curs sapt 1-3
TRANSCRIPT
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
1/89
Prof.Florenta Mihai
CURS 1+2
I.1. Introducere in biofizic
Biofizica fenomenele fizice implicate n funcionarea sistemelor biologice,
fiind o tiin care utilizeaz tehnici i concepte fizico-chimice pentru cercetarea
fenomenelor lumii vii.
Lund drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a materiei vii, ramurile
principaleale biofizicii sunt urmatoarele:
a. Biofizica electronic (cuantic)
b.
Biofizica molecular
c. Biofizica celular
d. Biofizica sistemelor complexe
Pentru cercetarea proceselor biologice structura i nsuirile fizico-
chimice ale materiei vii
La baza multor procese biologice stau fenomenele fizice, ns ele sunt
strns legate de cele chimice i sunt aproape inseparabile.
Biofizicafolosete aproape toate domeniile clasice i moderne ale fizicii:
Biomecanicadiferitele tipuri de locomoie animal pn la motilitatea celular
Bioelectricitatea ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, la nivel
celular, tisular i de organ
Biotermodinamicai bioenergetica
generarea, stocarea, conversia energieila nivel celular i problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel
supraindividual
Biociberneticamecanismele reglrii i transmiterii de informaii n sistemele
biologice
Radiobiologiafenomenele ce au loc la interaciunea radiaiei cumateria vie
Fenomenele fizice stau la baza funcionrii mecanismelor biologice
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
2/89
Prof.Florenta Mihai
I.2 Mrimi fizice, uniti de msur, sisteme de mrimi i uniti
Mrimea fizico proprietate msurabil a unui corp
Mrimile fizice:
Fundamentalese definesc fr ajutorul altora
[lungimea (l), masa (m), timpul (t), temperatura (T), intensitatea curentului
electric (i), intensitatea luminoas (I), cantitatea de substan ()]
Derivate se obin prin relaii matematice din combinarea celor
fundamentale[ex. fora, lucrul mecanic (combinaia masei, lungimii i timpului]
oPentru msurarea unei mrimi se alege o mrime de acelai fel cu ea, care
se consider etaloni, de aceea, se numete unitate de msur.
o A msura o mrime nseamn a o compara cu unitatea demsur aleas (cu
etalonul) i a vedea de cte ori unitatea de msur se cuprinde n mrimea de
msurat.
Unitile de msur:
uniti fundamentale
uniti derivate
1960 la cea de-a XI-a Conferin General de Msuri i Greuti s-au
adoptat pe plan internaional unitile fundamentale pentru mrimile
fundamentale.
metrul (pentru lungime)
kilogramul (pentru mas)
secunda (pentru timp)
kelvinul (pentru temperatur)
amperul (pentru intensitatea curentului electric)
candela (pentru intensitatea luminoas)
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
3/89
Prof.Florenta Mihai
molul (pentru cantitatea de substan)
Unitile derivatesunt cele corespunztoare mrimilor derivate
Exemplu: [F]SI= [m]SI[a]SI= kgm/s2
Grupul de uniti fundamentale stabilite i toate unitile derivate dinunitile fundamentale constituie un sistem de uniti de msur.
Sistem Internaional de uniti de msur (SI) ansamblu coerent de uniti
fundamentale i derivate.
apte mrimi, respectiv apte uniti fundamentale: metrul, kilogramul,
secunda, kelvinul, candela, amperul, nr. de moli.
Sistemul tolerat de uniti este sistemul C.G.S. (centimetru, gram, secund) a
crui folosire se face n funcie de necesiti.
Mrimi fizice scalare i vectoriale
Mrimile fizice scalare se caracterizeaz prin:
valoare numeric
unitate de msur,
de exemplu: temperatura, lungimea, masa etc.
Mrimile fizice vectoriale se caracterizeaz prin:
valoare numeric
unitate de msur
punct de aplicaie
orientare (direcie i sens)
de exemplu: fora (se noteaz printr-o sgeata deasupra simbolului,
F )
Operaii cu vectori
Un vector se reprezint n felul urmtor:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
4/89
Prof.Florenta Mihai
originea (punctul de aplicaie) trebuie s coincid cu obiectul de
studiat,
direcia i sensulsunt indicate de direcia i sensul sgeii
Componentele vectorului
A pe
trei axe ortogonale
Componentele vectorului
A p
dou axe ortogonale
o
Versoriiaxelor de coordonate
i
,
j i
k
(sunt vectori care au modulul egalcu unitatea, adic |
i | = 1, |
j | = 1 i |
k | = 1) i atunci vectorul
A se poate scrie
sub forma:
A =
i Ax+
j Ay+
k Az,
unde Ax, Ayi Azreprezint proieciile vectorului
A pe axele Ox, Oy i Oz
Compunereaa doi vectori :
gsirea unui vector care s aib acelai efect ca i vectorii pe care i
compunem (din punct de vedere fizic)
gsirea unui vector
Ccare s fie echivalent cu cei doi, adic
C=
A +
B
(din punct de vedere geometric)
Adunarease poate realiza prinregula paralelogramului
A
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
5/89
Prof.Florenta Mihai
regula poligonului.
Compunerea a doi vectori prin
regula paralelogramului
ompunerea a doi vectori pri
regula poligonului
Cnd se adun mai muli vectori, poligonul se formeaz translatnd fiecare
vector cu originea n vrful precedentului i rezultanta se obine unind originea
primului cu vrful ultimului vector, nchiznd astfel un poligon.
OBS.
Dac vectorii care se compun formeaz un poligon nchis, rezultanta lor este
nul.
Diferenaa doi vectori
A i
Bnseamn s adunm la vectorul
A opusul lui
B , adic pe
B
Scderea vectorilor
Produsula doi vectori poate fi:
Scalar (mrime scalar egal cu produsul modulelor vectorilor i al
cosinusul unghiului dintre ei)
vectorial (un vector orientat perpendicular pe planul format de cei doi
vectori, n sensul rotirii burghiului drept care se rotete astfel nct aduce primulvector al produsului peste cel de-al doilea, pe drumul cel mai scurt)
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
6/89
Prof.Florenta Mihai
Produsul vectorial se scrie:
C=
A x
B
Modulul produsului vectorial este:
C = A B sin
CURS 3
Mecanica fluidelor
Studiul lichidelor aflate n repaus statica fluidelor
Studiul lichidelor aflate n micare dinamica fluidelor
1.Statica fluidelor
1.1. Starea lichid
Lichidele starea de agregare a substanei n care distana dintre
particulele componente este mult mai mic dect la gaze i de aceea lichidelesunt foarte puin compresibile.
ordine local a moleculelor pe o distan de cteva raze
moleculare. La lichide, energia cinetic a moleculelor (datorita
micrii de agitaie termic) i energia potenial au aceeai
pondere.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
7/89
Prof.Florenta Mihai
din punct de vedere structural, lichidele ocup un loc
intermediar ntre gaze i solide.
Proprietilece caracterizeaz lichidele:
au form nedeterminat i volum determinat
sunt izotrope
curg i sunt extrem de puin compresibile.
Proprietile lichidelor depind de temperatur, adic la valori ridicate ale
acesteia se apropie de gaze, iar la valori joase de solide.
OBS.
Cunoaterea legilor referitoare la curgerea lichidelor este necesar pentru
nelegerea modului n care se desfoar circulaia sanguin.
1.2. Densitatea ()
DEF.
Densitatea absolut raportul dintre masa i volumul su.
Dac masa unui corp omogen este M, iar volumul su V, atunci:
=V
M
Pentru V=1, avem =M, adic densitatea unui corp este numeric egal
cu masa unitii de volum.
Densitatea se exprim n funcie de mrimile fundamentale ca:
[] = M/L3 = ML-3
Unitatea de msur pentru densitate va fi reprezentat n sistemul
internaional (SI) prin relaia:
[]SI= kg/m3= kgm-3
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
8/89
Prof.Florenta Mihai
Densitatea relativ se definete ca fiind raportul dintre densitatea
absolut a unui corp () i densitatea absolut a unui corp luat ca referin
(0):
r=0
=
V
M
V
M
0
=0
M
M
=0
M
M 0
Pentru
lichide, corpul de referin este apa distilat, a crei densitate la
4oC este 1000 kg/m3
gaze,corpul dereferina este aerul la 0oC i la presiunea de 760mm Hg.
1.3. Presiunea hidrostatic
DEF.
Presiunea (P)reprezint raportul dintre valoarea forei ce apas normal pe o
suprafa i valoareaariei suprafeei respective
P =S
Fn =
S
F cos, Fn= Fcos
Daca =0oP=S
F
Presiunea se exprim n funcie de mrimile fundamentale ca:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
9/89
Prof.Florenta Mihai
[P] = [F]/[S] = MLT-2/L2= ML-1T-2
unitatea de msur nS.I.este:
[P]SI= [F]SI/[S]SI= N/m2= Pa (Pascal)
iar n CGS:
[P] = dyn/cm2
= barye (Ba), 1 Ba = 0,1 N/m2
Alte uniti de msur tolerate, folosite :
Barul (bar) :1 bar = 105 N/m2= 106Ba (dyn/cm2).
Torrul (sau mmHg) : este egal cu presiunea exercitat de o coloan de
mercur nalt de 1mm la 0oC i in cmp gravitaional normal (standard,
acceleraia gravitaional g = 9,8 m/s2).1 Torr =1 mm Hg = 133,322 N/m2
Atmosfer fizic: este egal cu 760 Torr:
1 atm = 760 Torr = 760133,322 N/m2= 101325 N/m2 1,013105N/m2
105N/m2= 1 bar
OBS.
Straturile unui lichid aflat n repaus apas unele asupra celorlalte
presiune hidrostatic.
Factorii de care depinde presiunea hidrostatic sunt adncimea i
densitatea:
1. Presiunea hidrostatic in lichide crete cu adncimea la care ne
gsim n lichid.
2.n orice punct din lichid presiunea hidrostatic este aceeai n
toate direciile.
3. Presiunea hidrostatic este aceeai n toate punctele unui plan
orizontal.
4. Presiunea hidrostatic crete cu densitatea lichidului.
In concluzie:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
10/89
Prof.Florenta Mihai
La o anumit adncime h, ntr-un lichid de densitate , presiunea
hidrostatic este egal cu produsul dintre densitate, adncime i accelaraia
gravitaional.
P = gh
1.4. Legea lui Pascal
ENUN:
Presiunea exercitat pe o suprafa oarecare a unui lichid aflat n
repaus se transmite n toate direciile, cu aceeai intensitate n totlichidul.
Presa hidrauliceste o aplicaie direct a principiului lui Pascal.
Cnd asupra pistonului de arie S1se apas cu fora F1, sub piston apare
presiunea P1= F1/S1care se transmite conform principiului lui Pascal integral
la pistonul al doilea, cu aria S2.
