Układ – ciało lub zespół ciał stanowiący przedmiot badań; zorganizowana, wyodrębniona z otoczenia całość. Każdy układ może znajdować się w różnych stanach termodynamicznych, opisanych przez:

• parametry stanu (np. temperatura, ciśnienie, objętość)

• termodynamiczne funkcje stanu (energia wewnętrzna, entalpia, entropia, energia swobodna, entalpia swobodna)

Stan nierównowagowy układu – dany parametr nie ma stałej, określonej wartości w obrębie całego układu.

Stan równowagowy układu – ustala się gdy ciało znajdujące się w stanie nierównowagowym odizoluje się od otoczenia i pozostawi samemu sobie. Wówczas dany parametr zacznie wyrównywać się aż do chwili, gdy przyjmie jednakową wartość dla każdego punktu ciała.

Zjawisko relaksacji – zjawisko przechodzenia układu ze stanu nierównowagowego do stanu równowagi; czas w jakim to zjawisko zachodzi to czas relaksacji (τ: A→A^-e)

Układy termodynamiczne:

• izolowane (nie wymieniają z otoczeniem ani materii ani energii)

• zamknięte (nie wymieniają z otoczeniem materii ale mogą wymieniać energię)

• otwarte (wymieniają z otoczeniem materię i energię)

Przemiany w układach termodynamicznych:

• odwracalne

• nieodwracalne

• kołowe

Energia wewnętrzna układu (U) – wszystkie energie związane z jego strukturą mikroskopową (energie kinetyczne ruchu postępowego i obrotowego cząstek układu, energie potencjalne wzajemnych oddziaływań międzycząsteczkowych, energie związane z budową cząsteczek tworzących układ)

Prawo zachowania energii – w każdym procesie fizycznym całkowita energia układu i otoczenia pozostaje stała. Energia może przechodzić z jednej postaci w inną, ale w żadnym procesie nie może być tracona ani tworzona. Prawo to stanowi istotę I zasady termodynamiki.

W mechanice energia może być przekazana jedynie na sposób pracy ΔE = ±W.

W termodynamice natomiast na sposób pracy i ciepła.

Ciepło – część energii wewnętrznej, która może być wymieniana pomiędzy elementami układu, jeżeli istnieje między nimi różnica temperatur.

I zasada termodynamiki – zmiana energii wewnętrznej układu (równa różnicy energii wewnętrznej w stanie końcowym i początkowym układu) następuje w wyniku wymiany ciepła i wykonania pracy. Zależy jedynie od stanu początkowego i końcowego układu (nie zależy od drogi tych przemian!)

ΔU = U₂ – U₁ = Q + W

Gaz doskonały – nie występuje w rzeczywistości, jest pewnym modelem, przy założeniu, że:

• cząstki gazu są punktami materialnymi, sprężystymi, nie mającymi objętości własnej

• pomiędzy cząstkami gazu nie występują oddziaływania międzycząsteczkowe

• zderzenia pomiędzy cząsteczkami są doskonale sprężyste

• liczba zderzeń jest znikomo mała

Równanie stanu gazu doskonałego

pV = $\frac{m}{M}$ RT = nRT

$\frac{\text{pV}}{T}$ = const.

R = 8,31 J/mol K

Prawo Avogadro – w warunkach normalnych (T=273K, p=1013hPa) V_{1 mola gazu} = 22,4 ∙ 10^-3 m³/mol

Zależność między średnią energią kinetyczną ruchu postępowego cząsteczek a temperaturą bezwzględną

E_k = $\frac{i}{2}$ kT

i – liczba stopni swobody

dla gazu jednoatomowego i=3

dla gazu dwuatomowego i=5

dla gazu wieloatomowego i=6

W gazie rzeczywistym

• cząsteczki zajmują wspólnie pewną objętość (b), czyli do swobodnego ruchu cząsteczek dostępna jest nie cała objętość, a tylko jej część

• na skutek działania sił Van der Waalsa pojawia się dodatkowe ciśnienie (a)

• właściwości gazu rzeczywistego opisuje równanie Van der Waalsa

• dla 1 mola

(p + $\frac{\alpha}{V^{2}}$)(V-b) = RT

• dla n moli

(p + n² $\frac{\alpha}{V^{2}}$)(V-nb) = nRT

Siły Van der Waalsa – siły działające pomiędzy cząsteczkami gazu i cieczy. Przy większych odległościach przeważają siły przyciągania, przy mniejszych – siły odpychania.

Zjawisko mieszania się gazów - wszystkie gazy mieszają się bez ograniczeń ilościowych. Zjawisko to wynika z tego, że odległości między cząsteczkami gazów są duże a oddziaływania międzycząsteczkowe bardzo słabe.

Przemiany gazu doskonałego

1. Przemiana izotemiczna (T=const.)

p₁ V₁ = p₂ V₂ = const.

Jeżeli wzrasta ciśnienie gazu, to maleje zajmowana przez ten gaz objętość.

I zasada termodynamiki dla przemiany izotermicznej – praca wykonywana jest kosztem dostarczonego ciepła

Q = –W

Nie następuje zmiana energii wewnętrznej układu

dU = U₂ – U₁ = 0

U₂ = U₁ = const.

1. Przemiana izochoryczna (V=const.)

$\frac{T_{1}}{p_{1}}$ = $\frac{T_{2}}{p_{2}}$ = const. = $\frac{T}{p}$

Wzrost temperatury układu powoduje wzrost jego ciśnienia

I zasada termodynamiki – zmiana energii wewnętrznej układu termodynamicznego następuje kosztem wymienionego ciepła

dU = U₂ – U₁ = Q

Praca w tym procesie nie jest wykonywana

1. Przemiana izobaryczna (p=const.)

$\frac{T_{1}}{V_{1}}$ = $\frac{T_{2}}{V_{2}}$ = const. = $\frac{T}{V}$

Wzrost temperatury układu powoduje wzrost jego objętości

I zasada termodynamiki

ΔU = ΔQ + ΔW

Po wprowadzeniu nowej funkcji stanu – entalpii – zasada ta przyjmuje postać

dQ = (dH)_p = H₂ – H₁

zmiana entalpii układu jest równa ilości ciepła odpowiednio pobranego lub oddanego przez układ

Entalpia (H) – suma energii wewnętrznej układu i iloczynu ciśnienia i objętości w określonym stanie równowagi.

H = U + pV

1. Przemiana adiabatyczna (dQ=0, brak wymiany ciepła z otoczeniem)

p ∙ V^χ = const.

Wykładnik adiabaty (χ) – stosunek ciepła molowego przy stałym ciśnieniu do ciepła molowego przy stałej objętości. Jego wartość zależy od ilości atomów tworzących cząsteczkę gazu (czyli zależy od liczby stopni swobody).

χ = $\frac{C_{p}}{C_{V}}$

C_V = $\frac{i}{2}$R, C_p = $\frac{i + 2}{2}$R gazy jednoatomowe i=3

χ = $\frac{C_{p}}{C_{V}}$ = $\frac{i + 2}{i}$ gazy dwuatomowe i=5

i – liczba stopni swobody (nie zależy od liczby moli gazu!) gazy wieloatomowe i=6

Makrostan – może być określony przez podanie wartości parametrów (V, p, T) oraz funkcji stanu (U, H) charakteryzujących układ jako całość. Każdy makrostan może być zrealizowany na wiele sposobów, odpowiadających różnym mikrostanom układu.

Mikrostan – stan układu makroskopowego scharakteryzowany tak dokładnie, że opisane są stany wszystkich jego cząsteczek.

