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



Hasonló dokumentumok
SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Bio-termodinamika, entrópia, egyensúly és változás.

Tökéletes gázok adiabatikus rev. változásának állapotegyenlete. A standard entalpia hőmérsékletfüggése

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. (Bio)termodinamika, entrópia, egyensúly és változás.

Hajdú Angéla

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

A természetes folyamatok iránya (a folyamatok spontaneitása)

FIZIKAI KÉMIA KOHÓMÉRNÖK MESTERKÉPZÉS LEVELEZŐ

Fizika és 10. Előadás

A nyugalomban levő levegő fizikai jellemzői. Dr. Lakotár Katalin

A mérés célkitűzései: Kaloriméter segítségével az étolaj fajhőjének kísérleti meghatározása a Joule-féle hő segítségével.

helyébe beírva az előző egyenlet összefüggését: p 2 *V 1 = p 1 *(T 2 ), azaz (p 2 )/T 2 = (p 1 = V/n) p*v m = Pa, ekkor a V m p*v = (m/m)*r*t

A szerszám hőegyensúlyának vizsgálata alumínium és magnézium nyomásos öntésnél

gázállapot, gőzállapot gas and vapour nyomás, standard nyomás, parciális nyomás pressure, standard pressure, partial pressure

Molekuláris motorok működése

Biofizika (molekuláris biofizika és biológiai anyagtan) 2014, tavaszi szemeszter

TÁMOP F-14/1/KONV Hőtani műveletek HŐCSERE

Orvosi Fizika 11. Transzportfolyamatok termodinamikai vonatkozásai. Dr. Nagy László

A Tömegspektrométer elve AZ ATOMMAG FIZIKÁJA. Az atommag szerkezete (40-44 oldal) A tömegspektrométer elve. Az atommag komponensei:

Természettudomány témakör: Atomok, atommodellek Anyagok, gázok

Rajczy Mátyás. A gazdasági növekedés fizikai korlátai

Az elektronikai technológia újdonságai

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

Termodinamika és statisztikus mechanika. Nagy, Károly

Bevezető megjegyzések

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

4. FELADATSOR ( )

Anyagszerkezet és vizsgálat. 3. Előadás

Energia-megtakarítás és jobb komfortérzet HŐSZIGETELÉSSEL

M Ű SZAKI HŐ TAN SZIGORLAT

TÁPLÁLKOZÁSI AKADÉMIA

Fizika 1i (keresztfélév) vizsgakérdések kidolgozása

B1: a tej pufferkapacitását B2: a tej fehérjéinek enzimatikus lebontását B3: a tej kalciumtartalmának meghatározását. B.Q1.A a víz ph-ja = [0,25 pont]

Érettségi témakörök és tételek fizikából, 2010

Alumínium és ötvözeteinek hegesztése

Napenergia hasznosítási lehetőségek összehasonlító elemzése. Mayer Martin János Dr. Dán András

A LÉGKÖR SZERKEZETE. A légkör fizikai tulajdonságai alapján rétegekre osztható

Ultrahangos mérőfej XRS-5. Használati utasítás SITRANS. XRS-5 mérőfej Használati utasítás

SZOLGÁLATI TITOK! KORLÁTOZOTT TERJESZTÉSŰ!

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

Reológia 2. Bányai István DE Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék

Semmelweis Egyetem Orvosi Biokémia Intézet Orvosi Biokémia és Molekuláris Biológia gyakorlati jegyzet: Transzaminázok TRANSZAMINÁZOK

Fővállalkozó: TELVICE KFT. A projekt címe: Egységesített Jármű- és mobilgépek képzés- és tananyagfejlesztés

A jelenség magyarázata. Fényszórás mérése. A dipólus keletkezése. Oszcilláló dipólusok. A megfigyelhető jelenségek. A fény elektromágneses hullám.

2. A hőmérő kalibrálása. Előkészítő előadás

FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS

Kémia Kutasi, Istvánné dr.

