“Wykłady z Biofizyki – Termodynamika układów biologicznych” są drugim z piętnastu tomów pomocniczych materiałów do semestralnego kursu biofizyki prowadzonego przeze mnie dla studentów fizjoterapii. Zainteresowani studiowaniem biofizyki znajdą tu podstawowe pojęcia, prawa, jednostki, wzory i przykłady.
Darmowy fragment publikacji:
ORCID
Linki do moich publikacji naukowych i popularnonaukowych, e-booków oraz
audycji telewizyjnych i radiowych są dostępne w bazie ORCID pod adresem
internetowym:
http://orcid.org/0000-0002-5007-306X
OZNACZENIA
B – notka biograficzna
C – ciekawostka
H – informacja dotycząca historii fizyki
I – adres strony internetowej
K – komentarz
P – przykład
U – uwaga
2
Zbigniew Osiak
(Tekst)
WYKŁADY Z BIOFIZYKI
Termodynamika układów biologicznych
Małgorzata Osiak
(Ilustracje)
3
© Copyright 2021 by
Zbigniew Osiak (text) and Małgorzata Osiak (illustrations)
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Rozpowszechnianie i kopiowanie całości lub części publikacji
zabronione bez pisemnej zgody autora tekstu i autorki ilustracji.
Wydawnictwo: Self Publishing
ISBN: 978-83-960580-0-3
e-mail: zbigniew.osiak@gmail.com
4
“Wykłady z Biofizyki – Termodynamika układów biologicznych” są
drugim z piętnastu tomów pomocniczych materiałów do semestralnego
kursu biofizyki prowadzonego przeze mnie dla studentów fizjoterapii.
Zainteresowani studiowaniem biofizyki znajdą tu podstawowe pojęcia,
prawa, jednostki, wzory i przykłady.
Uzupełnieniem drugiego tomu są eBooki:
• Zbigniew Osiak: Wykłady z Fizyki – Termodynamika. vixra:1804.0465
https://vixra.org/abs/1804.0465
• Zbigniew Osiak: Zadania problemowe z biofizyki. vixra:1804.0452
https://vixra.org/abs/1804.0452
Zapis wszystkich wykładów zgrupowanych w piętnastu tomach zostanie
zamieszczony w internecie w postaci e-booków.
5
Wykłady z Biofizyki 01 – Krótka historia biofizyki
Wykłady z Biofizyki 02 – Termodynamika układów biologicznych
Wykłady z Biofizyki 03 – Biofizyka procesu słyszenia
Wykłady z Biofizyki 04 – Biofizyka procesu widzenia
Wykłady z Biofizyki 05 – Biofizyka układu krążenia
Wykłady z Biofizyki 06 – Biofizyka układu oddechowego
Wykłady z Biofizyki 07 – Biofizyka układu nerwowego
Wykłady z Biofizyki 08 – Deformacje tkanek
Wykłady z Biofizyki 09 – Biofizyka narządu ruchu
6
Wykłady z Biofizyki 10 – Wpływ infradźwięków i ultradźwięków
na organizm
Wykłady z Biofizyki 11 – Wpływ prądu elektrycznego na organizm
Wykłady z Biofizyki 12 – Wpływ pola elektrycznego i magnetycznego
na organizm
Wykłady z Biofizyki 13 – Wpływ pola elektromagnetycznego
na organizm
Wykłady z Biofizyki 14 – Wpływ ultrafioletu, podczerwieni i mikrofal
na organizm
Wykłady z Biofizyki 15 – Wpływ promieniowania jonizującego
na organizm
7
Wykład 2
Termodynamika układów biologicznych
8
Plan wykładu
• Podstawowe pojęcia i wielkości
• Krótka historia termodynamiki
• Pierwsza zasada termodynamiki
• Tradycyjne sformułowania drugiej zasady termodynamiki
• Współczesne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki
• Liniowa termodynamika procesów nieodwracalnych
• Przykłady procesów termodynamicznie sprzężonych
• Reakcja chemiczna jako przykład skalarnego procesu nieliniowego
• Struktury dyssypatywne
• Organizmy żywe z punktu widzenia termodynamiki
• Dodatkowe informacje
9
Podstawowe pojęcia i wielkości
10
• Układ termodynamiczny ⇔ wyodrębniony zbiór obiektów
makroskopowych składających się z dużej liczby mikrocząstek.
