Chapter 7. Entropic forces at work

Samankaltaiset tiedostot
Chapter 7. Entropic forces at work

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

8. Chemical Forces and self-assembly

6. Yhteenvetoa kurssista

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Chapter 3. The Molecular Dance. Luento Terminen liike Kineettinen kaasuteoria Boltzmann-jakauma Satunnaiskävely

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Entrooppiset voimat. Entrooppiset voimat Vapaan energian muunnoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Biofysiikka Luento Entropia, lämpötila ja vapaa energia. Shannonin entropia. Boltzmannin entropia. Lämpötila. Vapaa energia.

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Luku Pääsääntö (The Second Law)

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kemiallinen reaktio

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Luvun 12 laskuesimerkit

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

Teddy 1. välikoe kevät 2008

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016


4. Termodynaamiset potentiaalit

Biofysiikka, Luento

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

8. Klassinen ideaalikaasu

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

782630S Pintakemia I, 3 op

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

8. Chemical Forces and self-assembly

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

7 Termodynaamiset potentiaalit

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Ideaalikaasulaki johdettuna mikroskooppisen tarkastelun perusteella! Lämpötila vaikuttaa / johtuu molekyylien kineettisestä energiasta

infoa tavoitteet E = p2 2m kr2 Klassisesti värähtelyn amplitudi määrää kokonaisenergian Klassisesti E = 1 2 mω2 A 2 E = 1 2 ka2 = 1 2 mω2 A 2

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

4. Termodynaamiset potentiaalit

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Lämpöopin pääsäännöt

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Chapter 4. Random Walks, Friction and Diffusion

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 8. Aika ja ajan nuoli lisää pohdiskelua Termodynamiikka Miten aika ja termodynamiikka liittyvät toisiinsa?

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Transkriptio:

Chapter 7. Entropic forces at work Osmoottinen paine Pintaännitys Tyhennysvuorovaikutus MIKSI?

Hiukan termodynamiikan kertausta Tasapainotila: systeemiin vaikuttava nettovoima = 0 Jos vain yksi systeemin muuttua (esim. V, E tai N) voi muuttua: Tilavuus V: S(V) maksimoituu spontaanisti laaeneminen Energia E: S(E) maksimoituu spontaanisti lämpövirtaus Ainemäärä N: S(N) maksimoituu spontaanisti sekoittuminen Yleensä systeemin useiden muuttuien arvot voivat muuttua Esim. V, E a N: S = S(V,E,N) Tilanyhtälöt kuvaavat muuttuien väliset riippuvuudet Saadaan kokeellisesti tai mikroskooppisista malleista Systeemi kuvataan riippumattomilla muuttuilla Muuttuia, oiden arvoa voidaan mitata tai kontrolloida systeemin raalla Esim. V, E, N Riippumattomat muuttuat valitaan systeemin raoen perusteella Eristetty, sulettu vai avoin systeemi

Määritelmiä: Pienille entropiamuutoksille: M S S S ds de dv dn E V N V, N E, N i1 V, E, Ni Vastaavasti pienille energiamuutoksille: M E E E de ds dv dn S V N V, N S, N i1 V, S, N Osittaisderivaatat mitattavissa olevia fysikaalisia suureita, määritellään: T E E E p S V, N V S, N N de TdS pdv dn T, p a intensiivisuureita: eivät riipu systeemin koosta M i1 Sulettu systeemi: tumma boksi Avoin systeemi: tumma a vaalea boksi i V, S, N i systeemi sisältää M eri ainelaia Kemiallinen potentiaali, käsitellään myöhemmin

ds total = 0 määrää termisen, mekaanisen a kemiallisen tasapainon Kaksi systeemiä on termisessä tasapainossa, kun niillä on sama lämpötila T; ei välttämättä sama energia tai entropia Kun systeemi kontaktissa ympäristöön, systeemin E, V a N voivat muuttua (fluktuoida); tällöin riippumattomina muuttuina intensiivisuureita kuten T, p tai Vakio T: systeemi voi vaihtaa energiaa ympäristön kanssa Vakio p: systeemi voi vaihtaa tilavuutta ympäristön kanssa Vakio : systeemi voi vaihtaa ainetta ympäristön kanssa

