Transzportfolyamatok

Hasonló dokumentumok
Transzportfolyamatok. összefoglalás, általánosítás Onsager egyenlet I V J V. (m/s) áramvonal. turbulens áramlás = kaotikusan gomolygó áramlás

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

Mechanika IV.: Hidrosztatika és hidrodinamika. Vizsgatétel. Folyadékok fizikája. Folyadékok alaptulajdonságai

Transzportjelenségek

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

Termodinamikai bevezető

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Termodinamika (Hőtan)

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Transzportfolyamatok a mikroszkópikus méretskálán: Diffúzió, Brown-mozgás, ozmózis. A sejt méretskálája. Biomolekuláris rendszerek méretskálája

Transzportfolyamatok

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Transzportfolyamatok. Zrínyi Miklós

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Spontaneitás, entrópia

Kollár Veronika A biofizika fizikai alapjai

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Folyadékok és gázok mechanikája

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

Folyadékok és gázok áramlása

Légköri termodinamika

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Hajdú Angéla

Spontaneitás, entrópia

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

A TERMODINAMIKA I. AXIÓMÁJA. Egyszerű rendszerek egyensúlya. Első észrevétel: egyszerű rendszerekről beszélünk.

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

A metabolizmus energetikája

Diffúzió 2003 március 28

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

Szent István Egyetem FIZIKA. Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Reakciókinetika és katalízis

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Evans-Searles fluktuációs tétel

Vérkeringés. A szív munkája

F. F, <I> F,, F, <I> F,, F, <J> F F, <I> F,,

Folyadékok és gázok áramlása

Minek kell a matematika? (bevezetés)

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Folyadékáramlás vérkeringés

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Reológia Mérési technikák

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek. N m J 2

Termodinamika. Gázok hőtágulása, gáztörvények. Az anyag gázállapota. Avogadro törvény Hőmérséklet. Tóth Mónika.

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Folyadékáramlás vérkeringés

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Az élő sejt fizikai Biológiája Kellermayer Miklós

A vérkeringés és szívműködés biofizikája

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

a természet logikája

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MAKKEM 242M)

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

DR. DEMÉNY ANDRÁS-I)R. EROSTYÁK JÁNOS- DR. SZABÓ GÁBOR-DR. TRÓCSÁNYI ZOLTÁN FIZIKA I. Klasszikus mechanika NEMZETI TANKÖNYVKIADÓ, BUDAPEST

Termodinamika. Tóth Mónika

Szabadentalpia nyomásfüggése

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MAKKEM 242ML)

Molekuláris motorok működése

Transzportfolyamatok. Alapfogalmak. Lokális mérlegegyenlet. Transzportfolyamatok 15/11/2015

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

Nyújtás. Ismétlés. Hooke-törvény. Harántösszehúzódás: nyújtásnál/összenyomásnál a térfogat növekszik/csökken

Vérkeringés. A szív munkája

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

Az előadás vázlata: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: nagy közepes kicsi. Hőmérséklet, T tapasztalat (hideg, meleg).

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Hőtan I. főtétele tesztek

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

A termodinamika törvényei

Fizika minta feladatsor

Szent István Egyetem FIZI IKA Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Átírás:

ranszportfolyamatok (transzport = szállítás, fuvarozás) Jelentősége: élőlények anyagcsere pl. légzés, vérkeringés, sejtek közötti és sejten belüli anyagáramlás Korábban szerzett felhasználható ismeretek: mechanika (mozgások) elektromosság Q (elektromos áramerősség, I Q = ;[A]) sugárzások E (energia áramerősség, I E = ;[W]; I E W energia áramsűrűség, J E = ; A m )

érfogati áramlás (csövekben) Áramló folyadékok (és gázok) hidrodinamika (áramvonalak; időben állandó: stacionárius áramlás) térfogati áramerősség térfogati áramsűrűség Megjegyzések: IV J V V = ; m 3 s I m = ; A s (áramlási sebesség) összenyomhatatlan áramló közeg esetén, m V m tömeg áramerősség I m = = = IV ρ m V reális folyadék lamináris áramlás (réteges) turbulens áramlás (gomolygó)

Kontinuitási törvény: I V = állandó 3 V x IV = = A = Av = állandó v = Av (tömegmegmaradás, nincs forrás sem nyelő) I. A v A v A p p x x II. Pl. erek érszakasz átmérő (cm) ágak száma A ö (cm ) υ (cm/s) aorta,4 4,5 3 artériák 0,4 60 0 5 arteriolák 0,003 5,7 0 7 400 0,5 kapillárisok 0,0007, 0 0 4500 0,0 venulák 0,00,3 0 9 4000 0,05 vénák 0,5 00 40,5 venae cavae 3,4 8 6

Ideális folyadék:.) összenyomhatatlan (inkompresszibilis).) a súrlódásától eltekintünk Mechanikai energia megmaradás (munkatétel): 4 p A v p A v = mv mv (p p ) V = m mv mv ( = ρ V m ) Bernoulli törvény: p + ρm v = p + ρm v = állandó Példák Viszkózus (reális) folyadék: (Amikor a súrlódásától nem tekintünk el) Newton-féle súrlódási törvény: -F h A A F v v=0 F v =η A h v/ h a sebességesés η[pas] belső súrlódási együttható vagy viszkozitás

