera ciepło z otoczenia Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
CIEPŁO I PRACA W INTERPRETACJI MOLEKULARNEJ CIEPŁO JEST FORMĄ PRZEKAZYWANIA ENERGII, KTÓRA POLEGA NA CHAOTYCZNYM RUCHU CZASTECZEK (RUCHU TERMICZNYM). PRACA JEST PRZEKAZEM ENERGII ZWIĄZANYM Z UPRZĄDKOWANYM RUCHEM CZĄSTECZEK. Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
TERMODYNAMICZNE FUNKCJE STANU FUNKCJA STANU wielkość fizyczna, której wartość zależy wyłącznie od stanu w jakim układ się znajduje, nie zaś od drogi, po której ten stan został osiągnięty. TERMODYNAMICZNE FUNKCJE STANU energia wewnętrzna ( U ) entalpia ( H ) entropia ( S ) energia swobodna ( F ) entalpia swobodna ( G ) Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
ENERGIA WEWNĘTZRNA U [ J ] , [ J mol-1] jest to całkowita energia układu będąca sumą całkowitej energii kinetycznej i potencjalnej cząsteczek tworzących układ: energia potencjalna i kinetyczna makroskopowych części układu, energia kinetyczna cząstek, energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych. Uwaga! Określenie bezwzględnej wartości U nie jest możliwe. Podaje się wartości zmian tej funkcji termodynamicznej: dU – zmiana U w procesie elementarnym U – zmiana U w procesie przejścia ze stanu ( p ) do stanu ( k ) dla wielkości mierzalnych Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
ENERGIA WEWNĘTZRNA jest funkcją stanu – ( w odróżnieniu do ciepła i pracy ) – jej wartość jest jednoznacznie określona przez parametry stanu, a zmiana energii wewnętrznej związana z przejściem układu ze stanu początkowego ( p 1 ) w stan końcowy ( k 2 ) wynosi: dU = U2 – U1 U = U2 – U1 U = f ( T, V ) Jednemu zespołowi parametrów stanu odpowiada tylko jedna wartość funkcji stanu. Różniczka zupełna: Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI ( ZASADA ZACHOWANIA ENERGII ) UKŁAD IZOLOWANY: U = const. , dU = 0 U = 0 UKŁAD ZAMKNIĘTY: dU = Qel. + Wel. U = Q + W Jeżeli W = Wobj. = -p dV ( W = -p V ) dU = Qel. – p dV U = Q – p V Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ
Mgr Beata Mycek - Zakład Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