Disperzní soustavy,Disperzní soustavy,termika, termodynamikatermika, termodynamika

Teze přednáškyTeze přednášky

FYZIKÁLNÍ SYSTÉMFYZIKÁLNÍ SYSTÉM

interakce s okolíminterakce s okolím

otevřenýotevřený

uzavřenýuzavřený

izolovanýizolovaný

podle složenípodle složení

homogenníhomogenní

heterogenní (více fází)heterogenní (více fází)

dvoufázové - disperzedvoufázové - disperzedisperzum je rozloženo disperzum je rozloženo

v dispergensv dispergens

monodisperzní systémy - všechny částice stejně velké

polydisperzní systémy – různá velikost částic

FÁZEFÁZEčást systému, která má ve všech část systému, která má ve všech bodech stejné fyzikální a některé bodech stejné fyzikální a některé chemické vlastnosti.chemické vlastnosti.fázová rozhranífázová rozhraní

povrchová energiepovrchová energie povrchové filmypovrchové filmy adsorpceadsorpce kapilární jevykapilární jevy elektrické vlastnosti - micely elektrické vlastnosti - micely

SKUPENSTVÍ JE FÁZÍM NADŘAZENOSKUPENSTVÍ JE FÁZÍM NADŘAZENO

SLOŽKASLOŽKA

KONKRÉTNÍ CHEMICKÉ INDIVIDUUMKONKRÉTNÍ CHEMICKÉ INDIVIDUUM

FYZIKÁLNÍ SYSTÉMFYZIKÁLNÍ SYSTÉM

interakce s okolíminterakce s okolím

otevřenýotevřený

uzavřenýuzavřený

izolovanýizolovaný

podle složenípodle složení

homogenníhomogenní

heterogenní (více fází)heterogenní (více fází)

dvoufázové - disperzedvoufázové - disperzedisperzum je rozloženo disperzum je rozloženo

v dispergensv dispergens

monodisperzní systémy - všechny částice stejně velké

polydisperzní systémy – různá velikost částic

DISPERZEDISPERZEHRUBÉHRUBÉ

>> 1000 nm 1000 nmkrev, mlékokrev, mlékosuspenzesuspenzeemulzeemulze

žádnážádná

žádnážádná

gravitační polegravitační pole

neprůhlednéneprůhledné

KOLOIDNÍKOLOIDNÍ1000 – 1 nm1000 – 1 nm plazmaplazmadisperzedisperzemakromolekulmakromolekulosmozaosmozamalámaládifuzedifuzepomalápomalásedimentacesedimentaceultracentrifugaultracentrifugaprůhlednostprůhlednostopalescenceopalescence

ANALYTICKÉANALYTICKÉ

<< 1 nm 1 nm

roztoky pravéroztoky pravé

neelektrolytůneelektrolytů

iontovéiontové

velkávelká

rychlárychlá

neexistujeneexistuje

čiréčiré

DISPERGENS DISPERZUM HRUBÁ KOLOIDNÍDISPERGENS DISPERZUM HRUBÁ KOLOIDNÍ DISPERZE DISPERZE DISPERZE DISPERZE

PLYN PLYNPLYN PLYN

KAPALINA MLHA AEROSOLKAPALINA MLHA AEROSOL

PEVNÁ LÁTKA DÝM AEROSOLPEVNÁ LÁTKA DÝM AEROSOL

KAPALINA PLYN PĚNA PĚNAKAPALINA PLYN PĚNA PĚNA

KAPALINA KAPALINA EMULZEEMULZE LYOSOL LYOSOL

PEVNÁ LÁTKA PEVNÁ LÁTKA SUSPENZESUSPENZE LYOSOL LYOSOL

PEVNÁ L. PLYN TUHÁ PĚNA TUHÁ PĚNAPEVNÁ L. PLYN TUHÁ PĚNA TUHÁ PĚNA

KAPALINA TUHÁ PĚNA TUHÁ PĚNAKAPALINA TUHÁ PĚNA TUHÁ PĚNA

PEVNÁ LÁTKA TUHÁ SMĚS TUHÝ SOLPEVNÁ LÁTKA TUHÁ SMĚS TUHÝ SOL

TERMIKATERMIKA

Teplo je nejméně uspořádaná forma Teplo je nejméně uspořádaná forma energie energie Teplo je suma všech forem Teplo je suma všech forem kinetických energiíkinetických energií

