-
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
1/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
BIOFIZICACURS 1
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
principale ale 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.
Biofizica folosete aproape toate domeniile clasice i moderne ale fizicii:
Biomecanica diferitele 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
energiei la nivel celular i problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel
supraindividual
Biocibernetica mecanismele reglrii i transmiterii de informaii n
sistemele biologice
1
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
2/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Radiobiologia fenomenele ce au loc la interaciunea radiaiei cu
materia vie
Fenomenele fizice stau la baza funcionrii mecanismelor biologice
I.2 Mrimi fizice, uniti de msur, sisteme de mrimi i uniti
Mrimea fizic o proprietate msurabil a unui corp
Mrimile fizice:
Fundamentale se 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 de msur 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 fundamentalepentru mrimile fundamentale.
metrul (pentru lungime)
kilogramul (pentru mas)
2
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
3/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
secunda (pentru timp)
kelvinul (pentru temperatur)
amperul (pentru intensitatea curentului electric)
candela (pentru intensitatea luminoas)
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 din
unitile 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)
3
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
4/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
de exemplu: fora (se noteaz printr-o sgeata deasupra simbolului, F )
Operaii cu vectori
Un vector se reprezint n felul urmtor:
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 pe
dou axe ortogonale
o Versorii axelor de coordonate i ,
j i
k (sunt vectori care au
modulul egal cu 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, Ay i Az reprezint 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)
A
4
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
5/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
gsirea unui vector
Ccare s fie echivalent cu cei doi, adic
C=
A +B
(din punct de vedere geometric)
Adunarease poate realiza prin
regula paralelogramului
regula poligonului.
Compunerea a doi vectori prin
regula paralelogramului
Compunerea a doi vectori prin
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 estenul.
Diferenaa doi vectori A iBnseamn 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)
5
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
6/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
vectorial (un vector orientat perpendicular pe planul format de cei doi
vectori, n sensul rotirii burghiului drept care se rotete astfel nct aduce primul
vector al produsului peste cel de-al doilea, pe drumul cel mai scurt)
Produsul vectorial se scrie: C = A x B
Modulul produsului vectorial este:
C = A B sin
CURS 2, 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 dintreparticulele componente este mult mai mic dect la gaze i de aceea lichidele
sunt foarte puin compresibile.
ordine local a moleculelor pe o distan de cteva razemoleculare. La lichide, energia cinetic a moleculelor (datorita
6
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
7/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
micrii de agitaie termic) i energia potenial au aceeai
pondere.
din punct de vedere structural, lichidele ocup un locintermediar ntre gaze i solide.
Proprietile ce 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:
=VM
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
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
8/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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
MV
M
0
=0M
M
=0M
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 760
mm Hg.
1.3. Presiunea hidrostatic
DEF.
Presiunea (P) reprezint raportul dintre valoarea forei ce apas normal pe o
suprafa i valoarea ariei suprafeei respective
P =S
Fn =S
F cos, Fn = Fcos
Daca =0o P=S
F
Presiunea se exprim n funcie de mrimile fundamentale ca:
[P] = [F]/[S] = MLT-2/L2 = ML-1T-2
unitatea de msur n S.I. este:
8
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
9/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
[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 = 106 Ba (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 1,013105 N/m2 105
N/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:
La o anumit adncime h, ntr-un lichid de densitate , presiunea
hidrostatic este egal cu produsul dintre densitate, adncime i accelaraia
gravitaional.
P = gh
9
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
10/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 tot
lichidul.
Presa hidraulic este o aplicaie direct a principiului lui Pascal.Cnd asupra pistonului de arie S1 se apas cu fora F1, sub piston apare
presiunea P1 = F1/S1 care 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.
10
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
11/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
1.5. Principiul fundamental al hidrostaticii
- Considerm n interiorul unui lichid dou puncte A(h1) i B(h2)
- n punctul A ac. fora1
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
11
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
12/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
1
F +
2F+
G = 0
F2 F1G = 0PB. S PA. S m g = 0
PBS PAS gSh = 0PBPA = 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 = F2 F1 = (P2 P1) S = lghS = lVg = mlg = Gl (greutatea lichidului
dezlocuit)
Farhimedica=Glichidului dezlocuit
12
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
13/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 acaracteriza 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 fluiddepinde de poziia lor, descris de vectorul de poziie r , i nu depinde
de timp
v =
v (
r ) nestaionar (n regim nepermanent sau tranzitoriu) dac viteza lordepinde att de poziia lor ct i de timp
v =
v (r , t)
B. Curgere
13
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
14/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
nerotaional (fr vrtejuri) dac micarea particulelor de fluideste doar translaional (nu se rostogolesc)
rotaional (cu vrtejuri) atunci cnd particulele de fluid participsimultan 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.
