fenomene termodinamice,fenomene de transport
DESCRIPTION
Fenomene fiziceTRANSCRIPT
Biofizica
Curs 8
Fenomene moleculare
Fenomene termice
Termodinamica
• Aceste fenomene sunt datorate structurii
moleculare a substanţelor, a forţelor
intermoleculare şi a mişcării moleculelor.
Teoria cinetică și interpretarea moleculară a
temperaturii
Ipotezele teoriei cinetice ale gazului ideal:
• Conține un număr mare de molecule ce se
deplasează în direcții aleatoare cu o varietate
de viteze,
• moleculele sunt departe una de alta,
• molecule respectă legile mecanicii clasice și
interacționează numai atunci când se
ciocnesc,
• coliziunile sunt perfect elastice
Teoria cinetică și interpretarea moleculară a
temperaturii
În urma calculelor rezultă:
Energia cinetică medie de translatie a
moleculelor într-un gaz ideal este direct
proporțională cu temperatura gazului.
kTvmc2
3
2
1 2
Temperatura
Temperatura este o măsură a cât de cald sau
rece poate fi un obiect .
Substanțele, când sunt încălzite :
•Își modifică temperatura (crește), cu păstrarea
stării de agregare.
•Își modifică dimensiunile (se dilată).
•Își schimbă starea de agregare, când
temperatura rămâne constantă.
Termometre
• Sunt instrumente cu ajutorul cărora se
determină temperatura mediilor cu care
acestea vin in contact.
• Se bazeaza pe variația parametriilor
mediului în raport cu temperatura:
– volumul (dilatare termica a mercurului,
alcoolului),
– rezistenta electrica (termocuplul).
Temperatura și Termometre
Temperatura este în general
măsurată folosind scala
Celsius.
Punctul de îngheț a apei este
la 0°C; punctul de fierbere a
apei este la 100°C.
Termometre
Temperatura Absolută
Conceptul de zero absolut ne permite să definim
scala de temperatură absolută.
15,273)()( CtKT
Echilibrul termic
Două obiecte aflate în contact termic vor ajunge
în cele din urmă la aceeași temperatură ; sunt
în echilibru termic.
Legea zero a termodinamicii spune că dacă
două obiecte sunt fiecare în echilibru cu un al
treilea obiect, ele sunt, de asemenea, în
echilibru termic între ele.
Dilatarea termică
Dilatarea liniară apare
când un obiect solid
este încălzit.
α este coeficientul de dilatare liniară.
Dilatarea termică
Dilatarea în volum este similară cu cea liniară și
este relevantă atât pentru lichide și gaze cât și
pentru solide:
β coeficientul de dilatare în volum.
Pentru solide uniforme,
Dilatarea termică
Apa se comportă diferit față de majoritatea celorlalte solide
- volumul său minim este atunci când temperatura sa este
de 4 ° C. Pe măsură ce se răcește volumul ei crește.
Schimbările de faze
Diagrama PT se numește diagramă de fază; arată toate
cele trei faze ale substanței.
Tranziția solid-lichid este topirea sau solidificare;
Tranziția lichid-vapori este de fierbere sau de
condensare;
Tranziția solid-vapori este sublimare-desublimare.
Diagrama de fază a
apei.
Presiunea vaporilor și umiditatea
Apa dintr-un container dechis se
evaporă, nu fierbe. Cele mai rapide
molecule evadează de pe suprafața
apei, astfel încât evaporarea este un
proces de răcire.
Procesul invers se numește
condensare.
Când procesele de evaporare și
condensare sunt în echilibru, vaporii
imediat deasupra lichidului se spune
că sunt saturați, iar presiunea este
presiunea vaporilor saturați.
Presiunea vaporilor
Presiunea vaporilor
saturați crește odată cu
temperatura.
Fierberea
Un lichid fierbe
atunci când
presiunea vaporilor
saturați egalează
presiunea externă.
BIOFIZICA SISTEMELOR
DISPERSE
Sistemul dispers
Amestec de doua sau mai multe substanțe
ce are:
1.componenta dispersanta (solventul).