Prawdopodobieństwo termodynamiczne / waga statyczna (W) – liczba różnych mikrostanów odpowiadająca danemu makrostanowi. Jest więc liczbą mikroskopowych sposobów realizacji danego makrostanu. Wszystkie mikrostany danego układu są jednakowo prawdopodobne.

Makrostan równowagi – makrostan, w którym układ nie wykazuje tendencji do zmian w miarę upływu czasu.

Entropia (S) – logarytmiczna miara prawdopodobieństwa termodynamicznego. Jej zmiany określają kierunek w jakim mogą zachodzić procesy w układzie izolowanym.

S = k ln W

k – stała Boltzmanna

W – prawdopodobieństwo termodynamiczne ∈(1,∞)

Własności entropii:

• W wyniku zachodzących procesów nieodwracalnych entropia układu izolowanego rośnie (przechodzi przez stany o różnych prawdopodobieństwach, w wyniku czego wzrasta prawdopodobieństwo termodynamiczne, a więc i entropia)

• W stanie równowagi entropia układu osiąga wartość maksymalną

Zmiana entropii jest równa zmianie ciepła zredukowanego, przy czym ciepło zredukowane określamy jako stosunek ciepła pobranego przez dane ciało do jego temperatury bezwzględnej

dS = $\frac{\text{dQ}}{T}$

Nie zależy od drogi, ale od parametrów stanu końcowego i początkowego

• dla procesów odwracalnych

dS = S₂ – S₁ = $\frac{\text{dQ}}{T}$ = O

• dla procesów nieodwracalnych

dS = S₂ – S₁ > 0 ⇒ S₂ > S₁

Procesy nieodwracalne w układach izolowanych powodują wzrost entropii.

II zasada termodynamiki (prawo wzrostu entropii) – w wyniku dowolnego procesu zachodzącego w układzie izolowanym entropia nie może maleć. Entropia ma wartość stałą w procesach odwracalnych, rośnie w procesach nieodwracalnych, osiągając wartość maksymalną w stanie równowagi.

dS ≥ 0

• Jeżeli dS>0 to w układzie izolowanym proces zachodzi samorzutnie (jest nieodwracalny)

• Jeżeli dS=0 to układ znajduje się w stanie równowagi i nie zachodzą w nim żadne procesy samorzutne

Układy nieizolowane – należy przyjąć, że dowolny układ, wzięty wraz ze swym otoczeniem możemy traktować jako układ izolowany

• Dla procesu nieodwracalnego dS_U + dS_O > 0 (entropia układu wzrasta)

• Dla procesu odwracalnego dS_U + dS_O = 0

dS_U – zmiana entropii układu

dS_O – zmiana entropii otoczenia

Twierdzenie Nernsta (tzw. III zasada termodynamiki) – ciała w temperaturze zera bezwzględnego znajdują się w stanie podstawowym, którego prawdopodobieństwo termodynamiczne W = 1, wtedy entropia zmierza do zera.

T→0 ⇒ W→1 ⇒ S→0

Zmiany entropii w stanie stacjonarnym

Wszystkie procesy zachodzące samorzutnie są procesami nieodwracalnymi. Związki między funkcjami termodynamicznymi otrzymane dla stanów równowagi obowiązują również w stanach nierównowagowych. Każdy organizm żywy jest układem otwartym, a procesy, które w nim zachodzą są procesami nieodwracalnymi. Z II zasady termodynamiki dla procesów nieodwracalnych wiadomo, że zmiana entropii układu i otoczenia związana z zachodzącym procesem jest zawsze dodatnia.

• W układzie otwartym

dS_U = dS_i + dS_e

dS_i – produkcja entropii ≥0

dS_e – przepływ entropii

• W układzie izolowanym

dS_E = 0 i wówczas dS ≥ 0

• Dla innych układów entropia może się zmniejszać lub zwiększać w wyniku wymiany z otoczeniem. Entropia układu jest wtedy zależna od czasu, dlatego wprowadza się pojęcie szybkości zmiany entropii $\frac{\text{dS}}{\text{dt}}$

Szybkość zmiany entropii układu jest sumą szybkości z jaką entropia jest produkowana w układzie na skutek procesów nieodwracalnych oraz szybkości, z jaką entropia jest wymieniana z otoczeniem.

$\frac{\text{dS}}{\text{dt}}$ = $\frac{\text{dS}i}{\text{dt}}$ + $\frac{\text{dS}e}{\text{dt}}$

Szybkość tworzenia się entropii w układzie nie może być ujemna (=0 dla procesów odwracalnych, >0 dla procesów nieodwracalnych). Szybkość zmiany entropii układu może przyjmować różne wartości:

• $\frac{\text{dS}}{\text{dt}}$ > 0 – entropia wzrasta

• $\frac{\text{dS}}{\text{dt}}$ < 0 – entropia maleje

• $\frac{\text{dS}}{\text{dt}}$ = 0 – entropia nie zmienia się

Zasada Prigogina– szybkość tworzenia entropii w stanie stacjonarnym jest stała i przyjmuje wartość najmniejszą dla danej wartości działającego bodźca (odpowiednik reguły chemicznej La Chateliera-Brauna)

$\left( \frac{\text{dS}i}{\text{dt}}\ \right)$_st = min.

I zasada termodynamiki dla układów otwartych

Organizm żywy do podtrzymania procesów życiowych potrzebuje energii. Energia uwalniana jest w procesach utleniania produktów pokarmowych. Procesy te zachodzą w przybliżeniu w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Ponieważ procesy te nie zachodzą w sposób odwracalny, miarą energii jaką organizm uzyskuje z utleniania produktów pokarmowych jest zmiana entalpii (ΔH). Kosztem tej energii organizm wykonuje pracę wewnętrzną W_i (na którą składają się wszystkie procesy mające na celu utrzymanie organizmu w stanie stacjonarnym, tj. procesy chemiczne, prace związane z transportem wbrew gradientowi stężeń, z krwawieniem, oddychaniem, trawieniem; w efekcie zmieniają się na ciepło, zwane ciepłem metabolizmu W_i = Q) oraz pracę zewnętrzną W_e (pokonywanie różnych oporów, kosztem wysiłku mięśniowego)

• Bilans energetyczny przy wykonywaniu pracy wewnętrznej i zewnętrznej

ΔH = W_e + Q

• Bilans energetyczny w stanie spoczynku (W_e = 0). Cała energia jest równa ciepłu produkowanemu w organizmie

ΔH = Q

Organizm utrzymuje stałą temperaturę, gdy ilość ciepła wytwarzana w jednostce czasu (produkowana moc) będzie równa ilości ciepła oddanego w tym samym czasie do otoczenia (mocy oddanej). W organizmie zachodzi przemiana energii chemicznej (w postaci entalpii swobodnej) bezpośrednio w pracę, uzyskiwane ciepło jest produktem ubocznym, jako wynik procesów nieodwracalnych.

II zasada termodynamiki w procesach biologicznych (dla układów otwartych)

W organizmie dojrzałym, nie zmieniającym swojej biomasy, szybkość tworzenia się entropii jest równa szybkości jej efektywnego oddawania do otoczenia

$\frac{\text{dS}i}{\text{dt}}$ = $\frac{\text{dS}e}{\text{dt}}$

Entropia organizmu nie zmienia się w czasie $\frac{\text{dS}\text{org}}{\text{dt}}$ = 0; S_org = const.

Organizm znajduje się w stanie stacjonarnym. Stan ten wyróżnia się pewną stabilnością. Zakłócenie tego stanu, spowodowane zmianą któregoś z bodźców, wywołuje działania, które przeciwstawiają się zakłóceniu i przywracają stan pierwotny. Wynika to z zasady Prigogina.