Deoarece P1= P2, rezulta c:
1
1
S
F=
2
2
S
Fsau F2=
1
2
S
SF1
CONCLUZIE:
Fora de apsare asupra pistonului 2 este mai mare dect fora de
apsare a pistonului 1 de attea ori de cte ori este mai mare aria
pistonului 2 dect aria pistonului 1.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
11/89
Prof.Florenta Mihai
1.5. Principiul fundamental al hidrostaticii
- Considerm n interiorul unui lichid dou puncte A(h1) i B(h2)
- n punctul A ac. fora 1
F , iar n punctul B ac. fora
2F .
- ntre planele orizontale n care se afl punctele delimitm imaginar un
paralelipiped de greutate
G .
n condiii statice:
1F
2F
G
h1
h2
B
A
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
12/89
Prof.Florenta Mihai
1
F +
2F +
G =0
F2 F1 G = 0
PB S PA S m g = 0
PBS PAS gSh = 0
PB PA= g h
ENUN:
Diferena de presiune dintre dou puncte A i B din interiorul
unui lichid, ntre a cror straturi distana pe vertical este h, este:
PB- PA= gh
1.6. Principiul lui Arhimede
Considerm un corp de form paralelipipedic, cu nlimea h i
aria bazelor S, cufundat ntr-un vas cu lichid de densitate l.
F2= P2S > F1= P1S (P2> P1)
Rezultanta forelor de presiune care acioneaz asupra corpului este:
Farh= F2F1= (P2P1) S = lghS = lVg = mlg = Gl(greutatea
lichidului dezlocuit)
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
13/89
Prof.Florenta Mihai
Farhimedica=Glichidului dezlocuit
ENUN:
Orice corp cufundat ntr-un fluid este mpins de jos n sus cu o
for vertical egal cu greutatea volumului de lichid dezlocuit de corp.
2. Dinamica Fluidelor
2.1. Curgerea fluidelor
n condiii statice cunoaterea adncimii i a densitii l pentru a
caracteriza starea fluidului.
n condiii dinamice pe lng aceste dou mrimi este necesar scunoatem n fiecare punct i n fiecare moment i viteza fluidului
v
OBS.
o Drumul parcurs de o particul de fluid n micarea sa linie de curent
o n fiecare punct viteza particulei este tangent la linia de curent
2.2. Clasificarea curgerii fluidelor
A.Curgere staionar (n regim permanent) dac viteza particulelor de fluid
depinde de poziia lor, descris de vectorul de poziie
r , i nu depinde
de timp
v =
v (
r )
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
14/89
Prof.Florenta Mihai
nestaionar(n regim nepermanent sau tranzitoriu) dac viteza lor
depinde att de poziia lor ct i de timp
v =
v (
r , t)
B. Curgere
nerotaional(fr vrtejuri) dac micarea particulelor de fluid este
doar translaional (nu se rostogolesc)
rotaional (cu vrtejuri) atunci cnd particulele de fluid particip
simultan la o micare de translaie i una de rotaie.
C. Curgere(cu sau fr vrtejuri)
turbulent(are loc la viteze mari de curgere) n care liniile de curent
se intersecteaz
laminar(are loc la viteze mici de curgere) cnd liniile de curent sunt
paralele ntre ele (vase capilare n care viteza sngelui este foarte
redus)
2.3. Debitul masic i volumic
DEF.
Debituleste o mrime fizic scalar egal cu raportuldintre cantitatea de fluid
ce trece printr-o seciune transversal a unei conducte ntr-un interval de timp
i mrimea acelui interval.
OBS.n cazul lichidelor, n funcie de mrimea adoptat pentru a msura
cantitatea de fluid, se poate defini debitul volumic i cel masic.
Debitul volumic:
Qv=t
V
=
t
lS
=
t
tvS
= vS ,
unde v reprezin viteza de curgere, iar S sectiunea transversal.
Debitul masic:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
15/89
Prof.Florenta Mihai
Qm=t
m
=
t
V
= VQ
2.4. Ecuaia de continuitate
Considerm un fluid n curgere staionar.
Fie trei seciuni transversale S1, S2, S3prin care fluidul curge cu vitezele
v1, v2, respectiv v3:
Debitele volumice prin cele trei seciuni sunt:
Q1V= S1v1
Q2V= S2v2
Q3V= S3v3
Fluidul este incompresibil prin orice seciune a conductei trebuie s
treac aceeai cantitate de fluid n acelai interval de timp:
Q1V = Q2V= Q3V
S1v1= S2v2= S3v3
Concluzie:
Viteza fluidului care curge staionar printr-o conduct cu seciunea
variabil este mai mare unde seciunea este mai mic i invers.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
16/89
Prof.Florenta Mihai
2.5. Legea lui Bernoulli
Se refer la presiunile exercitate de un lichid lacurgere staionar printr-un
tub de seciune variabil.
Enun:n orice seciune a unui tub nclinat (cu seciune variabil) prin care curge un
lichid, suma dintre presiunea hidrostatic (p), presiunea hidrodinamic (v2/2)
i presiunea de nivel (gh) este constant.
P + v2/2 + gh = const.
n cazul unui tub orizontal, legea lui Bernoulli :
P + v2/2 = const.
vitez mare presiune hidrostatic mic fen. Venturi
Aplicaii medicale:
n cazul dilatrii unei artere (anevrism), presiunea hidrostatic mare duce la
ruperea peretelui arterial.
n cazul unei stenoze vasculare , presiunea hidrostatic se micoreaz. Se
schimb caracterul curgerii devenind turbulent ceea ce poate duce la spasme
in vasul obturat.
Dac de-a lungul unui vas se manifest o suit de ocluzii i deschideri, ca
urmare o deplasare cu caracter ondulatoriu a sngelui, poate aprea un
zgomot numit suflu.
3.Reologia
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
17/89
Prof.Florenta Mihai
DEF.
Reologia este tiina despre curgerea corpurilor sub aciunea unei fore.
OBS.
Cnd un corp este supus unei fore, el tinde s se deformeze.
a. Dac deformarea este temporar, sub aciunea de scurt durat a unei fore
corpul revenind la forma iniial, se numete deformare elastic.
b. Dac deformarea estepermanent, se numete deformare plastici este
corelat cu un proces de curgere.
CONCLUZIE: Un lichid este un sistem care curge sub aciunea unei fore
exterioare.
3.1 Curgerea fluidelor reale. Vscozitatea. Legea lui Newton
n fluidele reale, n condiii dinamice se manifest pe lng
forele de presiune i fore de frecare intern sau de frecare
vscoas, care influeneaz micarea fluidelor.
Explicaie
Stratul cu vitez mai mic va frna stratul care se deplaseaz cu vitez
mai mare cu care este n contact i invers, stratul cu vitez mai mare va
accelera stratul care se deplaseaz cu viteza mai mic peste care alunec
forte de frecare.
Forele de frecare dintre straturile de lichid sunt tangente la acestea i
ndreptate n sens contrar curgerii lor.
Cu ct aceste fore sunt mai mari, cu att fluidul este mai vscos.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
18/89
Prof.Florenta Mihai
Fora de frecare intern care apare n planul de alunecare pe
unitatea de suprafa, este proporional cu:
gradientul vitezei (grad v =
x
v
adic variaia vitezei cu distana i arat
ct de repede se schimb viteza la trecerea dintr-un strat ntr-altul)
aria suprafeelor straturilor aflate n contact, S
depinde de natura lichidului prin coeficientul de vscozitate
F = Sx
v
(legea lui Newton)
OBS.
Coeficientul de vscozitate dinamic este dependent de natura fluidului i de
temperatur.
3.2. Starea solid. Deformarea solidelor. Legea lui Hooke
Corpurile aflate n stare solid se clasific, din punct de vedere al
aranjrii n spaiu a particulelor componente, n corpuri:
Cristaline - particulele componente sunt aranjate ordonat i
periodic n spaiu n nodurile reelei cristaline
Amorfe - particulele nu mai sunt dispuse ordonat i de aceea se
spune c ele au o structur intermediar ntre a sistemelor lichide
i cele a sistemelor cristaline
DEF.
Schimbarea dimensiunilor sau formei corpurilor solide sub influena unorfore aplicate asupra lor se numete deformare.
Dac se acioneaz cu o for deformatoare F asupra unei bare de
lungime l0i sectiune S, ea se alungete, lungimea ei devenind l.
o creterea l = l l0a lungimii barei ca rezultat al deformrii ei se
numete alungire absolut
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
19/89
Prof.Florenta Mihai
o raportul0
l
l= se numete alungire relativ
o raportul dintre fora F i aria seciunii S se numete tensiune sau
efort unitarS
F= .
Experiena Hooke
a artat c alungirea relativ () este direct proporional cu efortul
unitar ().
0l
l~
S
F
0l
l=
E
1S
F,
E(inversul constantei de proporionalitate) constant numit modulul lui
Youngi depinde de natura materialului din care este confecionat corpul.
Relaia de mai sus poate fi scris sub forma:
S
F= E
0l
l,
= E
deformarea este proporional cu tensiunea deformatoare
OBS.Dac valoarea efortului unitar depete o anumit valoare bine
determinat pentru un anumit material, deformarea lui nu mai este
proporional cu efortul unitar i legea lui Hooke i pierde valabilitatea.
3.3 Lichide newtoniene. Valabilitatea legii lui Newton
Legea lui Newton: F = S x
v
vom scrie sub o alt form
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
20/89
Prof.Florenta Mihai
S
F=
x
v
gradientul de vitezx
v
deformabilitatea D
raportulS
F tensiune de forfecare T
innd cont de aceste notaii, legea lui Newtonse poate scrie sub
forma:
T = D
Concluzie:
deformabilitatea este proporional cu tensiunea de forfecare aplicat
n acest caz de deformare vorbim despre lichide newtoniene.
Dac lichidul fore de forfecare cresctoareD=f(T) va fi o dreapt.
O astfel de reprezentare se numete curb de curgeresau reogram.
OBS.
Conform ecuaiei T = D, aceast dreapt va trece prin origine
Panta dreptei, tg , se numete fluiditate
n cazul corpurilor newtoniene, vscozitatea este constant
Dependena ei n funcie de tensiunea de forfecare este:
4.Aplicaii: vscozitatea sngelui
Sngele lichid nenewtonian (nu se supune legii lui Newton)
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
21/89
Prof.Florenta Mihai
La t = 37oC vscozitatea sngelui este ~ 4 ori mai mare dect ce a apei
Este un sistem dispers heterogen o suspensie de elemente figurate
(celule) n plasm
Procentul volumului ocupat de elemente figurate ale sngelui (n
majoritate hematii) poart numele de hematocrit (pentru omul sntos
40%)
Pentru lichidele care curg n conducte nr. lui Reynolds, Re:
Re=
rv
r = raza conductei
= densitatea fluiduluiv = viteza de curgere
= coeficientul de vscozitate dinamic a lichidului
Pentru sngele din arterele mari exist o valoare critic a nr. lui Reynolds
Recr = 1000.
