Disperzní soustavy, termika, termodynamika

Prezentace na téma: "Disperzní soustavy, termika, termodynamika"— Transkript prezentace:

1 Disperzní soustavy, termika, termodynamika
Teze přednášky

2 FYZIKÁLNÍ SYSTÉM interakce s okolím otevřený uzavřený izolovaný
podle složení homogenní heterogenní (více fází) dvoufázové - disperze disperzum je rozloženo v dispergens monodisperzní systémy - všechny částice stejně velké polydisperzní systémy – různá velikost částic

3 FÁZE část systému, která má ve všech bodech stejné fyzikální a některé chemické vlastnosti. fázová rozhraní povrchová energie povrchové filmy adsorpce kapilární jevy elektrické vlastnosti - micely SKUPENSTVÍ JE FÁZÍM NADŘAZENO

4 SLOŽKA KONKRÉTNÍ CHEMICKÉ INDIVIDUUM

5 FYZIKÁLNÍ SYSTÉM interakce s okolím otevřený uzavřený izolovaný
podle složení homogenní heterogenní (více fází) dvoufázové - disperze disperzum je rozloženo v dispergens monodisperzní systémy - všechny částice stejně velké polydisperzní systémy – různá velikost částic

6 DISPERZE HRUBÉ > 1000 nm ANALYTICKÉ KOLOIDNÍ krev, mléko suspenze
emulze žádná gravitační pole neprůhledné ANALYTICKÉ < 1 nm roztoky pravé neelektrolytů iontové velká rychlá neexistuje čiré KOLOIDNÍ 1000 – 1 nm plazma disperze makromolekul osmoza malá difuze pomalá sedimentace ultracentrifuga průhlednost opalescence

7 DISPERGENS DISPERZUM HRUBÁ KOLOIDNÍ DISPERZE DISPERZE
PLYN PLYN KAPALINA MLHA AEROSOL PEVNÁ LÁTKA DÝM AEROSOL KAPALINA PLYN PĚNA PĚNA KAPALINA EMULZE LYOSOL PEVNÁ LÁTKA SUSPENZE LYOSOL PEVNÁ L PLYN TUHÁ PĚNA TUHÁ PĚNA KAPALINA TUHÁ PĚNA TUHÁ PĚNA PEVNÁ LÁTKA TUHÁ SMĚS TUHÝ SOL

8 TERMIKA Teplo je nejméně uspořádaná forma energie
Teplo je suma všech forem kinetických energií 1 J = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 J Teplota – míra střední kinetické energie všech částic Teplota – stavová veličina, kterou vnímáme

9 MĚŘENÍ TEPLOTY objemová roztažnost tekutin vodíkový teploměr
kapalinové teploměry délková roztažnost pevných látek l = lo . (1 + α t) bimetalové teploměry keramické teploměry závislost elektrického odporu na teplotě vodičů R = Ro . (1 + α t ..ß t2 + …) platinové teploměry polovodičů termistory R = A . eB/T optické metody dotykové – kapalné krystaly bezdotykové – IF záření

10 TERMOREGULACE z hlediska výměny tepla s okolím je rozhodující velikost povrchu, nikoliv objemu nebo hmotnosti teplota má hlavní význam pro udržení činnosti enzymů živých systémů

11 Transport tepla kondukcí
kondukcí (vedením) mezi orgány dt Q = λ . S τ dx λ koeficient přestupu tepla τ (tau) čas dt/dx gradient teploty podle vzdálenosti S plocha

12 Transport tepla konvekcí
konvekcí prouděním kapalin – transport energie i hmoty Q = α . S . Δt . τ α koef. přestupu tepla přes rozhraní τ čas Δt rozdíl teploty mezi dvěma místy S plocha

13 Produkce tepla, energie
stanovení přímé – kalorimetricky specifické teplo Q Q = c . m . Δt c [J kg-1 deg-1] KALORIMETR – nádoba - plášť (izolace) - čidlo pro tepelné změny stanovení nepřímé – ze spotřeby O2 spalná tepla fyzikální x fyziologická sacharidy a bílkoviny 17 MJ.kg-1 tuky MJ.kg-1 fyziologická využitelnost energie bílkovin je snížena o energii nutnou k detoxikaci dusíkatých látek (močovina, kyselina močová, aminy atd.)