1 J = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 J1 J = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 JTeplota – míra střední kinetické Teplota – míra střední kinetické energie všech částicenergie všech částicTeplota – stavová veličina, kterou Teplota – stavová veličina, kterou vnímámevnímáme

MĚŘENÍ TEPLOTYMĚŘENÍ TEPLOTYobjemová roztažnost tekutinobjemová roztažnost tekutin

vodíkový teploměrvodíkový teploměr kapalinové teploměrykapalinové teploměry

délková roztažnost pevných látekdélková roztažnost pevných látek

l = ll = loo . (1 + . (1 + αα t) t) bimetalové teploměrybimetalové teploměry keramické teploměrykeramické teploměry

závislost elektrického odporu na teplotězávislost elektrického odporu na teplotě

vodičů R = Rvodičů R = Roo . (1 + . (1 + αα t .. t ..ßß t t22 + …) + …) platinové teploměryplatinové teploměry polovodičůpolovodičů termistory R = A . etermistory R = A . eB/TB/T

optické metodyoptické metody dotykové – kapalné krystalydotykové – kapalné krystaly bezdotykové – IF zářeníbezdotykové – IF záření

TERMOREGULACE TERMOREGULACE

z hlediska výměny tepla s okolím je z hlediska výměny tepla s okolím je rozhodující velikost povrchu, nikoliv rozhodující velikost povrchu, nikoliv objemu nebo hmotnostiobjemu nebo hmotnosti

teplota má hlavní význam pro teplota má hlavní význam pro udržení činnosti enzymů živých udržení činnosti enzymů živých systémůsystémů

Transport tepla kondukcí Transport tepla kondukcí

kondukcí (vedením) mezi orgánykondukcí (vedením) mezi orgány dtdtQ = Q = λλ . S . --------- . . S . --------- . ττ dxdxλλ koeficient přestupu tepla koeficient přestupu teplaττ (tau) čas (tau) časdt/dx gradient teploty podle dt/dx gradient teploty podle

vzdálenosti vzdálenosti S plochaS plocha

Transport tepla konvekcíTransport tepla konvekcíkonvekcí prouděním kapalin – transport konvekcí prouděním kapalin – transport energie i hmotyenergie i hmoty

Q = Q = αα . S . . S . ΔΔt . t . ττ

αα koef. přestupu tepla přes rozhraní koef. přestupu tepla přes rozhraníττ čas časΔΔt rozdíl teploty mezi dvěma místyt rozdíl teploty mezi dvěma místyS plocha S plocha

Produkce tepla, energieProdukce tepla, energiestanovení přímé – kalorimetricky specifické teplo stanovení přímé – kalorimetricky specifické teplo QQ

Q = c . m . Q = c . m . ΔΔt c t c [[J kgJ kg-1-1 deg deg-1-1]] KALORIMETR – nádobaKALORIMETR – nádoba - plášť (izolace)- plášť (izolace) - čidlo pro tepelné změny- čidlo pro tepelné změny

stanovení nepřímé – ze spotřeby Ostanovení nepřímé – ze spotřeby O22

spalná tepla fyzikální x fyziologickáspalná tepla fyzikální x fyziologickásacharidy a bílkoviny 17 MJ.kgsacharidy a bílkoviny 17 MJ.kg-1-1

tuky 38 MJ.kgtuky 38 MJ.kg-1-1

fyziologická využitelnost energie bílkovin je fyziologická využitelnost energie bílkovin je snížena o energii nutnou k detoxikaci dusíkatých snížena o energii nutnou k detoxikaci dusíkatých látek (močovina, kyselina močová, aminy atd.)látek (močovina, kyselina močová, aminy atd.)