Helmholtzin vapaa energia F Systeemeissä, oissa vakio T a V, F(T,V,N) minimoituu tasapainossa F E TS df de TdS SdT Sioittamalla de TdS pdv dn M i1 M i1 vakiolämpötilassa dt 0, vakiotilavuudessa dv 0, suletussa systeemissä ilman kemiallisia reaktioita dn 0 M i1 df TdS pdv dn TdS SdT SdT pdv dn

Gibbsin vapaa energia G Systeemeissä, oissa vakio T a p, G(T,p,N) minimoituu tasapainossa G E pv TS dg de pdv Vdp TdS SdT Sioittamalla de TdS pdv dn M dg TdS pdv dn pdv Vdp TdS SdT i1 vakiolämpötilassa dt 0, vakiopaineessa dp 0, M i1 suletussa systeemissä ilman kemiallisia reaktioita dn 0 M i1 SdT Vdp dn

Vapaa energia F a = E a -TS a voi pienentyä 1. Pienentämällä energiaa 2. Kasvattamalla entropiaa 3. 1 & 2 4. Entropiatermi TS a voi pienetä, kunhan energiatermi pienenee enemmän 5. Energia voi kasvaa, kunhan entropiatermi TS a kasvaa enemmän Entrooppinen voima: Vapaan energian entropiatermin muutoksen aiheuttama voima Entrooppiset voimat tärkeitä makromolekyylien a pintoen välisissä vuorovaikutuksissa Biologisesti tärkeitä entrooppisia voimia: Elektrostaattisia Hydrofobisia Tyhennysilmiöt

Biologinen kysymys: Mikä pitää solut täynnä nestettä? Miten solut voivat aaa nestettä painegradienttia vastaan? Fysikaalinen idea: Osmoottisen paineen avulla. Osmoottinen paine on yksi entrooppisista voimavaikutuksista.

Entrooppisten voimien mikroskooppinen kuva Ideaalikaasun paine vakiotilavuudessa: Ideaalikaasu (m, N molek.) lämpövarastoon kytk. boksissa V = L 3 = vakio f 1 df( L) p, F ( L ) kbt ln Z ( L ) A A dl Partitiofunktio? Z E kbt e F = E - TS Sisältää sisäenergiatermit e i k T B 2 2 1... pn L L p 3 3 3 3 2mkBT 1 1 N N 0 0 Z( L) C d r d p... d r d p e C d r d r d p e d p e 3 N vakioita L dz( L) N N1 kbt dl kbt A NL NkBT p N N A Z( L) A A L V 2 2 1 pn L L p 3 3 3 2mkBT 3 2mkBT 1... N 1... N 0 0 T Ideaalikaasulaki

Ideaalikaasun tilavuus vakiopaineessa: L Ideaalikaasu sylinterissä, onka poikkipinta-ala A Potentiaalienergia = f L V A L Boltzmann-akauma (tasapaino):? M f f Tilan todennäk. 1,..., N,, L P r p L p Ce 3 3 L P L, r1,... d r1... d p Nd pmäntädl 3 3 P L, r1,... d r1... d p Nd pmäntädl palon vakiotermeä k T f B N 1 N 1 kbt pa mäntä 2 2 2 p1... pn pmäntä fl 2mkBT 2MkBT kbt 0 0 dl e dl e fl k T B fl k T N L L kbt kbt V L A N 1 N suurilla N, tasapainossa p p B L N

Osmoottinen paine Paine, oka tarvitaan pysäyt- tämään ainepitoisuuseroen synnyttämä liuotinvirtaus Vesi, ei ideaalikaasu! Tark. laimeaa liuosta Liuenneet partikkelit veden ympäröimiä Keskinäiset vuorovaikutukset harvinaisia Mikrotiloen energia ei riipu partikkelien paikasta Vesimolekyylit mukana partitiofunktiossa, mutta vesi kaikkialla paikka- a liikemäärätermit vakioita Ratkaisu kuten ideaalikaasu vakiotilavuudessa (pätee laimeille liuoksille). Nyt tilavuus V se, ossa liuenneet molekyylit (N kpl) N pequil ckbt missä c van t Hoffin relaatio V

Osmoottisen paineen kokeellinen määrittäminen: Tasapainossa paine-ero p c k T z g 0 B f m Esim. Veren plasma (ionipitoisuuksien summa n. 300 mm) laitetaan yhteyteen tislattua vettä sisältävään säiliöön. Kuinka korkea plasmapatsaan on oltava estääkseen veden virtaus plasmaan?

