Zagadnienia z biofizyki 6,7,8,9

6.Termodynamika. Pojęcia Podstawowe: układ, układ zamknięty, otwarty, izolowany, adiabatyczny. Prawo zachowania energii, a pierwsza zasada terodynamiki

Termodynamika - termodynamika chemiczna jest działem chemii fizycznej; wyodrębniła się z termodynamiki ogólnej, czyli nauki o przepływie ciepła. Przedmiotem jej badań są procesy chemiczne, którym towarzyszą zmiany energetyczne, polegajace na wymianie pracy i ciepła z otoczeniem. Umożliwia ona - bez posługiwania się szczegółowym modelem- znalezienie kryteriów dotyczących kierunku przebiegu reakcji chemicznych, ich stanu równowagi oraz wydajności produktów.

Układ - przestrzeń, w której zachodzi rozważany proces wraz ze znajdującymi się tam substancjami. Wszystko to, co znajduje się poza układem, określa się jako otoczenie układu

Układ izolowany - to układ, który nie wymienia z otoczeniem ani masy ani energii. Bardzo ciężko stworzyć taki układ, jego przybliżeniem jest kalorymetr adiabatyczny

Układ zamkniety - to układ , który nie wymienia z otoczneiem masy ale może wymieniać energię. Na przykład naczynie wypełnione gazem i opatrzone szczelnym tłokiem , który sprawia , że gaz nie może uciekać.

Układ otwarty­ - wymienia z otoczeniem i masę i energię. Najczęściej spotykany układ. Przykładem może być zwykła zlewka

Układ adiabatyczny­ - układ który nie wymienia z otoczeniem energii. Nigdzie nie znalazłem o tym informacji poza wykładem profesora. Jedyne co mi się udało znaleźc to to, że przemiana adiabatyczna, to taka, w której układ jest stale izolowany adiabatycznie - czyli nie wymienia energii z otoczeniem. W odwracalnej przemiania adiabatycznej entropia układu nie zmienia swojej wartości. Przykładem przemiany adiabatycznej jest rozchodzenie się dźwięku. Zmiany w tym przypadku sa tak szybkie, że ciepło nie zdąża przepłynąć z jednej części układu do drugiej. - Ale to chyba nie jest ważne.

Prawo zachowania energii a 1 sza zasada termodynamiki - ogólnie chozi o to, że 1 sze prawo termodynamki można sformułować na kilka sposobów.

1. we wszystkich procesach zachodzących w układzie izolowanym energia wewnętrzna U pozostaje niezmieniona U= const - chodzi tu o to , że energia nie bierze się z niczego i nie znika bez śladu. Wadą tego równania jest fakt, że odnosi się ono tylko do układów izolowanych. Większość rzeczywistych procesów przeprowadza się w układach otwartych - np. zlewka z reagujacymi substancjami. Dlatego ważne jest sformułowanie 1 szej zasady termodynamiki dla układów otwartych. W układach tych interesuje badaczy bardziej w jaki sposób następuje zmiana energii wewnętrznej układu. Dla układów otwartych 1 sza zasada termodynamiki

2. zmiana energii wewnetrznej układu otwrtego ΔU może nastapić albo na sposób pracy W albo na sposób ciepła Q

ΔU= Q + W

Q- ciepło doprowadzane do układu

W- praca wykoonyywana przez układ

• w kwestii wyjaśnienia energie wewnetrzną definiuje się ogólnie jako sumę wszystkich rodzajów energii danego układu: energii kinetycznej cząsteczek (translacji), energii oscylacji i rotacji cząsteczek, energii elektronów, wiązań chemicznych, oddziaływań międzycząsteczkowych oraz energię możliwych przemian jądrowych

• zdefiniowana wg 1- szej zasady termodynamiki energia wewnętrzna jest Funkcją Stanu ( o tym niżej) natomiast samo ciepło i sama praca nie są funkcjami stanu

• z fakty, że taka definicja energii wewnętzrnej czyni ją funkcją stanu wynika jeszcze jedna właściwość. Mianowicie oznacza to, że funkcja jest jednoznacznie określona przez wartości parametrów stanu, a jej wartości śa równe różnicy jej wartości w stanach końcowym i poczatkowym układu:

ΔU= U₂-U₁

Zatem zmiana energii wewnetrznej nie zależy od sposobu prowadzenia przemiany.

Na wykładzie profesor wytłumaczył to tak:

1. W termodynamice energia może być przekazywana na drodze pracy lub ciepła

ΔU= Q+W

2. Dal nieskończenie małych przemian pierwsza zasada termodynamiki ma postać

dU = đQ + đW

rozumiem to tak, że enrgia wewnętrzna jest funkcja stanu i dlatego posiada różniczke zupełna, podchas gdy praca (W) i ciepło (Q) nie są funkcjami stanu - są tylko sposobami przekazyuwaina energii

.

Na wykładzie padły też inne pojęcia podstawowe

Faza- [definicja ścisła] - Fazą nazywamy część układu jednorodąa pod względem fizycznym, oddzieloną od reszty układu fizyczną powierzchnią rozdziału, o takiej masie , aby mogły być zaniedbywane fluktuacje składu oraz energia napięcia powierzchniowego.

Z tym pojęcie wiąże się też rozdział faz czego przykładem jest układ lipid - woda.