14 Produkce tepla a omezení transportu tepla do okolí
zvýšení bazálního metabolizmu svalový třes izolační vlastnosti pokryvu těla zmenšení povrchu vazokonstrikce

15 Výdej tepla radiací (u člověka až 60 %)
závislá na teplotě okolí a pokryvu těla Q ~ T4 vedením - nejteplejší jsou játra vazodilatací prouděním evaporace závislá na vlhkosti vzduchu

16 TERMODYNAMIKA umožňuje předvídat, zda je za daných podmínek možný průběh určité reakce v organizmu umožňuje vypočítat energetické změny ve formě tepla nebo práce, které provázejí biochemické procesy

17 Základní pojmy teplo – nejméně uspořádaná forma energie
práce – uspořádaná makrofyzikální forma energie rovnovážný stav systému odpovídá nejpravděpodobnějšímu uspořádání izolovaného systému relaxační doba je mírou přiblížení (difuze plynu 10-8 s, kapaliny hodiny)

18 Základní pojmy termodynamická pohyblivá rovnováha otevřených systémů
- stav, v němž je působení systému na okolí a působení okolí na systém stejné a vzájemné působení dějů uvnitř systému je vyrovnáno termodynamický děj reversibilní prochází řadou na sebe navazujících rovnovážných stavů ireversibilní – všechny děje, které v přírodě probíhají samovolně

19 Základní pojmy práce systémem vykonaná - W práce systémem přijatá + W
Teplo systému dodané Q Teplo systémem odevzdané - Q

20 I. věta Zákon zachování energie
Není možno realizovat izolovanou soustavu, jejíž energie by v důsledku děje, který v ní probíhá vzrůstala. Výroba energie z ničeho, perpetum mobile I. druhu Vnitřní energie systému U Absolutní hodnotu U neznáme, jsme schopni stanovit změny ΔU ΔU = Q – W

21 Důsledky I.věty 1 mol ideálního plynu
změnou teploty plyn ve válci zvětší svůj objem ∆V a posune píst o ploše S o vzdálenost l. ∆V = S . l plyn nemůže konat jinou než objemovou práci W = p . ∆V [Pa m3] = [N m-2 m3] = [N m] = [J] Q = ∆U + W = ∆U + p ∆V nebo také znaménko – Rozhodující bude, za jakých podmínek je teplo dodáno.

22 Izochorický děj V = k ∆V = 0 → ∆T > 0 Q = ∆U
veškeré dodané teplo se spotřebuje na zvýšení vnitřní energie systému (teplota se zvýší) molární měrné teplo za konstantního objemu cV (potřebné pro zvýšení teploty o 1 K) Q = ∆U = cV . ∆T

23 Izobarický děj p = k Q = ∆U – p ∆V
většina chemických reakcí probíhá za konstantního (barometrického) tlaku, byla definována stavová funkce entalpie. molární měrné teplo za za konstantního tlaku cp ∆U = cp . ∆T Q = cp ∆T – p ∆V

24 Izochoricko – izobarický děj
cV ∆T = cp ∆T – p ∆V p ∆V = cp ∆T - cV ∆T p ∆V = ∆T (cp - cV) Ze stavové rovnice p V = R T pak Meyerův vztah definuje molární (universální) plynovou konstantu cp - cV = R

25 Izotermický děj T = k Q = - p ∆V
veškeré dodané teplo se změní ve vykonanou práci -W, vnitřní energie systému zůstává konstantní ∆U = k

26 I. věta - Entalpie H tepelné zabarvení chemických reakcí ΔH = ΔU + pΔV
exotermická (samovolná) reakce entalpie klesá ΔH < 0 endotermická reakce entalpie roste ΔH > 0 hf 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ΔH = + 2, kJ.mol-1 h Planckova konstanta f vlnočet

27 II. věta termodynamická
Thomson, Kelvin, Planck: Je nemožné sestrojit takový cyklicky pracující tepelný stroj, který by nedělal nic jiného než odebíral teplo z jedné lázně a konal práci tomuto teplu přesně ekvivalentní. Clausius: Je nemožné sestrojit takový cyklicky pracující tepelný stroj, který by nekonal nic jiného než převáděl teplo z tělesa chladnějšího na těleso teplejší perpetum mobile II. druhu