2.componenta dispersata (solvitul).
Criterii de clasificare
• dupa dimensiunea particulelor solvitului (grad de dispersie D=1/d):
– Soluții adevărate (moleculare)
– Soluții coloidale:
– Suspensii:
• Dupa starea de agregare a solventului:
– Gazoase (amestecuri gazoase, ceata)
– Lichide (solutii de electrolit)
– Solide (aliaje)
nmdmD 1,10 19
nmdnmmDm 1001,1010 1917
nmdmD 100,10 17
În organism
• Soluții moleculare
• Coloizi
• Suspensii
• Sângele este în același timp:
– Soluție pentru cristaloizi (Na, Cl, K)
– Coloid (conține proteine: serumalbumine, globuline)
– Suspensie (conține elemente figurate)
Soluții moleculare
Solubilitatea
• Soluția ideală = solutia foarte diluata al carei
comportament poate fi prevazut teoretic.
Saturatia:
• Este concentratia limită a solvitului la care
acesta nu se mai dizolva Soluție saturată.
– Depinde de natura solventului si a solvitului,
temperatura si presiune.
Suspensiile
• Sunt sisteme disperse care au gradul de dispersie cuprins în intervalul Suspensiile pot fi solide şi lichide sau gazoase.
– Suspensiile medicamentoase sunt suspensii solide care se prepară printr-o mărunţire mecanică şi dispersarea particulelor în mediul de dispersie sau prin scăderea solubilităţii anumitor substanţe dizolvate.
– Aerosol = solutie pulverizata de substante medicamentoase solide dizolvate intr-un lichid.
1715 1010 mDm
Solvirea gazelor
• Gazele se pot dizolva (solvi) în lichide dând naştere
soluţiilor de gaze în lichide. În natură acest fenomen
joacă un rol important, deoarece asigură desfăşurarea
unor reacţii chimice specifice vieţii.
• Solvirea gazelor în lichide se face în conformitate cu legile
Henry Dalton:
– cantitatea de gaz ce se dizolvă în unitatea de volum de
lichid este proporţională cu presiunea gazului de
deasupra lichidului sau cu presiunea partiala a gazului
in amestec.
Solvirea gazelor
• În cazul unui amestec de gaze, fiecare gaz se dizolvă în
solvent ca şi cum s-ar afla singur în contact cu lichidul,
cantităţile de gaz solvite fiind proporţionale cu presiunile
lor parţiale (ale gazelor componente).
– pi – presiunea parţială,
– K – constantă de proporţionalitate, dependentă de
temperatură şi de natura gazului – solvent.
ii pKC
Solvirea gazelor
• Coeficientul de solubilitate = raportul dintre volumul
maxim de gaz solvit şi volumul solventului,
– depinde de natura gazului, a solventului şi de
temperatură.
• Coeficientul de solubilitate scade odată cu creşterea
temperaturii, devenind zero la temperatura de fierbere
a solventului.
Solvirea gazelor
• În organismele vii, gazele se află în trei situaţii:
– nedizolvate, în alveolele pulmonare, sinusuri, etc.
– dizolvate în diferite lichide, plasmă, sânge ( , - mai putin solubil in lichidele biologice)
– combinate cu unele molecule (de ex. sub formă de oxihemoglobină)
2O
2O 2H
• Aparitia bulelor de CO2 la suprafata lichidului gazos la
deschiderea recipientului ca rezultat al egalizarii presiunii
partiale cu cea atmosferica.
• creşterea presiunii CO2:
– La suprapresiuni mici: efect stimulator
– La suprapresiuni mari: efect toxic - acidoza
• Boala de decompresie = azotul depozitat in
tesuturi si sange le paraseste cand organismul
este supus unei diferente bruste de presiune.
• Beţia adâncurilor = creşterea presiunii gazelor
inerte.
– simptome similare primelor stadii ale anesteziei
generale
Hiperoxia
Hiperoxia = creșterea presiunii și concentrației
• daca presiunea oxigenului in atmosfera
depaseste valoarea de genereaza
un efect toxic care produce greata, ameteli si
convulsii datorita formarii radicalilor liberi.
