Mechanické vlastnosti, koligativní vlastnosti a transportní jevy Teze přednášky

Mechanika síla F = m . a [N] [kg m s-2] práce W = F . s . cosα [J] [kg m2 s-2] W výkon P = ---- [W] [J s-1] [kg m2 s-3] t

Statické vlastnosti tkání a potravin pevnost – soudržnost proti vnější síle pružnost (elasticita) schopnost vrátit se po deformaci do původního stavu roztažlivost (distenzibilita) poddajnost vůči vnější síle tvárnost (plasticita) schopnost vlivem deformující síly měnit trvale tvar

ELASTICKÉ LÁTKY HOOKŮV zákon 1 ε = --- . σ E ε deformace E Youngův modul pružnosti σ působící napětí

Prodloužení tyče o délce l a průřezu S v podélné ose silou F Δl = --- . --- . F E S Ohyb trubice délky l o vnějším poloměru r1 a vnitřním poloměru r2 (fixované na obou koncích) silou F působící kolmo na střed l3 1 s = ------- . ----------- . F 12π E r14 – r24

PLASTICKÉ LÁTKY Deformují se až po dosažení určité hodnoty deformující síly nebo napětí (síla/délka). Deformace je trvalá.

VISKÓZNÍ LÁTKY tekutiny u nichž rychlost deformace ε je funkcí síly f Δε f = -------- Δt lineární funkce – NEWTONSKÉ kapaliny (pravé roztoky, čistá rozpouštědla) nelineární funkce – NENEWTONSKÉ kapaliny (koloidy)

Látky viskózně elastické deformace je funkcí působící síly i času současně skokový nástup konstantní síly vede k exponenciálnímu nárůstu i poklesu po ukončení působení síly k návratu do původního stavu je však potřeba zrušení deformace působením síly opačného směru tento děj se nazývá RELAXACE relaxační doba je poměr modulu pružnosti a dynamické viskozity Maxwellovy tekutiny (krev)

Maxwellův a Voigtův prvek elastické vlastnosti modelujeme jako pružinu viskózní vlastnosti modelujeme jako píst ve válci s obsahem tekutiny sériové zapojení – Maxwellův prvek rychlé působení síly vede možnosti reversibilního návratu, delší působení síly vede k deformaci paralelní zapojení – Voigtův prvek neumožňuje náhlé protažení v organizmu kombinace obou prvků (sval a jeho úpony)

V O D A Biofyzikální vlastnosti znamenají možnost života na Zemi. Ztráta 10 % vody u hospodářských zvířat představuje vážné poruchy, ztráta 25 % smrt.

Voda je nejvíce zastoupenou sloučeninou v organizmu Krev 93 % Ledviny 83 % Srdce, plíce 79 % Svalovina 76 % Mozek 70 % Skelet 22 % Zubní sklovina 0,2 % S věkem obsah vody klesá z 80 % při narození na 50 % ve stáří

Silně polární struktura σ + Parciální náboje Vodíkové vazby (můstky) E ~ 8 – 40 kJ mol-1 asociace (shlukování) molekul Polární rozpouštědlo H H 104,5o O σ -

KAPALNÁ VODA USPOŘÁDÁNÍ DO „CLUSTERS“ Molekuly vzájemně asociují, střídají se oblasti organizované s neorganizovanými a se samostatnými molekulami Molekuly se mohou zasouvat do sebe Různé energie H můstků v závislosti na prostorovém uspořádání jednotlivých clusters Paměť molekul (transport informace, homeopatika)

L E D Každá molekula vody přitahuje 4 další molekuly. „VURTZITOVÁ“ struktura Každá molekula vody přitahuje 4 další molekuly. Molekuly vytvářejí pravidelný tetraedr krystalů ledu. Vodíkové můstky mají stejnou energii v závislosti na teplotě. Pravidelné vzdálenosti vedou k zvětšení objemu Vmax 4 oC - anomálie vody.

FUNKCE VODY Univerzální rozpouštědlo Prostředí pro fyzikální (osmóza) a chemické (hydrolýza) procesy Strukturální (uspořádání membrán) Transportní (plynů, živin, tepla) Termoregulační Velké specifické teplo 4,2 kJ mol-1 → akumulace tepla Výborná tepelná vodivost Vysoké skupenské teplo výparné 2,4 kJ mol-1 (37oC) Evaporace Anomálie vody

ROZPOUŠTĚNÍ Kapaliny mají schopnost rozrušovat vzájemné interakce částic pevných látek nebo jiných kapalin a uvolněné částice rovnoměrně rozptylovat (snaha o dosažení rovnovážného stavu). ROZPUSTNOST je stavová veličina představující kvantitativní míru rozpouštění NASYCENÝ ROZTOK je rovnovážná soustava, kdy za dané teploty se přidávaná látka přestává rozpouštět a vytváří samostatnou fázi.

