Chapter 7. Entropic forces at work

Samankaltaiset tiedostot
Chapter 7. Entropic forces at work

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

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Luvun 12 laskuesimerkit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

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

782630S Pintakemia I, 3 op

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

8. Chemical Forces and self-assembly

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Biofysiikka, Luento

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

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

Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio

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

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

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102


6. Yhteenvetoa kurssista

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

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Kemiallinen reaktio

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

VESI JA VESILIUOKSET

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Chapter 4. Random Walks, Friction and Diffusion

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

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

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

DEE Kryogeniikka

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,

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

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

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

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

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

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

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

b) Laske prosentteina, paljonko sydämen keskimääräinen teho muuttuu suhteessa tilanteeseen ennen saunomista. Käytä laskussa SI-yksiköitä.

dl = F k dl. dw = F dl = F cos. Kun voima vaikuttaa kaarevalla polulla P 1 P 2, polku voidaan jakaa infinitesimaalisen pieniin siirtymiin dl

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

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

8. Klassinen ideaalikaasu

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

Lämpöopin pääsäännöt

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

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

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

8. Chemical Forces and self-assembly

Teddy 1. välikoe kevät 2008

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

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

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Teddy 2. välikoe kevät 2008

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

Transkriptio:

Chapter 7. Entropic forces at work 1 Luento 8 4.3.2016 Osmoottinen paine Pintajännitys Tyhjennysvuorovaikutus MIKSI?

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 ja pintojen välisissä vuorovaikutuksissa Biologisesti tärkeitä entrooppisia voimia: Elektrostaattisia Hydrofobisia Tyhjennysilmiöt

Biologinen kysymys: Mikä pitää solut täynnä nestettä? Miten solut voivat ajaa 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) Paine p, F ( L) k B T ln Z( L) A A dl Partitiofunktio? Sisältää sisäenergiatermit e i k T B paikkavektori L 3 3 3 3 1 1 N Z( L) C d r d p... d r d p e L Z e 0 0 j E j k T B liikemäärävektori 2 2 1... pn p 2mk T C d r d r d p e d p e 3 N ; : vakioita eivät riipu L stä L dz( L) N N1 kt B p dl kbt A NL NkBT 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 N B F = E - TS T Ideaalikaasulaki

Osmoottinen paine Paine, joka tarvitaan pysäyt- tämään ainepitoisuuserojen synnyttämä liuotinvirtaus Vesi, ei ideaalikaasu! Tark. laimeaa liuosta Liuenneet partikkelit veden ympäröimiä Keskinäiset vuorovaikutukset harvinaisia Mikrotilojen energia ei riipu partikkelien paikasta Vesimolekyylit mukana partitiofunktiossa, mutta vesi kaikkialla veden paikka- ja liikemäärätermit vakioita Ratkaisu kuten ideaalikaasu vakiotilavuudessa (pätee laimeille liuoksille). Nyt tilavuus V se, jossa 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

Pintajännitys Faasirajapinnalla molekyylit kokevat erilaiset vuorovaikutukset rajapinnan eri puolilta Esim. neste-kaasu: Törmäyksiä kaasupuolelta harvemmin Attraktiot nestepuolella Kaasu-neste rajapinta: Kaasussa kylläinen kyseisen nesteen höyry Nestepinnan laajentaminen vaatii energiaa Esim. vesitippa pallomainen ilmassa Nestepinnan laajentamiseen 1 m 2 :llä kuluva energia = spesifinen pintaenergia [ ] = J/m 2 Nesteen pintajännitys = voima pituusyksikköä kohden, joka pyrkii pitämään nesteen pinta-alan minimissään Nesteen pintajännitys = spesifinen pintaenergia [ ] = N/m = J/m 2

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

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

Esim. Pyöreitä soluja ( = 10 m), tislattuun veteen, 295 K. Sytoplasman ionipitoisuuksien summa on noin 300 mm. Kalvohajoamisen pintajännitys 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 soluja ( = 10 m), tislattuun veteen, 295 K. Sytoplasman ionipitoisuuksien summa on noin 300 mm. Kalvohajoamisen 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 "räjähtävät" 2

Esim. Mikä on 1 m säteisen vesipisaran sisällä oleva ylipaine lämpötilassa 25 C? ( l) ( g) 2 R 20,072 N m 106m p p 1,4 atm

Esim. Keuhkojen toiminta Miksi alveolit eivät mene lyttyyn? Miten keuhkot jaksavat laajeta? p 4 R (2 pintaa)

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

Tyhjennysvuorovaikutus ( depletion interaction ) 16 Soluissa paljon eri kokoisia soluorganelleja (pintoja) makromolekyylejä pieniä molekyylejä atomeja (ioneja) kokohierarkia

Tyhjennysvuorovaikutus ( depletion interaction ) 17 Entrooppinen vuorovaikutus Tyhjennysvyöhyke isojen partikkelien pinnalla S kasvaa, kun pienet partikkelit ovat poistuneet välitilasta (l < 2R) ja tyhjennysvyöhyke pienenee attraktio Lyhytkantamainen (partikkelien halkaisijan 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

18 Tyhjennysvuorovaikutusdemo 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 paljon Dinsmore et al. (1998), Phys. Rev. Lett. 80, 409-412.

Tyhjennysvuorovaikutus voi olla mukana ohjaamassa molekyylien sitoutumista toisiinsa 19

Beyond Equilibrium: Osmotic Flow 20 Osmoottisen voiman alkuperä? Männät liikkuvia Puoliläpäisevä kalvo paikallaan sylinterin suhteen voima kalvosta Kalvo taipuu

21 Ulkoisen voiman aiheuttama voimakenttä nesteessä: F r ulkoinen voima tilavuusyksikköä kohden 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

22 Kolloidipartikkelit nesteessä (tiheys c(z)) Vaikuttakoon z-suuntainen voima f(z) jokaiseen 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 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

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

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

Osmoottinen virtaus 25 Osmoottinen paine = paine, joka 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- ja konsentraatioero:, filtraatiokerroin kalvon omin. j L p c k T L V p B p Virtauksen suunta kääntyy, kun Suuremmilla paineilla käänteisosmoosi p c k T B