Click here to load reader

Termodynamika v biologických systémoch - upjs.sk · PDF fileA. Einstein: „ Klasická termodynamika je jediná univerzálna fyzikálna teória, v ktorej aplikovateľnosť jej základných

  • View
    216

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Termodynamika v biologických systémoch - upjs.sk · PDF fileA. Einstein: „...

Termodynamikav biologickch systmoch

A. Einstein: Klasick termodynamika je jedin univerzlna fyziklna teria, v ktorej aplikovatenos jej zkladnch konceptov

nebude nikdy naruen.

A.S. Eddington : Ak Vaa teria nie je v slade s druhm termodynamickm zkonom, tak tto teriu neak ni in, len hlbok nespech.

M.V. Volkenstein: Fyziklne uvaovanie o ubovonom systme, vrtane biologickho, zana jeho fenomenologickm termodynamickm popisom.

Defincia termodynamiky

Termodynamika tuduje transformciu energie v makroskopickch systmoch.

Termodynamick popis systmu je zaloen na niekokch relatvne jednoduchch zkonoch.

Termodynamika neposkytuje iadne informcie o mikroskopickom stave hmoty, ani o rchlosti procesov v systme.

Termodynamick systm

Pod termodynamickm systmom rozumieme as vesmru ohranien nejakou hranicou.

Kad termodynamick systm je charakterizovan istmi termodynamickmi vlastnosami, ktor sa nazvaj stavov veliiny:

- p (tlak)- V (objem) - T (teplota) - E (energia) - c (koncentrcia) - n (ltkov mnostvo)

Cez hranice systmu sa me vymiea ltka a energia vo forme tepla a prce.

Typy termodynamickch systmov

- otvoren : s okolm me vymiea aj ltku, aj energiu

- uzatvoren : s okolm me vymiea energiu, ale nie ltku

- adiabatick : s okolm nevymiea ani ltku, ani energiu vo forme tepla (vo forme prce energiu vymiea me)

- izolovan : s okolm nevymiea ani ltku, ani energiu

Stavy termodynamickch systmov

Systm je v stave termodynamickej rovnovhy (angl. thermodynamicequilibrium), ak vlastnosti systmu a termodynamick parametre charakterizujce systm s asovo nezvisl (neexistuje vmena energie, ani ltky s okolm).

Systm sa nachdza v ustlenom stave (angl. steady state), ak hodnoty termodynamickch parametrov sa nemenia, ale existujetam tok ltky a energie medzi systmom a okolm.

Termodynamick zkony

Tzv. nult zkon termodynamiky (zkon tepelnej rovnovhy):

Ak objekt A je v tepelnej rovnovhe s objektom B a objekt B sa nachdza v tepelnej rovnovhe s objektom C, tak potom aj objekt C sa nachdza v tepelnej rovnovhe s objektom A.

Inmi slovami, ak termodynamick systmy s vo fyziklnom kontakte, tak v rovnovnom stave je teplota tchto systmov rovnak.

1. termodynamick zkon ( zkon zachovania energie)

Energia sa me zmeni z jednej formy na in, ale neme samovone vznika ani zanika.

Tento zkon je empirick, nie je matematicky odvoden z nejakch zkladnejch princpov.

1.termodynamick zkon dva do svisu teplo (Q), prcu (W) a vntorn energiu (E).

WQE +=

WQE ddd +=alebo

Celkov energia systmu :

K - kinetick energia U - potencilna energia

E - predstavuje stavov funkciu, jej vekos zvis len od konkrtneho stavu systmu

Teplo (Q) a prca (W) - formy energie, prostrednctvom ktorch systm men svoju vntorn energiu

Teplo neusporiadan forma energie

Prca usporiadan forma energie (mechanick, chemick, elektrick..)

Vntorn energia

UKE +=

Entalpia

V = kont.: p = kont.:

entalpia:

Entalpia - teplo absorbovan resp. uvonen systmom pri kontantnom tlaku

Entalpia je stavov funkcia teplo uvonen resp. prijat poas reakcie pri kontantnom tlaku nezvis od konkrtneho priebehu reakcie, ale len od poiatonho a konenho stavu (Hessov zkon).

EQV =

HQp =

VpEH .+=

Zmeny entalpie

H > 0 - endotermick procesH < 0 - exotermick proces

tandardn entalpia molekl: Entalpia 1 molu molekl pri tandardnch podmienkach ( t=25o C, p=100 kPa). Tieto hodnoty s uveden v tabukch. Vyuitie tchto hodnt pri urovan zmien entalpie v chemickch reakcich.

( ) ( ) BCABABBCAC

ABAB

HHHHHHHHHCBA

HHHBA

+=+==

=

Tepeln kapacita

Tepeln kapacita vyjadruje mnostvo tepla potrebnho na zvenie teploty ltky o 1 K.

Mern tepeln kapacita je tepeln kapacita vztiahnut na jednotkov mnostvo, hmotnos, objem.