DISOCIACE – rozpad na menší části – ionty (disociační konstanta) ASOCIACE – spojování částic (H můstky) SOLVATACE (HYDRATACE) obalování částic molekulami rozpouštědla (vody)

ROZDĚLENÍ VODY Dříve volná x vázaná Nyní dle aktivity vody aw piw piwo piw parciální tenze vodních par nad potravinou piwo parciální tenze vodních par nad čistou vodou

ROZDĚLENÍ VODY aw 0,0 - 0,2 voda vicinální monomolekulární vrstva, nemá schopnost rozpouštědla, bez možnosti chemických reakcí 2. aw 0,2 - 0,7 voda vícevrstvá fyzikální sorpce na potravinu, převládají vodíkové vazby mezi vrstvami vody 3. aw 0,7 - 1,0 voda kondenzovaná voda volná získá se odpařením voda zachycená získá se lisováním

Všechny interakce vody v potravinách vedou k poklesu entropie, tedy k nárustu organizovanosti představované terciární a kvartérní strukturou koloidů. aw roste s teplotou 10 oC o 0,03-0,2 Představuje dostupnost mikroorganismů k vodě z potraviny, tedy vztah ke údržnosti Čerstvé maso 0,97 uzenina 0,82 – 0,85

KOLIGATIVNÍ VLASTNOSTI SOUVISÍ S POČTEM ČÁSTIC V ROZTOKU, JEJICHŽ VLASTNOSTI SE LIŠÍ OD VLASTNOSTÍ ČISTÝCH SLOŽEK Raultův zákon: Tenze par rozpouštědla nad roztokem je za stejných podmínek vždy nižší než nad čistým rozpoštědlem (po). Δ p = po . X2 X2 molární zlomek rozpuštěné látky podíl počtu částic rozpuštěné látky vůči součtu počtu částic rozpuštěné látky a počtu částic rozpouštědla

EBULIOSKOPIE Bod varu roztoku je vždy vyšší než bod varu čistého rozpouštědla ΔTe = Ee . m Ee ebulioskopická konstanta m molární koncentrace [mol . m-3]

KRYOSKOPIE Bod tuhnutí roztoku je vždy nižší než čistého rozpouštědla ΔTk = Ek . m Ek kryoskopická konstanta m molární koncentrace [mol . m-3]

OSMOTICKÝ TLAK π Je výsledkem snahy koncentrovaného roztoku po zředění (vyrovnání koncentračního gradientu) Hydrostatický tlak: p = h . ρ . g [Pa] Vańt Hoffův vztah: π = R . T . c . i [Pa] c molární koncentrace [mol . m-3] i Vańt Hoffův opravný koeficient Pro neelektrolyty = 1 Pro elektrolyty počtu vzniklých iontů Osmolarita [mosmol . l-1] Osmolalita [mosmol . kg-1 rozpouštědla]

OSMÓZA – TOK ROZPOUŠTĚDLA Představuje transport hmoty látkový tok J = k . S (π1 – π2) k – koeficient propustnosti S – celková plocha rozhraní π1 , π2 – osmotické tlaky roztoků oddělených membránou

TYPY ROZTOKŮ izotonický – stejný osmotický tlak hypotonický x hypertonický nižší osmotický tlak vyšší osmotický tlak směr pohybu molekul rozpouštědla

OSMOTICKÝ TLAK Roztoky hepertonické voda ven z buňky → svrašťování plazmorhyza (u rostlin plazmolýza) Roztoky hypotonické voda do buňky, zvětšení objemu plazmoptýza, haemolýza Roztoky isotonické pro krev π = 0,74 MPa 0,9 % NaCl (0,155 mol.l-1) nebo 5 % glukóza (0,31 mol.l-1)

ONKOTICKÝ TLAK Týká se koloidů má v plazmě menší význam než osmotický tlak solí, působí proti hydrostatickému tlaku krve v končetinách, a proto má význam v tkáňové cirkulaci – zamezuje hromadění vody ve tkáních Hypoproteinemie plazmy vede k otokům

ONKOTICKÝ TLAK Schopnost potravin vázat přidanou vodu 1 g albuminu či globulinu váže 1,3 g vody 1 g škrobu váže 0,8 g vody (solení, prátování atd.)

Transportní jevy viskozita transport hybnosti vedení tepla transport energie difuze, osmóza transport hmoty Transp.vel. = - K . Plocha . Gradient

Viskozita – transport hybnosti F . t dv F = η . S . ------- dx dv/dx gradient rychlosti podle vzdálenost dvou vrstev η dynamická viskozita [Pa.s] (kcP)

Transport tepla kondukcí (vedením) dT Q = λ . S . --------- dx λ koeficient přestupu tepla dt/dx gradient teploty podle vzdálenosti S plocha

Transport hmoty DIFUZE Rotpuštěná látka přechází z místa o vyšší koncentraci na místo o nižší koncentraci nevyžaduje energii (pasivní transport) cílem je dosažení rovnovážného stavu částice se pohybují neuspořádáným tepelným pohybem v plynech a kapalinách probíhá rychle v pevných látkách pomalu

HUSTOTA DIFUZNÍHO TOKU [J] J [mol . s-1 . m-2] počet molů dn, které projdou za čas dt jednotkovou plochou S = množství látky,vyjádřené počtem molů dn, které projde za sekundu jednotkovou plochou rozhraní dn 1 J = ------ . ------ dt S S – celková plocha rozhraní dt – časový interval, během kterého projde rozhraním množství látky dn

FICKŮV ZÁKON jednosměrná stacionární difuze dc J = - D . ------- dx D – difuzní koeficient [m2 . s-1] c – koncentrace x – souřadnice polohy na ose x mínus – koncentrace ve směru osy x klesá vyrovnává zápornou hodnotu poklesu koncentrace na kladnou hodnotu látkového toku 1. Fickův zákon: Hustota difuzního toku J je přímo úměrná koncentračnímu gradientu dc/dx (platí pro jednosměrnou difuzi ve směru osy x; gradient se nemění v čase/iontová pumpa/) D nabývá hodnot od 1 . 10-9 po 1 . 10-12 mikromolekuly makromolekuly

Difuze transport molekul rozpuštěné látky přes semipermeabilní membránu Pro prostup neelektrolytů platí: J = - P . S . (c1 – c2) J látkový tok P permeabilita membrány c1 – c2 rozdíl koncentrací roztoků po stranách membrány S plocha