Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio

Samankaltaiset tiedostot
Chapter 4. Random Walks, Friction and Diffusion

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

Luento Pääteemat: Vetysidos Veden ominaisuudet Terminen liike Kineettinen kaasuteoria Boltzmann-jakauma Satunnaiskävely

Biofysiikka, Luento


Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

Chapter 7. Entropic forces at work

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

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

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

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Kuljetusilmiöt. Diffuusio Lämmönjohtuminen Viskoosin nesteen virtaus Produktio ja absorptio

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

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

Maxwell-Boltzmannin jakauma

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

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

Luento Sähköstaattiset vuorovaikutukset. Veden ominaisuudet Hydrofobinen vuorovaikutus. x = 0

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

Chapter 5. Life in the Slow Lane: The Low Reynolds-Number World

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Mitä ovat siirtoilmiöt?

BECS-C2101 Biofysiikka

Luento Sähköstaattiset vuorovaikutukset. Veden ominaisuudet Hydrofobinen vuorovaikutus. x = 0

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Luvun 12 laskuesimerkit

DEE Kryogeniikka

Chapter 7. Entropic forces at work

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

järjestelmät Luento 8

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Biomolekyylit ja biomeerit

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,

Luku 21. Kemiallisten reaktioiden nopeus

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Luvun 8 laskuesimerkit

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

1 Komparatiivinen statiikka ja implisiittifunktiolause

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Stanislav Rusak CASIMIRIN ILMIÖ

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Johdatusta moniskaalamallinnukseen. malleissa on usein pieniä/suuria parametreja. rajaprosessi voi johtaa laadullisesti erilaiseen rajayhtälöön

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

Luento 10: Työ, energia ja teho

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luku 8. Reaktiokinetiikka

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

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

8. Chemical Forces and self-assembly

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Mustan kappaleen säteily

9. Tila-avaruusmallit


PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

Transkriptio:

Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio 1 Luento.1.016 (oppikirjan luku 4) Nesteen sisäinen kitka Satunnaiskävelyilmiöitä Diffuusio Diffuusio kalvon läpi Diffuusiotensorikuvaus: Magneettiresonanssi (MR) Hermoratojen kuvantaminen

Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio Partikkelit jatkuvassa termisessä liikkeessä Törmäyksiä (elastisia) suurella taajuudella (vrt. kaasu) Pääasiassa liuotinmolekyyleihin Partikkelien paikkojen jakautuminen Energian jakautuminen (kitka) Vaikuttakoon partikkeleihin ulkoinen voima f (x -suunnassa) Törmäysten välisenä aikana t (oletetaan vakioksi) partikkeli liikkuu f x v t ½ t v m f x v0, x t ½ t m 0, x 0, x Törmäyksen jälkeinen suunta täysin satunnainen = törmäyksen jälk. nopeus v 0, x 0 zeta x f m vdrift, missä t t (kitkakerroin)

Nesteen sisäinen kitka 3 v drift f Saatiin yleinen kitkalaki Kitka aiheutuu partikkelien törmäyksistä Vaikuttaa kaikkiin liuoksen partikkeleihin (myös liuotin) Pallomainen partikkeli väliaineessa: 6R Stokesin laki väliaineen ominaisuuksista partikkelin efektiivinen säde R nesteen viskositeetti vedelle 10-3 kg m -1 s -1 (5 C) diffuusiolla liikkuvan partikkelin ominaisuus

Einstein-relaatio 4 Kitkakertoimen ja diffuusiokertoimen D yhteys: Aiemmin saatu: Kin. kaasuteoria + ideaalikaasun tilanyhtälö: kaasumolekyylien vapaan matkan lentonopeus: Diffuusiokertoimen määritelmä: D m v k T 0,x B D : fluktuaatio paikan suhteen : dissipaation vaikutus (nesteen sisäinen kitka) D :n ja :n lämpötilariippuvuudet monimutkaiset; tulon D lineaarinen! mahdollistaa k B :n määrityksen kokeellisesti! t v 0,x L x N t t m k T kbt k T B B t t v t L 0, x D D k T B Einstein-relaatio L t Askelpituus = keskim. törmäysväli t N t