Nasze życie polega na nieustannej walce z tworzącą się entropią, wrogiem życia. Jednak bez tego wroga, bez tworzącej się entropii, nie byłoby życia. Układ szybko znalazłby się nie w stanie stacjonarnym, lecz w stanie równowagi, który oznacza śmierć. Jeżeli za układ będziemy uważali cały organizm wraz z otoczeniem, to jako całość układ będzie izolowany. Zgodnie z II zasadą termodynamiki, entropia w takim układzie może tylko rosnąć – a więc będzie spełniona zależność:

ΔS_przyrody = ΔS_organizmu + ΔS_otoczenia > 0

Czyli życie, tak jak każdy inny proces (nieodwracalny) zwiększa entropię przyrody.

Energia swobodna układu (F) – różnica między energią wewnętrzną a iloczynem temperatury i entropii w określonym stanie układu termodynamicznego. Stanowi tę część energii wewnętrznej układu, która w sprzyjających warunkach może być wykorzystana przez układ do wykonania pracy (pozostała część energii U jest energią nieużyteczną, która nie może być wykorzystana do wykonania pracy – energia związana = T∙S)

F = U - T∙S

Zmiana energii swobodnej – w procesach izotermicznych wyznacza kierunek ich przebiegu. Ubytek energii swobodnej (–dF) wyraża maksymalną pracę, jaką układ może wykonać.

–dW ≤ –dF T=const.

–dW = –dF w procesach odwracalnych

–dW < –dF w procesach nieodwracalnych

–dW – praca wykonana przez układ

W procesach izochorycznych układ nie wykonuje pracy, wówczas –dF ≥ 0

Jeżeli wyłączymy zachodzące w układzie procesy odwracalne, dla których energia swobodna układu zachowuje stałą wartość (dF=0, F=const.), procesy izotermiczno-izochoryczne mogą przebiegać samorzutnie wyłącznie w kierunku zmniejszania się energii swobodnej (dF < 0, czyli F₂ < F₁). Przyjmuje ona wartość najmniejszą w stanie równowagi.

dF ≤ 0 dla T=const., V=const.

Entalpia swobodna (G) – różnica entalpii i iloczynu temperatury i entropii, decyduje o pracach innych niż objętościowe wykonywanych przez układ. W procesach izotermiczno-izobarycznych

G = H – T∙S

–dG ≥ –dW_i

–dG – ubytek entalpii swobodnej

–dW_i – praca nieobjętościowa wykonana przez układ

–dG = –dW_i – w procesach odwracalnych

–dG > –dW_i – w procesach nieodwracalnych

Jeżeli wyłączymy zachodzące w układzie procesy odwracalne (dG=0, G2=G1=const.), procesy izotermiczno-izobaryczne mogą w układzie przebiegać samorzutnie wyłącznie w kierunku zmniejszania się entalpii swobodnej. Przyjmuje ona wartość najmniejszą w stanie równowagi.

Procesy endoergiczne – następuje wzrost energii swobodnej lub entalpii swobodnej

Procesy egzoergiczne – następuje ubytek energii swobodnej lub entalpii swobodnej. Spełniające warunek dF<0, dG<0 zachodzą samorzutnie.

Dla reakcji αA + βB ↔ γC + δD

α,β,γ,δ – współczynniki stechiometryczne

A,B,C,D - substancje

Standardowa zmiana entalpii swobodnej (ΔG⁰) dla reakcji chemicznych

w warunkach standardowych (T=298K, p=1012hPa, a(aktywność składnika)=1)

ΔG⁰ = –R∙T∙lnK

K – stała równowagi chemicznej, K = $\frac{{{(\text{aC}}^{\gamma})}_{r}{(\text{aD}^{\delta})}_{r}}{\left( \text{aA}^{\alpha} \right)_{r}{(\ \text{aB}^{\beta})}_{r}}$

r – stężenie reagentów odpowiadające stanowi równowagi

ΔG⁰ < 0 – reakcja będzie przebiegać spontanicznie (egzoergicznie), K>1

ΔG⁰ > 0 – reakcja nie może przebiegać spontanicznie, jest endoegriczna, K<1

Zmiana entalpii swobodnej w innych warunkach (zależy od temperatury, ciśnienia, aktywności poszczególnych reagentów)

ΔG = ΔG⁰ + R∙T∙ln $\frac{\text{aC}^{\gamma}\text{aD}^{\delta}}{\text{aA}^{\alpha}\ \text{aB}^{\beta}}$

a – aktywność poszczególnych składników

Reakcje sprzężone – umożliwia zachodzenie w komórce reakcji endoergicznych (gdy są sprzężone z egzoergicznymi, bezwzględna wartość ΔG⁰ reakcji endoergicznej musi być mniejsza niż ΔG⁰ reakcji egzoergicznej). Standardowa zmiana entalpii swobodnej reakcji wypadkowej reakcji sprzężonych jest równa sumie standardowych zmian entalpii swobodnych tych reakcji

ΔG₃⁰ = ΔG₁⁰ + ΔG₂⁰

Cechy dźwięku*
Obiektywne (fizyczne)
Częstotliwość v Natężenie I Widmo E=f(λ)

*każdej cesze obiektywnej odpowiada cecha subiektywna

Zastosowanie ultradźwięków w diagnostyce i terapii

Diagnostyka ultradźwiękowa opiera się na tym, że stałe akustyczne (tj. współczynnik pochłaniania i prędkości fali) chorej tkanki są inne niż otaczającej ją tkanki zdrowej. Zastosowanie odpowiednich przetworników obrazów optyczno-akustycznych wraz z odpowiednią obróbką danych za pomocą komputera umożliwia wgląd w głąb badanego ustroju i obserwację chorych i uszkodzonych organów.

Ultradźwięki w medycynie oprócz diagnostyki (badania USG) znalazły zastosowanie w terapii ultradźwiękowej, która obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na tkanki ludzkie powoduje zmianę napięcia mechanicznego tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej ogrzanie wywołane pochłanianiem energii fali. Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięsniobóle, stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele innych schorzeń. Za każdym razem bardzo ważne jest określenie dawki fizycznej (pochłoniętej) dla danego schorzenia. W związku z trudnościami z tym związanymi terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków jest ograniczone.

Wpływ ultradźwięków na organizmy żywe

W działania wyróżnia się trzy efekty: mechaniczny (w odpowiednich warunkach prowadzi do niszczenia komórek), cieplny (pochłaniana energia fali przekształca się w ciepło, zwłaszcza w pobliżu powierzchni rozgraniczającej ośrodki o różnej impedancji akustycznej) i chemiczny (mogą przyspieszać reakcje chemiczne i doprowadzać do procesów, które bez fal nie mogłyby zajść, dyfuzja przez błony ulega zwiększeniu). Małe i średnie natężenia powodują w komórkach krążenie cytoplazmy, zwiększenie przepuszczalności błony komórkowej, tworzenie wakuoli. Duże natężenia prowadzą do deformacji jąder, przerwania błony komórkowej, fragmentacji komórki. W tkankach zmienia się pH, równowaga jonowa, aktywność enzymów, przemiana materii. Może dojść do rozpadu większych cząsteczek i powstawanie innych. Podnosi się temperatura tkanek, dochodzi do lepszego ukrwienia

Wpływ infradźwięków na organizmy żywe

Ich działanie biologiczne jest jeszcze stosunkowo mało poznane. Mogą one wywoływać rezonans różnych narządów. U ludzi przebywających w zasięgu działania tych fal obserwowano bóle głowy, niepokój, mdłości, bezsenność, nerwice, omdlenia. W badaniach na zwierzętach stwierdzono pękanie naczyń krwionośnych, krwotoki, zatrzymanie akcji serca.