Debitul este o mrime fizic scalar egal cu raportul dintre 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:
Qm =t
m
=
t
V
= VQ
2.4. Ecuaia de continuitate
Considerm un fluid n curgere staionar.
14
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
15/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Fie trei seciuni transversale S1, S2, S3 prin 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.
2.5. Legea lui Bernoulli
15
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
16/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Se refer la presiunile exercitate de un lichid la curgere staionar printr-un tub
de seciune variabil.
Enun:
n orice seciune a unui tub nclinat (cu seciune variabil) prin care curge unlichid, 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
DEF.
Reologia este tiina despre curgerea corpurilor sub aciunea unei fore.
16
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
17/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 este permanent, se numete deformare plastic i 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 lngforele 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.
Fora de frecare intern care apare n planul de alunecare pe
unitatea de suprafa, este proporional cu:
17
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
18/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 unor
fore aplicate asupra lor se numete deformare.
Dac se acioneaz cu o for deformatoare F asupra unei bare de
lungime l0 i sectiune S, ea se alungete, lungimea ei devenind l.
o creterea l = l l0 a lungimii barei ca rezultat al deformrii ei se
numete alungire absolut
o raportul0l
l= se numete alungire relativ
18
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
19/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 efortulunitar ().
0l
l~
S
F
0l
l= E
1S
F,
E (inversul constantei de proporionalitate) constant numit modulul lui
Young i 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
S
F=
x
v
19
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
20/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
gradientul de vitezx
v
deformabilitatea D
raportulS
F tensiune de forfecare T
innd cont de aceste notaii, legea lui Newton se 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 cresctoare D=f(T) va fi o dreapt.O astfel de reprezentare se numete curb de curgere sau 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)
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
20
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
21/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 fluidului
v = 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 < Recr curgerea 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).
CURS 4
Fenomene moleculare
Fenomene de suprafa (superficiale) Fenomene moleculare de transport
Fenomene de suprafa n faza lichid
a. Interfaa lichid-gaz
(Tensiunea superficial)
21
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
22/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 din stratul 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
existena unor fore superficiale n membrana superficial care acioneaztangenial n toate direciile.
22
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
23/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Sistemele echilibru atunci cnd E pot= minim
starea de echilibru se realizeaz cnd exist cele mai puine molecule lasuprafa 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 ( 104 atm)
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 sedeplasa n interior micorarea supr. libere
Concluzie:
Presiunea molecular face ca stratul superficial s aib proprieti
diferite de restul lichidului.
EXP.
23
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
24/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Lichid gliceric n interiorul unui cadru de srm cu latura CD mobil.(Lsat n
poz. C1D1 se deplaseaz n sensul micorrii ariei suprafeei libere a peliculei).
forele superficiale efectueaz lucru mecanic pe seama micorrii energiei
poteniale
= coeficient de tensiune superficial
LS = F xLS = S F x = S F x = l x
F = l
= F /l
Unitate de msur : [ ]SI=[F]SI/[l]SI = N/m
= F x/l x = L / S
Coeficientul de tensiune superficial ( ) este numeric egal cu lucrulmecanic efectuat de forele de tensiune superficial pentru a mri suprafaa
lichidului cu o unitate.
Moleculele din stratul superficial : E pot sup> E pot int
24
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
25/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Fenomenele superficiale exprim evoluia unui sistem spre o stare 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 numesc TENSIOINACTIVE.
SUBSTANELE TENSIOACTIVE : acizi grai cu lanuri lungi de C, alcooli,sruri biliare,etc.
- Sunt substane organice care conin n molecula lor:
Grupri polare hidrofile (-OH, -COOH,
-CHO, -NH2)
Lanuri hidrocarbonate ( hidrofobe )
Explicaie:
25
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
26/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 scdereacoeficientului 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: c Madsorbit 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
Izoterma tensiunii superficiale
Izoterma de adsorbie
26
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
27/87
-
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
28/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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.
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.
28
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
29/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 termicefr 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.
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 sunt
foarte 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 avealoc fenomene care se produc cu schimb de cldur.
1. Clasificare:
I. Dup schimburile cu mediul:
Deschis schimb de energie i substan cu mediul29
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
30/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 celedeschise, ex. forme de bacterii)
II. Structura intern:
Omogen proprieti identice n orice punct al lui sau se modificcontinuu, fr salturi
Heterogen proprietile prezint discontinuiti.Omogene monofaziceHeterogene - polifazice
Sistemele vii sunt heterogene.
