TERMODYNAMIKA.doc

TERMODYNAMIKA

Termodynamika zajmuje się energią termiczną układu nazywaną częściej energią wewnętrzną. Rozważania dotyczą ciśnienia, objętości, temperatury, ciepła, pracy i energii.

Biotermodynamika – opisuje te procesy lub zjawiska zachodzące w organizmach żywych.

Układ termodynamiczny – ograniczona część przestrzeni materialnej.

·         Układ izolowany – niemożliwa wymiana energii i materii z otoczeniem.

·         Układ zamknięty – niemożliwa wymiana materii, ale możliwa wymiana energii z otoczeniem.

·         Układ otwarty – możliwa wymiana energii i materii z otoczeniem.

Proces termodynamiczny – proces, w którym parametry opisujące stan układu zmieniają się w czasie, na skutek czego układ przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego. Proces uwzględnia zmiany w otoczeniu.

·         Proces odwracalny – może zachodzić w obu kierunkach nie pozostawiając zmian w otoczeniu;

·         Proces nieodwracalny – nie może zachodzić w obu kierunkach bez zmian w otoczeniu (transport materii, energii, ładunków elektrycznych).

Funkcje stanu

Stan układu określany jest przez funkcje stanu tj. energia wewnętrzna, entalpia, entropia, energia swobodna, entalpia swobodna, potencjał chemiczny…

Stan równowagi termodynamicznej – stan, w którym parametry opisujące układ nie zmieniają się w czasie.

Zerowa zasada termodynamiki

Jeżeli 2 ciała stałe A i B s a w stanie równowagi termodynamicznej z ciałem C, to są także w równowadze termodynamicznej ze sobą nawzajem.

Ciepło

Przez ciepło rozumiemy tę cześć energii wewnętrznej, która przepływa między układem a otoczeniem wskutek panującej różnicy temperatur. Ciepło może przepływać tylko z ciała o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej.

Nie można więc powiedzieć, ze w jakimś układzie znajduje się tyle a tyle dżuli ciepła.

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna U jest sumą energii wszystkich rodzajów wszystkich cząsteczek (oprócz energii jądrowej).

Jest to funkcja stanu i zależy tylko od temperatury.

Pierwsza zasada termodynamiki

Przyrost energii wewnętrznej układu jest równy sumie dostarczonego mu ciepła Q i wykonanej pracy W:

U2 – U1 = Q + W

W procesie izochorycznym: W = -pΔV, stąd

Qp = ΔU (ΔV = 0) (ΔU = Uk - Up)

Całe ciepło zostaje wykorzystane na wzrost energii wewnętrznej.

Zachowanie energii:

·         Praca na ciepło może zamieniać się zawsze; ilość powstałego ciepła = wykonana praca;

·         Ciepło na pracę też może się zmieniać, ale muszą być spełnione pewne warunki.

Druga zasada termodynamiki

Ciepło na pracę może się zamieniać tylko wtedy, gdy istnieje różnica temperatur. Z dostarczonego ciepła Q na pracę W może się zamienić co najwyżej:

W = (T1 – T2 / T1) x Q

Reszta zostaje ciepłem.

Entropia

Entropia S jest funkcją stanu układu określoną jako: ΔS = ΔQ / T

Druga zasada termodynamiki

Dla procesów termodynamicznych:

ΔS ≥ ΔQ / T

Równość zachodzi dla procesów odwracalnych, a > dla procesów rzeczywistych, nieodwracalnych.

Procesy w przyrodzie są ukierunkowane i nieodwracalne. Układ dąży od stanów mniej prawdopodobnych do bardziej prawdopodobnych. Procesy te zachodzą w przyrodzie samorzutnie, gdy towarzysząca im zmiana stopnia nieuporządkowania jest > od 0.

Żywy organizm to układ otwarty, w którym zachodzą procesy nieodwracalne, dążące do stanu równowagi.

Warunki procesów jakie w nim zachodzą to:

·         Stała temperatura (izotermiczne)

·         Stałe ciśnienie (izobaryczne)

Procesy nieodwracalne prowadzą układ od stanu bardziej do mniej uporządkowanego – dopóki nie ustaną przepływy (stan równowagi = śmierć układu biologicznego).