Mai multe regimuri de curgere a sngelui:
o Re< Recrcurgerea este laminar
o Recr= 1000 < Re< 2000 curgerea este nestabil
o Re> 2000 curgerea este turbulent
OBS.
n sist. cardiovascular curgerea turbulent poate s apar n aort, imediat
deasupra valvulelor sigmoide, n perioada de expulzie a sngelui (cnd viteza
lui atinge valoarea cea mai mare) zgomote caracteristice.
Turbulena (consumatoare de energie) poate s apar i n alte vase n stri
patologice cnd vscozitatea este mai sczut (ex. anemie).
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
22/89
Prof.Florenta Mihai
CURS 4
Fenomene moleculare
Fenomene de suprafa (superficiale)
Fenomene moleculare de transport
Fenomene de suprafa n faza lichid
a. Interfaa lichid-gaz
(Tensiunea superficial)
O substan lichid este separat de atmosfera nconjurtoare printr-o ptur
superficial.
o ntre moleculele din interiorul lichiduluipe o distan de ordinul a trei
raze moleculare fore de atracie care se compenseaz reciproc (R=0).
o Moleculele dinstratul superficial atrase spre interiorul lichidului
[forele de atracie (coeziune) exercitate de moleculele din interior sunt
mai mari dect cele exercitate de moleculele de gaz ] Rezultant 0
(FOR DE TENSIUNE SUPERFICIAL)
Ptura superficial membran elastic
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
23/89
Prof.Florenta Mihai
existena unor fore superficiale n membrana superficial care acioneaz
tangenial n toate direciile.
Sistemele echilibru atunci cnd E pot= minim
starea de echilibru se realizeaz cnd exist cele mai puine molecule la
suprafa tendina de micorare a suprafeei libere a lichidului
In concluzie:
Fora tangent care ia natere n stratul superficial i care micoreaz
suprafaa liber a lichidului se numete for de tensiune superficial.
Grosimea stratului superficial nu depete raza de aciune molecular.
Presiunea exercitat de moleculele din stratul superficial asupra celorlaltor
molecule de lichid presiune molecular.
este foarte mare (104atm)
sub aciunea aceste presiuni moleculele se apropie foarte mult unele de
altele (lichidele sunt incompresibile
sub aciunea acestei presiuni moleculele superficiale au tendina de a se
deplasa n interior micorarea supr. libere
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
24/89
Prof.Florenta Mihai
Concluzie:
Presiunea molecular face ca stratul superficial s aib proprieti
diferite de restul lichidului.
EXP.
Lichid gliceric n interiorul unui cadru de srm cu latura CD mobil.(Lsat n
poz. C1D1se deplaseaz n sensul micorrii ariei suprafeei libere a peliculei).
forele superficiale efectueaz lucru mecanic pe seama micorrii energiei
poteniale
= coeficient de tensiune superficial
LS = FxLS= S Fx = S Fx = lx
F = l
F l
Unitate de msur : []SI=[F]SI/[l]SI= N/m
Fxlx = L / S
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
25/89
Prof.Florenta Mihai
Coeficientul de tensiune superficial ()este numeric egal cu lucrul
mecanic efectuat de forele de tensiune superficial pentru a mri suprafaa
lichidului cu o unitate.
Moleculele din stratul superficial : E pot supE pot int
Fenomenele superficiale exprim evoluia unui sistem spre ostare de
echilibru caracterizat printr-un minim energetic.
Tensiunea superficial a lichidelor i soluiilor:
o Scade odat cu creterea temperaturii (0 la tcritic)
o Scade odat cu creterea concentraiei solvitului
o Depinde de natura substanei (solventului i solvitului)
Tensiunea superficial a apei mare (datorit legturilor de
hidrogen dintre moleculele de ap)
n privina influenei solvitului 3 cazuri:
Nu modific tensiunea superficial (ex. zahr dizolv. n ap)
Mrete tensiunea superficial (cazul soluiilor apoase de
electrolii)
Micoreaz tensiunea superficial (ex. soluii apoase de
soluii organice polare)
Substanele care prin adugarea lor scad considerabiltensiunea
superficial a soluiei, se numesc TENSIOACTIVE.
Cele care prin adugarea lor cresc (sau nu modific) tensiunea
superficial a soluiei se numescTENSIOINACTIVE.
SUBSTANELE TENSIOACTIVE :acizi grai cu lanuri lungi de C, alcooli,
sruri biliare,etc.
- Sunt substane organice care conin n molecula lor:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
26/89
Prof.Florenta Mihai
Grupri polare hidrofile (-OH, -COOH,
-CHO, -NH2)
Lanuri hidrocarbonate ( hidrofobe )
Explicaie:
Gruprile polare interacioneaz cu dipolii moleculelor de ap buna
solubilitate a acestor substane n ap
Ptrund ntre dipolii apei din stratul superficial unde se aglomereaz
adsorbie pozitiv
Slbesc forele intermoleculare n stratul superficial scderea
coeficientului de tensiune superficial a soluiei fa de solvent
Concluzie:
n contact cu apa, gruparea polar (hidrofil) se orienteaz n
stratul superficial spre faza apoas, iar cea nepolar (hidrofob)
spre partea opus.
Cantitatea de substan adsorbit n stratul superficial este o funcie
dependent (cresctoare ) de concentraia soluiei.
Dac: cMadsorbit Tens. Sup.
Are loc pn cnd suprafaa liber este saturat. Astfel,T ajunge la o valoare
minim.
Coeficientul de adsorbie : a = - c/TR d/dc Relaia lui Gibbs
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
27/89
Prof.Florenta Mihai
Izoterma tensiunii superficiale
Izoterma de adsorbie
Fenomenul invers, cnd substanele care mresctensiunea superficial se
ndeprteaz de suprafa spre profunzime adsorbie negativ.
Importana tensiunii superficiale n medicin:
Acizii biliari care sunt eliminai prin coledoc n duoden ntlnesc bolul
alimentar ( conine lipide aproape n totalitate nedigerate) i vor
contribui la scderea tensiunii superficiale a grsimilor, ceea ce uureazemulsionarea lor mai eficient metabolizate.
Tens. superf. condiioneaz permeabilitatea membranelor, schimbul
dintre celule i mediul interstiial. Subst. tensioactive favorizeaz
permeabilitatea membranelor, resorbia intestinal o serie de
medicamente se administreaz cu subst. tensioactive.
Anestezicele (subst. tensioact.) determin scderea tensiunii sup. a
sngelui.
Lichidele din organism au tensiuni superficiale < dect a apei se
modific n cazul strilor patologice.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
28/89
Prof.Florenta Mihai
Ex. Urina normal are tens. sup ~ 7010-3N/m. n cazul unor
afeciuni (icter, leziuni hepatice) datorit apariiei unor acizi i
sruri biliare 5010-3N/m
b. Interfaa solid-lichid
(Fenomene capilare)
Fenomenele superficiale care au loc la contactul dintre lichide i solide
fenomene de udare
La contactul dintre solid i lichid apar fore de coeziune FCntre
moleculele lichidului i fore de adeziune FAntre moleculele
lichidului i ale solidului.
n raport cu lichidele, o suprafa solid poate fi:
Liofil (hidrofil) (FA> FC), ud pereii vasului (lichidul
ader la suprafaa solidului)
Indiferent (caz ideal)
Liofob (hidrofob) (FA< FC), evit contactul cu pereii
vasului (lichidul nu ader la solid).
OBS.
n imediata vecintate a pereilor vasului meniscul devine
concav(n raport cu aerul) la lichidele care ud pereiivasului
convexla lichidele care nu ud pereiivasului.
nlimea la care urc (coboar) lichidele n vasele capilare cilindrice de raz r
1mm este dat de legea lui Jurin:
h =gr
2
Aplicaii:
Exist unele substane numite ageni udani care introduse n lichide
favorizeaz udarea unor solide.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
29/89
Prof.Florenta Mihai
Macromoleculele mediilor biologice au o structur complex, asimetric
grupri polare (ionizante): carboxil COOH, amino NH2+, hidroxil
OH, sunt hidrofile (atrag n jur molecule de ap).
grupri nepolare: grupri hidrocarbonice CH sunt hidrofobe
(interac. mai puternic ntre ele dect cu apa)
Efect hidrofob macromoleculele biologice n mediu apos tind s se
plieze i s se plaseze astfel nct s expun spre mediu ct mai multe grupri
hidrofile i s orienteze spre zone interioare grupri hidrofobe.
Ex. Proteinele membranare intrinseci care expun spre mediile intern i
extern apoase grupri hidrofile iar spre interiorul membranar grupri
hidrofobe.
OBS.
Macromoleculele se organizeaz astfel nct mpreun cu solventul s
ating o energie potenial termodinamic minim.
interaciunile dintre mediul apos i macromolecule au loc pn la
degajarea unei cantiti mari de energie cnd se formeaz un numr mare de
legturi.
CURS 5
FENOMENE TERMICE
Termodinamica studiaz legile generale ale fenomenelor termice fr
a ine cont de micrile termice la scar microscopic.
Teoria cinetico-molecular studiaz procesele termice ct iproprietile corpurilor macroscopice, folosind o ipotez cu privire la
structura intim a corpurilor.
OBS.
Se consider c orice corp macroscopic este format dintr-un nr. foarte mare de
atomi, iar micarea acestora se supune legilor mecanicii clasice.
Pentru a simplifica studiul gazelor, s-a recurs la un model cinetic-
molecular modelul gazului ideal.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
30/89
Prof.Florenta Mihai
Caracteristicile unui gaz ideal:
gazul este format dintr-un numr foarte mare de molecule identice;
moleculele sunt considerate punctiforme, deoarece dimensiunile lor sunt
foarte mici n comparaie cu distanele dintre ele;
moleculele nu interacioneaz ntre ele, deoarece spaiile dintre ele suntfoarte mari n raport cu diametrul lor;
ciocnirile dintre i molecule i pereii vasului sunt perfect elastice;
Noiuni termodinamice de baz
Sistem termodinamic o poriune din Univers n interiorul creia pot avea
loc fenomene care se produc cu schimb de cldur.1. Clasificare:
I. Dup schimburile cu mediul:
Deschis schimb de energie i substan cu mediul
nchis schimb de energie caloric
Izolat nici un fel de schimb
OBS.Sistemul adiabatic nu schimb energie caloric cu exteriorul.
Sistemele vii sunt ntotdeauna deschise.(Exist i sist. nchise legate de cele
deschise, ex. forme de bacterii)
II. Structura intern:
Omogen proprieti identice n orice punct al lui sau se modific
continuu, fr salturi
Heterogen proprietile prezint discontinuiti.
Omogene monofazice
Heterogene - polifazice
Sistemele vii sunt heterogene.