III. Dup modificarea proprietilor cu direcia:
Izotrope coeficienii ce caracterizeaz mrimile fizice sunt aceeai n
orice direcie
Anizotrope valorile coeficienilor se schimb odata cu modificareadireciei
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 mecaniceste 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, interacionnd
complex cu mediul.
Sistemele vii sunt, fr excepie, sisteme complexe.
30
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
31/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
2. Starea unui sistem termodinamic totalitatea proprietilor cecaracterizeaz un sistem la un moment dat.
OBS.
Proprietile sistemului sunt particularizate prin ansamblul de mrimi fizicemsurabile care determin starea unui sistem la un moment dat.
Mrimile fizice:
I. n funcie de istoria sistemului:
De stare nu depind de istoria sistemului (au aceeai valoare,
indiferent de calea prin care sistemul o atinge)
De proces depind de calea prin care sistemul atinge valoarea (Q, L)
II. n funcie de natura lor:
Extensive depind de dimensiunea i geometria sistemului ( m, V, N,
etc.)
Intensive independente de dimensiunea i geometria sistemului (T, c,
, etc.)
Se pot defini cu exactitate pe domenii reduse infinitezimale.
Mrimi fizice de stare:
Caracterizeaz dimensiunea, geometria, compoziia i toate celelalte
proprieti ale sistemului (termice, mecanice, chimice, electrice, magnetice,
etc.)
Se mpart n: - parametri de stare
- funcii de stare
Parametri de stare sunt 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.31
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
32/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
o Pentru sistemele heterogene, starea este cunoscut dac se cunosc
parametri de stare ai fiecrei faze.
Funciile de stare sunt mrimi inaccesibile msurtorilor directe ale cror
valori depind exclusiv de param. de stare i pentru o stare dat suntindependente 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).
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.: deschise
OBS.
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:
32
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
33/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 nalta se numete proces termodinamic (transformare de stare).
Reprezetarea grafic a unui proces termodinamic:
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 )
33
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
34/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 reprezentaeprintr-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 )
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 A C ).
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.
= 3 2 kT34
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
35/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 = 1,66 10-27kg
Nr. Lui Avogadro : NA = 6,023 1026molec/kmol Volumul kilomolar : VM = 22,42 m3/kmol
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 ( 109 ciocniri/secund ); vitezele moleculelor variaz
continuu n mrime i direcie.
Viteza medie:
Media aritmetic a vitezelor tuturor moleculelor:
v =
n
vi
n
i=1 n = nr. de molecule
v =M
RT3 ;
R = const. univ. a. gazelor
M = masa molar
T = temperatura
Viteza medie ptratic :
35
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
36/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
vmp=M
RT3
Drum liber mediu:
Spaiul l parcurs de molecul ntre 2 ciocniri consecutive :
=n
ln
i
i=1
Parametri de stare ai gazului :
Sunt mrimi macroscopice ce caracerizeaz complet starea gazului ideal :
a) Presiunea, p
b) Temperatura, Tc) 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 peretelui
recipientului 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
36
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
37/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
c = 23
kT (2)
Din (1) i (2) P = n0kT
Legile gazului ideal. Ecuaia de stare
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:
p1 V1 = p2 V2 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
37
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
38/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Variaia volumului unei mase constante de gaz (m = constant) n funcie de
temperatur, la o presiune constant (p = constant).
tV
V=
0
unde 0VV
este variaia relativ a volumului, este coeficientul de dilatare
izobar
= 1
0
1K
T
, T0= 273,15 K, iar t este variaia de temperatur.
const
T
Vsau
T
V
T
V==
0
0
Reprezentarea grafic:
3. Transformarea izocor. Legea lui Charles
Variaia presiunii unei mase constante de gaz n funcie de temperatur, atunci
cnd 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.
38
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
39/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
o
o
T
P
=TP
sau T
P
= const.
Reprezentarea grafic:
4. Transformarea general a gazelor perfecte. Legea Clapeyron Mendeleev
Transformarea general este acea transformare n care variaz toi cei trei
parametri de stare ai unui gaz.
0
0
T
V
=,T
V
T
P
=,
0
T
P
mprind relaiile, ajungem la legea transformrii generale:
0
00
T
VP
= TVP
(legea general a gazelor)
Pentru un mol de gaz aflat n condiii normale de presiune i temperatur P0=
101325 Pa (1 atm), T0= 273,15 K i volumul molar V0 = 22,41 m3/kmol,membrul stng devine:
39
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
40/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
15,273
41,22101325
KkmolmmN
2
3
= 8310 J/kmolK = R (constanta universal a gazelor).