28 Účinnost tepelného stroje
OHŘÍVAČ → STROJ → CHLADIČ QT W QT1 -W = QT2 - (- QT1) = QT2 + QT1 Pracuje-li stroj vratně, pak účinnost: T2 – T1 η = T1 T2 = T1 pak η = 0 stroj nekoná práci pro 100% účinnost by muselo platit T1 = 0, což je v rozporu se III. termodynamickou větou – teoremem nedosažitelnosti absolutní 0

29 Entropie S entropo – udávati směr
míra neuspořádanosti systému, přeneseně též neorganizovanosti ΔS = Q / T u ireversibilních dějů otevřených systémů entropie roste ΔS > 0 - transport entropie z okolí a do okolí Se - přírůstkem entropie v uvažovaném systému Si Prigoginova rovnice ΔS = ΔSe + ΔSi ΔSe ΔSi > => ΔS > 0

30 Veličiny odvozené z II. termodynamické věty
volná energie F (T = k V = k) ΔF = ΔU – T ΔS volná (využitelná) entalpie – Gibbsova energie G (T = k p = k) ΔG = ΔH – T ΔS T ΔS entropický člen – vázaná energie U živého organizmu můžeme považovat T, V, p za přibližně konstantní, pak není významný rozdíl mezi G a F

31 Termodynamika živých systémů
Gibbsova energie představuje tu využitelnou část chemické energie, která může být v systému přeměněna na jiný druh energie nebo na práci. Účinnost živých systémů je až 40 %. Nevyužitá část energie je ve formě tepla vyloučena z organizmu. Tím se organizmus snaží snížit nárůst entropie.

32 Termodynamika ireverzibilních systémů
otevřené systémy směřují k pohyblivé rovnováze, která se vyznačuje minimální entropií přechod otevřeného systému k pohyblivé rovnováze může způsobit dočasný pokles entropie Obecně jsou pohyblivé rovnováhy stabilní. Proti každému pochodu, který je vyvolán vnější silou nebo způsobuje v systému jiný primární děj musí existovat procesy, které se snaží těmto změnám zabránit !

33 Při všech ireversibilních procesech musí entropie vzrůstat
Při všech ireversibilních procesech musí entropie vzrůstat. Organizmus se však „vyživuje“ komplexními organickými molekulami (z potravy) s vysokou hodnotou volné entalpie G. Při jejich rozkladu používá část volné entalpie G ke svému zachování a část k výstavbě vyšší organizace. Tím se živé organizmy snaží čelit nárustu entropie a samy sebe udržují ve stavu pohyblivé rovnováhy.

34 Z hlediska evoluce vznikem vyšší organizace a diferenciace nových tkání a vznikem nových druhů dochází ke snižování entropie. II. t. v. však neztrácí platnost, neboť platí pro „uzavřený systém“ konkrétního jedince s jeho průběžně voleným okolím. Nárůst entropie konkrétního organismu je představováno jeho stárnutím, které vede k termodynamické smrti. Posmrtný rozklad představuje snahu po dosažení rovnovážného stavu.

35 Energetické přeměny hydrolýza
u převažujících typů vazeb (glykosidická, peptidická, esterová) slabá exotermická reakce G do 12 kJ.mol-1 existují sloučeniny, kde se hydrolýzou získává Gibbsova energie 30 – 50 kJ.mol-1 vazby polyfosfátové, fosfosulfátové, acylfosfátové, thioesterové

36 Makroergické vazby, fosfáty
~ P nebo - P ve skutečnosti je energetický obsah každé sloučeniny dán jejím prostorovým uspořádáním uvolněná energie tedy pochází z celé sloučeniny, nikoliv ze samotné vazby představují zásobárnu energie – energetický „pool“

37 Energetické přeměny hydrolýza je řízena enzymy a díky tomu dochází k postupnému uvolňování energie potrava + O2 + anorg. fosfáty → ATP ATP → svalová práce, tělesné teplo, atd. nebo přenosové reakce ATP + specifické sloučeniny → specifické vysoce energetické sloučeniny glukóza + ATP → ADP + glukózo-6-fosfát

38 Doplnění energetického „poolu“
ATP P energie pro životní pochody energie z živin potřebná pro navázání P ADP

39 Doplnění energetického „poolu“
aerobní proces – oxidativní fosforylace spřažená s dýchacím řetězcem anaerobní glykolýza Veškerá energie živin se nejprve převede na chemickou energii (makroergních fosfátů) a teprve pak může být postupně využita ve formě kaskády jednotlivých, enzymy řízených, reakcí.