III. Dup modificarea proprietilor cu direcia:
Izotrope coeficienii ce caracterizeaz mrimile fizice sunt aceeai n
orice direcie
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
31/89
Prof.Florenta Mihai
Anizotrope valorile coeficienilor se schimb odata cu modificarea
direciei
Cauzele anizotropiei : aezarea ordonat a unor molecule asimetrice, alungite
(n timpul curgerii, introducerea moleculelor polare n cmp electric, etc.)
Fazele sistemelor vii pot fi izotrope ct i anizotrope.
IV. Natura schimburilor energetice:
Simple realizeaz cu exteriorul schimb de cldur, iar lucrul mecanic
este datorat exclusiv forelor de expansiune (dilatare). Interaciunile cu
mediul sunt termo-mecanice.
Complexe schimb cu exteriorul cldur, lucru mecanic datorat
forelor de expansiune i datorat forelor nemecanice, interacionndcomplex cu mediul.
Sistemele vii sunt, fr excepie, sisteme complexe.
2. Starea unui sistem termodinamic totalitatea proprietilor ce
caracterizeaz un sistem la un moment dat.
OBS.
Proprietile sistemului sunt particularizate prin ansamblul de mrimi fizice
msurabile care determin starea unui sistem la un moment dat.
Mrimile fizice:
I. n funcie de istoria sistemului:
De starenu depind de istoria sistemului (au aceeai valoare,
indiferent de calea prin care sistemul o atinge)
De procesdepind de calea prin care sistemul atinge valoarea (Q, L)
II. n funcie de natura lor:
Extensivedepind de dimensiunea i geometria sistemului ( m, V, N,
etc.)
Intensiveindependente de dimensiunea i geometria sistemului (T,
c, , etc.)
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
32/89
Prof.Florenta Mihai
Se pot defini cu exactitate pe domenii reduse infinitezimale.
Mrimi fizice de stare:
Caracterizeaz dimensiunea, geometria, compoziia itoate celelalte
proprieti ale sistemului (termice, mecanice, chimice, electrice, magnetice,
etc.)Se mpart n: - parametri de stare
- funcii de stare
Parametri de staresunt anumite mrimi fizice accesibile direct
msurtorilor cu care starea sistemului poate fi complet caracterizat.
(ex. Pentru gazul ideal p, V, T, )
Ecuaia termic de stare leag parametri de stare:pV = RT (pt. gazul ideal)
o Pentru sistemele omogenestarea este cunoscut dac parametri de stare
sunt constani n timp i cunoscui.
o Pentru sistemele heterogene, starea este cunoscut dac se cunosc
parametri de stare ai fiecrei faze.
Funciile de staresunt mrimi inaccesibile msurtorilor directe ale cror
valori depind exclusiv de param. de stare i pentru o stare datsunt
independente de istoria sistemului.
Variaiile funciilor de stare depind doar de parametri strii iniiale i finale,
fiind independente de strile intermediare prin care trece sistemul.
Ex. U, H, S, F, G etc.
Starea de echilibru i starea staionar
Starea de echilibru
Orice sistem izolat atinge dup un timp o stare de echilibru pe care
nu o mai prsete fr intervenie din exterior. Un sistem aflat n
stare de echilibru nu va ceda energie n exterior (energia este minim
la echilibru).
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
33/89
Prof.Florenta Mihai
Sist.: izolate
Starea staionar
Este o stare a crei meninere necesit n general o anumit
energie. Valorile parametrilor rmn constante n timp pe toat
perioada n care sistemul i menine starea.
Sist.: deschiseOBS.
Sistemele vii nu pot exista n stare de echilibru (o ating abia dup
moarte, deoarece echilibrul exclude orice schimb dintre sistem i mediu).
Ele trec dintr-o stare staionar n alta, tinznd spre echilibru.
Parametri strii staionare se schimb odat cu modificarea structurii. Ex.
boli, traumatisme scot sistemul din stare staionar
Activitatea medical de diagnostic se realizeaz prin msurarea unor
param. de stare: p, V, T, c, ...
Fora termodinamic:
Caracterizeaz echilibrul i starea staionar
Este generat de existena unui gradient
La echilibru: fora termodinamic = 0
n stare staionar: fora termodinamic = const. 0
n stare staionar exist procese de transport pentru a menine
constante mrimile:
Transport activ
Transport pasiv
Proces termodinamic trecerea unui sistem termodinamic dintr-o stare n
alta se numete proces termodinamic (transformare de stare).
Reprezetarea grafic a unui proces termodinamic:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
34/89
Prof.Florenta Mihai
Clasificarea proceselor termodinamice
I. Dup parametrul de stare care rmne constant n timp:
i. Procese termodinamice izoterme( T=const.)
ii. Procese termodinamice izocore( V=const. )
iii. Procese termodinamice izobare ( P=const. )
iv.
Procese termodinamice adiabatice ( fr schimb de cldur cu
mediul ambiant )
II. Dup natura strilor intermediare dintre starea iniial (1) i cea final
(2):
i. Procese termodinamice cvasistatice
ii. Procese termodinamice necvasistatice ( de neechilibru )-strile
intermediare nu sunt stri de echilibru i nu pot fi reprezentae
printr-o curb continu.
iii. Procese termodinamice cvasistatice reversibile
( 21 12 )
III. Dup raportul dintre starea final (2) i starea iniial (1)
i. Procese nchise ( ciclice )
ii. Procese deschise ( neciclice )
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
35/89
Prof.Florenta Mihai
Postuatele termodinamicii. Scri de temperatur
Primul postulat al termodinamicii :
Dac un sistem termodinamic izolat este scos din starea de echilibru
termodinamic, acesta revine intr-o alt stare de echilibru termodinamic din
care nu poate iei niciodat de la sine.
Al doilea postulat al termodinamicii :
Echilibrul termodinamic este tranzitiv ( A~B, B~C AC ).
Scri de temperatur
Celsius: pct. de ngheare a apei 00C ; pct. de fierbere 1000C.
Fahrenheit: 32F ; 212F.
Kelvin : 273,150C ; 373,150C.
Rolul temperaturii :
n teoria cineticomolecular :
Temperatura este o mrime ce caracterizeaz energia cinetic medie de
micare a moleculelor gazului ideal.
32 kT
Din punct de vedere termodinamic :Temperatura caracterizeaz sensul schimbului de cldur intr-un proces.
Teoria cinetico molecular
Substana structur discontinu, granular.
particulele : micare continu i dezordonat
Substana Molecule Atomi
Unitatea atomic de mas : 1u = 1,6610-27kg
Nr. Lui Avogadro : NA= 6,0231026molec/kmol
Volumul kilomolar : VM= 22,42 m3/kmol
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
36/89
Prof.Florenta Mihai
Nr. mol dintr-o substan : n = m/M.
Studiul gazului ideal
Gazele sistemele fizic cele mai simple
Viteza medie i drumul liber mediu:
Ciocniri numeroase (109ciocniri/secund ); vitezele moleculelor variaz
continuu n mrime i direcie.
Viteza medie:
Media aritmetic a vitezelor tuturor moleculelor:
v =n
vi
n
i1
n = nr. de molecule
v =M
RT3 ;
R = const. univ. a. gazelor
M = masa molar
T = temperatura
Viteza medie ptratic :
vmp=M
RT3
Drum liber mediu:
Spaiul l parcurs de molecul ntre 2 ciocniri consecutive :
=n
l
n
i
i1
Parametri de stare ai gazului :Sunt mrimi macroscopice ce caracerizeaz complet starea gazului ideal :
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
37/89
Prof.Florenta Mihai
a) Presiunea, p
b)Temperatura, T
c) Volumul unitii de mas, V/m.
a) Presiunea este un parametru de stare numeric egal cu fora care se
exercit de ctre gaz normal pe unitatea de suprafa a pereteluirecipientului n care se afl gazul.
b)Temperatura este un parametru de stare care msoar gradul de nclzire
al unui gaz.
c) Volumul specific este un parametru de stare numeric egal cu raportul
dintre poriunea din spaiu pe care o are gazul la dispoziie i masa acelui
gaz.
Formula fundamental a gazului ideal:
P = 3
1n0mv2; n0=
M
A
V
N
P= 03
22
2
1nvm = c
3
2n0 (1)
c= energia cinetic medie care revine unei molecule.
c ~ T
c =2
3
kT (2)
Din (1) i (2) P = n0kT
Legile gazului ideal. Ecuaia de stare
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
38/89
Prof.Florenta Mihai
1.Transformarea izoterm. Legea lui Boyle-Mariotte
Se consider o mas de gaz (m = constant) care este comprimat sau destins
la temperatur constant (T = constant).
Dac parametri n stare iniial sunt p1, V1, T iar n stare final sunt p2, V2, T
legea acestei transformri este:
p1V1= p2V2 sau
p V = constant
n coordonatele Clapeyron (p, V) acest tip de transformare se reprezint
printr-o hiperbol, numit izoterm :
2.Transformarea izobar. Legea lui Gay-Lussac
Variaia volumului unei mase constante degaz (m = constant) n funcie de
temperatur, la o presiune constant (p = constant).
tV
V
0
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
39/89
Prof.Florenta Mihai
unde 0V
V
este variaia relativ a volumului, este coeficientul de dilatare
izobar
1
0
1K
T
, T0= 273,15 K, iar t este variaia de temperatur.
constT
V
sauT
V
T
V
0
0
Reprezentarea grafic:
3.Transformarea izocor. Legea lui Charles
Variaia presiunii unei mase constante de gaz n funcie de temperatur, atuncicnd volumul se menine constant (V= const.).
0P
P
= t
P = P P0, adic P0este presiunea iniial, iar P este presiunea final
= 1/ToK1 este coeficientul de dilatare al gazului la volum constant, t
este variaia de temperatur (n C sau K), t = T T0.
o
o
T
P
=T
P
sau T
P
= const.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
40/89
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
41/89
Prof.Florenta Mihai
PV= RT
> 1 mol, V=
V
, relaia de mai sus devine:
PV = R T
i se numete ecuaia de starea gazului ideal n forma general sau ecuaia
Mendeleev Clapeyron.
Legea lui Dalton
P V = (1 + 2.....) RT
sau
P V = 1 RT + 2 RT...
sau, mprind cu V:
P = 1 RT/V + 2 RT/V...
dar
P1= 1 RT/V, P2= 2 RT/V
i atunci,
P = P1+ P2+......
Legea lui Dalton:
Presiunea unui amestec de gaze ideale este egal cu suma presiunilor
pariale ale gazelor componente.
CURS 6
Cldura, lucrul mecanic i variaia energiei interne
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
42/89
Prof.Florenta Mihai
Mrimea care exprim cantitativ capacitatea unui sistem de a efectua
lucru mecanic se numete energie.
n sistemele cu care opereaz bioenergetica exist diferite tipuri de
energie:
mecanic, termic, electric, chimic etc.
OBS.Fiecare tip de energie are o expresie specific.
EX. In mecanic, energia cinetic a unui corp are expresia:
Ec=2
1mv2
Termodinamica biologic studiul transformrilor de energie n sistemele
biologice.
