FIZYKA i BIOFIZYKA

1. FIZYKA i BIOFIZYKA Elementy termodynamiki bioenergetyka

2. TERMODYNAMIKA Dzial fizyki, kt�ry zajmuje sie wlasciwosciami cieplnymi uklad�w makroskopowych, zaniedbujac w odr�znieniu od fizyki statystycznej, mikroskopowa budowe cial tworzacych uklad. Zajmuje sie przemianami energetycznymi i warunkami r�wnowagi w ukladach termodynamicznych.

3. Uklad termodynamiczny wyodrebnione z otoczenia cialo lub zesp�l cial makroskopowych. zamkniety- nie wymienia z otoczeniem ani materii ani energii, jest izolowany adiabatycznie (nie wymienia z otoczeniem ciepla) i mechanicznie (nie wymienia energii poprzez wykonanie pracy). otwarty- moze wymieniac energie i materie

4. Stan ukladu okreslony jest wielkosciami fizycznymi nazywanymi parametrami stanu: objetosc V cisnienie p temperatura T parametry zwiazane sa r�wnaniem stanu np. r�wnaniem stanu gazu doskonalego:

5. Temperatura Zwiazana jest z chaotycznym ruchem czasteczek danej substancji. Jest proporcjonalna do sredniej energii kinetycznej ruchu postepowego. Zgodnie z zasada ekwipatrycji energii, na kazdy stopien swobody czasteczki gazu doskonalego przypada energia:

6. Funkcje stanu parametry wyznaczaja stan ukladu scharakteryzowany przez funkcje stanu. Przejscie ukladu do innego stanu- proces termodynamiczny- zwiazany jest ze zmiana parametr�w i funkcji stanu. Funkcja stanu jest to wielkosc fizyczna, kt�rej zmiana wartosci nie zalezy od rodzaju procesu w wyniku kt�rego ta zmiana nastapila. Jedna z funkcji stanu jest energia wewnetrzna, kosztem kt�rej uklad moze wykonac prace lub oddac cieplo. Cieplo i praca nie sa funkcjami stanuCieplo i praca nie sa funkcjami stanu

7. Energia wewnetrzna Jest to suma wszystkich energii czasteczek danego ciala: energii kinetycznej chaotycznego ruchu postepowego, obrotowego, drgan wewnatrz czasteczki, energii potencjalnej zwiazanej z oddzialywaniem miedzy czasteczkami. Energia wewnetrzna moze byc przekazywana w procesie wykonywania pracy lub przekazywania ciepla.

8. Cieplo Cieplem nazywamy ta czesc energii wewnetrznej, kt�ra moze byc przekazywana pod wplywem r�znicy temperatur. Jest forma przekazu energii miedzy dwoma cialami. Nastepuje spontanicznie z ciala cieplejszego do chlodniejszego. Ustaje, gdy temperatury sie wyr�wnaja. Cieplo nie jest funkcja stanu. Nie zawsze jest zwiazane ze zmiana predkosci kinetycznej czasteczek np. w procesie topnienia nastepuje tylko zmiana fazyNie zawsze jest zwiazane ze zmiana predkosci kinetycznej czasteczek np. w procesie topnienia nastepuje tylko zmiana fazy

9. Rezultatem pobierania lub oddawania ciepla jest zmiana stanu ciala: albo dochodzi do przemian fazowych: DQ=mL, L-cieplo przemiany albo do zmiany temperatury: DQ=CDT pojemnosc cieplna C=mcw

10. Cieplo wlasciwe Ilosc ciepla jaka trzeba dostarczyc do jednostki masy ciala, aby spowodowac przyrost temperatury o jedna jednostke (jeden stopien). Cieplo wlasciwe wody 4186 J?kg-1?K-1

11. Przemiany fazowe

12. Zerowa zasada termodynamiki Ciala majace jednakowa temperature znajduja sie w r�wnowadze termodynamicznej. Warunkiem przeplywu ciepla jest r�znica parametru, kt�ry nazywamy temperatura.