Odbieranie wrażeń słuchowych

Fale dźwiękowe przenoszone przez powietrze docierają do małżowiny usznej, następnie przewodem słuchowym zewnętrznym do błony bębenkowej. Pod wpływem drgań powietrza błona bębenkowa zaczyna drgać, poruszając przylegający do niej młoteczek. Drgania z młoteczka są kolejno przekazywane na kowadełko i strzemiączko, skąd za pośrednictwem okienka owalnego trafiają do ucha wewnętrznego. W uchu wewnętrznym pobudzone przez fale dźwiękowe komórki nerwowe słuchu przetwarzają je na impulsy nerwowe i przesyłają do ośrodków słuchowych w korze mózgowej. W nich powstaje wrażenie słuchowe odebranego dźwięku.

Podstawowe pojęcia i definicje

Atom

• Najmniejsza część pierwiastka chemicznego posiadająca jego właściwości chemiczne

• Jest elektrycznie obojętny

• Liczba protonów w jądrze atomowym jest równa liczbie elektronów na powłokach atomu

• Jądro atomowe (nuklid) jest zbudowane z protonów i neutronów (nukleonów)

• Opisujemy go podając symbol pierwiastka oraz dwie liczby

• Liczba masowa (A) – określa ilość nukleonów w jądrze atomowym

• Liczba atomowa (Z) – określa ilość protonów w jądrze atomowym

• Masa atomu skupiona jest w jądrze atomowym

• Promień jądra atomowego

R = R₀ $\sqrt[3]{A}$

• Średnica jądra atomowego 10^-15 – 10^-14 m

Izotopy

• Odmiany tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze atomowym

• Mają tą samą liczbę atomową (Z=const.), różnią się liczbą masową

Izobary

• Posiadają taką samą liczbę masową (mają takie same masy), różnią się liczbą atomową A₁=A₂

Izotony

• Jądra, które zawierają tą samą liczbę neutronów (A-Z), a mają różne liczby A i Z

Stan wzbudzony

• Atom znajduje się w stanie wzbudzonym jeżeli jego elektrony znajdują się na poziomach wyższych niż walencyjny (im bliżej jądra znajduje się elektron tym jego energia jest mniejsza)

• Jądro atomowe znajduje się w stanie wzbudzonym jeżeli jego nukleony posiadają nadmiar energii w porównaniu ze stanem podstawowym

Zgodnie z teorią względności istnieje równoważność pomiędzy masą i energią:

E = mc²

m – masa

c – prędkość

Masa może być źródłem energii

Defekt masy – różnica pomiędzy sumą mas nukleonów tworzących jądro atomowe a masą utworzonego jądra

ΔM = Zm_p + (A-Z)m_n – M

Brakująca masa zamienia się w energię podczas łączenia nukleonów w jądro. Tę teorię nazywamy energią wiązania jądra atomowego

ΔE = ΔMc²

Promieniotwórczość – właściwość wzbudzonych jąder atomowych pewnych pierwiastków do samorzutnego rozpadu i emisji cząstek α, β i fotonów γ

• W przyrodzie występuje pewna liczba jąder promieniotwórczych – mówimy wtedy o promieniotwórczości naturalnej

• Podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego stwierdza, że liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu dN/dt jest proporcjonalna do liczby N jąder istniejących, czyli tych, które jeszcze nie uległy rozpadowi

$\frac{\text{dN}}{\text{dt}} = - \lambda\text{λN}$

λ – stała rozpadu promieniotwórczego, charakteryzuje dany nuklid promieniotwórczy, znak minus oznacza, że liczba jąder zmniejsza się w czasie

w najbardziej ogólnej postaci prawo rozpadu promieniotwórczego N = N₀e^-λt

N₀ – liczba jąder pierwiastka promieniotwórczego w chwili t₀

N – liczba jąder tego pierwiastka po czasie t

e – podstawa logarytmu naturalnego (ok. 2,7)

• Podczas rozpadu jąder zachowane muszą być energia, pęd, wewnętrzny moment pędu (spin), ładunek elektryczny (ta sama wartość Z i A po obu stronach równania), liczba nukleonów

Promieniowanie jonizujące – każde promieniowanie zdolne do jonizacji atomów i cząsteczek na które oddziałuje. Promieniowanie takie może mieć różne pochodzenie i różną naturę. Wspólnym mianownikiem jest efekt jaki wykonuje – jonizacja materii

Promieniowanie to jonizuje (przekształca) obojętne elektrycznie atomy w jony o nieskomplikowanym ładunku. Podczas jonizacji atomy zostają pozbawione elektronów z powłoki walencyjnej i stają się jonem o ładunku dodatnim, odłączone elektrony są jonami ujemnymi. Promieniowanie jonizujące dzielimy na:

• Elektromagnetyczne (falowe, X i γ)

• Korpuskularne (strumień cząstek jonizujących, α, β⁺, β^-, neutronowe)

Źródłem cząstek α, β i promieniowania γ są jądra pierwiastków radioaktywnych. Promieniowanie rentgenowskie powstaje w procesie wyhamowania wysokoenergetycznych elektronów.

Promieniowanie korpuskularne

• Promieniowanie α wykazujące dużą zdolność jonizacji, ale ma mały zasięg

• _Z^AX  _Z − 2^A − 4Y +  ₂⁴He²⁺(α)

• Promieniowanie β⁺, β^- mniejsza zdolność jonizacji, większy zasięg

• Nośnikami promieniowania są odpowiednio pozytony i elektrony

• Przemiana jest samorzutna

• Cząstki mają mniejszą zdolność jonizacji ośrodka

• Zasięg większy (w powietrzu ponad 10m)

• β⁺ _Z^AX  _Z − 1^AY +  ₊₁⁰β +   ₊₁¹p → ₀¹n + ₊₁⁰e + ν

• β^- _Z^AX  _Z + 1^AY +  ₋₁⁰β+ ₀¹n → ₊₁¹p + ₋₁⁰e + ν

Promieniowanie elektromagnetyczne

Wyróżnia się promieniowanie X i γ. Nośnikami są fotony. Wykazuje najmniejszą zdolność jonizacji, ma największy zasięg

• Promieniowanie γ – nośnikiem jest fala elektromagnetyczna z zakresu długości poniżej 124pm, częstotliwość powyżej 2,24∙10^-18Hz. Z jądra emitowane są fotony γ o bardzo dużej energii od 1MeV do 4MeV. Promieniowanie to jest emitowane przez jądra

• Promieniowanie X (rentgenowskie) – powstaje podczas hamowania wysokoenergetycznych elektronów. Zakres długości fal to 10pm – 10nm. Długość fali promieniowania rtg zależy od wartości energii kinetycznej elektronu w okresie hamowania.

Energia ta może być różna, w zależności od tego czy elektron straci energię od razu w procesie jednego gwałtownego hamowania, czy też dozna najpierw kilku zderzeń niesprężystych z atomami anody tracąc przy tym część swojej energii a dopiero potem zostanie zahamowany. Wynika z tego, że promieniowanie emitowane przez lampę rentgenowską ma widmo ciągłe, czyli jest szerokim pasmem fal elektromagnetycznych o różnych długościach fal.