OBS.
ntr-un sistem termodinamic izolat, aflat n echilibru, energia acestuia
nu se modific, sistemul nerealiznd un transfer de energie spre exterior
sau din exterior spre interior, energia sistemului rmnnd constant la
o anumit valoare.
Sistemele biologicefiind sisteme deschise, schimburile permanente de
energie i substan cu exteriorul sunt indispensabile pentrudesfurarea ansamblului de procese care reprezint viaa.
I. Cldura (Q)este o form de energie datorit creia se modific energia
cinetic a moleculelor supuse micrii haotice de agitaie termic.
OBS.
ntre cldura primit sau cedat de un sistem (Q) i variaia detemperatur (T) exist o strns legtur.
Cldura poate fi corelat cu variaia de temperatur T prin relaiile:
Q = C T
Q = m c T
Q = C T
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
43/89
Prof.Florenta Mihai
Dac schimbul de cldur se realizeaz la presiune constant (Qp) se
utilizeaz cpi Cp sau dac schimbul de cldur se realizeaz la volum
constant (Qv), cvi Cv.
Unitate de msur:
[Q] = 1J1 kcal = 4185,5 J
Q > 0 n proces endoterm(primit de sistem)
Q < 0 n proces exoterm(cedat desistem)
II. Lucrul mecanic (L)este o form de energie care ntr-o transformare
reversibil se poate converti integral n energie cinetic sau potenial la nivel
macroscopic.
Din mecanic L =
dF
EXP.
o Presupunem c avem un cilindru cu piston mobil n interiorul cruia se
afl un gaz.
o nclzind gazul, el se dilat, i mrete volumul i mpinge pistonul cu o
for de presiune F (F = p S), deplasndu-l pe distana d, efectund un
lucru mecanic:
L = p S d = p V
Lucrul mecanic este o form de energie care, ntr-o transformare reversibil,
se poate converti integral n energie cinetic sau potenial la nivel
macroscopic.
L > 0 dac procesul este exergonic(efectueaz L asupra mediului)
L < 0 dac procesul este endergonic( L efectuatde mediu asupra
sistemului)
III. Energia intern (U)suma tuturor energiilor cinetice (de oscilaie,
rotaie i translaie) datorate micrilor dezordonate ale particulelor
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
44/89
Prof.Florenta Mihai
constituente ale unui sistem termodinamic i ale energiilor poteniale de
interaciune.
OBS.
n cazul sistemelor ideale, energia intern depinde de temperatur.
Energia intern este o mrime de stare (variaia ei depinde doar de
strile iniial i final i nu depinde de strile intermediare prin caretrece sistemul, U = U2U1)
Este o mrime aditiv (n cazul reuniunii mai multor sisteme, energia
intern a sistemului format este egal cu suma energiilor interne ale
sistemelor componente).
Primul principiu al termodinamicii i aplicabilitatea lui n lumea vie
Principiul I al termodinamicii reprezint o lege de conservare a
energiei aplicat proceselor termice.
ntr-un sistem fizic izolat, n care au loc procese mecanice i termice,
energia total a sistemului se conserv.
Pentru sistemelenchise dar neizolate (exist schimb de energie cu
exteriorul), primul principiu al termodinamicii exprim din punct de
vedere cantitativ dependena care exist ntre variaia energiei interne
Ui celelalte dou forme de schimb de energie: lucrul mecanicLi
cantitatea de cldur Q.
Cantitatea de cldur primit de un sistem duce la variaia energiei
interne a sistemului i la efectuarea de ctre sistem a unui lucru
mecanic asupra mediului exterior.
Matematic, primul principiu al termodinamicii se exprim sub forma:
Q = L + U
n cazul sistemelor vii, care sunt sisteme deschise, transferul de
energie ntre sisteme i mediul nconjurtor se realizeaz i prin schimb
de substan, iar n acest caz, odat cu schimbul de molecule se
transfer i toate formele de energie asociate cu acestea.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
45/89
Prof.Florenta Mihai
Organismele vii sunt sisteme a cror energie intern poate crete sau
poate s scad n funcie de diferite condiii, cum sunt vrsta, starea
fiziologic etc.
Aplicnd primul principiu la transformrile gazului ideal, vom obine
pentru L, Q i U relaiile cuprinse n urmtorul tabel:
Tipul de
transformare
L Q U
Izobar (p=const.) PV CpT CvT
Izocor (V=const.) 0 CvT CvT
Izoterm (T=const.)
RTln i
f
V
V
RTln i
f
V
V
0
Adiabat (Q=0) PV=RT 0 CvT
Bilanul energetic al organismului
Aplicnd unui organism primul principiu al termodinamicii, se obine urmtorul
bilan energetic:
Em = L + Q + Ed
Unde:
Em = energia preluat din mediu (aportul energetic)
L = lucrul mecanic efectuat de organism
Q = cldura degajat de organism
Ed = energia depozitat n rezervele organismului
Situaia se simplific dac se lucreaz n condiii de repaus a organismului:
nu efectueaz lucru mecanic (L = 0) i nu preia energie din mediu (Em=
0)
n aceste condiii:
Ed+ Q = 0
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
46/89
Prof.Florenta Mihai
Organismul degaj cldur pe seama propriilor sale rezerve energetice, care
sunt diminuate prin utilizare:
Q = - Ed= Eu
unde Eu este energia utilizat de organism.
OBS.
Organismul poate fi comparat cu o main termic funcionnd n
condiii izobare i izoterme, iar energia necesar funcionrii lui rezult
n urma reaciilor de oxido-reducere.
Compuii acestor reacii provin din alimente
Bilanul energetical unui organism, B(E), se poate determina dac secunosc aportul A(E)respectiv cheltuielile energetice C(E), relaia dintre ele
fiind urmtoarea:
B(E) = A(E) C(E)
Dac aportul energetic este egal cu cheltuielile, atunci bilanul este egal
cu zero, B(E)=0, adic bilanul este echilibrat. Aceasta este situaia n
cazul organismelor sntoase, crora le este specific starea staionar.
Dac ns bilanul este pozitiv, ceea ce nseamn c aportul energetic
este mai mare dect cheltuielile, este sugerat instalarea obezitii sau
instalarea convalescenei dup o boal.
Dac bilanul este negativ, cheltuielile sunt mai mari dect aportul
energetic ceea ce duce la apariia unui dezechilibru, n cazul subnutriiei
sau al unor boli.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
47/89
Prof.Florenta Mihai
Entalpia i sensul ei fizic
proceselor biologice care au loc la o presiune constant (procese izobare)
entalpie (H)i reprezint suma dintre energia intern i produsul
dintre presiunea i volumul sistemului, adic:
H = U + PV
Variaia entalpiei este:
dH = dU + PdV + VdP
o procesul are loc la presiune constant VP = 0
Atunci relaia de mai sus devine:
dH = dU + L
H = U + L
innd cont de principiul I (Q = U + L) i comparnd ecuaiile obinem:
H = Qp
Variaia entalpiei sistemului se msoar prin cantitatea de cldur
rezultat din transformarea termic izobar n proces.
Variaia de entalpie, respectiv cantitatea de cldur obinut prin arderea
izobar a diferitelor substane biochimice este aproximativ aceeai
pentru aminoacizi, proteine i hidrai de carbon, dar este de circa trei ori
mai mare pentru lipide, ceea ce explic funcia de rezerve energetice pe
care o au grsimile n organism.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
48/89
Prof.Florenta Mihai
CURS 7
Aplicatiile principiului I. Legea lui Hess. Coeficienti izocalorici.
Rolul ATP-ului in organism.
OBS.
Legea conservrii energiei este valabil n toate procesele, inclusiv
n cazul sistemelor vii.
Sursa principal de energie n organism o reprezint procesele de
degradare a substanelor alimentare.
Rolul principal l constituie reaciile de oxidare ale carbonului i
hidrogenului (85%), reaciile de hidroliz (14%), neutralizri,
hidratri, scindri moleculare etc (1%).
Cedarea de energie de ctre organism se face sub form de lucru
mecanic, cldur, evaporarea apei.
Legea lui Hess este o consecin a primului principiu al termodinamicii i esteaplicabil proceselor chimice.
Enunul legii este urmtorul:
Dac din anumite substane iniiale se obin pe diferite ci
anumii produi finali, indiferent de cile folosite, adic de tipul
reaciilor intermediare, efectul termic total pentru aceste ci va fi
acelai.
Efectul termic (Q)suma cldurilor degajate i a ntregului lucru mecanic
efectuat de sistem asupra mediului nconjurtor.
procesele care se produc la presiune constant efectul termic:
Qp= H
procesele care se produc la volum constant
efectul termic: Qv = U
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
49/89
Prof.Florenta Mihai
Ilustrarea legii lui Hess
considerm produii iniiali A1, A2, A3.....de la care prin reacii chimice se
ajunge la produii finali B1, B2, B3.....
acest lucru se poate realiza pe mai multe ci: calea direct (I) cu entalpia de reacie H1
calea (II) cu etapele H2, H3, H4
calea (III) cu etape H5, H6, H7, H8
Conform legii lui Hess, vor fi ndeplinite egalitile:
H1 = H2+H3+H4 = H5+H6+H7 +H8
Coeficienii izocalorici
stabilesc n cazul unui organism viu aportul energetic chimicprin
diferiii principii alimentari (glucide, lipide, proteine).
prin msurtori n afara organismului se poate calcula cantitatea de
energie obinut n urma aportului unei cantiti de alimente.
Coeficienii izocalorici (ci)cantitatea de energie (kcal) care se pune
n libertate prin arderea unui gram de principiu alimentar, n condiii
determinate.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
50/89
Prof.Florenta Mihai
ci=m
H
(kcal/g)
n funcie de condiiile n care se determin:
A. Coeficienii izocalorici fizici cantitatea de energie care se
elibereaz prin arderea unui gram de principiu alimentar n bomba
calorimetric, n condiii de laborator.
B. Coeficienii izocalorici fiziologicicantitatea de cldur eliberat
prin arderea unui gram de principiu alimentar pn la produii finali de
metabolism.G, L CO2i H2O
P CO2, H2O + alte subst. organice complexe (uree, creatina,
creatinina...)
OBS.
Pot fi utilizai numai n calculele pivind cantitile princ. aliment. ce intr
n reaciile metabolice.
C. Coeficienii izocalorici practici cantitatea de cldur eliberat
prin arderea unui gram de principiu alimentar pn la produii finali de
metabolism, inndu-se cont de gradul de digestibilitate i absorbie al
alimentelor.
OBS.
Au fost introdui pentru calculul cantitilor de energie efectiv primite
organism de la alimentele ingerate.
grad de digestibilitate i absorbie = coeficient de utilizare digestiv
(ud):
ud = ing
abs
m
m
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
51/89
Prof.Florenta Mihai
cipract= ud cifiziol
ud depinde de: factori individuali, natura alimentelor, gradul de preparare.