Muita satunnaiskävelyilmiöitä 5 Polymeerien konformaatio Isolla molekyylillä voi olla valtava joukko mahdollisia konformaatioita Attraktiot, repulsiot Steeriset esteet Useita vaikuttavia tekijöitä Sidospituudet Sidoskulmat Termisen energian potkut Konformaation kuvaus? Deterministinen Esim. Proteiinien atomien sijaintien kuvaus 3D-rakenteessa Statistinen Määritys kiteytetyistä proteiineista Keskimääräiset ominaisuudet Esim. DNA ja RNA; kiinnostavaa, missä sijaitsevat ja minkä verran vievät tilaa, ei niinkään tarkka hetkellinen 3D-rakenne

6 Yksinkertainen polymeerimalli: N toistoyksikköä Sidospituus L Vapaasti nivelöidyn ketjun approksimaatio Sidoskulmat toisistaan riippumattomia Hetkellisiä pysäytyskuvia: Joukko satunnaiskävelyjä! x NL N N N N N r x y z Maksimipituus: r N max 3 3 L N L N NL Vapaasti pyörivän ketjun approksimaatio Sidoskulma vakio Keskimääräinen päiden välinen etäisyys r f ( N ) NL N

7 Esim. Polymetyylimethakrylaatin (PMMA) D asetonissa Eri moolimassaiset (mittaiset) lineaariset molekyylit Stokes-Einstein: Satunnaiskävely: D k T D B kt B 6R r N vakio N L R N M PMMA-toistoyksikkö 1 1 D M 0,57 D 1 M Linear polymer D M 0,5

8 Esim. Iso pallomainen proteiini: Vuorovaikutukset pakkaavat aminohappoja toistensa läheisyyteen Molekyylipaino M > 10 3 g/mol : 4 R M V 3 R 3 B D 3 prot D 3 Johtopäätös: 3M 4 Lyhyet peptidit lineaarisia rakenteita Pitkät aminohappoketjut pakkautuvat globulaarisiksi proteiinirakenteiksi 3 M 1 3 kt 4 1 6 3M M

9 Miten pieniin dimensioihin asti Stokes-Einstein relaation pätevyysalue jatkuu? Pienet partikkelit vedessä: vesi

10 Liuotin-polymeerivuorovaikutus ja monomeeri-monomeerivuorovaikutus Hyvä vs. huono liuotin Kompakti vs. pitkänomainen (pallomainen vs. lineaarinen) Gyraatiosäde R G : N mr i i i1 G N mi i1 Stokesin säde R S : r N R N, isoilla N Palloa jarruttava kitkavoima nesteessä 6 F Empiirisesti: R R R R G S G S 6 S R v 1.5 ("löysä" rakenne; satunnaiskävely) 0.8 (kompakti, pallomainen molek.)

11 Polymeerien ominaisuuksia: R G :n kokeellinen määritys esim. valonsironnalla

1 DNA positiivisesti varautuneella pinnalla: DNA-monomeereilla (nukleotideillä) negat. alkeisvaraus Termisestä liikkeestä eri konformaatioita (-dim.) Attraktio pintaan, repulsio ketjun osilla Teoriasta: satunnaiskävelyn eksp. 0,75 (R G N 0,75 ) R G N 0,79

4.4 Diffuusio 13 Varautumattomien partikkelien vuon makroskooppinen malli: Tarkastelu yhdessä dimensiossa (Einstein 1908): Oletukset: Partikkelit liikkuvat ajan t yhteen suuntaan (+x tai x), sitten törmäys Törmäysten välillä partikkeli liikkuu matkan L Partikkelin suunta yhtä todennäköinen +x - ja x suuntaan (½) Konsentraatiogradientti vakio ( steady state, stationääritila) Boksin koon valinta: Kun L, ajassa t x -tason läpäisevien partikkelien määrä riippuu vain partikkelien määrästä boksissa, ei boksin ulkopuolella olevien partikkelien määrästä j 1 L c x St SL j 1 L c x St SL j - j + Ala S Kokonaisvirtaus j: L L L j j j c x c x t x L x x L

14 Konsentraatiogradientti vakio: Keskim. konsentraatiot pikkuboksien keskellä Kokonaisvirtaus j: L c x L L L c L L x c x dc c x dx x x L j - j + x L x x L Ala S L L L L dc j j j c x c x t t dx D j dc D dx Fickin laki D L Einstein-Schmolukowski -yhtälö t

15 Jos virtaus muuttuu paikan funktiona (ainetta syntyy tai häviää): N j ( x) st j ( x x) st i i i Ni ji ( x) t ji ( x x) t ci sx x ci ji ( x x) ji ( x) t x ci j i Jatkuvuusyhtälö t x s c t i D i ci x Diffuusioyhtälö Diffuusioyhtälö deterministinen: c( x,0) c( x, t) Lähtökohta satunnaiskävely: stokastinen Satunnaiskävelyjoukon keskiarvoistaminen deterministinen

