Termosmóza - biológia
Aké horúce je príliš horúce na život hlboko pod dnom oceánu?
Antibiotiká z baktérií
Migrácia buniek: novoobjavená funkcia známeho proteínu
Molekulárny kompas na zarovnanie buniek
Čo robí listy na jeseň starnúcimi
Demokracia perličiek
Prostredie spoločnosti Ekembo: Ľudia tiež žili v otvorenej krajine
| Genetika | Poľnohospodárstvo, lesníctvo a chov zvierat
Pšeničná odroda vznikla krížením divých tráv
Aké horúce je príliš horúce na život hlboko pod dnom oceánu?
Termosmóza
Kedy Termosmóza (Angličtina: tepelná osmóza) V prírodných vedách sa na transport látok cez membrány pod vplyvom teplotného gradientu odkazuje [1]. Na rozdiel od osmózy za izotermických podmienok tu dochádza k transportu materiálu aj v jednolátkových systémoch. [2] Termosmóza je špeciálny prípad termoforézy (alebo Tepelná difúzia) a môžu zahŕňať kvapaliny a plyny. V baníctve tento termín označuje pohyb vody z teplejšej do chladnejšej oblasti Zeme. [3] Pojmy termosmóza a tepelná transpirácia sa často používajú synonymne. [4]
Objavný príbeh
Prvý popis od Reynoldsa
V roku 1897 britský fyzik Osborne Reynolds opísal jav, ktorý nazval tepelná transpirácia (Angličtina: tepelná transpirácia) určené. [5] Chápal to tak, že znamená tok plynu cez pórovitú dosku, spôsobený teplotným rozdielom medzi jeho dvoma stranami. Ak bol tlak plynu na oboch stranách pôvodne rovnaký, plyn sa pohybuje z chladnejšej na teplejšiu stranu. To zvyšuje tlak plynu tam na teplejšej strane za predpokladu, že je doska upevnená a nemôže sa pohybovať. Tepelná rovnováha sa dosiahne, akonáhle sú tlaky navzájom v rovnakom pomere ako druhé odmocniny absolútnych teplôt. [6]
Efekt opísaný Reynoldsom je v rozpore s okamžitou intuíciou. Je to spôsobené tangenciálnymi silami medzi molekulami plynu a stenami pórov platne. Plyn sa správa podobne ako supertekuté hélium (bez viskozity), ktoré prúdi veľmi rýchlo do teplejšej oblasti, keď je do nádoby ponorená kapilára. Toto Fontánový efekt bol prvýkrát opísaný v roku 1938. [7]
Termosmóza v kvapalinách
Francúzsky fyzik a nositeľ Nobelovej ceny Gabriel Lippmann dokázal v roku 1907 dokázať, že v tekutinách sa vyskytuje termosmóza. [8]
Základy
Termoosmotická permeabilita
Masový transport v termosmóze možno opísať pre systém s jednou látkou pomocou nasledujúcej rovnice toku:
$ J_1 = B \ cdot \ frac \ cdot \ Delta T \ qquad (\ Delta p = 0; \ Delta x_1 = 0) $
Sú tam J1 hmotnostný tok komponentu 1 v mol · s -1, B. the termoosmotická permeabilita v mol · K -1 · m -1 · s -1, q prierez plochou membrány v m 2, 5 hrúbka membrány vm a ΔT teplotný rozdiel v K.
Výsledkom termosmózy je tlakový rozdiel medzi týmito dvoma fázami (spočiatku pri rovnakom tlaku); strana, na ktorú sa materiál prepravuje, má vyšší tlak. V dôsledku tlakového rozdielu, ktorý sa teraz uplatňuje medzi týmito dvoma fázami, dochádza k permeacii v opačnom smere a nakoniec tok hmoty zmizne (J1 = 0), akonáhle sa dosiahne ustálený stav:
Tento stacionárny tlakový rozdiel sa nazýva rozdiel termoosmotického tlaku určený. to je A. the izotermická priepustnosť membrány v mol kg -1 s, ktorý popisuje prenos hmoty v dôsledku tlakového rozdielu:
$ J_1 = A \ cdot \ frac \ cdot \ Delta p \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta x_1 = 0) $
s tlakovým rozdielom Δ v Pa.