Osmoottisen paineen suuruus: Tasapainossa paine-ero p c k T z g 0 B f m Esim. Veren plasma (ionipitoisuuksien summa n. 300 mm) laitetaan yhteyteen tislattua vettä sisältävään säiliöön. Kuinka korkea plasmapatsaan on oltava estääkseen veden virtaus plasmaan? z f c0kbt g m 3 23-23 300 mol/m 610 1/mol1,3810 J/K 310K 3 2 76 m 1000 kg/m 9,8 m/s

Pintaännitys Faasiraapinnalla molekyylit kokevat erilaiset vuorovaikutukset raapinnan eri puolilta Esim. neste-kaasu: Törmäyksiä kaasupuolelta harvemmin Attraktiot nestepuolella Kaasu-neste raapinta: Kaasussa kylläinen kyseisen nesteen höyry Nestepinnan laaentaminen vaatii energiaa Esim. vesitippa pallomainen ilmassa Nestepinnan laaentamiseen 1 m 2 :llä kuluva energia = spesifinen pintaenergia [ ] = J/m 2 Nesteen pintaännitys = voima pituusyksikköä kohden, oka pyrkii pitämään nesteen pinta-alan minimissään Nesteen pintaännitys = spesifinen pintaenergia [ ] = N/m = J/m 2

Esim. Pyöreitä solua ( = 10 m), tislattuun veteen, 295 K. Sytoplasman ionipitoisuuksien summa on noin 300 mm. Kalvohaoamisen pintaännitys 5 10-3 N/m

Esim. Pyöreitä solua ( = 10 m), tislattuun veteen, 295 K. Sytoplasman ionipitoisuuksien summa on noin 300 mm. Kalvohaoamisen pintaännitys 5 10-3 N/m Pallon (A = 4 R 2 ) venytys: R R + dr da da dr 8 RdR dr R R+dR Venymiseen tarvittava energia = da Pallon laaentamisen aiheuttama vapaan energian väheneminen = pdv : Tasapainossa 2 pdv p dr p 4 R dr da 8 4 2 RdR p R dr Rp 2 dv dr pdv Laplace-yhtälö

Esim. Pyöreitä solua ( = 10 m), tislattuun veteen, 295 K. Sytoplasman ionipitoisuuksien summa on noin 300 mm. Kalvohaoamisen pintaännitys 5 10-3 N/m Rp RckBT 2 2 6 3 23-23 510 m 300 mol/m 610 1/mol1,3810 J/K 295K 3,7 N/m 2

Esim. Pyöreitä solua ( = 10 m), tislattuun veteen, 295 K. Sytoplasman ionipitoisuuksien summa on noin 300 mm. Kalvohaoamisen 5 10-3 N/m Rp RckBT 2 2 6 3 23-23 510 m 300 mol/m 610 1/mol1,3810 J/K 295K 3,7 N/m solut "räähtävät" 2

Esim. Mikä on 1 m säteisen vesipisaran sisällä oleva ylipaine lämpötilassa 25 C, kun veden a ilman raapinnan pintaännitys on 0,072 N/m? ( l) ( g) 2 R 20,072 N m 106m p p 1,4 atm

Esim. Keuhkoen toiminta Miksi alveolit eivät mene lyttyyn? Miten keuhkot aksavat laaeta? p 4 R (2 pintaa)

Pintaännitys aiheuttaa pinnan tangentin suuntaisen voiman Hydrofiilinen vs. hydrofobinen pinta Kontaktikulma nesteen pinnan a kiinteän pinnan välillä F mg 2 r hg 2rcos 2 h cos gr vesi F Hg Lasi: polaarisia a ionisia ryhmiä Vrt. Mikroelektrodin täyttö!