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

A robbanékony és a gyorserő fejlesztésének elmélete és módszerei

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

A szénhidrátok lebomlása

1. Termodinamika Az ideális gázok állapotváltozásai

Villamos kapcsolókészülékek BMEVIVEA336

K özponti klím atechnikai rendszerek

H A T Á S V I Z S G Á L A T I

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

Hőszivattyúk Makk Árpád Viessmann Akadémia. Viessmann Werke Hőszivattyúk. Chart 1

Biofizika tesztkérdések

Vízgyűrűs vákuumszivattyú (Vi)

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

A FORGÁCSLEVÁLASZTÁS ALAPJAI

A vas-oxidok redukciós folyamatainak termodinamikája

? Az adszorbens által megkötött mennyiség = x, X: telítettség, töltés, kapacitás. Adszorpció. m kg. A kötőerők

Hőmérséklet mérése Termisztor és termoelem hitelesítése

FIZIKA I. RÉSZLETES VIZSGAKÖVETELMÉNYEK

A FIZIKA KÖZÉPSZINTŰ SZÓBELI ÉRETTSÉGI VIZSGA TÉTELEINEK TÉMAKÖREI MÁJUSI VIZSGAIDŐSZAK

Gimnázium-szakközépiskola 12. Fizika (Közép szintű érettségi előkészítő)

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

Fizika II. E-példatár

Hőmérséklet mérése Termisztor és termoelem hitelesítése

FIZIKA NYEK reál (gimnázium, óra)

Alapfogalmak II BME -VIK

[GVMGS11MNC] Gazdaságstatisztika

Mőszaki menedzserek részére 1. témakör

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK KALORIKUS GÉPEK

Kockázatkezelés és biztosítás

A termodinamika törvényei

Készítette: Bujnóczki Tibor Lezárva:

A szénhidrátok lebomlása

Energetikai minőségtanúsítvány összesítő

Gimnázium-szakközépiskola Fizika (emelt szintű érettségi előkészítő)

Ez mit jelent? Ahány könyv annyi interpretáció, annyi diszciplína kerül bele.

ÉGÉSELMÉLET, HŐTAN TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR ENERGIA- ÉS MINŐSÉGÜGYI INTÉZET

Gazdasági biztonság és a kis országok

1 Kémia műszakiaknak

Fa- és Acélszerkezetek I. 5. Előadás Stabilitás I. Dr. Szalai József Főiskolai adjunktus

HUMÁN TÉRBEN TAPASZTALHATÓ SUGÁRZÁSOK ÉS ENERGIASKÁLÁK RADIATIONS IN HUMAN SPACE AND ENERGY SCALES

zis Brown-mozg mozgás Makromolekula (DNS) fluktuáci Vámosi György

ALKALMAZOTT MŰSZAKI HŐTAN

MŰSZAKI INFORMATIKA SZAK

Spontaneitás, entrópia

Folyadék-gáz, szilárd-gáz folyadék-folyadék és folyadék-szilárd határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen. Adszorpció oldatból és

Folyékony kerámia hőszigetelés.

Légköri áramlások, meteorológiai alapok

m & w = száraz _ szilárd nedvesség m = nedvesség szilárd _ száraz SZÁRÍTÁS I. A nedves (szárítandó) anyag:

SE Bővített fokozatú sugárvédelmi tanfolyam, 2005 márc IONIZÁLÓ SUGÁRZÁSOK DOZIMETRIÁJA. (Dr. Kanyár Béla, SE Sugárvédelmi Szolgálat)

Sillabusz az Orvosi kémia szemináriumokhoz. Pécsi Tudományegyetem Általános Orvostudományi Kar 2010/

SZAKÁLL SÁNDOR, ÁsVÁNY- És kőzettan ALAPJAI

P a r c iá lis v í z g ő z n y o m á s [ P a ]

Műszaki problémák: - Néha tönkre megy a talpcsapágy. - Nem mindig megfelelő a keveredés.

Átírás:

SEMMELWEIS EGYETEM Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport Biofizikai termodinamika (Bio-termodinamika) Zrínyi Miklós egyetemi tanár, az MTA levelező tagja mikloszrinyi@gmail.com

U = Q+ W A termodinamika a fizikának a hőjelenségekkel foglalkozó ágából mára az energetikai kölcsönhatások folytán fellépő egyensúlyok és folyamatok tudományává vált. James Watt (1736-1819) skót feltaláló Fő feladata: -a változások és átalakulások irányának és az egyensúlyi végállapot felé való törekvésének értelmezése, valamint - az egyensúlyt és a hozzá vezető folyamatot befolyásoló tényezők felderítése.

Fenomenologikus- és statisztikus termodinamika Fő feladata: a kölcsönhatások folytán fellépő változások és átalakulások irányának, mozgató erőinek, és befolyásoló tényezőinek felderítése. Törvényei általánosíthatók biológiai-, társadalmi-, gazdasági-, pénzügyi- és egyéb rendszerekre.

TERMODINAMIKAI RENDSZER Kölcsönható termodinamikai testek Szigetelés, vagy kölcsönhatás a környezettel A hőnek nincs kitüntetett szerepe!