Mechanizmy oddziaływania promieniowania z obiektami biologicznymi

• oddziaływanie bezpośrednie

• oddziaływanie pośrednie

Cząstki promieniowania korpuskularnego posiadają duże energie kinetyczne co umożliwia im jonizację lub wzbudzenie atomów ośrodka pochłaniającego, przez który przechodzą

Jeżeli mamy cząstki β^- to mogą one powodować jonizację bezpośrednią lub emitować energię elektromagnetyczną na skutek hamowania w polu atomu

Konsekwencją oddziaływania promieniowania korpuskularnego z materią są: elektrony, zjonizowane atomy, promieniowanie elektromagnetyczne, ciepło

Fotony jonizujące współdziałają z ośrodkiem według trzech różnych mechanizmów

• zjawiska fotoelektrycznego

• rozproszenia Comptonowskiego

• zjawiska tworzenia par elektron-pozyton

We wszystkich przypadkach bezpośrednim skutkiem jest pojawienie się w ośrodku elektronów, zwanych często wtórnymi, które całkowicie lub częściowo przejmują energię fotonów, ulegających absorpcji lub rozproszeniu. Wtórne elektrony są właściwym czynnikiem jonizującym materię (tkankę)

Skutki promieniowania jonizującego

Skutki napromieniowania ciała dawką jednorazową: zmiany morfologiczne krwi, nudności, wymioty, utrata owłosienia, zaburzenia w tkankach krwiotwórczych, zgon. Promieniowanie jonizujące przechodząc przez obiekty biologiczne wywołuje w nich ciąg następujących po sobie procesów przesuniętych w czasie. Możemy wyróżnić trzy podstawowe fazy działania:

• fizyczną (w komórce powstają różne produkty oddziaływania promieniowania na ośrodek, struktury pochłaniają przekazywaną energię, następuje jonizacja ośrodka, wzbudzenie cząsteczek, zachodzą zjawiska fotoelektryczne, Comptona, tworzenie par elektron-pozyton)

• chemiczną (cząstki naładowane reagują z innymi składnikami komórki, radioliza wody, wolne rodniki uszkadzają wszystkie elementy komórki z którymi mają kontakt)

• biologiczną (rozpoczyna się od reakcji enzymatycznych, których celem jest naprawa uszkodzeń chemicznych, część z nich można naprawić, ale problemem stają są te których nie można naprawić lub te naprawione nieprawidłowo, efektem uszkodzenia DNA może być rozregulowanie pracy komórki prowadzące do jej śmierci lub pojawienie się mutacji w następnych pokoleniach komórek)

Zmiany te zależą od:

• czynników fizycznych (dawka pochłonięta, wielkość napromieniowania obszaru, rozkład geometryczny wiązki, sposób napromieniowania: wewnętrzny/zewnętrzny, rodzaj promieniowania, rozkład dawki w czasie)

• czynników biologicznych (promieniowrażliwość komórki, stopień utlenowania, faza cyklu komórkowego, rodzaj napromieniowania obiektu, wrażliwość osobnicza i gatunkowa, wiek, płeć, stan zdrowia)

Wykorzystanie promieniowania jonizującego w diagnostyce i terapii

• rentgen

• tomografia komputerowa

• radioterapia

Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegnie przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego atomu izotopu.

Radioizotopy wykazują aktywność promieniotwórczą.

Naturalne radionuklidy syntezowane są w gwiazdach, szczególnie podczas wybuchów supernowych

Niektóre izotopy (np. ¹⁴C) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu (promieniowania kosmicznego) z cząsteczkami atmosfery ziemskiej.

Sztuczne radionuklidy są wytwarzane przez człowieka głównie w reaktorach jądrowych oraz akceleratorach.

Izotopy promieniotwórcze znalazły wielorakie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i gospodarki.

7. POTENCJAŁY

Potencjał chemiczny (składnika), inaczej Współczynnik proporcjonalności, µ_i, wyraża liczbowo pracę wykonaną podczas zmiany liczby moli określonego składnika o 1, przy zachowaniu stałości ciśnienia, temperatury oraz ilości innych składników.

• W procesie quasi-statycznym (nieskończenia mała zmiana l. moli substancji - ni, powoduje nieskończenie małą zmianę entalpii swobodnej - Gi) potencjał chemiczny możemy wyrazić pochodną cząstkową zmiany entalpii swobodnej, przy zachowaniu pozostałych parametrów układu termodynamicznego:

  • μ_i =( ${\frac{\partial G_{i}}{\partial n_{i}})}_{p,T,\text{nj}\ \neq i}$

• zmiana entalpii swobodnej jest proporcjonalna do zmiany liczby moli substancji:

  • ΔW_i = ΔG_i = μ_iΔn_i

• potencjał chemiczny danego składnika i w układzie zawierającym inne składniki, możemy przedstawić w postaci:

  • μ_i = u_i⁰ + RT∙ln∙x_i

• ważna rola w transporcie materii - jeżeli w układzie istnieją różnice potencjałów chemicznych to zachodzą w nim procesy fiz. lub chem. związane z transportem substancji, które zmieniają stan układu. To siły napędowe (bodźce termodynamiczne transportu). Zjawiska wywołane różnicą potencjałów to np. osmoza i dyfuzja.

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Dyfuzja umożliwia zjawisko mieszania się substancji pozostających w fazie gazowej lub ciekłej. Siłą napędową dyfuzji przy mieszaniu jest dążenie układu do równowagi termodynamicznej przez osiągnięcie jak najwyższej entropii i jak najniższej energii swobodnej.

• szybkość, z jaką przemieszcza się substancja, jest proporcjonalna do gradientu potencjału chemicznego i do powierzchni S przez którą przechodzi

• prawo dyfuzji Ficka - określa szybkość, z jaką przemieszcza się w układzie substancja pod wpływem gradientu stężeń:

  • $\frac{\text{dn}}{\text{dt}} = \ - \frac{\text{LRT}}{c}\ \bullet S \bullet \frac{\text{dc}}{\text{dx}} = \ - D \bullet \frac{\text{dc}}{\text{dx}} \bullet S$

$\ \frac{\text{dn}}{\text{dt}}$ - szybkość

L− współczynnik proporcjonalności

$D = \frac{\text{LRT}}{c}$ - współczynnik dyfuzji (zależy od: rodzaju substancji rozpuszczonej i rodzaju rozpuszczalnika, T, p)

• $\frac{\text{dn}}{\text{dt}} = \ - D\frac{\text{dc}}{\text{dx}}S$

• w przypadku 2 roztworów o stężeniach molowych c1 oraz c2, które są przedzielone błoną utrudniającą dyfuzję:

  • $\frac{\text{dn}}{\text{dt}} = \text{PS}(c_{1} - \ c_{2})$

  • $P = \frac{D}{\text{dx}}$ - współczynnik określający przepuszczalność błony dla danej substancji

Osmoza – dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.

• roztwór, z którego ubywa rozpuszczalnik - hipotoniczny

• roztwór, w którym przybywa rozpuszczalnik - hipertoniczny

• gdy roztwory pozostają w równowadze osmotycznej - izotoniczny

Równowaga osmotyczna - liczba cząsteczek rozpuszczalnika przenikających przez membranę w obie strony jest jednakowa i układ jest w stanie równowagi (np. po obu stronach membrany mamy czysty rozpuszczalnik).