16 Diffuusio kalvon läpi (neutraalit aineet): Stokesilainen diffuusio Perusoletus: Systeemi: vesiliuos kalvo vesiliuos = vesiliuos öljy vesiliuos, missä öljy = homogeeninen nestefaasi c' Boltzmann: c U p k B T e B B partitiokerroin Jos vuo kalvossa ei riipu paikasta: dc ' J D' vakio, D' diffuusiokerroin kalvossa dx dc ' ( vakio, jos D' on kalvossa vakio) dx kalvo L c 0 c 0 c 1 c 1 J x Konsentraatiogradientille lineaarinen approksimaatio U p

17 Yleensä konsentraatioita ei tunneta kalvossa, mutta kalvojen eri puolilla tunnetaan Halutaan j :lle lauseke, jossa dc' dx c 0 :n ja c 1 :n avulla j D' dc ' dx j dc ' dx D' j c '( x) c0 ' x D' j c1' c '( L) c0' L D' Kalvossa pintojen konsentraatioero: c 0 L c 1 j D' c' c ' c ' B c B c L j Bc c D' L 0 1 0 1 0 1 Usein biol. systeemeissä ei tunneta D, L eikä B määritellään permeabliteetti P : D ' m, cm L s s P B j P c P

18 Eri molekyylien permeabiliteetti keinokalvossa Fosfatidyylikoliinikalvo (efektiivisesti öljyä : ε r,öljy = ~-3, ε r,vesi = ~80) D kullekin aineelle öljyssä, B kunkin aineen partitiokerroin (vesi - öljy)

Diffuusio, suuruusluokkia 19 Molekyyli Väliaine Lämpötila ( C) M (g/mol) D (cm /s) Vety Ilma 0 6,11 10-1 Helium Ilma 3 4 6,4 10-1 Happi Ilma 0 3 1,78 10-1 Bentseeni Ilma 5 78 9,60 10 - Vety Vesi 5 4,50 10-5 Helium Vesi 5 4 6,8 10-5 Happi Vesi 5 3,10 10-5 Urea Vesi 5 60 1,38 10-5 Bentseeni Vesi 5 78 1,0 10-5 Sakkaroosi Vesi 5 34 5,3 10-6 Ribonukleaasi Vesi 0 13683 1,19 10-6 Hemoglobiini Vesi 0 68000 6,90 10-7 Katalaasi Vesi 0 50000 4,10 10-7 Myosiini Vesi 0 493000 1,16 10-7 DNA Vesi 0 6 10 6 1,30 10-8 Tobacco mosaic virus Vesi 0 5 10 7 3,00 10-8

Diffuusio, suuruusluokkia 0 x ½ t ½ Esimerkki 10 nm 100 ns Solukalvon paksuus 1 m 1 ms Mitokondrion koko 10 m 100 ms Nisäkkään pienen solun säde 100 m 10 s Suuren lihassäikeen halkaisija 50 m 1 min Mustekalan jättiläisaksonin säde 1 mm 16,7 min Sammakon räätälinlihaksen puolipaksuus mm 1,1 h Silmän linssin puolipaksuus 5 mm 6,9 h Munasolun säde cm 4,6 d Sydämen kammion seinämän paksuus 1 m 31,7 v Pitkän hermosolun pituus x ½ : Puolet partikkeleista diffundoitunut matkan x ½ ajassa t ½

Diffuusio pistelähteestä 1 Alussa profiili c(x,0) c(x,t) 1-dimensioinen tapaus: N c x t e t 4 Dt x 4Dt (, ), 0 3-dim.: r N 4Dt (, ), 0 3 c r t e t 4 Dt

Esimerkki: Satunnaiskävelijälle x Dt x? edellisen kalvon jakaumalle x N 4Dt (, ) e. c x t 4 Dt

3 Esim. x? jakaumalle x N 4Dt (, ) e. c x t 4 Dt x 1 4Dt x dx x e 4 Dt Matem. taulukoista: by di 1 Määr. I( b) dy e db di Toisaalta db db dy e y (yksittäinen partikkeli) by dy e 3 b d by by dy e dy y e 1 1 1 b x Dt Dt 4Dt 4 Dt 3 Asettamalla 4 b