BIOLÓGIAI TERMODINAMIKAI RENDSZER O 2 hő táplálék TEST Energia tárolás munka hő A hőnek kitüntetett szerepe van! 0 o C 42 C o T

Termikus kölcsönhatások jellemzői: - A hőmérséklet fogalom a hideg-, ill. melegérzetből fejlődött ki. - Alapvető felismerés: a hő és a hőmérséklet nem azonos. (Joseph Black skót kémikus) - Az első hőmérséklet-mérő készüléket Galileo Galilei alkotta meg. - Jean Rey francia orvos megalkotta az első lázmérőt 1631-ben - A mai hőmérsékletskálát Anders Celsiusnak köszönhetjük (1742). A víz forráspontját 0 foknak vette, az olvadáspontját pedig 100 foknak. - A 100 fokos hőmérsékleti skálát Carl von Linne fordította meg, úgy ahogy napjainkban is használjuk.

[ ] = + 273,15 T K t C Hőmérsékleti skálák [ ] [ ] 5 T C = ( T F 32) 9 Termikus kölcsönhatások Hő hatására a hőmérséklet változik (1) a hőmérséklet nem változik (2) látens hő! T T fp Q= C dt H 2 légnemű H 1 folyadék T op szilárd felvett Q hő

Termodinamikai rendszerek típusai környezeti kapcsolatuk alapján energia anyag elszigetelt zárt nyílt Biológiai rendszer energia izoterm T=állandó izobár p=állandó adiabatikus Q = 0

ENERGIA helyzeti kinetikus belső E = E + E + U pot kin

Az energiamegmaradás tétele Leibniz (1676-1689) megfigyelte, hogy sok mechanikai rendszerben a mozgási energia (élőerő) megmarad. Newton és Descartes megfogalmazzák az impulzusmegmaradás törvényét. Rumford 1798-ban megfigyelte, hogy az ágyúcsövek fúrása hőkeltéssel jár: a mechanikai munka hővé alakítható! Mayer felismerte, hogy a hő is, meg a mechanikai munka is, az energia egy formája. Joule 1843-ban kísérletekkel meghatározta a hő mechanikai egyenértékét. Helmholtz 1847-ben megfogalmazza az energiamegmaradás tételét

A termodinamika I. főtétele U = Q+ W me ch + W kém +... + W i Az energiamegmaradás törvényének legáltalánosabb megfogalmazása. U = T S p V + µ i ni +... + Egy termodinamikai rendszer akkor képes munkavégzésre W mech < 0, ha a belső energiáját csökkenti ( U < 0), vagy ha környezetéből hőt von el ( Q> 0), vagy más formában energiát > 0 vesz fel. K i= 1 Wme ch = U Q W i i ( ) W i ( )

A termodinamika II. főtétele Elszigetelt rendszerben a önként lejátszódó (kiegyenlítődési) folyamatok során az entrópia növekszik. Lehetetlen olyan periodikusan működő gépet szerkeszteni, amely egyetlen hőtartályból hőt von el, és azt teljes egészében munkává alakítja. Másodfajú perpetuum mobile működése nem ellenkezne az első főtétellel, de megvalósítását a termodinamika második főtétele kizárja. meleg meleg energia áramlás hideg hideg

Az entrópia függése a hőmérséklettől S( T) Cm T dt Q forr S = = T fp H T fp forr Q T olv S = = op H T op olv Top Tfp T

Az entrópia, mint a molekuláris rendezetlenség mértéke Olvadás: H m > T op 0 H Sm = > T m ( Top) 0 op kristály olvadék Forrás: H m > T fp 0 H S m m = > T m ( Tfp ) 0 fp folyadék gőz Az állandó hőmérsékleten lejátszódó (fázis)átalakulás során az entrópia a rendezetlenség növekedésével együtt nő.

entrópia termikus entrópia konfigurációs entrópia (a hőmérséklet változik) (a hőmérséklet nem változik) S = S + S term konf Gáz adiabatikus expanziója. =............ gáz adiabatikus kitágulása során: ds = 0 Adiabatikus esetben a rendszer a környezetétől termikusan elszigetelt: S A rendezetlenség növekszik ds konfig > 0 = + = dskonfig = dsterm ds term < 0 Mivel ds ds ds 0 konfig term állandó ds term CV = dt < 0 dt < 0 T A gáz lehül!