• błona półprzepuszczalna - przepuszcza rozpuszczalnik, nie przepuszcza substancji rozpuszczonej

• potencjał chemiczny czystego rozpuszczalnika:

  • μ₁ = μ₀ + RT∙lnx₁ = μ₀ + RT∙ln1 = μ₀

• potencjał chemiczny rozpuszczalnika w części zawierającej roztwór:

  • μ₂ = μ₀ + RT∙lnx₁ = μ₀ + RT∙ln $\frac{n_{1}}{n_{1} + \ n_{2}}$

n₁ – liczba moli rozpuszczalnika

n₂ – liczba moli substancji rozpuszczonej

• ponieważ u1>u2 - rozpuszczalnik przenika przez błonę do roztworu:

  • powiększa się objętość roztworu, powstaje napinanie się błony półprzepuszczalnej, które zwiększa ciśnienie działające na roztwór

  • zostaje wykonana praca, która zwiększa potencjał chemiczny rozpuszczalnika w roztworze do wartości: μ₂¹ = μ₁

• ciśnienie osmotyczne - takie, które w stanie równowagi zahamuje transport rozpuszczalnika.

• Hoffa van't prawo określa ciśnienie osmotyczne, które jest proporcjonalne do stężenia molowego i temperatury (nie zależy natomiast od substancji rozpuszczonej, a przy elektrolitach należy uwzględnić stopień dysocjacji, bo każdy jon stanowi samodzielną cząstkę)

П = $\frac{\text{RT}}{V_{\text{mol}}}$ ∙ $\frac{n_{2}}{n_{1}}$

n₁ V_mol = V – objętość rozpuszczalnika w której rozpuszczono n₂ moli substancji

$\frac{n_{2}}{V}$ - stężenie molowe substancji rozpuszczonej

P = C_molRT

• gdzie: c - stężenie, T - temperatura bezwzględna, R - stała gazowa. Na podstawie prawa van’t Hoffa (i pomiaru ciśnienia osmotycznego) można wyznaczać masy cząsteczkowe koloidów.

Potencjał elektrochemiczny – pojęcie z zakresu elektrochemii - oznacza potencjał chemiczny jonu i w polu elektrostatycznym, odgrywa tę samą rolę, co potencjał chemiczny, ale w układzie, w którym zawierają się cząstki naładowane. Określa pracę, jaką należy wykonać, aby zmienić liczbę moli określonego składnika o 1 (substancja musi mieć ładunek), przy stałym ciśnieniu, temperaturze i niezmienionych ilościach pozostałych składników układu.

• różnica tych potencjałów jest bodźcem do przenoszenia ładunku z substancją, np za pośrednictwem jonów - bardzo ważna w organizmach żywych.

jeżeli w układzie są cząstki posiadające ładunki elektryczne (elektrolity, koloidy) to zmiana liczby moli któregoś ze składników jest związana z wykonaniem pracy chemicznej i elektrycznej, miarą tej pracy jest zmiana entalpii swobodnej tego składnika:

ΔG_i = ΔW_i = ΔW_chem + ΔW_elektr

ΔW_chem = μ_iΔn_i – praca chemiczna

ΔW_elektr = φΔq_i – praca elektryczna związana z przeniesieniem ładunku elektrycznego Δq_i w polu o potencjale elektrycznym φ

• jeżeli liczba moli danego składnika zmieni się o ni, to ładunek elektryczny zmieni się o:

Δq_i = z∙F∙Δn_i

z – liczba ładunków elementarnych związanych z cząsteczką, np. wartościowość jonu

F – stała Faradaya = 96 487 c/mol (określa ładunek elektryczny związany z 1 molem jonów 1+

• zmianę entalpii swobodnej związaną ze zmianą liczby moli substancji o ni możemy zapisać:

ΔG_i = μ_i ∙Δn_i + φ z F Δn_i

ΔG_i = (μ_i + φ z F) Δn_i

μ^∼= μ_i + φ z F – POTENCJAŁ ELEKTROCHEMICZNY

Potencjał elektrodowy danego metalu − to różnica potencjałów pomiędzy metalem i elektrolitem, gdzie przy określonej jej wartości ustala się stan równowagi i reakcja przebiega w dwie strony z jednakową prędkością:

ΔV = φ_Me + φ_elektr

• jeśli zanurzymy płytkę metalową do roztworu elektrolitu zawierającego kationy tego metalu, zajdzie reakcja:

  • Me ↔Me²⁺ + ze^-

  • atomy metalu przechodzą do roztworu w postaci jonów, pozostawiają el. walencyjne na powierzchni metalu. Na granicy metalu i roztworu tworzy się podwójna warstwa ład. el. przeciwnego znaku. Dodatni ładunek elektrolitu hamuje dalszy dopływ kationów z metalu. Na granicy metal-elektrolit powstaje różnica potencjałów elektrycznych.

• w stanie równowagi potencjały elektrochemiczne atomów metalu oraz jego jonów są sobie równe:

  • μ^∼_Me = μ^∼_j

• Równanie Nernsta – opisuje potencjał elektrodowy, czyli różnicę potencjałów ustalającą się na granicy metalu i elektrolitu w stanie równowagowym.

  • ΔV = ΔV₀ + $\frac{\text{RT}}{\text{zF}}$ ∙ln c_j

Potencjał dyfuzyjny – powstaje na granicy 2 elektrolitów o różnych stężeniach. Warunkiem jego powstania jest różnica szybkości, z jaką dyfundują jonu w układzie. To różnica potencjałów elektrycznych, przy której w układzie ustali się stan stacjonarny:

ΔV = φ₁ – φ₂

Opisany jest równaniem Hendersona:

ΔV = $\frac{{(u}^{+} - \ u^{-})\ \text{RT}}{{(u}^{+} + \ u^{-})\ \text{zF}}$ ln $\frac{c_{1}}{c_{2}}$ u⁺ - ruchliwość kationu, u^- - ruchliwość anionu

u = $\frac{}{E}$ [$\frac{m^{2}}{\text{Vs}}\rbrack$

Równowaga jonowa w błonie - np. gdy po obu stronach błony mamy zdysocjowany roztwór soli AB o różnych stężeniach. Błona przepuszcza tylko jony A, który dyfunduje z środowiska o większym stężeniu do tego o niższym i przenosi swój ładunek - a więc wytwarza różnicę potencjałów elektrycznych (która w efekcie go hamuje). Między tymi 2 siłami (różnicą potencjałów i siłą dyfuzji) wytwarza się stan równowagi. W przypadku żywej komórki liczba jonów dyfundujących jest znikoma i nie wywołuje żadnych zmian stężenia. To daje naturalność elektryczną obu układów.

• przekształcone równanie Nernsta - określa zależność między różnicą potencjał elektrycznych na błonie a ilorazem stężeń w układach I i II, po ustaleniu się stanu równowagi:

Δφ = φ_I – φ_II = $\frac{\text{RT}}{\text{zF}}$ ln $\frac{c^{\text{II}}}{c^{I}}$

Równowaga Donnana - np. w roztworze z solą AB - całkowicie zdysocjowaną, przedzielonym błoną, która przepuszcza jony A i B. W obszarze I jest wielkocząsteczkowy, zdysocjowany związek MA również zawierający jony A, ale jony M nie mogą przechodzić przez błonę. Stan równowagi osiągnie się, gdy sumy potencjałów elektrochemicznych przenikających przez błonę rodzajów jonów będą równe:

μ^∼_A^I + μ^∼_B^I = μ_A^II + μ_B^II

Gdy jony są jednowartościowe: c_A^I + c_B^I = c_A^II + c_B^II

Gdy jony są wielowartościowe (stężenia w tym wzorze w odpowiednich potęgach):

$\frac{c_{A}^{I}\ }{c_{A}^{\text{II}}\ }$ = $\frac{c_{B}^{\text{II}}}{c_{B}^{I}} = r$ - ILORAZ DONNANA (określa stosunki stężeń jonów po obu stronach błony w satnie równowagi)

r −  zależy od niedyfundujących jonów M, w takim wypadku potencjał błony to:

Δφ = $\frac{\text{RT}}{F}\ln\frac{c_{A}^{I}\ }{c_{A}^{\text{II}}\ }$ = $\frac{\text{RT}}{F}\ln\frac{c_{B}^{\text{II}}}{c_{B}^{I}}$ = $\frac{\text{RT}}{F}\ln\text{r\ }$– POTENCJAŁ DONNANA

Potencjał oksydoredukcyjny

• dla reakcji utleniania: Rd --> Ox +ne- proces będzie zależny od reagentów w stanie zredukowanym Rd i w stanie utlenionym Ox. Utlenienie 1 mola substancji spowoduje zmianę molowej entalpii swobodnej o: 21.