Pozostałe ciała, które nie należą do układu, nazywane są otoczeniem
tego układu.
• Układ otwarty ⇔ układ termodynamiczny wymieniający masę
i energię z otoczeniem.
• Układ zamknięty ⇔ układ termodynamiczny niewymieniający masy
z otoczeniem.
• Układ izolowany ⇔ układ termodynamiczny nie wymieniający masy
i energii z otoczeniem.
• Faza (termodynamiczna) ⇔ jednorodna część układu
charakteryzująca się ustalonym składem chemicznym i jednakową
11
wartością wszystkich wielkości fizycznych w każdym jej punkcie. Faza
oddzielona jest od pozostałej części układu powierzchnią graniczną, na
której następuje skokowa zmiana wszystkich lub niektórych własności.
• Procesy odwracalne ⇔ nierzeczywiste procesy, które mogą
przebiegać samorzutnie w obu kierunkach.
• Procesy nieodwracalne ⇔ procesy, które mogą przebiegać
samorzutnie tylko w jednym kierunku. Przykładami takich procesów są
zjawiska transportu masy, ciepła, ładunku elektrycznego, pędu
i momentu pędu. Wszystkie procesy rzeczywiste są procesami
nieodwracalnymi.
• Energia wewnętrzna (U) ⇔ suma energii kinetycznych
i potencjalnych związanych z ruchem i oddziaływaniami wzajemnymi
12
wszystkich atomów i cząsteczek znajdujących się w układzie. Energia
wewnętrzna jest określona względem środka masy układu.
• Ciepło (Q) ⇔ wielkość skalarna mierzona w dżulach, będąca energią
wymienianą między ciałami przez przewodzenie (bezpośredni kontakt),
konwekcję (unoszenie) oraz promieniowanie elektromagnetyczne.
O cieple mówimy też, że jest transportowane, przekazywane,
przenoszone, pochłaniane, wyzwalane, pobierane, oddawane,
doprowadzane, odprowadzane, uzyskiwane, tracone, oraz że przepływa,
napływa, odpływa i ucieka.
Ciepło pobrane (oddane) przez ciało o masie (m) i liczności (n),
powodujące zmianę temperatury bezwzględnej tego ciała o (∆T),
obliczamy ze wzorów:
13
Q =
cm∆m
cQ
=
mol ∆
Tn
c – ciepło właściwe
cmol – ciepło molowe
Ciepło pobierane (oddawane) przez ciało o masie (m) podczas zmiany
jego stanu skupienia wyznaczamy ze wzoru:
Lm
Q =
L – ciepło przemiany
H Terminologia dotycząca ciepła pochodzi z okresu, kiedy ciepło
uważano za nieważką ciecz, zwaną cieplikiem.
14
U O cieple nie mówimy, że jest zgromadzone albo zmagazynowane
w ciele.
C Przepływ ciepła może być termodynamicznie sprzężony z dyfuzją,
prądem elektrycznym oraz przepływem objętościowym.
• Wymiana ciepła przez parowanie ⇔ zjawisko polegające na
transporcie ciepła w wyniku parowania.
• Wymiana ciepła przez promieniowanie ⇔ zjawisko polegające na
transporcie ciepła między ciałami w wyniku emisji, propagacji oraz
absorpcji fal elektromagnetycznych.