Bilans cieplny organizmu stałocieplnego:

Ciepło wytwarzane                                          =                            Ciepło oddawane

(+) przemiana materii (metabolizm)                                          (+) straty konwekcyjne

(+) promieniowanie padające na organizm                            (+) straty na promieniowanie

(-) składowa wytworzonej mocy                                          (+) straty na parowanie

mechanicznej na jednostkę powierzchni                            (+) straty w procesie oddychania

Przemiana podstawowa (spoczynkowa)

Jest to konieczny wydatek energii (minimalne dzienne zapotrzebowanie energetyczne), jaki jest potrzebny organizmowi do podtrzymania jego podstawowych funkcji życiowych (np. czynności narządów krążenia).

Entropia

Miara nieporządku układu (proces nieodwracalny).

Wskaźnikiem podstawowej przemiany materii jest współczynnik BMR. Norma podstawowej przemiany materii wynosi u człowieka przeciętnie 1 kcal na 1 kg.

Przemiana podstawowa dorosłego człowieka = ok. 80 W = 70 kcal/h

Rozpuszczalność gazów:

·         Sorpcja – na granicy faz różnych stanów skupienia zachodzą procesy przenikania substancji.

·         Adsorpcja – cząsteczki gromadzą się tylko na powierzchni.

·         Absorpcja.

Prawo Henry’ego

Opisuje rozpuszczalność gazów w cieczach:

ν = KH(T) x Pp

KH(T) – stała Henry’ego zależna od układu gaz – ciecz i temperatura;

Pp – ciśnienia parcjalne danego gazu nad cieczą;

ν – ułamek molowy składnika gazowego rozpuszczonego w cieczy.

W przypadku gazów atmosferycznych zwiększona ilość rozpuszczonego tlenu może wywołać zatrucia tlenowe, a azotu – narkozę azotową. Jeżeli oddychamy powietrzem o składzie procentowym powietrza atmosferycznego zatrucie tlenowe może wystąpić poczynając od głębokości 50 m, a narkoza azotowa od głębokości 30 m. Zapobiega się tym zjawiskom stosując odpowiednią mieszankę o specjalnym składzie. Ciśnienia parcjalne tlenu obniżamy, a azot zastępujemy helem, który biochemicznie jest obojętny dla organizmu.

Niskie temperatury w medycynie:

·         Hipotermia – obniżenie temperatury ciała do 32 – 34oC:

→ zmniejszenie zapotrzebowania mózgu w tlen;

→ zwolnienie reakcji enzymatycznych uszkadzających;

→ zmniejszenie działania wolnych rodników.

Zastosowanie:

·         Przeszczep serca;

·         Udar niedokrwienny;

·         Tętniaki wewnątrzczaszkowe.

Krioterapia:

1.      Miejscowa – miejscowe zamrażanie chorej tkanki.

2.      Ogólna – krótkotrwałe poddanie całego ciała temperaturze od -160oC do -100oC.

Zastosowanie:

·        Leczenie bólu;

·        Zmiany błon śluzowych;

·        Nowotwory skóry;

·        Zapalenie stawów i mięśni;

·        Zwichnięcia i skręcenia.

Krioaplikatory – do krioterapii miejscowej.

Kriokomory – do krioterapii ogólnej.

Mechanizmy transportu ciepła:

Utrata ciepła przez organizm:

·         Straty ciepła w wyniku promieniowania stanowią ok. 50% wszystkich strat;

·         Inne drogi utraty ciepła: konwekcja, przewodnictwo cieplne, oddychanie, pocenie.

Fale radiowe: 10 kHz – 300 GHz

Fale submilimetrowe: 100 μm – 1 mm

Podczerwień: 780 nm – 10 μm

Światło widzialne: 380 – 780 nm

Nadfiolet: 10 μm – 380 nm

Promieniowanie rentgenowskie: 120 eV – 120 keV

Promieniowanie gamma: > 120 keV

Widmo promieniowanie jest ciągłe.

Rozkład widmowy nie zależy od obiektu, a jedynie od jego temperatury.

Promieniowanie emitowane jest w pełny kąt bryłowy.

Prawo Stefana – Bolztmana

Całkowita energia emitowana w jednostce czasu w postaci promieniowania cieplnego przez jednostkę powierzchni ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do T4.

ε = σT4

σ = 5,67 x 10-8 W/m2K4

Efekt cieplarniany

Emisja ciepła:

E = A · ε · σ · T4

A = 0,202 x M0,420 x H0,725

A – powierzchnia ciała

M – masa ciała (kg)

H – wzrost (m)

Stany ciepła:

ΔE = Aεσ(T4ciała – T4otoczenia) [J/s]

ΔE – strata ciepła na jednostkę czasu

A – powierzchnia ciała

ε – emisyjność

σ – stała Boltzmana

Zjawisko dyfuzji. Transport cząstek przez błonę (bierny).