• standardowy potencjał oksydoredukcyjny (potencjał dla reakcji zachodzącej w warunkach standardowych):

ε₀ = $\frac{G_{\text{ox}}^{0} - \ G_{\text{rd}}^{0}}{\text{zF}}$

• proces będzie zachodził samorzutnie w kierunku zmniejszania się entalpii swobodnej układu (deltaG<0). Praca związana z przeniesieniem ładunku (praca elektryczna) jest wykonana kosztem ubytku entalpii swobodnej układu:

ΔG = - n zF Δε

• lub dla 1 mola substancji: ΔG_mol = - zFΔε

• ponieważ dla deltaGmol.<0 musi być deltaE>0, proces będzie przebiegał samorzutnie w kierunku odpowiadającym przeniesieniu elektronów od podukładów o niższym do podukładów o wyższym potencjale oksydoredukcyjnym, uwalniana jest przy tym energia ΔG = -n zF Δε

• Reakcje utleniania - proces oddawania elektronów przez substancje utleniane, towarzyszą im reakcje redukcji, gdzie substancja redukowana przyjmuje elektrony w procesie utleniania. Te procesy są odwracalne.

5. WŁASNOŚCI ŻYWYCH KOMÓREK JAKO UKŁADÓW FIZYCZNYCH

Cechy odróżniające komórkę żywą od układów nieożywionych:

• odrębność otoczenia

• wysoki stopień organizacji

• wzrost i rozmnażanie

• przemiany energii

  • osmotyczna (transport aktywny)

  • mechaniczna (praca mięśni)

  • świetlna (bioluminescencja)

  • elektryczna (węgorz elektryczny)

  • cieplna

  • chemiczna (biosynteza)

• pobudliwość

• homeostaza

Źródła energii:

• utlenianie substancji - przeniesienie elektronów od zredukowanych substratów na tlen (przeniesienie elektronów z podukładów o niski potencjale oksydoredukcyjnym na podukłady o wyższym potencjale oksydoredukcyjnym), główny ciąg procesów odbywa się w mitochondriach.

• fotosynteza

Uzyskiwanie energii przez komórki

• procesy oksydoredukcyjne to procesy egzoenergetyczne - zwiększają entropię, mogą przebiegać samorzutnie

• sprzężenie termodynamiczne - zachodzi w układzie otwartym (żywa komórka lub organizm), to powiązanie procesów oksydoredukcyjnych z tworzeniem ATP przez fosforylację ADP

  • BODZIEC -----> SKONIUGOWANY ----> SPRZĘŻONY ----> WTÓRNY

TERMODYNAMICZNY PRZEPŁYW PRZEPŁYW BODZIEC T-D

(różnica potencjału Reakcja oksydoredukcji Powstanie ATP Potencjał

oksydoredukcyjnego) (przepływ elektronów) (fosforylacja) chemiczny ATP

Wykorzystanie energii przez komórkę - przejściowo magazynowana w związkach wysokoenergetycznych (głównie ATP), a dopiero później wykorzystywana do wykonania prac właściwych żywej komórce.

3 rodzaje pracy, jaką wykonują komórki:

• chemiczna praca biosyntezy

• praca osmotyczna, czyli praca transportu

• praca mechaniczna

• ad. - chemiczna praca biosyntezy - powstanie makrocząsteczki z prostych substratów - zmniejszenie się entropii układu. Ten proces nie może zachodzić samorzutnie, wymaga sprzężenia z procesem powodującym znaczne zwiększenie entropii.

  • BODZIEC T-D (potencjał chemiczny ATP)

  • PRZEPŁYW T-D (hydroliza ATP)

  • PRZEPŁYW SPRZĘŻONY (biosynteza makrocząsteczek)

  • WTÓNY BODZIEC T-D (potencjał chemiczny makrocząsteczek)

• praca osmotyczna - praca transportu - uwolniona w tym procesie energia jest wykorzystana do aktywnego transportu jonów przez błonę komórkową (przepływ sprzężony), co powoduje wzrost gradientu stężeń (to wtórny bodziec termodynamiczny).

  • BODZIEC T-D (potencjał chemiczny ATP)

  • PRZEPŁYW T-D (hydroliza ATP)

  • PRZEPŁYW SPRZĘŻONY (transport jonów)

  • WTÓRNY BODZIEC T-D (gradient stężeń)

Błony biologiczne - to złożone układy makrocząsteczek (gł. białek i lipidów). Spełniają funkcje niezbędne do życia

• nadają komórkom funkcjonalną autonomię

• odróżniają komórki od środowiska

• regulują transport substancji (zdolność do selektywnego przepuszczania cząstek)

• kontrolują przepływ informacji między komórką a jej środowiskiem - receptory zewnętrzne

Transport aktywny - transport wbrew gradientowi, podtrzymuje bodźce, które zanikają przy transporcie biernym (który zwiększa entropię, co prowadzi do śmierci komórki).

• źródłem energii jest hydroliza ATP

• wymaga specyficznych białek transportujących

• I rodzaju: pompa sodowo-potasowa

  • reguluje objętość komórki i ciśnienie osmotyczne

  • utrzymuje potencjały błonowe i przebieg zjawisk biolelektrycznych w błonach

Potencjał spoczynkowy - to wypadkowa różnica potencjałów na błonie w stanie stacjonarnym, na którą składają się potencjały równowagowe różnych jonów, np. K+, Na+, Cl-. Na jego powstawanie mają największy wpływ jony K+, ponieważ przepuszczalność dla nich przez błonę jest największa (w mniejszym stopniu mają też wpływ jony Na+ i Cl-). Suma prądów jonowych =0.

I_K + I_Na + I_Cl = 0

Potencjał czynnościowy - powstaje, gdy pojawi się czynnik, który zaburzy potencjał spoczynkowy (w neuronie człowieka to ok. -90mV, do -55mV zostaje on wyregulowany do spoczynkowego przez mechanizmy regulujące, ale gdy wzrośnie powyżej -55mV w błonie uaktywniają się mechanizmy prowadzące do powstania pot. czynnościowego - najpierw powstaje faza depolaryzacji, potem faza repolaryzacji, potencjał następczy hiperpolaryzacyjny i potem depolaryzacyjny). Liczba jonów przepływająca jest bardzo mała w stosunku do wszystkich jonów.

• faza depolaryzacji - wzrost potencjału błony inicjuje otwarcie kanałów potasowych (gdzie jony K+ dyfundują zgodnie z gradientem stężeń)

• faza repolaryzacji - dochodzi do spadku potencjału błony i następuje repolaryzacja

Próg pobudliwości (potencjał progowy) - wartość potencjału powyżej którego powstaje potencjał czynnościowy.

Potencjał błonowy - znajdujący się na błonie komórkowej.