Układ w równowadze termodynamicznej- chrakteryzuje się stacjonarnością (stałością w czasie)i brakiem jakichkolwiek systematycznych przepływów ( materii, ciepła, prądu elektrycznego). Stan ten charakteryzuje niewielka wartość parametrów stanu(objętość, ciśnienie itp.). Każdy izolowany układ osiąga po jakimś czasie stan równowagi termodynamicznej.

Stan równowagi niepełnej - stan układu fizycznego, który można uznać za stan równowagi jeżeli zaniedba się pewien powolny proces zmian.

Przemiany odwracalne- po ich zajściu układ wraca do stanu początkowego a otocznei do stanu wyjściowego (cokolwiek to oznacza)

7. Opisać stan układu. Funkcje stanu

Stan ukladu jest opisywany przez parametry określające jego stan czyli parametry stanu. Są to objętość, ciśnienie, temeratura i skład...

Wśród parametrów stanu wyróżnia się parametry ekstensywne - czyli takie których wielkość zalezy od masy substancji zawartej w układzie (np.: objetość) oraz parametry intensywne - takie których wielkość nie zależy od masy zawartej w układzie (np.: temperatura)

Co to jest funkcja stanu?

• Funkcja stanu to funkcja (np. energia wewnętrzna), której wartość określona jest jendoznacznie przez wartości parametrów stanu, a jej zmainy są wprost równe różnicy w stanie końcowym i początkowym

ΔU=U₂-U₁

• jej zmiany nie zależą od drogi procesu ale jedynie od jej wartosci w stanie początkowym i w stanie kocowym

• matematyczą konsekwencją „bycia funkcja stanu” jest posiadanie różniczki zupełnej np. dU. I tak na przykład energia wewnetrzna jest funkcją stanu natomiast ani praca ani ciepło nie są funkcjami stanu, są tylko sposobami przekazywania energii

Funkcjami stanu są

Energia wewnętrzna - ΔU

Entalpia - ΔH

8.Pierwsza zasada temrodynamki dla procesu izobarycznego

W biochemii procesy zachodzą pod stałym ciśnieniem- są więc izobaryczne.

1-sza zasada termodynamiki przybiera dla nich posatć Entalpii - funkcji termodynamicznej definiowanej jako: Fukcja stanu , której zmainy nie zależą od drogi procesu a tylko op jej warości w stanie końcowym i początkowym.

H= U + pV

Różnicą między energią wewn. a entalpią jest to, że energia wewnętrzna odnosi się do układów o stałej objętości, natomiast entalpia do układów o stałym ciśnieniu

Jak Szczepan wyprowadził entalpie ano tak:

p= const

gaz zwieksza swoją objętość z V do V + dV. Przy podnoszeniu tłoka wykonuje więc pracę đW= F dl , gdzie F= pA (ciśnienie razy powierzchnia tłoka)

czyli đW=pAdl=pdV

zgodnie z konwencja znaków jeżeli układ wykonuje pracę - a więc wykonuje energię praca przybiera znak ujemy:

đW= -pdV

Teraz przypomnijmy sobie, że energia wewnętrzna jest zdefiniowana jako suma ciepła i pracy i podstawmy do wzoru

dU=dQ-pdV (ciśnieine jest const. Więc dp=0)

dQ= dU+pdV

dQ=d(U+pV)_p

równanie to wyraża związek między ciepłem Q a funkcja definiowana jako entalpia H=U+ pV

Zatem w odniesieniu do przemian izobarycznych pierwsza zasada termodynamiki definiuje entalpię jako

dH=(dQ)_p

9. Druga zasada termodynamiki

W otaczającej ans przyrodzie spotykamy stale procesy przebiegające w sposób samorzutny. Procesy te zachodzą do momentu osiągnięcia przez układ pewnego stanu spoczynu - stanu równowagi. Procesami samorzutnymi są : przechodzenie ciepła z ciała o wyżeszej temperaturze do ciała o niższej temperaturze albo dyfuzja substancji rozpuszczonej z r-ru stężonefgo do - r-ru rozcieńczonego. Chociaż procesy te przebiegają z zachowaniem 1 szejz asady termodynamiki, nie udziela ona odpowiedzi na pytanie, w jakim kierynku będą przebiegały te procesy czy reakcje chemiczne. Pewne procesy jak np. mieszanie się dwóch gazów szlachetnych( w warunkach normalnych), przebiegają praktycznie bez efektów cieplnych, a mimo to zachodza w ściśle określonym kierunku- w tym przypadku w kierunku równomiernego wymieszania się gazów. Warto zauważyc, że w wyniku przebiegu tych procesów nastąpi w układzie , a także w jego otoczneiu, wzrost „niuporządkowania”. Zagadnienieami związanymi z kierunkiem przebiegu procesów samorzutnych zajmuje się 2ga zasada termodynamiki: w procesach przebiegających samorzutnie w kierunku osiągnięcia przez układ stanu równowagi rosnie nieuporządkowanie oraz maleje zdolność układu do wykonania pracy zewnętrznej.

Ilosciowo opisuje to funkcja zwana entropią

dS.=dQ_odwr./T

entropia też jest funkcją stanu

W izotermicznych, odwracalnych procesach zmiany entropii można policzyć z kolorymetrycznych pomiarów ciepła ΔS=Q/T, gdzie Q jest ciepłem odwracalnego procesu

Ruchomy Tłok

---