Produkce tepla a omezení Produkce tepla a omezení transportu tepla do okolítransportu tepla do okolí

zvýšení bazálního metabolizmuzvýšení bazálního metabolizmu

svalový třessvalový třes

izolační vlastnosti pokryvu tělaizolační vlastnosti pokryvu těla

zmenšení povrchuzmenšení povrchu

vazokonstrikce vazokonstrikce

Výdej teplaVýdej teplaradiací (u člověka až 60 %) radiací (u člověka až 60 %)

závislá na teplotě okolí a pokryvu tělazávislá na teplotě okolí a pokryvu těla

Q Q ~~ T T44

vedením - nejteplejší jsou játravedením - nejteplejší jsou játra

vazodilatacívazodilatací

prouděnímprouděním

evaporaceevaporace

závislá na vlhkosti vzduchuzávislá na vlhkosti vzduchu

TERMODYNAMIKATERMODYNAMIKA

umožňuje předvídat, zda je za umožňuje předvídat, zda je za daných podmínek možný průběh daných podmínek možný průběh určité reakce v organizmuurčité reakce v organizmu

umožňuje vypočítat energetické umožňuje vypočítat energetické změny ve formě tepla nebo práce, změny ve formě tepla nebo práce, které provázejí biochemické procesykteré provázejí biochemické procesy

Základní pojmyZákladní pojmyteplo – nejméně uspořádaná forma energieteplo – nejméně uspořádaná forma energie

práce – uspořádaná makrofyzikální forma práce – uspořádaná makrofyzikální forma energieenergie

rovnovážný stav systémurovnovážný stav systému

odpovídá nejpravděpodobnějšímu odpovídá nejpravděpodobnějšímu uspořádání uspořádání izolovanéhoizolovaného systému systému

relaxační doba je mírou přiblíženírelaxační doba je mírou přiblížení

(difuze plynu 10(difuze plynu 10-8-8 s, kapaliny hodiny) s, kapaliny hodiny)

Základní pojmyZákladní pojmytermodynamická pohyblivá rovnováha termodynamická pohyblivá rovnováha otevřenýchotevřených systémů systémů

- stav, v němž je působení systému na - stav, v němž je působení systému na okolí a působení okolí na systém stejné a okolí a působení okolí na systém stejné a vzájemné působení dějů uvnitř systému je vzájemné působení dějů uvnitř systému je vyrovnánovyrovnánotermodynamický dějtermodynamický děj

reversibilní prochází řadou na sebe reversibilní prochází řadou na sebe navazujících rovnovážných stavůnavazujících rovnovážných stavů

ireversibilní – všechny děje, které v přírodě ireversibilní – všechny děje, které v přírodě probíhají samovolněprobíhají samovolně

Základní pojmyZákladní pojmy

práce systémem vykonaná - Wpráce systémem vykonaná - W

práce systémem přijatá + Wpráce systémem přijatá + W

Teplo systému dodané + QTeplo systému dodané + Q

Teplo systémem odevzdané - QTeplo systémem odevzdané - Q

I. větaI. větaZákon zachování energieZákon zachování energieNení možno realizovat izolovanou Není možno realizovat izolovanou soustavu, jejíž energie by v důsledku soustavu, jejíž energie by v důsledku děje, který v ní probíhá vzrůstala. děje, který v ní probíhá vzrůstala. Výroba energie z ničeho, perpetum Výroba energie z ničeho, perpetum mobile I. druhumobile I. druhuVnitřní energie systému UVnitřní energie systému UAbsolutní hodnotu U neznáme, jsme Absolutní hodnotu U neznáme, jsme schopni stanovit změny schopni stanovit změny ΔΔUUΔΔU = Q – WU = Q – W

Důsledky I.větyDůsledky I.věty1 mol ideálního plynu1 mol ideálního plynuzměnou teploty plyn ve válci zvětší svůj změnou teploty plyn ve válci zvětší svůj objem ∆V a posune píst o ploše S o objem ∆V a posune píst o ploše S o vzdálenost l. ∆V = S . lvzdálenost l. ∆V = S . lplyn nemůže konat jinou než objemovou plyn nemůže konat jinou než objemovou práci W = p . ∆Vpráci W = p . ∆V

[[Pa mPa m33]] = = [[N mN m-2-2 m m33]] = = [[N mN m]] = = [[JJ]] Q = ∆U + W = ∆U + p ∆V Q = ∆U + W = ∆U + p ∆V

nebo také znaménko – nebo také znaménko – Rozhodující bude, za jakých podmínek je Rozhodující bude, za jakých podmínek je

teplo dodáno.teplo dodáno.