Tepeln kapacita pri kontantnom objeme:

Tepeln kapacita pri kontantnom tlaku:

Ak cp nie je funkciou teploty, potom

Vyuitie napr. pri tdiu denaturcie protenov:

( )VVV TETOc == dd

( ) ppp THTOc == dd

( ) ( ) ( )1212 . TTcTHTH p +=

( ) ( ) ( )1212 . TTcTHTH pddd +=

Prklady vyuitia tdia zmeny entalpie v biologickch procesoch

Denaturcia protenov, prechod pirla-klbko v DNA

priama metda: - diferenn skenujca kalorimetria (DSC)

nepriame metdy:- optick spektroskopia (UV-VIS absorpn, fluorescenn a CD spektroskopia)

tdium viazania ligandov do biomakromolekl

priama metda: - izotermlna titran kalorimetria (ITC)

2. Termodynamick zkon(zkon entropie resp. zkon spontnnosti procesov)

Nie je mon zostroji permanentne pracujci cyklick stroj, ktor by prijat mnostvo tepla z okolia plne premenil na prcu.

Teplo neme samovone prechdza z telesa chladnejieho na teleso teplejie.

Celkov entropia izolovanho systmu pri spontnnych procesoch narast.

Spontnne fyziklne procesy s spojen s rastom entropie vesmru.

Termodynamick stavov funkcia, ktor dosahuje maximum v rovnovnom stave izolovanho systmu.

Vyjadruje stupe neusporiadanosti danho systmu.

vratn procesy:

nevratn procesy:

Pre spontnne procesy plat:

Clausiusova nerovnos:

Teplotn zvislos entropie v prpade, ak cp nie je funkciou teploty:

Entropia

TQSresp.ddTQSresp.dd

>>==

TQSTQS

0>=+ vesmrokoliesystm SSS

TQSsystm

( ) ( ) ( )1212 ln. TTcTSTS p+=

Entropia a procesy v biologickch systmoch

Nevratnos biologickch procesov je dsledkom 2. termodynamickho zkona (zkona entropie).

Biologick organizmy s otvoren systmy, v ktorch sa mu pri spontnnych procesoch vytvra usporiadan truktry. Zvenie usporiadanosti v ivch systmoch je kompenzovan zvenm entropie okolia biologickho systmu.

3. Termodynamick zkon

Ak absoltna termodynamick teplota istej, perfektne krytalickej ltky sa rovn nule, tak entropia tohto systmu je nulov.

Z biologickho hadiska zaujmav v prpadoch zmrazovania biologickch materilov pri extrmne nzkych teplotch.

Gibbsova von energia

Termodynamick stavov funkcia umoujca predpoveda smerfyziklno-chemickch procesov pri kontantnom tlaku a teplote sa nazva Gibbsova von energia (G).

pri spontnnych procesoch

G < 0 exergonick procesyG > 0 endergonick procesy

G predstavuje maximlne mnostvo neexpanzvnej prce, ktor meby systmom vykonan pri kontantnom tlaku a teplote, pri prechode systmu z nerovnovneho do rovnovneho stavu.

STHG .=

STHG = .

( ) 0d , pTG

Gibbsova von energia

V rovnovnom stave systmu G nadobda minimlnu hodnotu.

Pre kad spontnny proces pri kontantnom tlaku a teplote je G0 ?

Ak G1+G2 < 0, tak obidve reakcie prebiehaj spontnne. Tieto reakcie s tzv. spojen a ltka D sa nazva spolon intermedit.

00

2

1

>++

Vlastnosti Gibbsovej energie

Pre uzatvoren systm, v ktorom sa nekon iadna neexpanzvna prca mono psa:

potom

Gibbsova energia je funkciou p a T:

pVVpEHTSSTHG

d.d.ddd.d.dd

++==

TSpVG

VpSTE

d.d.d

d.d.d

=

=

( )( ) STG

VpG

p

T

==

Gibbs-Helmoltzova rovnica

po mench pravch sa zskava:

Gibbs-Helmoltzova rovnica

alebo in tvar

Tto rovnica je uiton pri tdiu teplotne zvislch procesov.

( ) ( )( ) ( ) THGTG

THGSSTG

p

p

=

==

( )( ) 2THTTG p =

( ) ( )( ) HTTG p = 1

Zvislos Gibbsovej energie od tlaku

dG=V.dp-S.dT pri kontantnej teplote plat:

pi, pf - hodnoty tlakov poiatonho a konenho stavu systmu Pevn ltky a kvapaliny: Plyny:

hodnota Gibbsovej energie pri p0=100 kPa G0 tandardn Gibbsova energia

( ) ( ) += fi

p

pifpVpGpG d.

( ) ( ) ( )ifif ppVpGpG += .

( ) ( ) ( )ifif ppTnpGpG ln.R..+=

( ) ( ) ( )000 ln.R.. ppTnpGpG ff +=

Chemick potencil

Parcilna molrna Gibbsova energia sa nazva chemick potencil.

chemick potencil i-tej zloky v systme

nj ltkov mnostvo j-tej ltky v systme

celkov hodnota Gibbsovej energie systmu m potom vyjadrenie

Gibbsova energia je funkciou tlaku, teploty a ltkovho mnostva:

Pri kontantnom tlaku a teplote :

( )jnTpii

nG ,,=

Search related