Biofizyka 12.10.2009

dr Lilla Mielnik ,ZUT , ul. Papieza Pawla VI 3

Literatura → F. Jaroszyk (red.) - biofizyka , A. Pilawski (red.) - Podstawy biofizyki ,

S. Przestalski - Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki , P.G. Hewitt - Fizyka wokół nas

zestawienie wielkosci i jednostek podstawowych ukladu SI

wielkoscie podstawowe :

nazwa - symbole

dlugosc - l,s

masa - m

czas - t

natezenie - I, i

temperatura - T

ilosc (licznosc) materii - n

swiatlosc - j

Jednostki podstawowe :

nazwa - symbol

metr - m

kilogram - kg

sekunda - s

amper - A

kelwin - K

mol - mol

kandeka - cd

Przedrostki i mnozniki dla jednostek wielokrotnych i podwielokrotnych

Mnoznik	przedrostek	skrot	mnoznik	przedrostek	skrot
						10^24	Jetta	Y	1=10^0	-
						10^21	Zetta	Z	10^-1	Decy	d
						10^18	Exa	E	10^-2	Centy	c
						10^15	Peta	L	10^-3	Mili	m
						10^12	Tere	T	10^-6	Mikro	m
						10^9	Giga	G	10^-9	Nano	n
						10^6	Mega	M	10^-12	Piko	p
						10^3	Kilo	k	10^-15	Femto	f
						10^2	Hetko	h	10^-18	Atto	a
						10^1	Deka	da

Elementy termodynamiki

Uklad termodynamiczny → makroskopowy zbior czastek ; część przestrzenii materialnej, w której zachodzi proces termodynamiczny (wyodrebniony w jakis sposob z otoczenia wycinek swiata materialnego )

Otoczenie → wszystko to,co znajduje się poza ukladem .

Typy ukladow termodynamicznych

• uklad otwarty → ma zdolnosc wymiany z otoczeniem zarowno energii ,jak i cial substancjalnych (materii)

• uklad zamkniety → uklad rownoczesnie izolowany mechanicznie i adiabatycznie (nie wymienia energii z otoczeniem )

• uklad izolowany mechanicznie → uklad, na który nie dzialaja sily zewnetrzne ( nie może on wymieniac energii z otoczeniem poprzez wykonanie pracy )

• uklad izolowany adiobatycznie → uklad, który nie może wymieniac energii z otoczeniem droga cieplna

Funkcja stanu → funkcja zalezna wylacznie od stanu ukladu termodynamicznego ,czyli od aktualnych wartosci jego parametrow (parametru stanu; p,V,T,m). Zmiana wartosci funkcji stanu zalezy tylko od stanu poczatkowego i koncowego ukladu, a nie zalezy od sposobu w jaki ta zamiana zostala zrealizowana.

Energia wewnetrzna → zwiazana jest z nieuporzadkowanym ruchem elementow strukturalnych ukladu. Suma energii kinetycznych i potencjalnych wzajemnego oddzialywania skladowych elementow ukladu.

Do Energii wewnetrznej ciala nie wlicza się energii kinetycznej ruchu ciala jako calosci , w polu sil zewnetrznych !!!

Rodzaje procesow termodynamicznych

Proces termodynamiczny → przechodzenie ukladu termodynamicznego z jednego stanu w drugi; ciag przemian przeksztalcajacych uklad termodynamiczny od poczatkowego do koncowego stanu rownowagi.

Procesy odwracalne → umozliwiajace przywrocenie dowolnego stanu poprzedniego (zarowno stanu otoczenia i ukladu )

przyklady :

• procesy kolowe → koncowy i poczatkowy stan termodynamiczny są jednostkowe

• procesy kwasistatyczne → odbywajace się z nieskonczenie mala predkoscia; uklad w kazdej chwili jest w stanie rownowagi (taki proces to ciag stanow rownowagi;

Procesy nieodwracalne → kazdy proces rzeczywisty jest procesem nieodwracalnym

ZASADY TERMODYNAMIKI

Zasady termodynamiki → ogolne prawa przyrody ,zgodnie z ktorymi przebiegaja zjawiska cieplne .