Izochorický dějIzochorický děj V = k V = k

∆∆V = 0 V = 0 → → ∆T ∆T >> 0 0

Q = ∆UQ = ∆U

veškeré dodané teplo se veškeré dodané teplo se spotřebuje na zvýšení vnitřní spotřebuje na zvýšení vnitřní energie systému (teplota se energie systému (teplota se zvýší)zvýší)

molární měrné teplo za molární měrné teplo za konstantního objemu ckonstantního objemu cVV (potřebné pro zvýšení teploty o 1 K)(potřebné pro zvýšení teploty o 1 K)

Q = ∆U = cQ = ∆U = cVV . ∆T . ∆T

Izobarický děj p = kIzobarický děj p = k Q = ∆U – p ∆VQ = ∆U – p ∆V

většina chemických reakcí probíhá za většina chemických reakcí probíhá za konstantního (barometrického) tlaku, konstantního (barometrického) tlaku, byla definována stavová funkce byla definována stavová funkce entalpie.entalpie.molární měrné teplo za za molární měrné teplo za za konstantního tlaku ckonstantního tlaku cpp

∆∆U = cU = cpp . ∆T . ∆T

Q = cQ = cp p ∆T – p ∆V∆T – p ∆V

Izochoricko – izobarický dějIzochoricko – izobarický děj

ccVV ∆T = c ∆T = cp p ∆T – p ∆V∆T – p ∆V

p ∆V = cp ∆V = cp p ∆T - c∆T - cVV ∆T ∆T

p ∆V = ∆T (cp ∆V = ∆T (cp p - c- cVV))

Ze stavové rovnice p V = R TZe stavové rovnice p V = R T

pak Meyerův vztah definuje pak Meyerův vztah definuje molární (universální) molární (universální) plynovou konstantu plynovou konstantu

ccp p - c- cVV = R = R

Izotermický děj T = kIzotermický děj T = k

Q = - p ∆VQ = - p ∆V

veškeré dodané teplo se změní veškeré dodané teplo se změní ve vykonanou práci -W, ve vykonanou práci -W,

vnitřní energie systému zůstává vnitřní energie systému zůstává konstantní ∆U = kkonstantní ∆U = k

I. věta - I. věta - Entalpie HEntalpie Htepelné zabarvení chemických reakcítepelné zabarvení chemických reakcí

ΔΔH = H = ΔΔU + pU + pΔΔVVexotermická (samovolná) reakce exotermická (samovolná) reakce

entalpie klesá entalpie klesá ΔΔH H << 0 0endotermická reakce entalpie roste endotermická reakce entalpie roste ΔΔH H >> 0 0 hfhf

6CO6CO22 + 6H + 6H22O → CO → C66HH1212OO66 + 6O + 6O22

ΔΔH = H = ++ 2,81 . 10 2,81 . 1033 kJ.mol kJ.mol-1-1

h Planckova konstantah Planckova konstantaf vlnočetf vlnočet

II. věta termodynamickáII. věta termodynamickáThomson, Kelvin, Planck:Thomson, Kelvin, Planck:

Je nemožné sestrojit takový cyklicky Je nemožné sestrojit takový cyklicky pracující tepelný stroj, který by nedělal nic pracující tepelný stroj, který by nedělal nic jiného než odebíral teplo z jedné lázně a jiného než odebíral teplo z jedné lázně a konal práci tomuto teplu přesně konal práci tomuto teplu přesně ekvivalentní.ekvivalentní.

Clausius:Clausius:

Je nemožné sestrojit takový cyklicky Je nemožné sestrojit takový cyklicky pracující tepelný stroj, který by nekonal nic pracující tepelný stroj, který by nekonal nic jiného než převáděl teplo z tělesa jiného než převáděl teplo z tělesa chladnějšího na těleso teplejšíchladnějšího na těleso teplejší

perpetum mobile II. druhuperpetum mobile II. druhu

Účinnost tepelného strojeÚčinnost tepelného stroje TT22 T T11

OHŘÍVAČ OHŘÍVAČ → STROJ → CHLADIČ→ STROJ → CHLADIČ

QQT2T2 -W Q -W QT1T1

-W = Q-W = QT2T2 - (- Q - (- QT1T1) = Q) = QT2T2 + Q + QT1T1

Pracuje-li stroj vratně, pak účinnost:Pracuje-li stroj vratně, pak účinnost:

TT22 – T – T11

ηη = ------------ = ------------

TT11

TT22 = T = T11 pak pak ηη = 0 stroj nekoná práci = 0 stroj nekoná práci

pro 100% účinnost by muselo platit Tpro 100% účinnost by muselo platit T11 = 0, což je v rozporu = 0, což je v rozporu se III. termodynamickou větou – teoremem nedosažitelnosti se III. termodynamickou větou – teoremem nedosažitelnosti absolutní 0absolutní 0

Entropie SEntropie Sentropo – udávati směrentropo – udávati směr

míra neuspořádanosti systému, přeneseně míra neuspořádanosti systému, přeneseně též neorganizovanostitéž neorganizovanosti

ΔΔS = Q / TS = Q / Tu ireversibilních dějů otevřených systémů u ireversibilních dějů otevřených systémů entropie roste entropie roste ΔΔS S >> 0 0

- transport entropie z okolí a do okolí S- transport entropie z okolí a do okolí See

- přírůstkem entropie v uvažovaném - přírůstkem entropie v uvažovaném systému Ssystému Sii

Prigoginova rovnicePrigoginova rovnice ΔΔS = S = ΔΔSSee + + ΔΔSSii

ΔΔSSe e 0 0 ΔΔSSi i >> 0 = 0 =>> ΔΔSS >> 0 0

Veličiny odvozené z II. Veličiny odvozené z II. termodynamické větytermodynamické věty

volná energie F (T = k V = k)volná energie F (T = k V = k) ΔΔF = F = ΔΔU – T U – T ΔΔSS

volná (využitelná) entalpie – Gibbsova volná (využitelná) entalpie – Gibbsova energie G (T = k p = k)energie G (T = k p = k)

ΔΔG = G = ΔΔH – T H – T ΔΔS S T T ΔΔS entropický člen – vázaná energieS entropický člen – vázaná energie

U živého organizmu můžeme považovat T, U živého organizmu můžeme považovat T, V, p za přibližně konstantní, pak není V, p za přibližně konstantní, pak není významný rozdíl mezi G a Fvýznamný rozdíl mezi G a F

Termodynamika živých systémůTermodynamika živých systémů

Gibbsova energie představuje tu Gibbsova energie představuje tu využitelnou část chemické energie, využitelnou část chemické energie, která může být v systému která může být v systému přeměněna na jiný druh energie přeměněna na jiný druh energie nebo na práci.nebo na práci.Účinnost živých systémů je až 40 %.Účinnost živých systémů je až 40 %.

Nevyužitá část energie je ve formě Nevyužitá část energie je ve formě tepla vyloučena z organizmu. Tím se tepla vyloučena z organizmu. Tím se organizmus snaží snížit nárůst organizmus snaží snížit nárůst entropie.entropie.

Termodynamika ireverzibilních Termodynamika ireverzibilních systémůsystémů

otevřené systémy směřují k pohyblivé otevřené systémy směřují k pohyblivé rovnováze, která se vyznačuje minimální rovnováze, která se vyznačuje minimální entropiíentropiípřechod otevřeného systému k pohyblivé přechod otevřeného systému k pohyblivé rovnováze může způsobit dočasný pokles rovnováze může způsobit dočasný pokles entropieentropieObecně jsou pohyblivé rovnováhy stabilní. Obecně jsou pohyblivé rovnováhy stabilní. Proti každému pochodu, který je vyvolán Proti každému pochodu, který je vyvolán vnější silou nebo způsobuje v systému jiný vnější silou nebo způsobuje v systému jiný primární děj musí existovat procesy, které primární děj musí existovat procesy, které se snaží těmto změnám zabránit !se snaží těmto změnám zabránit !

Při všech ireversibilních procesech Při všech ireversibilních procesech musí entropie vzrůstat. Organizmus musí entropie vzrůstat. Organizmus se však „vyživuje“ komplexními se však „vyživuje“ komplexními organickými molekulami (z potravy) organickými molekulami (z potravy) s vysokou hodnotou volné entalpie s vysokou hodnotou volné entalpie G. Při jejich rozkladu používá část G. Při jejich rozkladu používá část volné entalpie G ke svému zachování volné entalpie G ke svému zachování a část k výstavbě vyšší organizace. a část k výstavbě vyšší organizace. Tím se živé organizmy snaží čelit Tím se živé organizmy snaží čelit nárustu entropie a samy sebe udržují nárustu entropie a samy sebe udržují ve stavu pohyblivé rovnováhy.ve stavu pohyblivé rovnováhy.