2O
25 /107,1 mN
Hipoxie
Hipoxie = scaderea presiunii si a concentratiei .
• La altitudinea de 6.000m cantitatea de oxigen din atmosfera se reduce la jumatate (hipoxie) ceea ce determina scaderea cantitatii de oxigen transportata de sange.
• La altitudinea de 7.000m, fără acomodare și fără masca de oxigen, intervine moartea.
2O
Solvirea gazelor
• Pentru compensarea lipsei de oxigen din atmosfera in conditii de hipoxie, organismul se adapteaza cu ajutorul mecanismelor homeostatice care consta in :
– marirea ventilatiei pulmonare,
– accentuarea circulatiei capilare prin deschiderea capilarelor de rezerva,
– instalarea tahicardiei (accelerarea frecventei batailor inimii peste 90 de pulsatii pe minut) insotita de cresterea presiunii sistolice si diastolice, si
– prin redistribuirea fluxului sanguin astfel incat sa fie favorizate inima si creierul. Aclimatizarea declanseaza procese compensatoare si ca urmare tahicardia dispare.
Fenomene de transport
Prin fenomene de transport înţelegem fenomenele care sunt însoţite de transport de substanţă, impuls sau energie dintr-o regiune în alta a mediului. Aceste fenomene se pot datora fie:
· ciocnirii dintre molecule (care determină un transport de substanţă sau de energie),
· frecării interne dintre diferitele straturi de substanţă (care deteremină transport de impuls).
Fenomene de transport
Atunci când un fenomen este însoţit de: • un transport de substanţă se spune că este vorba de difuzie moleculară. • un transport de energie, atunci vom vorbi de conducţie termică, • migrarea sarcinilor electrice de-a lungul unui gradient de potential electric apare conductia electrica, • un transport de impuls de-a lungul unui gradient de viteza avem vâscozitate.
Fenomene moleculare de
transport • Procesele metabolice reprezinta un schimb
permanent de substanta, energie si informatie cu mediul exterior, schimburi controlate de mecanismele celulare.
• Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise (termodinamica Prigogine)
– influx - transport spre interior
– eflux - transport spre exterior
• Transport pasiv: are loc spontan, fără consum de energie (doar datorita mișcării termice) si are drept consecinta cresterea gradului de dezordine moleculară.
• Transportul activ: daca pentru transport se consuma energie rezultata din hidroliza unor molecule(ATP, GTP, etc.) va apare o deplasare ordonata a moleculelor- viteza de drift- care duce la scaderea dezordinii moleculare.
Fenomene moleculare de
transport
În cele două imagini de mai sus, câmpul scalar este
în alb şi negru, negru reprezentând valori mai mari,
iar gradientul corespunzător acestui câmp este
reprezentat de săgeţi albastre.
Gradientul unui unui câmp scalar (mărimi scalare ) este un câmp vectorial.
Fenomene moleculare de
transport
Cauza fenomenelor de transport pasiv:
•prezenta unor forțe termodinamice la suprafețele de
separare și in interiorul fazelor separate care au tendința
să diminueze neomogenitățile (diferențele) din sistem
de-a lungul unei directii (= gradient= ) cum ar fi diferența:
• de concentraţie,
• de densitate,
• de presiune osmotică,
• de potențial electric (sarcina electrică).
A
• Forţa termodinamică, generează un flux sau o densitate de curent a parametrului respectiv .
• Ecuaţia generală a fenomenelor de transport:
D = coeficient caracteristic fiecărui fenomen.
AJ
Fenomene de transport
ADJ A
Fenomene transport pasiv
• Fenomenele moleculare de transport pasiv prezintă importanţă deosebită pentru viaţa plantelor şi animalelor, desfăşurându-se fără consum de energie metabolică.
– Din această categorie un rol deosebit îl au difuzia şi osmoza.
Fenomenul de difuzie
• Difuzia pasivă reprezintă fenomenul de transport pasiv, datorat agitaţiei termice, a unor particule din zonele de concentraţie (densitate) mai mari spre zonele cu valori mai mici ale acestor mărimi.