13. Sposoby przenoszenia ciepla Przewodzenie Konwekcja Promieniowanie cieplne

14. Przewodzenie ciepla Polega na stopniowym ogrzewaniu cial i przenoszeniu energii cieplnej skutkiem zderzen miedzy czasteczkami i elektronami cial. O zdolnosci do przewodzenia ciepla decyduja wiazania miedzyczasteczkowe. Ciala w kt�rych elektrony zewnetrzne sa slabo zwiazane sa dobrymi przewodnikami ciepla (i elektrycznosci). Metale (srebro, miedz, glin, zelazo) sa dobrymi przewodnikami. Ciecze i gazy, drewno, welna, papier, sloma, snieg, sa zlymi przewodnikamiMetale (srebro, miedz, glin, zelazo) sa dobrymi przewodnikami. Ciecze i gazy, drewno, welna, papier, sloma, snieg, sa zlymi przewodnikami

15. Transport ciepla Strumien ciepla DQ /Dt przechodzacy przez powierzchnie A proporcjonalny jest do r�znicy temperatur DT w warstwie o grubosci Dx: l przewodnictwo cieplne wlasciwe w W/mK: srebro- 420, woda- 0.59, sk�ra i miesnie- 0.33-1.5, powietrze- 0.023

16. Konwekcja Zjawisko unoszenia ciepla za posrednictwem poruszajacej sie substancji. Przenoszenie ciepla w cieczach i gazach odbywa sie gl�wnie skutkiem ruchu plynu. np. cieplejsze powietrze ma mniejsza gestosc i skutkiem dzialania sily wyporu unoszone jest do g�ry. Czasteczki cieplejszego powietrza maja wieksza predkosc i silniejsza tendencje do wznoszenia sie ku g�rze. Prady konwekcyjne w atmosferze przyczyna zmian pogodowych.Czasteczki cieplejszego powietrza maja wieksza predkosc i silniejsza tendencje do wznoszenia sie ku g�rze. Prady konwekcyjne w atmosferze przyczyna zmian pogodowych.

17. Konwekcja w kuchence

18. Promieniowanie cieplne Kazde cialo ogrzane do temp. Tc nie wyzszej niz 500oC emituje najwiecej promieniowania podczerwonego. Strumien ciepla oddawanego do otoczenia wyraza sie prawem Stefana-Boltzmana: a- zdolnosc absorpcyjna powierzchni promieniujacej s=5,67x10-8 W/(m2K4) stala promieniowania ciala doskonale czarnego Dla sk�ry w zakresie podczerwieni a jest praktycznie r�wne 1Dla sk�ry w zakresie podczerwieni a jest praktycznie r�wne 1

19. Prawo ostygania (ogrzewania) Strumien ciepla oddawany przez cialo o temp. Tc do powietrza o temp. Tp jest proporcjonalny do r�znicy temperatur: Wsp�lczynnik ostygania a zalezy od ruchu powietrza, jego gestosci, wilgotnosci, lepkosci, ksztaltu stygnacej powierzchni

20. Pierwsza zasada termodynamiki Kazdy proces musi przebiegac zgodnie z zasada zachowania energii, a wiec przyrost energii wewnetrznej ukladu DU moze sie odbyc kosztem dostarczonego do ukladu ciepla DQ i wykonanej nad ukladem pracy DW: DU=DQ+DW

21. Praca Praca DW moze byc praca objetosciowa DWo, zwiazana ze zmiana objetosci ukladu oraz praca nieobjetosciowa DWno, (praca wszystkich innych rodzaj�w: elektryczna, osmotyczna, na pokonanie sil tarcia itp.) I zasade termodynamiki mozna zapisac: DU=DQ+ DWo + DWno

22. Praca objetosciowa Zwiazana jest ze zmiana objetosci ukladu:

23. DU=DQ+ DWo + DWno DU=DQ+ DWno � pDV DU zmiana energii wewnetrznej ukladu DQ cieplo dostarczone do ukladu � pDV praca objetosciowa wykonana nad ukladem DWno praca nieobjetosciowa wykona nad ukladem

24. Druga zasada termodynamiki Wyznacza kierunek przebiegu proces�w termodynamicznych. W ukladzie zamknietym (DQ=0) w zadnym procesie entropia nie moze malec, w procesach odwracalnych jest stala. DS = 0 Procesy zachodzace w przyrodzie sa nieodwracalne, a wiec zwiazane ze wzrostem entropii.