Principiul al doilea al termodinamicii. Entropia
lege general a naturii
s-a stabilit n urma unor experiene: randamentul mainilor termice
care transform cldura n lucru mecanic.
Carnot n cazul unei maini termice care produce lucru mecanic,datorit transformrilor ciclice de stare ale unui fluid ce trece de la o
temperatur mai ridicat (T1) la una mai sczut (T2), randamentul depinde
doar de cele dou temperaturi i nu depinde de natura fluidului, dup relaia:
= 1 1
2
T
T
< 1 nu se poate ca ntreaga cantitate de cldur preluat de la sursa
cald s fie transformat integral n lucru mecanic, ci o parte din ea va trece la
corpurile nconjurtoare.
Carnot printr-o transformare ciclic lucrul mecanic poate fi transformat
integral n cldur, invers nu este posibil (sens unic de desfurare al
proceselor din natur).
toate procesele spontane dintr-un sistem se desfoar n sensul scderiilucrului pe care l-ar putea efectua sistemul.
dac un sistem efectueaz lucru mecanic pe seama scderii energiei
interne, lucrul mecanic efectuat este mai mic dect energia intern, deoarece o
parte din ea trece n cldur.
aceast energie este egal cu produsul dintre temperatura sistemului i
S, unde S reprezint o nou mrime fizic, ce este totodat o funcie de
stare, i se numete entropie: Q = T Sn orice proces spontan entropia crete.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
52/89
Prof.Florenta Mihai
Deci, sunt posibile numai acele procese termodinamice pentru care S
0(inegalitatea lui Clausius).
Primul principiu devine
T S = U + LOBS.
Din energia intern a unui sistem aflat la temperatura T poate fitransformat n lucru mecanic doar o parte i aceea se numete energieliber (F):
F = U T S
n sistem izolat:
Proc. Izoterm: F = U T S, U = const. U = 0, dar S > 0 i rezult
c
F = -T S < 0.
Concluzie:
Potrivit principiului al II-lea al termodinamicii, prin orice proces care are loc
ntr-un sistem izolat, energia liber scade i entropia sistemului crete.
Fenomene de transport
CURS 8
Fenomene moleculare de transport
La toate nivelele de organizare a materiei se ntlnesc, sub diverse
forme, fenomene detransport de substani transfer de energie, care
sunt indispensabile funcionrii organismelor vii.
Fenomenele moleculare de transport se manifest n sisteme neomogene
(asimetrice) i se desfoar n sensul diminurii i eliminrii neomogenitilor
sistemului respectiv.
n consecin va aprea un transport de substan i energie care va
avea ca scop diminuarea pn la dispariie a neomogenitilor sistemului.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
53/89
Prof.Florenta Mihai
Atingerea strii de echilibru se realizeaz n mod spontan, fr consum
de energie din exterior, numai prin agitaie termic molecular.
Importan:
Fenomenele de transport au o importan deosebit n
biologie n special n cadrul fenomenelor de transport prin membrane biologice.
Difuzia. Legile lui Fick
Def.
Difuzia reprezint fenomenul de ptrundere a moleculelor unui corp printre
moleculele altui corp aflat n aceeaistare de agregare.
Obs.
La lichide fenomenul se produce cu o intensitate mai mic dect la gaze,
datorit forelor intermoleculare mai mari i a agitaiei termice mai mici dect
n cazul gazelor.
o Dou soluii de concentraii diferite (C1>C2), separate printr-un
perete despritor flux de substan de la concentraie mare la
concentraie mic i va nceta n momentul n care ele devin
egale.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
54/89
Prof.Florenta Mihai
DEF.
Fluxul de substanreprezint cantitatea de substan care traverseaz
unitatea de suprafa n unitatea de timp:
tS
mJ
(1)
DEF.
Fluxul de substan transportat este proporional cu diferena de
concentraie de-a lungul direciei dup care are loc.
x
CDJ
(2)
D coeficient de difuzie i depinde de:
natura substanei, a mediului
frecarea intern
temperatur.
Din formulele (1) i (2) rezult c:
x
CSD
t
m
x
CD
tS
m
Cantitatea de substan transportat n unitatea de timpeste proporional cu seciunea transversal prin care are loc difuzia,
cu gradientul de concentraie, depinde de natura substanei care
difuzeaz i de natura mediului n care are loc difuzia.
Trnsportul de substan modificarea concentraiei n timp n fiecare
punct al spaiului uniformizarea soluiei.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
55/89
Prof.Florenta Mihai
Legea a II a Fick: )(dx
dc
dx
dD
dt
dc
Transportul cldurii prin conducie, convecie i radiaie
a) Transportul cldurii prin conducie
Fenomenul de transport al cldurii se numete conductibilitate
termic i a fost studiat de ctre Fourier.
o Sistem neuniform nclzit, adic exist o diferen de temperatur
ntre diferite puncte ale sale.
o n consecin flux de cldur (JQ) echilibru termic (se egaleaz
temperaturile).
Mecanismul de transmitere
energia cinetic a moleculelor fiind maimare la captul mai cald duce la o ciocnire mare a moleculelor i energia
caloric se transmite din aproape n aproape la captul opus.
DEF.
Fluxul de cldur (JQ) reprezint cantitatea de cldur Q ce trece prinunitatea de arie S n unitatea de timp.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
56/89
Prof.Florenta Mihai
tS
QJ
Q
(3)DEF.
Fluxul de cldur depinde de gradientul de temperatur
x
T
i denatura substanei ()
x
TJ
Q
(4)
coeficient de conductibilitate termic.
Din formulele (3) i (4) rezult:
X
TS
t
Q
Cantitatea de cldur transportat n unitatea de timp este
proporional cu seciunea transversal prin care are loc
conductibilitatea, cu gradientul de temperatur i depinde de natura
substanei.
Conductibilitatea termic a cristalelor depinde de direcie deoarece
sunt sisteme anizotrope.
Conductibilitatea termic a lichidelor este mai mic dect a solidelor,
iar a gazelor este mai mic dect cea a lichidelor.
Conductibilitatea termic i cea electric cresc atunci cnd temperatura
scade.
b)Transportul cldurii prin convecie (cureni)
Are loc numai n cazul lichidelor i al gazelor care vin n contact cu
un material solid compact aflat la alt temperatur.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
57/89
Prof.Florenta Mihai
Dac solidul cu care vine n contact masa de fluid (ex. aer) este la o
temperatur mai sczut dect a acestuia, atunci fluidul cald cedeaz peretelui
o parte din energie i se va rci.
Devenind prin rcire mai dens, aerul va cdea, urmnd s fie
nlocuit de o cantitate de aer mai cald din incint.
n acest fel se realizeaz o deplasare continu de aer n jurulperetelui i totodat se realizeaz un transfer de cldur de la aerul cald la
peretele rece
Prin nclzire, la locul de contact cu o surs cald, fluidul i
modific densitatea i ca urmare se formeaz cureni ascendeni.
b) Transportul cldurii prin radiaie
Spre deosebire de conducie i convecie, la transportul cldurii
prin radiaie nu este necesar un mediu material pentru a transporta energia.
Energia caloric se transmite prin unde electromagnetice cu
lungime de und mai mare dect a luminii de culoare roie din spectrul vizibil
(>rou), care sunt purttoare cu cldur. Ele se numesc radiaii infraroii.
Corpurile care permit trecerea radiaiilor infraroii se numesc
diatermane iar cele care nu permit trecerea lor se numesc atermane.
Cnd un corp metalic atinge o temperatur de 5000C el se
nroete i devine luminos. Odat cu creterea n continuare a temperaturii
culoarea lui variaz spre alb.
Cldura pe care o primete corpul prin nclzire se transform n
energie radiant.
Energia radiant emis n unitatea de timp se numete
putere emitoare a corpului.
Un corp care absoarbe toate radiaiile care cad asupra lui se
numete corp negru. Atunci cnd un corp negru este nclzit, el emite toate
radiaiile posibile. Corpul negru este definit ca emitor i totodat absorbant
perfect de radiaie.
Transportul cldurii n organism
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
58/89
Prof.Florenta Mihai
Organismul uman produce cldur care se transmite din centrul
corpului spre suprafa, iar de aici spre mediul exterior.
Cantitatea de cldur i temperatura din interiorul organismului
difer de la un organ la altul. Cldura este transportat din locurile cu
temperatura mai ridicat spre cele cu temperatura mai sczut prin conducie
i convecie. Conductibilitatea termic a esuturilor este redus, mai ales a
celor groase, astfel nct rolul principal n transportul cldurii l constituie
sngele.
Transmiterea cldurii prin intermediul sngelui este favorizat i
de cldura lui specific mare, fiind aproximativ egalcu cea a apei
(1 calggrad sau 4185 J/kggrad).
Transportul cldurii din interiorul organismului cu temperatura Tispre
suprafaa lui cu temperatura TSeste dat de relaia:
Q1= C1(TiTS)
C1este capacitatea caloric a organismului n transferul cldurii din
interior spre suprafa.
Transportul cldurii de la suprafaa corpului cu temperatura TSn
mediul exterior cu temperatura Teeste dat de o relaie similar:
Q2= C2(TSTe),
C2este capacitatea caloric a organismului n transportul cldurii de la
suprafaa lui n mediul ambiant.
n regim staionar:Q1= Q2, adic:
C1(Ti-TS) = C2(TS-Te)
Din care rezult 2
1
2
1 ,C
C
TT
TT
C
C
Si
eS
se numete indice termic al
circulaiei.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
59/89
Prof.Florenta Mihai
Transmisia cldurii spre exterior se realizeaz prin conducie,
convecie, radiere i evaporarea apei prin transpiraie.
Transmiterea cldurii prin conducie, convecie i radiere reprezint
aproximativ 70 80 % din totalul cldurii transmise mediului exterior, iar prin
evaporare se cedeaz 20 30 % din aceasta.
n condiii de efort fizic pierderea de cldur prin evaporare este de6070 % din totalul cldurii. n cazul muncilor fizice grele corpul poate pierde
4 12 l ap prin evaporare, ceea ce reprezint o cedare considerabil de
cldur.
Din cauza aderrii unui strat de aer de circa 4 8 mm la suprafaa
pielii, numit strat marginal, corpul se va opune cedrii cldurii prin curenii de
convecie i conducie. Grosimea acestui strat scade atunci cnd corpul este n
micare.
CURS 9
TRANSFORMRI DE FAZ
I. Transformarea reciproc ntre starea solid i cea lichid.
Corpuri solide:A. cristalineB. amorfe
A.Corpuri cristaline:
- simetrie de aranjare a atomilor, ionilor
- dispunere: regulat, continu i periodic a particulelor n cristale (dat.
forelor de inter. foarte puternice)
- particulele se aranjeaz a.. Epot= min (cristalul este stabil)
- proprieti:- anizotropie
- punct de topire bine determinat pentru ac. presiune
B.Corpuri amorfe:
- nu au o simetrie de aranjare a particulelor
- dispunere: haotic a particulelor componente n tot volumul corpului.