A termodinamika III. főtétele Tiszta kristályos anyagok entrópiája nulla az abszolút zérus ponton: lim 0 S( T ) = 0 S = k lnw T Nernst kísérleti úton, Planck pedig az entrópia statisztikus értelmezése alapján fogalmazta meg. A III. főtétel lehetővé teszi abszolút entrópia skála bevezetését T T 0 0 CP konfig S( T ) = S ( T ) + dt+ Skonfig 0 0 T T CP S( T ) = dt+ S T B Standard entrópia Minél bonyolultabb szerkezetű egy molekula, annál nagyobb a standard entrópiája.

Entrópia növekedéssel járó folyamatok Boltzmann összefüggés: R kb = N Av S = k lnw A W termodinamikai valószínűség megadja adott makroállapothoz tartozó mikroállapotok számát. makroállapot: koncentráció mikroállapot: molekulák eloszlása B részecskeszám növelése hőmérséklet növelése térfogat növelése bomlási folyamat disszociáció makromolekula gombolyodása Négy mikroállapot a lehetséges xy számúból olvadás, forrás elegyedés

Az elegyedési entrópia meghatározása + W = 1 W = 1 W >> 1 A B S = 0 S = 0 S AB > 1 A B AB x A = N konfigurációs entrópia A S = k lnw W = N A + N B B ( N A+ N B)! N! N! A x B = B N A N B + N B ( N + N ) A B! S = k ln k x ln x + x ln x N! N! ( ) N B B A A B B A B A moláris elegyedési entrópia: N A+ NB = N Av ( ln ln ) S R x x + x x e m A A B B

17 W = 5,49 10 W = 6144 e S( N 0, n ) = p k B lnw Kisebb termodinamikai hajtóerő!

0,8 S /R e m 0,6 N P = 1 N N P P = 10 = 10 0,4 0,2 NN P P = = 1000 1000 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Φ 2

környezet izoterm izobár izochor adiabatikus Környezeti hatások T = konst. p= konst. V = konst. S = konst. A belső energia egy része a környezet állandóságának biztosítására fordítódik! Hasznosítható energia Belső energia Q V = konst. Q Q < T T C V V < C p p Q p= konst.

A termodinamikai egyensúly feltétele entrópia entalpia Izobár eset: H entalpia Izoterm eset: A szabadenergia Izoterm-izobár eset: G szabadentalpia állandó:u,v,n szabadenergia állandó:s,p,n szabadentalpia állandó:t,v,n állandó:t,p,n

A bio-termodinamika I. főtétele tárolt energia megváltozása U = Q+ W + W mech kém metabolitikus hő veszteség mechanikai munka bio-szintézis külső belső

Az élő szervezetben végbemenő anyagcsere folyamatok összessége: metabolizmus felépítő folyamatok anabolizmus aminosavak lebontó folyamatok katabolizmus pl. glükóz fehérjék G>0 CO2 H 2 O G<0

A környezetből felvett anyagok beépülése az élő szervezetbe: anabolizmus fototróf egyszerű szervetlen anyagokból bonyolult szerves vegyületek felépítésére képes szervezetek kemotróf fototróf

Az élő szervezetek biokémiai reakciók során történő tápanyag lebontása: katabolizmus. poliszacharidok, lipidek, fehérjék nukleinsavak monoszacharidok, zsírsavak, nukleotidok, aminosavak Q ATP + 2 H O =ADP+ foszfát + energia 58-59 kj/mol ATP tejsav ecetsav ammónia karbamid

Biológiai energia forgalom mérése Direkt kalorimetria Indirekt kalorimetria Q= Q + Q metabolizmus veszteség Oxigén fogyasztás és/vagy CO2 termelés arányos a hőtermeléssel Q = Q + Q + Q + Q + Q veszteség sugárzó konvektív konduktív párolg ási légzés kötési energia hő munka (vég)termék 54-60 % 25 % 7 % 14 %

Direkt kalorimetria Végső állapot Hess tétele: anyag kalorimetrikus energia kj/g szénhidrát 17,1 fehérje 23,6 etanol 29,7 zsír 39,6 anyag ATP H 2 zsír glükóz Kezdeti állapot energia sűrűsség J/Kg 1,0 10 1,2 10 5 8 3,9 10 1,6 10 7 7

Direkt és indirekt kalorimetria 1 mól glükóz oxidációjához 6 mól=134,46 L oxigén kell! H = + Oxigén energia egyenérték 1 L oxigén fogyasztására 21 kj energiát jelent 2817 kj komponens kalorimetrikus energia kj/g Oxigén egyenérték kj/l Széndioxid egyenérték kj/l szénhidrát 17,1 21,1 21,1 fehérje 23,6 18,7 23,3 etanol 29,7 20,3 30,3 zsír 39,6 19,8 27,9

Direkt és indirekt kalorimetria C H O + 6O = 6CO + 6H O H =+ 2817 6 12 6 2 2 2 C6H12O6 + 36ATP= 36ADP+ Pi H =+ 1757 kj kj η= 61 65 % Kalorimetriai > metabolitikus (V=konst.) (p=konst.)

