3. Диффузионный перенос в ограниченном пространстве и через диффузионное сопротивление, коэффициент диффузии, диффузионный поток, 1-й закон Фика.
Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией (С1) в места с меньшей концентрацией вещества (С2) в следствие хаотического теплового движения молекул.
Обозначим характерное расстояние, на котором осуществляется перенос. Существует критическое расстояние. Все, что выше – в каналах на больших расстояниях. Ниже – работает диффузия, работа на ограниченном расстоянии.
Большая площадь мембранного обмена (трахея, бронхи, альвиолы)
n=19-20 уровень ветвления – диффузия.
Ø капилляра=3/5мкм, Øэритроцитов=6-8мкм
Существует 2 модели диффузионного переноса:
В однородном ограниченном пространстве
Через диффузионное сопротивление или мембрану
1. В однородном ограниченном пространстве
Формула Эйнштейна для идеальной частицы, где D-коэффициент диффузии и [D]=[см2/c]
По теореме cos:
Усреднение по всем углам!
- перемещение част.
при n
шагов
- перемещение за
(n-1)
шаг
α - угол отклонения
l - среднестатистич. перемещение частицы за 1 шаг
;
;
;
,;
;
Коэффициент диффузии D зависит от типа вещества.
В-во в среде |
[D]=cm2/c |
О2 в воздухе |
0,21 |
О2 в воде |
1,8*10-5 |
«белок» в воде |
10-8/10-7 |
2. Через диффузионное сопротивление или мембрану
Диффузия через мембрану
Пример: сущ. диффузия через липидный бислой.
Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:
,
Где C1m-концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и C2m -около другой, l-толщина мембраны.
n – кол-во вещ-ва (моль) в эл-те мембраны площадью S
Δµ - работа, которую нужно совершить
,
где URT
= D
Первый закон Фика:
Диффузионный поток:
Пример:
легочные
мембраны естественные и искусственные
-большая площадь
-меньшая толщина
=> больший объем переносимого веществ
4. Первый и второй законы термодинамики; особенности организмов как термодинамических систем.
Свойства:
1. Живые системы открыты -> долговременное существование живых систем
2. Процессы имеют необратимый характер
3. Ж.с. далеки от равновесия
4. Ж.с. гетерофазны и структурированы
Основные термодинамические параметры:
1. Термодинамические системы: изолированные, адиабатические, закрытые, открытые.
2. Первое начало термодинамики для закрытых систем
3. Параметры –термодинамические потенциалы:
4. Термодинамическая система (ТД) характеризуется рядом параметров – ТД потенциалов:
U – внутренняя энергия;
H – энтальпия;
F - свободная энергия Гельмгольца;
G – свободная энергия Гиббса (ТД потенциал Гиббса);
μ – химический потенциал;
-
электрохимический потенциал.
Для открытых систем I начала термодинамики
∆Q = ∆U + ∆A + ∆Aполуч.
Тепло, переданное системе, идет на увеличение внутренней энергии, совершение системой работы против внешнего давления, совершение полезной работы.
Энтропия- характеристика состояния в системе; вероятность состояния системы (свойство аддитивности: S = S1+S2+S3+…).
Необратимые процессы характеризуются увеличением энтропии достижением макс. значений.
S = f(W) = S1 + S2
S ~ lnW ; S = kБ * lnW
Второе начало ТД:
изменение энтропии dS ≥ поглощенной системой, элементарной приведенной теплоты то есть dS ≥ dQ/T.
Энтальпия.
Изменение энтальпии численно равно количеству тепла, которое получает закрытая система в изобарном процессе p=const,
Отличие стационарного состояния от термодинамического равновесия
1 Стационарное состояние характеризуется постоянным потоком веществ в систему и удалением продуктов обмена
2. Стационарное состояние характеризуется постоянной затратой свободной энергии (постоянной концентрации)
3. Стационарное состояние характеризуется постоянством термодинамических параметров