Závislosť znamienka a teploty
Termoosmotická permeabilita môže mať kladné alebo záporné hodnoty v závislosti od materiálovej zložky a typu membrány a tlak na teplejšej alebo studenejšej strane systému sa primerane zvýši. V systémoch, kde je plyn rozdelený gumovou membránou, prúdi oxid uhličitý na teplejšiu stranu (B. > 0: pozitívna termoosmotická permeabilita), zatiaľ čo vodík zvyšuje tlak na chladnejšej strane (B. [9] [10] [11] Ak sa systém skladá z vody a celofánovej membrány (Celofán 600), tepelno-osmotická permeabilita s rastúcou teplotou ustavične klesá, až kým nedôjde k obráteniu znamienka pri teplote okolo 56 ° C a jej hodnoty sú pri vyšších teplotách záporné. Boli zistené hodnoty v rozmedzí od 6,5 · 10 -10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (pri 10,7 ° C) do -11,7 · 10 -10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (pri 90,0 ° C) stanovené [12]
Proporcionalita prenosového tepla
Teplo prenosu Q * a termoosmotická permeabilita sú v ustálenom stave navzájom úmerné:
je tam Q * teplo prenosu v J · mol -1 a $ \ bar V $ čiastočný molárny objem v m 3 · mol -1. Teplo prechodu má všeobecne rovnaké znaky ako termo-osmotická permeabilita. V systéme vody a Celofán 600 takto vykazuje obrátenie znamienka pri 56 ° C; pre prenos tepla boli namerané hodnoty 11,9 J mol -1 (pri 10,7 ° C) až -5,7 J mol -1 (pri 90,0 ° C). [12]
Osmotická teplota
Ak existuje systém s viac ako jednou látkovou zložkou, môže rozdiel medzi termososmotickým tlakom viesť k rozdielu v stacionárnej koncentrácii medzi týmito dvoma fázami:
Je D. the osmotický difúzny koeficient v m 2 s -1, čo charakterizuje rovnicu toku pre izotermicko-izobarický transport hmoty cez membránu:
$ J_1 = D \ cdot \ frac \ cdot \ Delta x_1 \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta p = 0) $
s rozdielom množstva látky ΔX1 zložky 1 v mol · m -3
Stacionárny teplotný rozdiel ΔT v tomto prípade sa volá osmotická teplota určený.
Osmotický tepelný efekt
Ak membrána vykazuje tepelnú osmózu pre zložku materiálu (jej termosmotická permeabilita sa preto nerovná 0), teplo sa prenáša pri pôvodne rovnakej teplote dvoch fáz, ak k prechodu materiálu cez membránu dochádza v dôsledku rozdielu tlaku alebo koncentrácie. Tento jav sa nazýva osmotický tepelný efekt určený; bolo dokázané experimentom s tekutým héliom a je tiež pod týmto názvom mechanokalorický účinok známe; on je naopak Fontánový efekt. [2]
Biologický význam
Historická diskusia
O dôležitosti termosmózy pre biologické systémy diskutoval Spanner v roku 1954: Odhadol teplo prenosu vody cez membrány rastlinných buniek na asi 4 060 J · mol -1; za predpokladu štandardných hodnôt pre strednú teplotu a molárny objem vody by teplotný rozdiel 0,01 K vytvoril stacionárny tlakový rozdiel 134 kPa. Avšak nebolo známe, či 10 nm hrubá membrána dokáže udržiavať taký teplotný gradient 1 000 K na mm. Na druhej strane, pretože v bunke prebieha množstvo reakcií spotrebujúcich alebo vyrábajúcich energiu, nebolo možné vylúčiť, že termosmóza zohráva úlohu v membránovom transporte cez biologické membrány. [13]
Termoosmotický transport kyslíka v rastlinách
Transport kyslíka v dôsledku termosmózy bol dokázaný v rastlinách, ktoré sa zakoreňujú v prostredí s nízkym obsahom kyslíka, ako je žltá rybníková ruža alebo jelša čierna. [14]