Potencjał równowagowy - określony dla danego rodzaju jonów, które są w równowadze (gradient stężeń jest niwelowany przez gradient ładunku - czyli różnicę potencjałów

Przewodnictwo elektryczne błony - zależy od jej przepuszczalności, zmienia się wraz ze zmianą stężenia jonów (ale przepuszczalność się nie zmienia). Czyli błona może być przepuszczalna dla danego rodzaju jonów, ale gdy ich stężenie wynosi 0 - to przewodnictwa nie będzie.

G = N / R

G - przewodnictwo elektryczne błony; N - liczba otwartych kanałów jonowych;

R - opór pojedynczego kanału

Przekazywanie informacji w układzie nerwowym

• za pomocą kom. nerwowych zbudowanych z perykarionu, dendrytów i aksonu

• aktywacja kanałów jonowych - zmiana potencjału elektrycznego komórki (który przemieszcza się wzdłuż aksonu)

• gdy występuje osłonka mielinowa sygnał idzie jako słaby prąd elektryczny przez cytoplazmę aksonu, który odnawia się na przewężeniach Ranviera

• zadziałanie neuroprzekaźników lub przekaźników chemicznych - synapsy

6. WIDMO FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH

Oko jako układ optyczny, składa się z: rogówki, cieczy wodnistej wypełniającej przednią komorę oka, soczewki i ciała szklistego.

• elementami załamującymi światło w oku człowieka (i innych ssaków) są: rogówka oraz soczewka oczna o zmiennej krzywiźnie powierzchni, zbudowana z warstw o różnych współczynnikach załamania n.

• Receptorem światła jest drgająca siatkówka tzn.: czopki i pręciki. Przestrzeń pomiędzy soczewką a siatkówką wypełniona jest ciałem szklistym.

• Odległość ogniskowa przednia dla tzw. schematycznego oka człowieka (przy rozluźnionych mięśniach akomodacyjnych) wynosi 17,1 mm, odległość ogniskowa tylna równa jest 22,8 mm. Napięcie mięśni akomodacyjnych zmienia krzywiznę soczewki, a więc zmienia obie odległości ogniskowe. Średnica źrenicy zmienia się od ok. 2 do 8 mm.

• Powstający na siatkówce obraz jest pomniejszony, odwrócony i rzeczywisty.

• Przy rozluźnionych mięśniach akomodacyjnych zdrowe oko daje na siatkówce ostry obraz przedmiotów nieskończenie odległych (u krótkowidzów obraz ten powstaje przed siatkówką, u dalekowidzów za nią). Częstą inną wadą oka jest niesferyczność powierzchni rogówki lub soczewki powodująca astygmatyzm.

Energetyka procesu widzenia : żeby zobaczyć obraz musi być dostarczona energia równa lub większa od 4*10 do -17J (bezwzględny próg czułości)

Widzenie barwne – zdolność organizmu do rozróżniania przedmiotów oparta na wrażliwości na długość fali (lub częstotliwość) światła, które przedmioty te odbijają, emitują lub przepuszczają. Układ nerwowy rejestruje kolor poprzez porównanie odpowiedzi na światło kilku rodzajów czopków w oku. Czopki te są wrażliwe na różne długości światła widzialnego. Dla ludzi zakres światła widzialnego wynosi około 380–740 nm. Zazwyczaj istnieją 3 rodzaje czopków. Zakres widzialności oraz liczba rodzajów czopków różnią się w zależności od gatunku.

Widzenie przestrzenne jest sumą wielu czynników:

• paralaksa - widzenie parą oczu, które obierają obraz podobnie, porównują go między sobą

• konwergencja - robienie zbieżnego zeza przy oglądaniu przedmiotu z bliska, po to, aby przedmiot znalazł się na środku pola widzenia

• akomodacja - oko mimowolnie nastawia się na odległość obserwowanego przedmiotu

• perspektywa geometryczna - przedmioty bliższe są pozornie większe i zasłaniają przedmioty dalsze

• perspektywa powietrzna - zabrudzone w wielkich miastach powietrze lub mgła powodują, że dalsze przedmioty tracą barwy, ostrość

• cienie i połysk powierzchni - cienie dają kształt z pozoru płaskiej bryle, a światło podkreśla połyskujące uwypukłości brył i ich fakturę

• ruch - wpływa na nasze widzenie, zmienia jego perspektywę i powoduje pozorny ruch przedmiotów blisko nas

Promieniowanie elektromagnetyczne - wykorzystanie:

W diagnostyce:

• Promienie rentgenowskie jest „przenikliwe” dla ciał o lekkich atomach. Cięższe atomy (np. metali) absorbują to promieniowanie, dzięki czemu widzimy nasze kości na zdjęciach Rentgenowskich. Wykorzystuje się je w medycynie (prześwietlenia kończyny w celu obejrzenia złamanej kości)

• promieniowanie gamma do Pozytonowej Tomografii Emisyjnej (mniejsze uszkodzenia tkanek badanej osoby niż tomografia komputerowa - badanemu podaje się substancje promieniotwórczą z izotopami o krótkim czasie połowicznego rozpadu - większość promieniowania powstaje w trakcie badania)

W terapii:

• źródła promieniowania gamma, promieniowania X - w radioterapii nowotworowej, napromieniowanie nowotworu w celu jego zniszczenia lub złagodzenia bólu powodowanego przez chorobę lub przy przerzutach, gdy wyleczenie jest już niemożliwe

8. RUCHY MASY I ENERGII W ORGANIZMIE

Transport ciepła - to przekazywanie energii pomiędzy układami termodynamicznymi.

• Wymiana ciepła zawsze przebiega z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Jeżeli rozpatrywany obiekt ma inną temperaturę niż jego otoczenie lub znajdujące się z pobliżu inne ciała, wymiana ciepła odbywać się będzie do momentu osiągnięcia stanu równowagi termicznej. Jednostką ciepła w układzie SI jest dżul.

• Znaczenie dla organizmów żywych: utrzymanie stałej temperatury ciała (u stałocieplnych) - ochrona przed przegrzaniem lub oziębnięciem.

Sposoby wymiany ciepła z otoczeniem:

• parowanie potu z powierzchni skóry do otaczającego środowiska - zmniejsza temperaturę ciała poprzez wydzielanie wody, jest to wymiana jednokierunkowa, zależy od wilgotności i ciśnienia powietrza (gorące i wilgotne środowisko zmniejsza wydzielanie potu i parowanie wody z organizmu). Przed nadmierną utratą ciepła chroni warstwa rogowaciejącego naskórka. Woda, parując, odbiera skórze pewne ilości ciepła, gdy temperatura wzrasta wydzielanie wody zwiększa się o pracę gruczołów potowych.

• konwekcja - cząsteczki powietrza stykające się ze skórą ulegają ogrzaniu i unoszą się do góry, lub ochłodzeniu i opadają na dół, a ich miejsce zastępują nowe. Jeśli skóra ma np. wyższą temperaturę niż otaczające powietrze, wtedy powstaje w jej pobliżu prąd konwekcyjny z góry do dołu (konwekcja naturalna). Konwekcja wymuszona to używanie np. wachlarza czy wentylatora, aby przyspieszyć ruch cząsteczek powietrza.

• wydalanie moczu i defekacja

• przewodzenie - wymiana ciepła z ciałem stykającym się nieruchomo ze skórą. Najmniejsze występuje przy styczności z powietrzem, większe z wodą (np. wilgotna odzież na skórze) a największe z metalowymi przedmiotami. Dlatego powietrze jest świetnym izolatorem, więc im więcej powietrza w tkaninie - tym cieplej.

• promieniowanie temperaturowe - wzrost temperatury zwiększa oddawanie ciepła przez promieniowanie