25. Entropia Entropia S jest funkcja stanu, miara �nieuporzadkowania� ukladu, czyli ilosci mikrostan�w realizujacych dany makrostan (W-pradopodobienstwo termodynamiczne). S=k�lnW Dla proces�w przebiegajacych nieskonczenie powoli (quasi-statycznych) cieplo dostarczone do ukladu DQ= T�DS

26. Procesy odwracalne i nieodwracalne W procesach odwracalnych, w kt�rych mozliwy jest powr�t ukladu do stanu poczatkowego bez zmian w otoczeniu: W procesach nieodwracalnych

27. Organizmy zywe sa ukladami otwartymi i zachodza w nich procesy nieodwracalne. Wzrost stopnia uporzadkowania i zycie w stanach stacjonarnych, bez wzrostu entropii oznaczajacego smierc, jest mozliwe dzieki oddawaniu wytworzonej entropii do otoczenia. Organizmy pobieraja ujemna entropie z otoczenia, �zywia sie negentropia�.

28. Energia wewnetrzna W procesach izochorycznych V=const wiec DV=0 i praca wykonana nad ukladem DW=0. DQ=DU Przyrost energii wewnetrznej jest r�wny cieplu dostarczonemu do ukladu.

29. Entalpia W procesie izobarycznym, w kt�rym uklad wykonuje jedynie prace objetosciowa: p=const, DWno=0 DQ=DU+pDV=D(U+pV)=DH Entalpia H=U+pV jest funkcja stanu. Przyrost entalpii jest r�wny ilosci ciepla dostarczonego ukladowi w procesie izobarycznym. Gdy DH<0 proces jest egzotermiczny.

30. Energia swobodna Dla proces�w odwracalnych DQ= T�DS : -DW=-DU+TDS W procesach izotermicznych T=const -DW=-D(U-TS)= -DF Energia swobodna F=U-TS jest funkcja stanu. Praca jaka uklad wykonuje w odwracalnej przemianie izotermicznej jest r�wna ubytkowi energii swobodnej. W przemianach nieodwracalnych jest mniejsza. Zmiana energii swobodnej DF jest w samorzutnych procesach izotermicznych DF =0. Sa to przemiany egzoergiczne.

31. Energia zwiazana Czesc energii wewnetrznej TS nie moze byc wykorzystana na zadna prace zewnetrzna i jest nazywana energia zwiazana. Entropia jest miara �bezuzytecznej� czesci energii wewnetrznej ukladu.

32. Entalpia swobodna W procesach izotermiczno-izobarycznych uklad moze r�wniez wykonac prace nieobjetosciowa: -DWno=-DW-pDV -DW=-D(U-TS) -DWno=- D(U-TS) -pDV= =- D(U +pDV -TS)= -DG Entalpia swobodna G=H-TS jest funkcja stanu. Ubytek entalpii swobodnej -DG jest maksymalna praca nieobjetosciowa jaka uklad moze wykonac. W samorzutnych procesach izotermiczno-izobarycznych DG =0 Entalpia swobodna, energia swobodna Gibbsa, potencjal termodynamicznyEntalpia swobodna, energia swobodna Gibbsa, potencjal termodynamiczny

33. Reakcje endoergiczne Samorzutnie moga zachodzic tylko reakcje egzoergiczne: DF =0 i DG =0. Wykorzystanie entalpii swobodnej tych reakcji do np. skurczu miesni, transportu aktywnego, syntezy chemicznej, reakcji endoergicznych, nastepuje poprzez jej akumulacje w wiazaniach ATP. Synteza sacharozy z glukozy i fruktozy moze zachodzic w sprzezeniu z egzoergiczna reakcja fosforylacji glukozy z udzialem ATP: ATP+ glukoza+ fruktoza ? sacharoza +ADP + P*