Deci, pentru 1 mol de gaz ideal ( = 1 mol):
PV = RT
> 1 mol, V=
V
, relaia de mai sus devine:
PV = R Ti se numeteecuaia de stare a 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.
40
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
41/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
CURS 6
Cldura, lucrul mecanic i variaia energiei interne
Mrimea care exprim cantitativ capacitatea unui sistem de a efectualucru 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 biologice fiind sisteme deschise, schimburile permanente de
energie i substan cu exteriorul sunt indispensabile pentru
desfurarea 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 de
temperatur (T) exist o strns legtur.
Cldura poate fi corelat cu variaia de temperatur T prin relaiile:Q = C T
Q = m c T
41
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
42/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Q = C T
Dac schimbul de cldur se realizeaz la presiune constant (Qp) se
utilizeaz cp i Cp sau dac schimbul de cldur se realizeaz la volum
constant (Qv), cv i Cv.
Unitate de msur:
[Q] = 1J
1 kcal = 4185,5 J
Q > 0 n proces endoterm(primit de sistem)
Q < 0 n proces exoterm(cedat de sistem)
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
42
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
43/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 destrile iniial i final i nu depinde de strile intermediare prin care
trece sistemul, U = U2 U1)
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 sistemele nchise dar neizolate (exist schimb de energie cu
exteriorul), primul principiu al termodinamicii exprim din punct devedere cantitativ dependena care exist ntre variaia energiei interne
U i celelalte dou forme de schimb de energie: lucrul mecanic L i
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 setransfer i toate formele de energie asociate cu acestea.
43
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
44/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 CvTIzocor (V=const.) 0 CvT CvTIzoterm (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
Organismul degaj cldur pe seama propriilor sale rezerve energetice, care
sunt diminuate prin utilizare:
44
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
45/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 energetic al unui organism, B(E), se poate determina dac se
cunosc aportul A(E) respectiv cheltuielile energetice C(E), relaia dintre elefiind 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.
Entalpia i sensul ei fizic
45
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
46/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 ardereaizobar 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.
CURS 7
46
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
47/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 este
aplicabil 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 mecanicefectuat 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
Ilustrarea legii lui Hess47
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
48/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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.
ci = mH (kcal/g)
48
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
49/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 fiziologici cantitatea de cldur eliberat
prin arderea unui gram de principiu alimentar pn la produii finali de
metabolism.
G, L CO2 i 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 alalimentelor.
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
cipract = ud cifiziol
ud depinde de: factori individuali, natura alimentelor, gradul de preparare.
Principiul al doilea al termodinamicii. Entropia
49
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
50/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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.
Deci, sunt posibile numai acele procese termodinamice pentru care S
0 (inegalitatea lui Clausius).
Primul principiu devine
T S = U + LOBS.
50
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
51/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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, caresunt 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.
Atingerea strii de echilibru se realizeaz n mod spontan, frconsum 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.
51
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
52/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Difuzia reprezint fenomenul de ptrundere a moleculelor unui corp printre
moleculele altui corp aflat n aceeai stare 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.
DEF.
Fluxul de substan reprezint cantitatea de substan care traverseaz
unitatea de suprafa n unitatea de timp:
tS
mJ
=
(1)
DEF.
Fluxul de substan transportat este proporional cu diferena deconcentraie de-a lungul direciei dup care are loc.
52
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
53/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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
C
DtS
m
=
=
Cantitatea de substan transportat n unitatea de timp
este proporional cu seciunea transversal prin care are loc difuzia,
cu gradientul de concentraie, depinde de natura substanei caredifuzeaz i de natura mediului n care are loc difuzia.
Trnsportul de substan modificarea concentraiei n timp n fiecare
punct al spaiului uniformizarea soluiei.
Legea a II a Fick: )(dx
dc
dx
dD
dt
dc=
Transportul cldurii prin conducie, convecie i radiaie
a) Transportul cldurii prin conducie
53
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
54/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 mai
mare 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 prin
unitatea de arie S n unitatea de timp.
tS
QJQ
=
(3)DEF.
Fluxul de cldur depinde de gradientul de temperatur
x
T
i denatura substanei ( )
x
TJQ
=
(4)
54
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
55/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 deoarecesunt 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.
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 fienlocuit de o cantitate de aer mai cald din incint.
n acest fel se realizeaz o deplasare continu de aer n jurul
peretelui 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
55
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
56/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 electromagneticecu
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
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 egal cu cea a apei
(1 cal/ggrad sau 4185 J/kggrad).