Néhány anyag viszkozitása normál állapoton mérve: anyag viszkozitás [Pas] levegő 0-5 víz 0-3 méz 0 bitumen 0 8 üveg 0 40 5 Érvényesség: newtoni folyadék nem newtoni folyadék Alkalmazás: R l r v p p pr v π = ηrπl r v pr = r ηl = Kr

Megoldás: 6 -R v* v r r R ( KR + Kr v* = * )( r v* = K(R+r * )(R r * ) * ( R)) v v* = K(R r * ) -R -r* v* r R p v* = (R r* ) ηl (parabolikus sebességprofil) Mekkora a térfogati áramerősség? I V = v átl. A = v átl. R π Mekkora v átl.? p v(r)= (R r ) ηl p v max. = (R ) 4ηl Új jelölés: R X, r x v -R R X v v m a x. r v m a x. v á t l. X x

7 v(x)= p ( X x ) vátl. = ηl v max. Hagen Poiseuille-törvény: p I V = (R ) R π = 4ηl π p R 4 8ηl Hogyan mozog a test viszkózus közegben? Becslés gömb esetén: ( F v F η4r π = 4πηrv r Stokes törvény: F = 6πηrv v =η A ) h Lamináris áramlás (F v) urbulens áramlás (F v ) v kritikus = R e η ρ r m Reynolds szám (R e 000 sima falú cső esetén)

A H P-törvény és az Ohm-törvény hasonlósága I V = π R 4 A p I Q = U = 8ηl R Ω ρl U = π R ϕ ρl a soros és párhuzamos kapcsolásra vonatkozó összefüggések (Kirchhoff törvények) érvényessége 8 p p ϕ ϕ l l gradiens vektor (-grad p), (-gradϕ)

Miért lép fel súrlódás? (mikroszkopikus kép) (aluljáró pl.) l t idő alatt A a véletlen ütközések száma k U τ = k t az ütközések között eltelt átlagos idő U a kitüntetett részecskékre F = q erő hat l F U m v drift = τ = uf = uq ; (u ; m l Ns a mozgékonyság) N n = a részecske koncentráció; (n ; V 3 m ) idő alatt Q = q N = qnv drift A töltés éri el a lemezt 9 Q U = I Q = uq Anq = uq A A S n U = σ U (σ ; l l l m ) J Q = -σ ϕ x Megjegyzések: gáz ill. folyadék lamináris áramlása

Diffúzió (kísérlet) N részecske áramerősség I N = ; s részecske áramsűrűség I N J N = ; A m s átlagos szabad úthossz d = vτ ; [m] Megjegyzések: elektromos áramerősség I Q = qi N, 0 n - n + tömeg áramerősség I m = mi N n nx () A n - n + x0 x x x-d 0 x + d 0 x idő alatt N = N - N + = vx A(n - n + ) részecske lép át az A felületen x Fick I. törvénye: J Nx = vx d x ( n ) x = v x d n n x = D x (D ; m x ) s felhasználva, hogy d x = v x τ, ill. τ = um J Nx = mv n x u ; (de mvx = k) D = uk x

Általánosított kontinuitási törvény: x [J(x) J(x + x)] A = A = [n(t +) n(t)] A x Jx () -(+ Jx x) J n = x x alkalmazás: Fick II. törvénye: n x D n = x n x n(t +) = n(t) + D t n ( D n x x = ) t n(x,t) grafikus megoldás: (gyakorlat) n(x,t) n(x,t) = n0 e πσ ( t) x [ σ ( t) ] σ(t) = Dt t x

Bolyongás R N = R N- +d R N- d cos γ R N = Nd és N = τ t R(t) = d t τ = Dt (Robert Brown (773-858) angol botanikus, Maryan Smoluchowski (87-97) lengyel fizikus, Einstein) Hővezetés termikus energiaáram diffúzió útján: felhasználjuk, hogy idő alatt N = N N = vz A(n n ) = 0 részecske lép át az A felületen, de E = N k N k = vz An k( ) 0 J Ez = vz d z nk = λ z z (Fourier törvény) (λ ; W ) mk

I C Meddig tart az áramlás? I = R U ; U = C Q Q t = Q ; Q = Q0 R e RC RC t ϕ = ϕ 0 e RC Beáll az egyensúly. 3 A transzportfolyamatok termodinamikai vonatkozásai ermodinamika: energetikai kölcsönhatások folytán fellépő folyamatok ill. egyensúlyok tudománya. V, Q, N, E p V, ϕ Q, µ N E (µ?) ermodinamikai rendszer (és környezet): sok (egymással kölcsönható) részecske (makroszkopikus) Felosztás: ípusa Anyag Energia csere Izolált Zárt + Nyitott + +