- ordine local.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
60/89
Prof.Florenta Mihai
- dispunerea este asemntoare cu cea a particulelor n lichide, dar n
corpurile amorfe au o mobilitate mult mai mic (sticla).
I. Corp cristalin solid
lichidastarecristalinsolidcorpt
.detbineT
Def.
Procesul de trecere a unei substane din faza solid n faza lichid la Ttn
absorbie de cldur TOPIRE.
Procesul invers: stare lichid stare solid SOLIDIFICARE
(CRISTALIZARE)
Explicarea topirii:
Fatr.slabe corpul solid i reorganizeaz local reeaua cristalin.La topire: V - corp cristalin crete
- corp cristalin scade
EXCEPIE:- gheaa, fonta, aliaje
V scade, crete
Legile topirii (solidificrii):
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
61/89
Prof.Florenta Mihai
1. Topirea i solidificarea fenomene inverse (au loc la aceeai
temperatur).
2. Tt= constant (cnd = constant)
3. La Tt, starea solid i cea lichid sunt n echilibru: pres. vaporilor
celor 2 faze este aceeai.
Cldura latent de topire:
m
Qt
B.Corpuri amorfe:
- tranziia n starea lichid se realizeaz
- lanclzire treptat se nmoaie i n final devin lichide.
- n timpul topiriicorpurile amorfe Ttcrete astfel nct Ttconstant
- la solidificare, temperatura scade constant interval de temperatur de
nmuiere (solidificare)
Eutectice
Tta unei substane depinde de puritatea ei.
Definiie:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
62/89
Prof.Florenta Mihai
Compoziia aliajului sau amestecului care corespunde punctului de Ttminim
se numete eutectic.
n tehnic amestecurile eutectice foarte importante n special n
cazul amestecurilor sub form de pulbere acror temperatur corespunztoare
eutecticului se gsete la temperatura camerei.
II. Transformarea din starea lichid n starea gazoas i reciproc.
Trecerea unei substane din stare lichid n stare de vapori cu abs. de
cldur VAPORIZARE.
Procesul invers: CONDENSARE.
Dac: Viteza moleculelor de lichid viteza medie Ecsuficient de mare nvingerea Fatr.Din interiorul lichidului moleculele prsesc suprafaa liber a
lichidului VAPORIZARE.
Vaporizarea la suprafaa lichidului EVAPORARE.
Vapori saturanivaporii aflai n echilibrul dinamic cu lichidul din care
provin (ps). Vaporii saturani sunt n contact cu lichidul i au o presiune
maxim.
Vapori nesaturanisunt acei vapori care nu sunt n contact cu lichidul
propriu i au o presiune mai mic dect cea a vaporilor saturani.
Pentru ca vaporizarea s aib loc la o temperatur constant, este necesar
furnizarea unei energii calorice lichidului.
Cldura latent de vaporizare: V= m
Q
FIERBEREAprocesul de vaporizare care are loc n toat masa lichidului.
Temperatura la care fierbe lichidul este constant i se numete temperatur
de fierbere.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
63/89
Prof.Florenta Mihai
OBS:
Dac presiunea deasupra lichidului este normal, adic de 1 atm, temperatura
la care fierbe lichidul se numete temperatur normal de fierbere. Odat
cu creterea presiunii exterioare temperatura de fierbere va crete de
asemenea i invers.
APLICAIE:
autoclve temperatura de fierbere a apei atinge 131C i permite
sterilizarea mai bun, distrugnd i bacteriile rezistente la temperatura
normal de fierbere a apei.
Spre deosebire de vaporizarea n vid, n atmosfer gazoas evaporarea se face
mai lent. Dac se face ntr-un volum limitat, ea se produce la fel ca i n cazuln care s-ar face n vid, pn cnd presiunea vaporilor din incint devine egal
cu presiunea vaporilor saturani.
III. Lichefierea gazelor:
- Scderea temperaturii + creterea presiunii deasupra unui lichid
favorizeaz transformarea din gaz n lichid.
- n unele cazuri este suficient o simpl rcire (SO3, la t = -8oC, p = 1
atm) sau o simpl comprimare la temperatur const. ( SO2, t = 10oC, p
= 3,24 atm)
Andrews (1813 1885) a comprimat izot.
CO2izot. de variaie a p n f. de V:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
64/89
Prof.Florenta Mihai
450C (p.V. = const.) legea B-M
350
C uoar inflexiune31,10C CO2lichid (n pct. C)
izoterma critic
1. deasupra ei poate fi numai gaz
2. sub ea gazul poate fi lichefiat prin mrirea presiunii.
Gazele - departe de izot. crit. gaze ideale
- aproape de izot. crit. gaze reale
Gaze reale:
La o anumit presiune, Vg.realVg.ideal
Studiul interaciunilor dintre molecule (V.d.W.)
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
65/89
Prof.Florenta Mihai
1. din cauza forei de interaciune p +
pV = RT (p+)V = RT
2. volumul molecular nu mai poate fi neglijat V - b
(p+)(V - b) = RT
= aV2
RTbVV
ap2
ec. V.d.W. pentru gaze reale
Forele V.d.W. sunt mult mai slabe dect energia de legtur chimic.
faza solid faza gazoas SUBLIMARE
faza solid faza gazoas DESUBLIMARE
(p,T): un punct n care se afl n echilibru cele 3 faze: S, L, G,ale unei
substane STAREA TRIPL A SUBSTANELOR
H2O: Tt= 273,15 K
KELVINUL:1273,15 din temperatura corespunztoare strii triple a apei. Caracteristic pentru aceast diagram este faptul c cele 3 curbe de
echilibru delimiteaz cele 3 faze posibileale sistemului solid-lichid-vapori.
Echilibrele dintre cele 3 faze sunt redate prin curbele OA, OB i OC.
Pentru fiecare presiune dat, sistemul este n echilibru (deci nu mai
variaz) numai la o anumit temperatur.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
66/89
Prof.Florenta Mihai
De ex. pentru presiunea de 760 torr, temperatura de echilibru este 00C, iar
temperatura de echilibru ap-vapori este de 1000C.
Din diagram se observ c, la diferite presiuni i temperaturi, pot exista cte
dou faze n echilibru: solid-lichid, lichid-vapori sau solid-vapori. Exist un
singur punct, punctul triplu, la care pot coexista cele 3 faze ghea, ap ivapori. La ap, punctul triplu este de 0,010C i 4,6 torr.
CURS 10-11
Proprieti coligative ale soluiilor
1. Reducerea presiunii vaporilor
2. Creterea temperaturii de fierbere (ebuliosopie)
3. Reducerea temperaturii de congelare (crioscopie)
4. Osmoza
OBS.
Presiunea de vapori, punctul de fierbere i de congelare (topire) ale
unei soluii nu sunt aceleai cu cele ale solventului pur.
Variaiile punctelor de fierbere i de congelare, pentru soluiile diluate
sunt proporionale cu concentraiile molare ale substanei dizolvate.
1. Reducerea presiunii de vapori.
Odat cu formarea unei soluii se modific att proprietile
substanei dizolvate ct i proprietile dizolvantului.
Diagrama de faze a apei comparativ cu cea a unei soluii
apoase:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
67/89
Prof.Florenta Mihai
O: punctul triplu al apei
OS: punctul triplu al soluiei
Presiunea de vapori a soluiilor, Pi, este mai mic cu P dect presiunea de
vapori a solventului pur, P0, iar scderea de presiune este proporional cu fracia
molar a substanei dizolvate, Xi.
Acest enun este cunoscut ca Legea lui Raoult:
P = (PoPi) = XiPo,
Xi= 2/ (1+2) ~ 2/ 1
2nr. moli subst. dizolv.
1nr. moli solvent
(PoP)/Po= (m2/M2)/(m1/M1) = (2/1000)M1~ Cmolar
Scderea relativ a pesiunii de vapori este proporional cu concentraia molar
a soluiei.
2. Creterea temperaturii de fierbere (ebulioscopie):
Ca urmare a micorrii presiunii de vapori, o soluie fierbe la o
temperatur Tfierb.solsuperioar temperaturii Tfierb.solv. a solventului pur.
Creterea punctului de fierbere al soluiei depinde numai de concentraiasoluiei i nu de natura substanei dizolvate:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
68/89
Prof.Florenta Mihai
Tebulioscopic= Tfierb.solTfierb.solvent
Creterea temperaturii de fierbere a unei soluii n comparaie cu temperatura
de fierbere a solventului pur se numete efect ebulioscopic.
Raoult: Pentru acelai solvent, creterea temperaturii de fierbere a
soluiei fa de cea a solventului pur este proporional cu
concentraia soluiei.
Tebulioscopic= KECmolar
KE constanta ebuloscopic (ridicarea punctului de fierbere atunci cnd n
sol. se afl un mol de substan dizolvat n 1000 g solvent).
3. Reducerea temperaturii de congelare (crioscopie)
Efectul crioscopic const n scderea punctului de congelare (ngheare) unei
soluii n comparaie cu punctul de congelare al solventului pur:
Tcrioscopic= Tcong. solventTcong. sol.
Raoult: Pentru orice solvent pur, scderea temperaturii de congelare a
soluiei fa de cea a solventului pur este proporional cu
concentraia molar a soluiei.
Tcrioscopic= KCCmolar
KC constanta crioscopic ( coborrea punctului de congelare cnd n soluie
se gsete un mol de substan dizolvat n 1000 g solvent).
OBS.
n cazul neelectroliilor, Tcrioscopici KCnu depind de natura substanei,
ci doar de numrul demolecule-gram dizolvate.
n cazul electroliilor, datorit disociaiei vor exista mai multe particule
n unitatea de volum. Rezult un factor de corecie, i:
Tcrioscopic= iKCCmolar
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
69/89
Prof.Florenta Mihai
i = 1+ (1) , unde = nr. de ioni i = grd. de disociere
4. Osmoza
DEF.
Dac dou soluii de concentraii diferite snt desprite printr-omembran semipermeabil are loc un fenomen de difuzie selectiv a
moleculelor solventului, fenomen numit osmoz.
4.1. Presiunea osmotic Legea vant Hoff
Pentru a pune n eviden fenomenul de difuzie a substanelor prin
anumite membrane, Pfeffer a realizat urmtoarea experien:
Osmometrul Pfeffer
captul inferior al unui tub din sticl membran semipermeabil tubul a fost umplut pn la un anumit nivel cu o soluie de zahr i apoi cu
partea acoperit de membran s-a introdus ntr-un vas cu ap pn la nivelul
la care se afla soluia de zahr
ridicarea nivelului soluiei n tubul respectiv ptrunderea apei n tub prin
membrana semipermeabil.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
70/89
Prof.Florenta Mihai
apa ptrunde prin membran n tub pn cnd va fi oprit din
cauza atingerii unei stri de echilibru, cnd presiunea osmotic devine egal cu
diferena de presiune hidrostatic.
