Mechanické vlastnosti, koligativní vlastnosti a transportní jevy

Prezentace na téma: "Mechanické vlastnosti, koligativní vlastnosti a transportní jevy"— Transkript prezentace:

1 Mechanické vlastnosti, koligativní vlastnosti a transportní jevy
Teze přednášky

2 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

3 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

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

5 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 l s = F 12π E r14 – r24

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

7 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)

8 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)

9 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)

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

11 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

12 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 -

13 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)

14 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.

15 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

16 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.

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

18 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

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

20 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 ,82 – 0,85

21 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

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

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

24 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]

25 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

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

27 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)

28 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

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

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

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

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

33 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

34 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 J = dt S S – celková plocha rozhraní dt – časový interval, během kterého projde rozhraním množství látky dn

35 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 po mikromolekuly makromolekuly

36 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