Alap energiaforgalom: BMR Basal metabolic rate BMR = dq dt nyugalom 3/4 BMR m b Kleiber törvény A BMR a korral csökken m = 70 kg b 7029 kj/nap 293 kj/óra 81 W férfi 60 W nő Energiaforgalom:(MR) és oxigén fogyasztás O : 2 : 2 alvás 83 W 0,24 L/perc séta 265 W 0,76 L/perc kerékpározás 400 W 1,13 L/perc O O : 2

Átlagos ember átlagos termikus jellemzői: Fajhő: 3,47 kj/kgk 70 kg-os személy hőkapacitása: 243 kj/ o C dq = dt Q= C mb T C mb dt dt dt 1 dq 1 BMR dt = C m dt = C m b b dt BMR = dt C m b dt 1,2 dt = o C /óra Ha nem lenne veszteség és fizikai aktivitás! Hőveszteség: sugárzás: 54 60 % Levegő : 25 % Izzadás : 7 % Légzés : 14 %

Fizikai aktivitás esetén d Q d t = f B M R d T d t B M R = f C m b 1, 2 f C o / h aktivitás f alvás 1 ülés 1,5 állás 1,7 gyaloglás 4,7 0< f < 20 Fizikai aktivitás

Evés és hőtermelés nyugalomban Nagy evő Kis evő arány Test súly (kg) 54,2 52,7 1,03 Kaja energia (kj/nap) 9916 6485 1,54 Nappali hőtermelés (kj/nap) 9079 5815 1,55 Éjszakai hőtermelés (kj/nap) 7196 4602 1,56 de. d Q d t = f B M R 0< f < 20 Fizikai aktivitás

Energiaforgalom és mozgás Gyaloglással felszabadított hő függése a sebességtől. munka(fizika) munka(biológia) külső belső Metabolitikus teljesítmény futásnál 14%-al kisebb, mint gyaloglásnál!

egységnyi felület Hő sugárzás R Wien törvény: 4 Stefan-Boltzmann konst.: dq R A 4 s εσ T A s ε : emisszió σ = 5,67 10 = = A s = 1,85 dt dq dq dq = dt dt dt nyereség ( 4 4) 1 2 R= εσ T T ε ε ε 1 2 =εσt veszteség 8 2 m W / m K ε 1 emberi bőr anyag 2 4 átlagos felület emisszió emberi bőr 0,95 0,99 fa 0,99 beton 0,95 tégla 0,92

Konvektív hővezetés: 1 dq h c ( T bőr T levegő) As dt = h : c 2 W / m K c 1/2 = 10, 45 + 10 v : h v v Egységnyi felületre vonatkozó konvektív hővezetési tényező áramló levegő sebesség: m/sec

Hőveszteség párolgással légzés Ki- és belégzés térfogata nyugalomban: 500 ml Ki- és belégzés frekvenciája nyugalomban: 12 14 / perc dv Ilevegő 0,1 1 = L s dt dq = dt ρcρ c T T ( ) p ki be dv dt

Hőveszteség párolgással izzadás Víz párolgáshője: h paro lg as = 2, 25 kj / g I levegő dv 1 = 0,1 L s dt dq dt ( ki be) = h ρlev ρlev dv dt

Konduktív hővezetés: 2 jq = k T T = α T t k α = ρ C p anyag T/K k / Wm K 1 1 α / m s 2 1 1 1 cp / kjkg K levegő 300 0,025 2,11 10 5 1,006 víz 300 0,609 1,5 10 7 4,186 zsír 298 0,21 0,69 10 7 3,258 vér 298 0,642 1,76 10 7 3,889 bőr 310 0,442 1,19 10 7 3,471

Testhőmérséklet szabályzás metabolizmus hőveszteség o C o T=30 C o T=33 C T=37 T=28 fibrilláció T=41 C T=42 C o o Hőmérséklet szabályzás felborul Tudat - vesztés C o Központi idegrendszer - Fehérjék denaturálódnak testhőmérséklet