• Difuzia implică deci un transport de masă.
Fenomenul de difuzie
Chiar și fără amestecare câteva picături de
cerneală adaugate în apă se vor împrăștia treptat:
are loc difuzia.
Fenomenul de difuzie
Fluxul de difuzie este dat de legea I a lui Fick:
D este constanta de
difuzie.
Molecula Mediu D (m2/s)
H2 Aer 6,3 x 10-5
O2 Aer 1,8 x 10-5
O2 Apa 100 x 10-11
Hemoglobina
din sange
Apa 6,9 x 10-11
Glicina
(aminoacid)
Apa 95 x 10-11
AND
(masa 6x106 u)
Apa 0.13 x 10-11
Difuzia particulelor prin membrane
(dializa)
• În cazul unei membrane cu
pori mici (canale) ce separă
două soluţii cu concentraţii
diferite de solvit, gradientul
concentraţiei se manifestă
numai în grosimea
membranei, dat fiind că
vitezele moleculelor (ionilor)
în membrană sunt mult mai
mici decât în solvent.
C1 C2
x
C
C1
C2
J
12 CCDJ
• În cazul membranelor se defineşte un parametru, numit coeficient
de permeabilitate:
• Legea I Fick se scrie:
P – coeficient de permeabilitate al substațtei prin membrana
respectivă.
• Astfel, coeficientul de permeabilitate a unei substante prin
membrana cu pori respectivă depinde de natura solventului
(solvitului), de volumul molecular, de temperatură, de concentraţie,
de dimensiunile şi numărul de pori pe unitatea de suprafaţă a
membranelor.
)/( smD
P
tCCSP 12
Clasificarea membranelor
1. Impermeabile (nu permite transportul de substanţă prin ea).
2. Permeabile (permite trecerea în ambele sensuri a particulelor prin
ea).
3. Selectiv permeabile (sunt permeabile pentru anumite particule şi
impermeabile pentru altele).
– 3a. Semipermeabile (SMP) (permit trecerea particulelor de
solvent, însă nu şi a solvitului).
– 3b. Ireciproc permeabile (IRP) – permeabile la solviţi, dar numai
într-un singur sens.
• În organismele vii, membranele sunt selective permeabile
prezentând permeabilităţi diferite pentru diversele specii de
molecule. Ele formează bariere biologice de complexităţi diferite.
• Membranele biologice sunt caracterizate prin
permeabilităţi foarte mari pentru moleculele de apă (PH2O~
10-6 m/s), foarte mare in comparative cu a altor molecule
polare.
• P - pentru alte molecule:
– glucoza ~ 10-9 m/s; K+ ~10-9 m/s Cl- ~ 10-10 m/s;
– Na+ - (int -ext) ~10-8 m/s
– - (ext-int) ~10-10 m/s
• În acelaşi timp, membranele biologice sunt
caracterizate de permeabilităţi mari pentru anumiţi ioni
şi molecule polare, fiind însă impermeabile pentru alte
categorii de substanţă. Se constată prin urmare,
producerea unor separări de molecule pe feţele
membranei, care conduc la fenomene noi la nivelul lor,
cum ar fi osmoza .
• Dializa poate fi definită ca fiind un fenomen de transport
printr-o membrană selectiv permeabilă a particulelor
solvite cu diametrul mai mic decât diametrul porilor
membranari.
– Solviţii difuzibili sunt cristaloizi, iar
– cei nedifuzibili – coloizii;
• ca urmare, prin dializă se separă cristaloizii, difuzibili,
de coloizi.
Dializa
Membrana dializanta = membrana selectiv permeabila :
• permite trecerea apei, dar şi a unor solviţi cu diametrul mai
mic decât diametrul porilor membranei (<1 mm).
• Separarea este, deci, consecinţa transportului prin
membrană, în sensul gradientului electrochimic, a
particulelor solvite pentru care membrana este
permeabilă.