Rodzaje transportu przez błonę komórkową:

·         Transport bierny (dyfuzja – wykorzystanie w hemodializie)

Prawo Ficka

dn/dt = - DS dc/dx

D – współczynnik dyfuzji

S – powierzchnia

·         Transport czynny (wymaga energii; przewodnictwo nerwowe)

Osmoza

Przenikanie cząsteczek rozpuszczalnika. Niemożliwy transport cząstek substancji rozpuszczonej (błona półprzepuszczalna).

Pomiar ciśnienia osmotycznego

Błona półprzepuszczalna → przepuszcza rozpuszczalnik; nie przepuszcza substancji rozpuszczonej.

Ciśnienie osmotyczne - prawo van’t Hoffa:

Π = cmRT

cm – stężenie molowe

R – stała gazowa

T – temperatura

Potencjał błony komórkowej

Pomiędzy wnętrzem komórek a środowiskiem zewnętrznym występuje ujemny potencjał elektrycznych zwany potencjałem spoczynkowym.

Wynosi on:

·         Wewnątrz neutronu 60 do 80 mV;

·         W komórkach mięśni poprzecznie prążkowanych 80 do 90 mV.

Istnienie spoczynkowego potencjału błonowego wynika z nierównomiernego rozmieszczenia jonów K+, Na+, Cl-.

Powstanie potencjału spoczynkowego jest spowodowane przede wszystkim tendencja jonów K+ do przepływania zgodnie z gradientem stężenia tych jonów z wnętrza na zewnątrz błony komórkowej.

Na zewnątrz więcej: Na+, Cl-

Potencjał czynnościowy

Zwany też iglicowym, czyli impuls nerwowy jest krótkotrwałym odwróceniem znaku potencjału błonowego wywołanym bodźcem depolaryzującym neuron.

W czasie trwania potencjału czynnościowego neurony stają się nie pobudliwe (refrakcja bezwzględna).

Depolaryzacja – zmniejszenie elektroujemnego potencjału elektrycznego błony komórkowej poprzez napływ przez kanały jonowe jonów Na+ do cytoplazmy komórki. Prowadzi to do pobudzenia komórki nerwowej lub mięśniowej.

Repolaryzacja – proces odwrotny do depolaryzacji, następujący po przejściu impulsu nerwowego, który ma na celu przywrócenie pierwotnej polaryzacji błony komórkowej.

Pobudliwość:

Zdolność do specyficznego reagowania na bodźce.

Przykłady komórek pobudliwych:

·         nerwowa,

·         mięśniowa.

Własności elektryczne ciał

·         Przewodność właściwa σ; jednostka [S/m] (Siemens/metr)

·         Opór właściwy ρ = 1/σ; jednostka [Ω x m]

Miara oporu z jakim materiał o danych wymiarach przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

Opór właściwy [Ω x m]

R = ρ x l/S

U – napięcie [V]

I – natężenie [A]

R – opór [Ω]

Z prawa Ohma:

R = U/I

Prąd elektryczny:

E – natężenie pola elektrycznego

·         Izolator (dielektryk)                            I = 0

·         Elektrolit i półprzewodnik              I > 0

·         Przewodnik                                          I >> 0

Elektroterapia

Pobudzenie organizmu prądami elektrycznymi przykładanymi bezpośrednio do skóry.

Klasyfikacja elektroterapii:

1. prąd stały: galwanizacja, jonoforeza, kąpiele elektryczno-wodne;
2. prąd małej częstotliwości: elektrostymulacja, impulsy trójkątne, impulsy prostokątne;
3. prąd średniej częstotliwości: prądy interferencyjne Nemea, prądy stereointerferencyjne, modulowane prądy średniej częstotliwości
4. prąd faradyczny: przezskórna stymulacja elektryczna (TENS), prądy diadynamiczne (prądy DD (Bernarda)).

Stała elektrostymulacja serca

·         Fizjologiczny rozrusznik serca

·         Sztuczny rozrusznik serca – stymulator serca, kardiostymulator

Defibrylator – oddziałuje na mięsień sercowy prądem stałym o odpowiednio dużej mocy [J], „resetując” nieregularnie pracujący (lub w ogóle nie pracujący) mięsień serca umożliwiając powrót do normalnej, regularnej pracy.

·...