• Wymiana ciepła przez przewodzenie ⇔ zjawisko polegające na
transporcie ciepła między stykającymi się ciałami o różnych
temperaturach. Energia jest przekazywana w wyniku zderzeń
15
chaotycznie poruszających się cząsteczek i przepływa od ciała
o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej.
• Wymiana ciepła przez unoszenie (konwekcję) ⇔ zjawisko polegające
na transporcie ciepła między ciałami w wyniku uporządkowanego
(makroskopowego) ruchu cząstek cieczy lub gazu.
P Przykładem konwekcji ciepła jest nawiew powietrza przez
termowentylator.
• Energia swobodna ⇔ część energii wewnętrznej układu, która może
być zamieniona na pracę.
• Potencjał chemiczny (µi) ⇔ wielkość skalarna charakteryzująca dany
i-ty składnik w roztworze lub mieszaninie gazów.
µ
i
=
µ
0
i
+
lnx RT
i
16
µ
0
i =
µ
0
i
(
)Tp,
– potencjał standardowy i-tego składnika
xi – ułamek molowy i-tego składnika
R – stała gazowa
T – temperatura bezwzględna
Aby pojęcie potencjału można było stosować także w układzie
jednoskładnikowym, należy go zdefiniować jako
{ }i
c
ln
i
0
i
RT+µ=µ
{ }ic
– wartość liczbowa stężenia molowego i-tego składnika
H Pojęcie potencjału wprowadził Josiah Willard Gibbs w 1876.
17
• Potencjał elektrochemiczny ⇔ wielkość skalarna, charakteryzująca
dany i-ty składnik elektrolitu.
µ~
i
=
µ
i
+
Fz
i
ϕ
µi – potencjał chemiczny i-tego składnika
φ – potencjał elektryczny w elektrolicie
zi – wartościowość i-tego składnika
F – stała Faradaya
• Strumień termodynamiczny (JA) ⇔ wielkość wektorowa, której
współrzędna (JA) określona jest poniższym równaniem:
J A =
1
S
dA
dt
18
dA
dt
– współrzędna szybkości przepływu wielkości skalarnej (A) przez
powierzchnię (S) ustawioną prostopadle do kierunku transportu
Dla strumieni stacjonarnych, czyli stałych w czasie, mamy:
J A =
1
S
∆A
∆t
• Bodziec termodynamiczny (XA) ⇔ przyczyna pojawienia się
strumienia termodynamicznego transportowanej wielkości skalarnej (A).
Przykładami bodźców termodynamicznych są ujemne gradienty
potencjału chemicznego, ciśnienia oraz potencjału elektrycznego.
Powodują one odpowiednio przepływy dyfuzyjne masy, objętościowe
płynu oraz ładunku elektrycznego. Współrzędną bodźca można w tych
przykładach wyrazić wzorem:
19
X A
−=
dB
dx
Jeżeli wielkość skalarna (B) zmienia się liniowo w kierunku transportu,
to
X A
−=
∆B
∆x
• Iloczyn współrzędnych strumienia (JA) i bodźca (XA) powinien mieć
wymiar gęstości objętościowej mocy [W/m3].
[
XJ
A
A
]
=
W
3
m
20
• Procesy termodynamicznie sprzężone ⇔ procesy przebiegające
w danym układzie, takie, że każdy z nich może mieć wpływ na
pozostałe.
• Stan stacjonarny równowagowy ⇔ stan układu izolowanego,
w którym wszystkie bodźce i strumienie termodynamiczne są równe
zeru. Stan stacjonarny równowagowy nazywany jest też stanem
równowagi termodynamicznej.
• Stan stacjonarny nierównowagowy ⇔ stan układu otwartego,
w którym wszystkie bodźce i strumienie termodynamiczne są stałe
w czasie oraz co najmniej jedna para bodziec-strumień przyjmuje
jednocześnie wartości różne od zera. Stan stacjonarny nierównowagowy
nazywany jest też stanem stacjonarnym.
21
Pobierz darmowy fragment (pdf)