Dializa
• O eliminare mai completă şi mai rapidă a cristaloizilor
electroliţi poate fi obţinută prin accelerarea deplasării şi,
deci, a separării acestora prin aplicarea unui câmp
electric, prin intermediul unor electrozi plasaţi de o parte şi
de alta a membranei dializante.
Electrodializa
Schema unei membrane semipermeabile în timpul hemodializei, unde sângele este roşu, albastrul este pentru fluidul de dializă, iar cu galben este
desenată membrana. [ http://www.drobetaturnuseverin.net/book/export/html/5198]
Fenomenul de osmoză
• Osmoza este fenomenul de transport al solventului prin
membrana semipermeabilă pentru a diminua gradientul de
concentraţie.
hg
21
Fenomenul de osmoză
• deplasarea unei cantităţi de solvent generează o diferenţă
de presiune hidrostatică intre compartimente.
• la incetarea difuziei solventului, starea staţionară
corespunde compensării celor două forţe termodinamice :
presiunea hidrostatică (p) este echilibrată de presiunea
osmotică ().
• Presiunea „” care apare datorită osmozei solventului prin
membrana semipermeabilă s.n. presiune osmotică şi este
măsurabilă prin presiunea hidrostatică (cu ajutorul unui
manometru).
- densitatea lichidului manometric.
hg
• Presiunea osmotica are cauze capilaritatea si diferenta
de concentratie.
• Dacă asupra soluţiei mai concentrate acţioneaza o
presiune foarte mare din exterior, molecula de solvent
traversează membrana în mod forţat de la soluţia mai
concentrată spre cea mai diluată; se produce osmoza
inversă.
– Acest fenomen are importante aplicaţii practice (desalinizarea
apei). Ea este întâlnită şi la animalele acvatice sau unele păsări
(pescăruşi) pentru procurarea apei potabile din apa de mare.
Presiunea osmotică a lichidelor biologice
• Presiunea osmotică a lichidelor biologice (sânge, lichid
cefalorahidian, lichid sinovial ) se datorează ionilor şi
micromoleculelor cu diametrul < 1 nm.
• Contribuţia macromoleculelor la presiunea osmotică este
mică, fiind invers proporţională cu masa lor moleculară (
~ 1/µ ) .
Presiunea osmotică a lichidelor biologice
• Presiunea coloidosmotica (oncotica) reprezinta
presiunea data de proteinele in sange sau lichidul
extracelular = presiunea osmotica determinata de prezenta
coloizilor in solutie.
– Presiunea oncotică are un rol important în schimbul de
apă la nivelul capilarelor deoarece endoteliul capilar se
comportă ca o membrană semipermeabilă în raport cu
proteinele din plasmă, în timp ce micromoleculele şi ionii
o traversează cu uşurinţă.
Fenomenul de osmoză
• Se numeşte soluţie osmolară soluţia care conţine un
număr de particule osmotic active egal cu NA (numarul lui
Avogadro).
• Particula osmotic activă este cea care este liberă să se
deplaseze termic, dar este incapabilă sa traverseze
membrana semipermeabilă.
• Presiunea osmotică a unei soluţii osmolare este:
(lege experimentala - legea lui Raoult) :
0 = c R T = 1 mol / 10-3 m3 8,31 J / mol K 273,15 K =
22,4 atm
• Două soluţii care au: c1 = c2 ; T1 = T2 ;
• Dacă 1 = 2 se numesc soluţii izotonice
• 1 2 soluţia 1 este hipertonică
• 1 2 soluţia 1 este hipotonică
celulele animale şi vegetale se pot păstra numai in
soluţii izotonice
• dacă celula se plasează într-o soluţie hipotonică, apa
pătrunde in celulă prin osmoza directă, aceasta se umflă
si se produce turgescenta ( hemoliza în cazul hematiilor)
• dacă celula se plasează intr-o soluţie hipertonică, apa
părăseşte celula, celula se zbârceste şi se produce
ratatinarea celulelor
• serul fiziologic (c 9 ‰ NaCl), soluţia Ringer (c 9 ‰
NaCl, CaCl2, KCl)= soluţii izotonice pentru organismul
uman.