56
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
57/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Transportul cldurii din interiorul organismului cu temperatura Ti spre
suprafaa lui cu temperatura TS este dat de relaia:
Q1 = C1(Ti TS)
C1 este capacitatea caloric a organismului n transferul cldurii dininterior spre suprafa.
Transportul cldurii de la suprafaa corpului cu temperatura TS n
mediul exterior cu temperatura Te este dat de o relaie similar:
Q2 = C2(TS Te),
C2 este 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 rezult2
1
2
1 ,C
C
TT
TT
C
C
Si
eS
=
se numete indice termic alcirculaiei.
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 de
6070 % 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 nmicare.
57
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
58/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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.
- dispunerea este asemntoare cu cea a particulelor n lichide, dar n
corpurile amorfe au o mobilitate mult mai mic (sticla).
I. Corp cristalin solid
58
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
59/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
lichidastarecristalinsolidcorpt
.detbineT
Def.
Procesul de trecere a unei substane din faza solid n faza lichid la T t n
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):
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
59
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
60/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
- la nclzire treptat se nmoaie i n final devin lichide.
- n timpul topirii corpurile amorfe Tt crete astfel nct Tt constant
- la solidificare, temperatura scade constant interval de temperatur de
nmuiere (solidificare)
Eutectice
Tt a unei substane depinde de puritatea ei.
Definiie:
Compoziia aliajului sau amestecului care corespunde punctului de Tt minim
se numete eutectic.
n tehnic amestecurile eutectice foarte importante n special n cazul
amestecurilor sub form de pulbere a cror 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.
60
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
61/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Dac: Viteza moleculelor de lichid > viteza medie Ec suficient 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.
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 deasemenea 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 cazul61
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
62/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
n 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 lichidfavorizeaz 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.
CO2 izot. de variaie a p n f. de V:
450C (p.V. = const.) legea B-M
350C uoar inflexiune
31,10C 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
62
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
63/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Gaze reale:
La o anumit presiune, Vg.real< Vg.ideal
Studiul interaciunilor dintre molecule (V.d.W.)
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
= a/V
2
( ) RTbVV
ap
2=
+
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
63
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
64/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
(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: 1/273,15 din temperatura corespunztoare strii triple a apei.
Caracteristic pentru aceast diagram este faptul c cele 3 curbe de
echilibru delimiteaz cele 3 faze posibile ale 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.
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 i
vapori. La ap, punctul triplu este de 0,010C i 4,6 torr.
CURS 10-11
Proprieti coligative ale soluiilor
64
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
65/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 proprietilesubstanei dizolvate ct i proprietile dizolvantului.
Diagrama de faze a apei comparativ cu cea a unei soluii
apoase:
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:
65
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
66/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
P = (PoPi) = XiPo,
Xi = 2/ (1+2) ~ 2/ 1
2 nr. 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.sol superioar temperaturii Tfierb.solv. a solventului pur.
Creterea punctului de fierbere al soluiei depinde numai de
concentraia soluiei i nu de natura substanei dizolvate:
Tebulioscopic= Tfierb.sol Tfierb.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 nsol. 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) uneisoluii n comparaie cu punctul de congelare al solventului pur:
66
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
67/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
Tcrioscopic= Tcong. solvent Tcong. 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 soluiese gsete un mol de substan dizolvat n 1000 g solvent).
OBS.
n cazul neelectroliilor, Tcrioscopic i KC nu depind de natura
substanei, ci doar de numrul de molecule-gram dizolvate.
n cazul electroliilor, datorit disociaiei vor exista mai multe
particule n unitatea de volum. Rezult un factor de corecie, i:
Tcrioscopic = iKCCmolar
i = 1+ (1) , unde = nr. de ioni i = grd. de disociere
4. Osmoza
DEF.
Dac dou soluii de concentraii diferite snt desprite printr-o
membran 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:
67
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
68/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 prinmembrana semipermeabil.
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 se
numete 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:
68
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
69/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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.
Vant Hoff analogie ntre presiunea exercitat de o soluie diluat ineelectrolitic i presiunea exercitat de un gaz, aplicnd n cazul soluiei legea
generat a gazelor perfecte, adic:
TRV =
TRV
=
unde cV =
reprezint concentraia
molar.
Cu aceste nlocuiri obinem pentru presiunea osmotic:
= cRT
legea 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.
69
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
70/87
www.cartiaz.ro Carti si articole online gratuite de la A la Z
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 osmoticmai mic se numete hipotonic.
4.2. Importana biologic a osmozei
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 a
volumului, 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,
70
http://www.cartiaz.ro/http://www.cartiaz.ro/ -
8/14/2019 Www.cartiaz.ro Carti Si Articole Online Gratuite
71/87
www.cartiaz.ro Carti si