Jellemző mennyiségek: extenzív mennyiségek: (pl. V, Q, N, E) arányosak a rendszer méretével, (a részrendszerekre vonatkozó mennyiségek összege megegyezik a teljes rendszerre vonatkozó mennyiséggel; pl. V i = V teljes ) i összeadódnak áramlanak intenzív mennyiségek: (pl. p, ϕ, µ, ) függetlenek a rendszer méretétől kiegyenlítődnek különbségük áramot hajt 4 Általánosítás: Onsager egyenlet: ahol J = A x ext J = LX X = x y int Ha X = 0 J = 0 EGYENSÚLY (dinamikus)

A termodinamika főtételei 5 0.) Ha a rendszer intenzív mennyiségeinek térbeli eloszlása homogén, akkor a rendszer egyensúlyban van. I.) E = Q E + W W = p V több lehetséges kölcsönhatás W Q = ϕ Q; W N = µ N A µ fizikai jelentése (hasonló az elektromos potenciálhoz): energiaváltozás; (Új töltetlen részecske megjelenése növeli a rendszer mozgási energiáját, továbbá a többi részecskével való kölcsönhatások miatt a helyzeti energia is megváltozik.) W Q és W N összevonható, mert Q = zq N W NQ = (µ + zqϕ) N [W NQ = (N A µ + zfϕ) ν] ovábbi általánosítás: W (i) = y (i) (i) int x ext (a termikus kölcsönhatás kitüntetett) II.) A spontán folyamatok irányára vonatkozó kvalitatív megállapítás; kiegyenlítődik. A kvantitatív megfogalmazáshoz szükséges az entrópia (S) bevezetése; formálisan: Q E = S

Hogyan változik az entrópia (S) a kiegyenlítődési folyamat során? 6 S S E = 0 E = E E = S ; E = S izolált hővezető S = S 0 S S nem megmaradó mennyiség! E + folyamat E egyensúly = E ( ) t Az entrópia statisztikus értelmezése (Mi az entrópia valójában?) Láttuk, hogy a formálisan bevezetett entrópia növekszik. Van-e olyan más mennyiség, ami ugyanígy viselkedik? Mikroállapot: a rendszer összes részecskéjének mikroszkopikus paramétereit (pl. helyét, sebességét) ismerjük. (egyformán valószínűek) Makroállapot: a makroszkopikus paraméterek (pl. hőmérséklet, nyomás, sűrűség, energia) eloszlását kell ismernünk.

Egy makroállapothoz tartozó mikroállapotok száma a makroállapot termodinamikai valószínűsége: Ω 7 Lássunk egy példát! A termodinamikai rendszer: a tanteremben lévő levegő Ω AB = Ω A Ω B kiegyenlítődési folyamat során növekszik, de Ω nem additív lnω AB = lnω A + lnω B S = k lnω S k ( Ω = e ) III. Egykomponensű kristályosodó anyagok entrópiája 0 K-n zérus. S = k lnω = k ln = 0

Egy fontos példa: gáz szabad tágulása ΔE = Q + W igaz összefüggés ΔE = ΔS pδv igaz összefüggés, de ΔS Q és pδv W ΔE = 0 és ΔS = pδv nincs munkavégzés, nincs hőcsere, de a térfogat és az entrópia növekszik A rendszer entrópiája a környezettől felvett hő következtében és a rendszerben lejátszódó megfordíthatatlan (irreverzíbilis) folyamatok révén változik meg. Q ΔS = + σ, aholσ > 0

ermodinamikai potenciálok Hess tétele: adott kezdeti és végállapot közötti átalakulásnak megfelelő átalakulási hők összege független az átalakulás közbülső állomásaitól, csakis a kezdeti és végállapottól függ Kitérő: a szorzat (pl. xy) kis megváltozásáról Δxy = (x + Δx)(y + Δy) xy = xδy + yδx mert ΔxΔy ezek mellett elhanyagolhatóan kicsi A kémiai reakciók többsége állandó nyomáson zajlik (Δp = 0) ΔE = Q + W ΔE = Q pδv, de pδv = ΔpV, mivel VΔp = 0 ezért ΔE + ΔpV Δ(E + pv) ΔH = Q entalpia változás A folyamatok iránya nem izolált rendszerekben ΔS = ΔS r + ΔS k > 0 Q ΔS k = Q ΔS r > 0 ΔS r > Q = ΔE r 0 > ΔE ΔS, de Δ = 0 Δ(E S) ΔF < 0 szabadenergia változás

3 ΔS = ΔS r + ΔS k > 0 Q ΔS k = Q ΔS r > 0 ΔS r > Q = ΔE r + pδv 0 > ΔE ΔS + pδv, de Δ = 0 és Δp = 0 Δ(E S + pv) = Δ(H S) ΔG < 0 szabadentalpia változás Mennyi energia fordítható munkavégzésre? Példa: akkumulátor (állandó hőmérsékleten, = állandó) ΔE = Q + W, módosítás ΔE = Q W le, ahol W le az akkumulátor által végzett munka ΔS = Q + σ = ΔE + Wle ΔE + W + σ > le W le < Δ(E S) = ΔF Elnevezés: szabad energia. A belső energia sohasem fordítható teljes mértékben munkára.