I zasada termodynamiki

Zmiana energii wewnetrznej danego ukladu w dowolnym procesie jest rowna sumie pracy wykonanej nad ukladem (lub przed uklad) i ilosci ciepla pobranego lub oddanego przez uklad w danym procesie.

dU= Q + W

U- energia wewnetrzna , Q- cieplo , W- praca

ΔU = Q + W

Energia wewnetrzna (podobnie jak inne rodzaje energii) jest funkcja stanu

Cieplo i praca nie są funkcjami stanu. Cieplo i praca są sposobami przekazywania energii !!

II zasada termodynamiki

cieplo nie może samorzutnie przejsc od ciala o temperaturze nizszej do ciala o temperaturze wyzszej → Claussius

nie można calkowicie odwrocic przemiany , w której wystepuje tarcie → Schmidt

we wszystkich procesach zachodzacych samorzutnie zmniejsza się stopien uporzadkowania ukladu i jego otoczenia

Entropia → termodynamiczna funkcja stanu okreslajaca kierunek przebiegu procesow spontanicznych w odosobnionym ukladzie termodynamicznym.

W ukladzie izolowanym procesy termodynamiczne mogą zachodzic tylko w kierunku wzrostu entropii, w stanie rownowagi entropia przyjmuje wartosc stala maksymalna.

Ds => d Q / T

s - entropia , Q- cieplo T - temp.

w stanie rownowagii :

ΔS = 0 S=const = S_maks

Druga zasada termodynamiki stwierdza, ze procesy energetyczne zwiekszaja entropie ( entropia jest miara nieuporzadkowania lub przypadkowosci)

Przemiany energetyczne w organizmach zywych

Uklady otwarte

W znaczeniu termodynamicznym uklady zywe są ukladami otwartymi, w których zachodza procesy nieodwracalne.

Towarzysza im transporty substancji, energii i ladunkow elektrycznych, stanowiace podstawe procesow zyciowych.

Procesy nieodwracalne prowadza uklad od stanu bardziej zorganizowanego do mniej zorganizowanego az znajdzie się on w stanie rownowagi ( przeplywy ustana)

Stan rozwnowagi dla ukladow biologicznych oznacza stan ich smierci.

Stan zycia jest zwiazany ze stanem stacjonarnym, w jakim powinien się znajdowac dany uklad biotermodynamiczny.

Można stwierdzic, ze przeplywy dzialaja samoniszczaco, ponieważ niszcza bodzce, które są ich przyczyna.

Przetwarzanie energii w przyrodzie

Podstawowa wlasnoscia organizmow zywych jest zdolnosc do przetwarzania enrgii i materii .

Wszelkie przemiany materii ( chemiczne i fizyczne) i energii z udzialem organizmow zywych nazywa się procesami metabolicznymi lub po prostu metabolizmem.

Zywe organizmy absorbuja swiatlo lub energie chemiczna zmagazynowana w zwiazkach organicznych z pozywienia - i uwalniaja ja w postaci ciepla i produktow ubocznych metabolizmu (energia wyzwala się w procesach utleniania produktow pokarmowych - zachodza one w przyblizeniu w stalej temperaturze i przy stalym cisnieniu ).

Zasady termodynamiki w ukladach biologicznych

I zasada termodynamiki stwierdza, ze energia może być przekazywana i przetwarzana ,ale nie można jej wytworzyc,ani zniszczyc (rosliny przetwarzaja swiatlo w energie chemiczna - nie produkuja energii )

I zasada termodynamiki dla ukladu otwartego → zmiana enegrii wewnetrznej ukladu otwartego rowna się w sumie porcji energii dodanych do ukladu przez mas i cieplo wplywajace do ukladu minus porcje energii utracone wraz z mas opuszczajaca uklad i w formie pracy wykonanej przez uklad.

dU = dU _in + (alfa) Q - dU _out - (alfa) W

Podstawowa szybkosci przemiany materii → szybkosc zuzywania energii wewnetrznej w czasie spoczynku.

