FIZYKA i BIOFIZYKA prezentacja do wykładu 4. Elementy termodynamiki bioenergetyka Dr Dorota Wierzuchowska

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.

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

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:

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:

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. Ciepło i praca nie są funkcjami stanu

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.

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. Nie zawsze jest związane ze zmianą prędkości kinetycznej cząsteczek np. w procesie topnienia następuje tylko zmiana fazy

DQ=mL, L-ciepło przemiany 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

Ciepło właściwe Ilość ciepła jaką trzeba dostarczyć do jednostki masy ciała, aby spowodować przyrost temperatury o jedną jednostkę (jeden stopień). Ciepło właściwe wody 4186 Jkg-1K-1

Przemiany fazowe T Topnienie lodu Ogrzewanie wody Tt Ogrzewanie lodu Q

Zerowa zasada termodynamiki Ciała mające jednakową temperaturę znajdują się w równowadze termodynamicznej. Warunkiem przepływu ciepła jest różnica parametru, który nazywamy temperaturą.

Sposoby przenoszenia ciepła Przewodzenie Konwekcja Promieniowanie cieplne

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). Metale (srebro, miedź, glin, żelazo) są dobrymi przewodnikami. Ciecze i gazy, drewno, wełna, papier, słoma, śnieg, są złymi przewodnikami

Transport ciepła Strumień ciepła DQ /Dt przechodzący przez powierzchnię A proporcjonalny jest do różnicy temperatur DT w warstwie o grubości Dx: l przewodnictwo cieplne właściwe w W/mK: srebro- 420, woda- 0.59, skóra i mięśnie- 0.33-1.5, powietrze- 0.023

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. Cząsteczki cieplejszego powietrza maja większą prędkość i silniejszą tendencję do wznoszenia się ku górze. Prądy konwekcyjne w atmosferze przyczyną zmian pogodowych.

Konwekcja w kuchence

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: a- zdolność absorpcyjna powierzchni promieniującej s=5,67x10-8 W/(m2K4) stała promieniowania ciała doskonale czarnego Dla skóry w zakresie podczerwieni a jest praktycznie równe 1

Prawo ostygania (ogrzewania) Strumień ciepła oddawany przez ciało o temp. Tc do powietrza o temp. Tp jest proporcjonalny do różnicy temperatur: Współczynnik ostygania a zależy od ruchu powietrza, jego gęstości, wilgotności, lepkości, kształtu stygnącej powierzchni

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

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

Praca objętościowa Związana jest ze zmianą objętości układu: F Dx

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

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.

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

Procesy odwracalne i nieodwracalne W procesach odwracalnych, w których możliwy jest powrót układu do stanu początkowego bez zmian w otoczeniu: W procesach nieodwracalnych

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”.

Energia wewnętrzna DQ=DU 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.

DQ=DU+pDV=D(U+pV)=DH 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.

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.

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.

-DWno=- D(U-TS) -pDV= =- D(U +pDV -TS)= -DG Entalpia swobodna W procesach izotermiczno-izobarycznych układ może również wykonać pracę nieobjętościową: -DWno=-DW-pDV -DW=-D(U-TS) -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 Entalpia swobodna, energia swobodna Gibbsa, potencjał termodynamiczny

ATP+ glukoza+ fruktoza → sacharoza +ADP + P* 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*

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 i-tego składnika Dni, (jest równa pracy DW) DG=miDni mi jest potencjałem termodynamicznym i-tego składnika

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.

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

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)

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.

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.

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

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

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.

Podwzgórze Zadaniem podwzgórza jest utrzymanie temperatury wnętrza ciała na poziomie temperatury odniesienia, zmieniającej się w rytmie dobowym, w stanach chorobowych, pobudzenia emocjonalnego.

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,

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.

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.

Bilans energetyczny Ziemi