DEF.
Diferena de presiune aprut pe cele dou pri ale membranei senumete presiune osmotic.
CONCLUZIE:
Prin osmoz se nelege, deci, fenomenul de trecere preferenial i cu
vitez mare a solventului pur sau a unei soluii mai diluate spre o soluie mai
concentrat.
Exercitarea presiunii osmotice:
OBS.
transferul nu are loc dinspre soluia concentrat spre cea diluat pentru
egalizarea concentraiilor, ci invers.
solventul poate trece prin membran, dar nu i solvatul i n acest caz
procesul care are loc se va desfura sub aciunea presiunii osmotice.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
71/89
Prof.Florenta Mihai
Vant Hoff analogie ntre presiunea exercitat de o soluie diluat i
neelectrolitic i presiunea exercitat de un gaz, aplicnd n cazul soluiei legea
generat a gazelor perfecte,adic:
TRV
TRV
undec
V
reprezint
concentraia molar.
Cu aceste nlocuiri obinem pentru presiunea osmotic:
= cRTlegea vant Hoff (laureat al premiului Nobel pentru chimie n anul 1904).
reprezint presiunea osmotic, c concentraia molar, R constanta
universal a gazelor, iar T reprezint temperatura.
dou soluii care au aceeai concentraie molar i au aceeai
temperatur au presiunile osmotice egale, indiferent de natura lor.
DEF.
Dou soluii cu presiunile osmotice egale se numesc izotonice.
Trecerea apei din exterior spre interior se numete endosmoz, iar invers,
spre exterior se numete exosmoz.
Dac dou soluii au presiuni osmotice diferite, cea cu presiunea
osmotic mai mare se numete hipertonic, iar ce cu presiunea osmotic
mai micse numete hipotonic.
4.2. Importana biologic a osmozei
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
72/89
Prof.Florenta Mihai
Osmoza intervine n multe procese fiziologice care au loc n interiorul
plantelor i animalelor, jucnd un rol important n schimbrile dintre organisme
i mediul lor de via, ntre celulele i mediul extracelular.
OBS.
O celul introdus ntr-o soluie izotonic nu va suferi nici o modificare avolumului, deoarece nu se produce nici un schimb de substan ntre soluie i
citoplasm.
Turgescena reprezint fenomenul de mrire a volumului unei
celule prin ptrunderea apei n interiorul ei (endosmoz).
Atunci cnd celulele se gsesc ntr-o soluie hipotonic, apa intr n
celul cutnd s dilueze coninutul ei. Fenomenul invers, de micorare a volumului unei celule prin ieirea
apei, atunci cnd se gsete ntr-o soluie hiperton se numete
plasmoliz.
Hemoliza:
Dac celula este o hematie i se introduce ntr-o soluie hipotonic, ea se
va umfla datorit ptrunderii apei, ns doar pn la o anumit limit,
cnd se va rupe i n consecin va elibera hemoglobina trecnd n
lichidul de suspensie.
Fenomenul de rupere a hematiei se numete hemoliz iar volumul la
care se rupe hematia se numete volum critic de hemoliz.
n final celula moare, iar fenomenul se numete citoliz.
OBS.
Izotonia este o condiie important de care trebuie s se in cont
atunci cnd se introduc cantiti de lichid n snge, fie n scop curativ (prin
injecii intravenoase), fie n cazul conservrii sngelui. Pentru a nu se modifica
echilibrul osmotic al serului sanguin, soluiile injectate trebuie s aib aceeai
presiune osmotic.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
73/89
Prof.Florenta Mihai
La animale, ca urmare a existenei substanelor coloidale (substane cu
diametrul 1 100 m) apare o presiune coloid osmotic (oncotic).
Formarea edemelor n strile patologice se explic prin dereglarea presiunii
coloid osmotice.
Membranele animale nu sunt perfect semipermeabile, deoarece las streac i substanele cristaloide dizolvate, dar nu las s treac suspensiile
coloidale. Aceast nsuire permite separarea substanelor sub form
coloid de cele cristaloide, proces ce se numete dializ.
Realizarea dializei
Soluia cu amestecul de coloizi i cristaloizi se introduce n vasul prevzut
cu membran. Cristaloizii difuzeaz n curentul de ap curat, n timp ce
coloidul este reinut.
Apa i importana ei n lumea vie
Clasificarea apei din organismele vii
o n raport cu celulele exist ap intracelulari extracelular, care la
rndul ei poate fi interstiiali circulant(intravasculara).
o Dup starea ei de fixare n organism, apa poate fi legat(coninut n
structuri moleculare) i liber.
o n funcie de provenien, apa poate fi exogen(adus din exterior) sau
endogen(rezultat din procesele metabolice).
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
74/89
Prof.Florenta Mihai
Proprietile fizice ale apei
Datorit proprietilor fizice pe care le are, apa are o importan
deosebit pentru organismele vii, influennd existena, conformaia i
funciileacestora.
Variaia densitii apei cu temperatura
oSpre deosebire de celelalte lichide, apa i mrete volumul prin
solidificare i i micoreaz densitatea. Ea are densitatea maxim la 4C.
oPrin rcire, ntre 4C i 0C apa se comport anormal, dilatndu -se. Ca
urmare, gheaa are densitatea mai mic dect apa la 4C i de aceea plutete
pe ap.
(Aceast anomalie se explic prin faptul c, o dat cu scderea temperaturii,
crete gradul de ordonare al moleculelor de ap, prin creterea numrului de
legturi de hidrogen. Reeaua molecular devine tot mai structurat, ceea ce
determin mrirea volumului gheii i scderea densitii).
Proprietile termice ale apei
o Ca urmare a activitii metabolice, organismele vii produc energie, mai
ales sub form de cldur.
o Dac se presupune c un organism viu ar fi un sistem izolat avnd
cldura specific apropiat de cea a apei (1 cal/ggrad), atunci valoarea
temperaturii lui ar crete mult peste 37 40C. (ns la temperaturi mai mari
de 42C ncep s se denatureze proteinele, vitezele reaciilor chimice ar crete
foarte mult, iar aceste modificri nu mai sunt compatibile cu viaa).
OBS.
Prin proprietile fizice i valorile constantelor termice, apa are un rol deosebit
de important n procesele de termoreglare ale organismului (rol
termoregulator).
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
75/89
Prof.Florenta Mihai
o Organismele vii pot primi din exterior cantiti nsemnate de cldur,
care ns produc nclziri mici. Sngele, prin coninutul ridicat de ap,
transport o mare cantitate de cldur din locul unde se produce n tot
organismul, uniformiznd temperatura acestuia. Prin intermediul vaselor
sanguine din apropierea suprafeei corpului, sngele cedeaz cldur mediului
exterior prin radiaii.o Conductivitatea termic a apei este mare n comparaie cu ali
constitueni organici i, n concluzie, organismele vii pot evita hipertermiile
locale prin transport rapid al cldurii.
Noiuni de biofizic celular
Membrane biologice
DEF.
Membranele biologice se definesc ca fiind ansambluri compuse din
proteine i lipide care formeaz structuri continue bidimensionale, cu
proprieti caracteristice de permeabilitate selectiv, prin care se realizeaz
compartimentarea materiei vii.
I. Structur i proprieti
Funciilepe care le ndeplinete membrana sunt urmtoarele:
delimiteaz celula (organitele celulare)de mediul exterior;
prezint permeabilitate specific pentru ioni i unele macromolecule;
constituie locul unor reacii enzimatice.
II. Compoziia biochimic a membranelor biologice
Toate membranele biologice au n principiu o structur comun.
Principalele componente ale membranelor biologice sunt:
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
76/89
Prof.Florenta Mihai
proteinele(60-80 %)
lipidele (40-20 %) (resturile glucidice sunt ntotdeauna ataate
proteinelor sau lipidelor)
alte componente minore (ioni, ap, transportori) (insuficient
studiate cantitativ).
I. Lipidele asigur funcia de barier a membranelor. Principalele clase delipide ntlnite n membranele celulare sunt:
A. fosfolipidele(55 % din lipidele membranare);
B. glicolipidele;
C. colesterolul.
Ele au n structura lor o grupare polar i una nepolar.
A. Fosfolipidele:
a. Fosfogliceridele
Se bazeaz pe molecule de glicerol n care dou grupri hidroxil
sunt esterificate cu acizi grai (unul saturat i unul nesaturat), iar a
treia poziie este ocupat de o grupare polar.
Structura fosfogliceridelor
Gruparea polar a fosfogliceridelor este variat.
De restul de acid fosforic H3PO4se leag:
o colin(n lecitin i n fosfotidilcolin)
o
etanolamin(n fosfatidilietanolamin)
o serin(n fosfatidilserin).
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
77/89
Prof.Florenta Mihai
b. Sfingolipidele
Au la baz sfingozin (aminoalcool cu lan lung de atomi de carbon).
Structura lor asemntoare cu cea a fosfogliceridelor. Cea mai rspndit
sfingozipid este sfingomielinacare are aceeai grupare polar ca i lecitina.
B. Glicolipidele Au la baz tot structura sfingomielinei, dar n locul gruprii polare
fosforilcolin se afl legate resturi glucidice.
n cele mai simple glicolipide, numite cerebrozide, gruparea
polar const dintr-un asemenea rest, de exemplu glucoz sau galactoz
(galactocerebrozida este componenta major a mielinei).
C. Colesterolul Este o alt lipid major din membranele celulelor eucariote.
Proporia acestuia este mai mare n plasmalem i n mielin (deci n
membranele la care predomin funcia de barier) i mai mic n membranele
intracelulare.
OBS.
Compoziia lipidic a membranelor celulare variaz de la un tip de membran
la altul, chiar n aceeai celul, de la o specie la alta, i de la o celul la alta
cnd este vorba de acelai tip de membran.
II. Proteinele confer funcionalitatea membranei.
Ele intervin n transportul activ, ndeplinesc funcii enzimatice sau de
receptori.
Dimensiunile lor sunt mai mari dect ale lipidelor.
Exist 2 categorii de proteine: proteine perifericei proteine integrate.
1.Proteine periferice
Ele sunt extrinseci i pot fi extrase uor prin tratare cu soluii diluate de sruri;
sunt ataate la exteriorul bistratului lipidic, interacionnd n principal cu
gruprile polare ale lipidelor sau cu proteinele intrinseci (integrale) prin fore
electrostatice.
-
7/26/2019 curs sapt 1-3
78/89
Prof.Florenta Mihai
2. Proteine integrate
Aceste proteine sunt integrate i nu pot fi extrase dect dup distrugerea
structurii membranei cu detergeni; acestea sunt molecule amfifile mici ce
formeaz micele n ap.
III. Caracteristicile fizice ale membranelor biologice
Caracterul amfifilse datoreaz lipidelor care prezint un cap hidrofil i o
coad hidrofob; n consecin ele formeaz n mod sponta