34. Potencjal termodynamiczny Jezeli w procesie uczestniczy wiecej niz jeden skladnik to mozemy okreslic entalpie swobodna G przypadajaca na jeden mol danego skladnika. Zmiana DG zwiazana ze zmiana liczby moli i-tego skladnika Dni, (jest r�wna pracy DW) DG=miDni mi jest potencjalem termodynamicznym i-tego skladnika

35. R�wnowaga osmotyczna Jezeli uklad przedzielony jest blona przepuszczalna jedynie dla rozpuszczalnika, to rozpuszczalnik bedzie przeplywac do obszaru gdzie potencjal chemiczny substancji rozpuszczonej jest wiekszy, do momentu gdy cisnienie hydrostatyczne po stronie substancji rozpuszczonej zr�wnowazy cisnienie osmotyczne P po stronie czystego rozpuszczalnika.

36. Prawo van�t Hoffa Cisnienie osmotyczne dla roztwor�w idealnych (bardzo rozcienczonych) w przypadku nieelektrolit�w: P= c R T c- stezenie molowe R- stala gazowa T- temperatura

37. Deplazmoliza i plazmoliza Zjawisko osmozy odpowiedzialne jest za pecznienie kom�rek umieszczonych w wodzie i roztworach hipotonicznych, o mniejszym cisnieniu osmotycznym oraz obkurczanie kom�rek umieszczonych w roztworach hipertonicznych, o wiekszym cisnieniu osmotycznym. (dokladnie blony biologiczne nie sa p�lprzepuszczalne, sa selektywne)

38. Rozszerzalnosc cieplna cial Ze wzrostem temperatury ciala zwiekszaja swoje rozmiary. W przypadku cial stalych obserwujemy zar�wno zwiekszanie dlugosci, jak i objetosci. W cieczach i gazach wystepuje rozszerzalnosc objetosciowa. Wyjatek stanowi woda, kt�ra w pewnym zakresie temperatur (od 0oC do 4oC) zmniejsza swa objetosc przy ogrzewaniu.

39. Rozszerzalnosc liniowa i objetosciowa Zmiana dlugosci Dl ciala jest proporcjonalna do zmiany temperatury Dt oraz do dlugosci poczatkowej l: Dl = l l Dt . Podobnie zmiana objetosci: DV = aVDt. l, a - wsp�lczynniki rozszerzalnosci liniowej i objetosciowej.

40. Prawo Clapeyrona-Claussiusa Zaleznosc temperatury przemiany od cisnienia: Q=T (V � Vo) Dp/DT Vo V- objetosci przed i po przemianie Dla cial, kt�re topniejac zmniejszaja swoja objetosc temperatura topnienia obniza sie ze wzrostem cisnienia. regelacja lodu, jazda na lyzwach, klejenie sniegu

41. WYZNACZANIE CIEPLA TOPNIENIA LODU. Wykorzystanie bilansu cieplnego do wyznaczania ciepla topnienia. W ukladzie tym, izolowanym adiabatycznie i mechanicznie stosujemy zgodna z I zasada termodynamiki, zasade bilansu cieplnego: Qodd = Qpobr

42. Uklad oddzialujacych cial stanowia: 1. kalorymetr 2. woda 3. l�d 4. woda powstala ze stopionego lodu

43. Cieplo oddane 1. przez kalorymetr: Q1 = mk?cwlAl? (tp - tk) 2. przez wode nalana do kalorymetru na poczatku cwiczenia: Q2 = mw?cwl wody? (tp - tk)

44. Cieplo pobrane 3. przez topniejacy l�d Q3 = mL?L 4. przez wode, powstala z topniejacego lodu Q4 = mL?cwl wody (tk - t0) t0 = 0 oC

45. Z bilansu cieplnego:Q1 + Q2 = Q3 + Q4obliczamy cieplo topnienia lodu:

46. WYZNACZANIE WYDATKU KRWI PRZEZ KONCZYNE METODA KALORYMETRYCZNA Wydatek krwi przez reke jest to objetosc krwi jaka przeplynela przez reke w ciagu 1 minuty V�[m3/min]. Celem cwiczenia jest praktyczne wyznaczanie wydatku krwi przeplywajacej przez reke przy zastosowaniu bilansu cieplnego.