Tyhennysvuorovaikutus ( depletion interaction ) Soluissa palon eri kokoisia soluorganellea (pintoa) makromolekyyleä pieniä molekyyleä atomea (ionea) kokohierarkia

Tyhennysvuorovaikutus ( depletion interaction ) Entrooppinen vuorovaikutus Tyhennysvyöhyke isoen partikkelien pinnalla S kasvaa, kun pienet partikkelit ovat poistuneet välitilasta (l < 2R) a tyhennysvyöhyke pienenee attraktio Lyhytkantamainen (partikkelien halkaisian suuruusluokkaa) Heikko Voi silti nopeuttaa sitoutumista, entsymaattisia reaktioita ym. Jos V A 2R F p ckbt V F ck B T 2 R A A

Esim. Tyhennysvuorovaikutusdemo vesikkelissä polystyreenipallo, r = 0,24 m b) ei pieniä partikkeleita vesikkelissä c) pieniä partikkeleita (r = 0,04 m) vesikkelissä Kirkkausaste kuvassa kuvaa polystyreenipallon viettämää aikaa kyseisessä kohdassa; tumma vähän, kirkas palon Dinsmore et al. (1998), Phys. Rev. Lett. 80, 409-412.

Tyhennysvuorovaikutus voi olla mukana ohaamassa molekyylien sitoutumista toisiinsa

Beyond Equilibrium: Osmotic Flow Osmoottisen voiman alkuperä? Männät liikkuvia Puoliläpäisevä kalvo paikallaan sylinterin suhteen voima kalvosta Kalvo taipuu

Ulkoisen voiman aiheuttama voimakenttä nesteessä: Olkoon ulkoinen voima tilavuusyksikköä kohden Fr paikassa r Tasapainoehto: p( z ½ dz) p( z ½ dz) dxdy F ( z) dxdydz 0 dp F() z dz Nestetilavuuselementti Jos ulk. voima gravitaatiosta: Vakiovoima F(z) F ( z) g m p() z p g z z 0 m 0

Kolloidipartikkelit nesteessä (tiheys c(z)) Vaikuttakoon z-suuntainen voima f(z) okaiseen kolloidipartikkeliin Kolloidipartikkeleihin vaikuttava voima = nesteen vastusvoima (pienet partikkelit alhainen Reynoldsin luku) partikkelit aiheuttavat voimakentän nesteeseen: dp du F( z) c( z) f ( z), f ( z) dz dz Tasapainossa konsentraation paikkariippuvuus määräytyy potentiaalienergiasta U ( z ) : U( z) kbt 0 0 0 c( z) c e, c = konsentraatio tasolla z U ( z) U ( z) kbt du d kbt F () z c0e kbt c0e dz dz dp dc kt Tämä on tasapainoehto: B dz dz paine-ero vain kun on konsentraatioero tasapainotilanteessa

dp dz kt B dc dz Integroimalla paine-ero tasapainossa: p k T c B (van t Hoffin laki) Puoliläpäisevän kalvon esimerkkitapauksessa: p k T c B 0 Tasapaino Osmoottinen paine edellyttää fysikaalisen obektin, oka kohdistaa voiman liuenneisiin partikkeleihin Epätasapaino Käänteisosmoosi Osmoottinen virtaus

Brownin liikkeen tasasuuntaus: Tuottaako systeemi voimavaikutuksen puoliläpäisevään kalvoon 2? Puoliläpäisevä kalvo 2

Osmoottinen virtaus Osmoottinen paine = paine, oka tarvitaan pysäyttämään virtaus Jos ei paine-eroa ( = voimaa) virtaus Pooreissa paineen pudotus: Hagen-Poiseuille: 4 R Q p 8L 8 LQ p k 4 BT c R 0 Jos sekä paine- a konsentraatioero:, filtraatiokerroin kalvon omin. L p c k T L V p B p Virtauksen suunta kääntyy, kun Suuremmilla paineilla käänteisosmoosi p c k T B