Z hlediska evoluce vznikem vyšší Z hlediska evoluce vznikem vyšší organizace a diferenciace nových tkání a organizace a diferenciace nových tkání a vznikem nových druhů dochází ke vznikem nových druhů dochází ke snižování entropie.snižování entropie.

II. t. v. však neztrácí platnost, neboť platí II. t. v. však neztrácí platnost, neboť platí pro „uzavřený systém“ konkrétního jedince pro „uzavřený systém“ konkrétního jedince s jeho průběžně voleným okolím.s jeho průběžně voleným okolím.

Nárůst entropie konkrétního organismu je Nárůst entropie konkrétního organismu je představováno jeho stárnutím, které vede představováno jeho stárnutím, které vede k termodynamické smrti. k termodynamické smrti.

Posmrtný rozklad představuje snahu po Posmrtný rozklad představuje snahu po dosažení rovnovážného stavu.dosažení rovnovážného stavu.

Energetické přeměnyEnergetické přeměnyhydrolýzahydrolýzau převažujících typů vazeb (glykosidická, u převažujících typů vazeb (glykosidická, peptidická, esterová) slabá exotermická peptidická, esterová) slabá exotermická reakce reakce

G do 12 kJ.molG do 12 kJ.mol-1-1

existují sloučeniny, kde se hydrolýzou existují sloučeniny, kde se hydrolýzou získává Gibbsova energie 30 – 50 kJ.molzískává Gibbsova energie 30 – 50 kJ.mol-1-1

vazby polyfosfátové, fosfosulfátové, vazby polyfosfátové, fosfosulfátové, acylfosfátové, thioesterovéacylfosfátové, thioesterové

Makroergické vazby, fosfátyMakroergické vazby, fosfáty

~~ P nebo - P P nebo - Pve skutečnosti je energetický obsah ve skutečnosti je energetický obsah každé sloučeniny dán jejím každé sloučeniny dán jejím prostorovým uspořádánímprostorovým uspořádánímuvolněná energie tedy pochází z celé uvolněná energie tedy pochází z celé sloučeniny, nikoliv ze samotné vazbysloučeniny, nikoliv ze samotné vazbypředstavují zásobárnu energie – představují zásobárnu energie – energetický „pool“energetický „pool“

Energetické přeměnyEnergetické přeměnyhydrolýza je řízena enzymy a díky tomu hydrolýza je řízena enzymy a díky tomu dochází k postupnému uvolňování energiedochází k postupnému uvolňování energie

potrava + Opotrava + O22 + anorg. fosfáty + anorg. fosfáty →→ ATP ATP

ATP ATP → svalová práce, t→ svalová práce, těělesné teplo, atd.lesné teplo, atd.

nebo pnebo přřenosové reakceenosové reakce

ATP + specifické slouATP + specifické slouččeniny → specifické eniny → specifické vysoce energetické slouvysoce energetické slouččeninyeniny

glukóza + ATP → ADP + glukózo-6-fosfátglukóza + ATP → ADP + glukózo-6-fosfát

Doplnění energetického „poolu“Doplnění energetického „poolu“

ATP

ADP

P

energie z živin potřebná pro navázání P

energie pro životní pochody

Doplnění energetického „poolu“Doplnění energetického „poolu“

aerobní proces – oxidativní aerobní proces – oxidativní fosforylace spřažená s dýchacím fosforylace spřažená s dýchacím řetězcemřetězcemanaerobní glykolýzaanaerobní glykolýzaVeškerá energie živin se nejprve Veškerá energie živin se nejprve převede na chemickou energii převede na chemickou energii (makroergních fosfátů) a teprve pak (makroergních fosfátů) a teprve pak může být postupně využita ve formě může být postupně využita ve formě kaskády jednotlivých, enzymy kaskády jednotlivých, enzymy řízených, reakcí.řízených, reakcí.