47. uklad termicznie oddzialujacych cial 1-kalorymetr, 2-woda, 3-krew, 4-reka

48. W ukladzie tym, izolowanym adiabatycznie i mechanicznie stosujemy zgodna z I zasada termodynamiki, zasade bilansu cieplnego: Qodd = Qpobr 1. cieplo oddane: Q3 = Vkr dkr ckr (37 0C - tsr ) - krew, 2. cieplo pobrane: Q4 = Vr dr cr( t30 - t10) - reka, Q2 = mw cwl (t30 - t10) - woda, Q1 = Pk (t30 - t10) - termos.

49. Objetosc krwi jaka przeplynela przez reke w ciagu 20 minut: Wydatek krwi przez reke: Vo =Vkr/20min

50. Termoregulacja Utrzymanie homeostazy, stalosci parametr�w, wymaga termoregulacji sterujacej procesami wytwarzania i oddawania ciepla. Utrzymanie stalej temperatury ciala wymaga odprowadzenia wytworzonego ciepla. ok. 70% przez konwekcje i promieniowanie ok. 30% przez parowanie z pluc i powierzchni sk�ry

51. Uklad termoregulacji Podwzg�rze na podstawie temperatury docierajacej krwi uruchamia procesy nie dopuszczajace do utraty ciepla (czesc tylna) lub wlacza mechanizmy oddawania jego nadmiaru (czesc przednia). Wspomagane przez mniej czule, ale szybciej reagujace dwa rodzaje receptor�w obwodowych: reagujacych na wzrost i spadek temperatury.

52. Podwzg�rze Zadaniem podwzg�rza jest utrzymanie temperatury wnetrza ciala na poziomie temperatury odniesienia, zmieniajacej sie w rytmie dobowym, w stanach chorobowych, pobudzenia emocjonalnego.

54. Mechanizmy regulacji temperatury W srodowisku neutralnym utrzymanie stalosci temperatury odbywa sie bez udzialu termoregulacji. Przy odchyleniach od tego stanu wlaczaja sie: regulacja fizyczna - reakcje naczynioruchowe, wzmozone pocenie, regulacja chemiczna - pobudzenie metabolizmu, zwiekszenie napiecia miesniowego (drzenie), reakcje hormonalne,

55. Granice tolerancji zmian temperatury wewnetrznej Odchylenia o 2oC sa tolerowane Hipertermia: wzrost do 41-42 oC wprowadza zakl�cenia i wylaczenie termoregulacji. Wzmozenie proces�w metabolicznych powoduje dodatnie sprzezenie zwrotne. Przy temperaturze 44-45oC nastepuje smierc. Hipotermia: obnizenie do 33oC powoduje zakl�cenia, a do 30oC wylaczenie termoregulacji, przy 28oC pojawia sie zagrozenie zycia, ale pod kontrola mozna obnizyc do 28oC.

56. Efekt cieplarniany Stala sloneczna a wyraza ilosc energii slonecznej docierajacej do Ziemi w jednostce czasu na jednostke powierzchni ustawionej prostopadle do kierunku promieniowania w g�rnej warstwie atmosfery a=1.4 kW/m2 Ziemia ta energie absorbuje, a nastepnie emituje w postaci promieniowania podczerwonego. CO2, para wodna i in., to promieniowanie pochlaniaja i emituja w kierunku Ziemi. Nadwyzka gaz�w cieplarnianych powoduje zatrzymywanie energii i ocieplenie Ziemi.

57. Bilans energetyczny Ziemi