( ΔU / ΔT ) _pod

dorosly czlowiek potrzebuje 4,2 kJ/kg x h (1kcal/ kg x h )

II zasada termodynamiki

wzrost entropii we Wszechswiecie realizuje się przede wszystkim poprzez cieplo - a więc energie przypadkowych ruchow molekularnych.

O ile uporzadkowanie może wzrosnac lokalnie, to generalnie dominuje tendencja do wzrostu 'balaganu' we Wszechswiecie.

Życie nie sprzeciwia się II zasadzie termodynamiki. II zasada termodynamiki dotyczy ukladow zamknietch. Dowolny otwarty poduklad rozpatrywanego ukladu może zmniejszac swa energie, eksportujac ja na zewnatrz, do reszty ukladu.

Wzrost zloznosci organizmow na skutek ewolucji także nie zaburza drugiej zasady termodynamiki, dopoki calkowita entropia Wszechswiata, ukladu i jego otocznenia rosnie.

Organizmy są wyspami niskiej entropii w oceania rosnacje entropii Wszechswiata.

Zasady termodynamiki w ukladach biologicznych II zasada termodynamiki stwierdza, ze procesy energetyczne zwiekszaja entropie ( entropia jest miara nieuporzadkowania lub przypadkowosci)

Entropia zywego organizmu zmienia się zgodnie z II-ga zasada termodynamiki :

dS_org / dt = dS_e/ dt + dS_i/ dt

gdzie : S_{e -} to entropia otoczenia

S_i - to entropia ukladu zamknietego

Organizmy zywe, uporzadkowane struktury materialne, nie gwalca II zasady termodynamiki - organizmy pobieraja ' uporzadkowana ' postac energii ( swiatlo lub energie chemiczna ) z otoczenia i oddaje z produktami przemiany materii, i zdegradowana energia ( w postaci ciepla) .

Zmiana entropii w procese dojrzewania

W organizmie dojrzalym szybkosc tworzenia entropii jest rowna jej oddawania

dS_i / dt = | dS_e / dt |

• organizm znajduje się w stanie stacjonarnym

dS_org/ dt = 0

S_org = const

PODSTAWY TERMOKINETYKI

Wymiana ciepla z otoczeniem

Zespol mechanizmow fizjologicznych i fizycznych zapewniajacy stala temperature organizmu nazywa się regulacja cieplna lub termoregulacja.

Mechanizmy te polegaja na wytwarzaniu przez organizm ciepla w wypadku znacznej jego utraty lub wylaczeniu mechanizmow chroniacy ustroj przez oziebieniem (regulacja chemiczna) oraz oddawaniu ciepla przez organizm otoczeniu (regulacje fizyczna ) droga przewodzenia, konwekcji , promieniowania oraz parowania wody zawartej w pocie.

Regulacja fizyczna

przewodznie ciepla

strumien ciepla

λ - wspolczynnik przewodnictwa cieplnego [ W*m^-1*K^-1] → okresla zdolnosc substancji do przewodzenia ciepla

Tkanki zyjace	W * m^-1* K^-1
		Skora slabo ukwiona	0,33 4
		Skora silnie ukrwiona	1,47 5
		Miesnie nie ukrwione	0,46 0
		Miesnie normlanie ukrwione	0,54 4
		Miesnie silnie ukrwione	0,62 8
		Tluszcz	0,16 8
		Woda	0,58 5
		Powietrze	0,02 5
		Srebro	420

Konwekcja ( przenoszenie )

strumien ciepla (wzor)

wspolczynnik konwekcji [W*m^-2*K^-1 ] → zalezy od ksztaltu i usytuowania powierzchni, a także w pewnym stopniu od roznicy temperatury.

Wartosc srednia wspolczynnika konwekcji dla nieokrytego ciala ludzkiego

k =7,1[W*m^-2*K^-1]

Promieniowanie

strumien ciepla

Ф = dQ/ dt = σa _{( l, T)} S(T_s⁴ - T⁴_ot ) [J/s= W]

σ - stala Stefana -Boltzmana σ = 5,669*10^-8[W m^-2K^-4]

a (l, T ) - zdolnosc emisyjna ciala

---