Тема 3. Явление переноса

В природе существуют пространственные неоднородности плотности, температуры, скорости. Самопроизвольные процессы, которые выравнивают эти неоднородности, называют явлениями переноса.

Существует три явления переноса: диффузия, теплопроводность и вязкое трение.

В процессе диффузии происходит перенос массы (плотности) вещества. В процессе теплопроводности осуществляется перенос количества теплоты (внутренней энергии молекул). В случае вязкого трения происходит перенос импульса молекул.

К этим трем явлениям следует добавить четвертое – осмос, который очень важен для растительных и живых организмов.

Диффузия – это проникновение молекул из мест с большей плотностью вещества в места с меньшей плотностью, в результате чего через некоторое время плотности выравниваются.

Уравнение диффузии (закон Фика):

- масса вещества, переносимого в течение времени t через площадку S,

- называют градиентом плотности. Он показывает изменение плотности вещества при переходе от слоя ₁ к слою ₂

D - коэффициент диффузии.

Знак «минус» означает, что масса вещества перемещается туда, где плотность меньше.

Благодаря диффузии осуществляется дыхание живых и растительных организмов.

Молекулы кислорода проникают сквозь кожный покров мелких организмов, у которых нет органов дыхания, а также сквозь тонкую кожу земноводных. У крупных животных с толстым кожным покровом кислород воздуха проникает через легкие. У растений сквозь листья. Благодаря диффузии происходит также аэрация почвы.

Клетка живого и растительного организма отделена от внешней среды полупроницаемой мембраной, через которую происходит перенос веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки, а также вывод продуктов метаболизма.

Общая площадь мембран очень велика. Например, печень крысы имеет массу 6г, а площадь мембран клеток печени достигает сотен квадратных метров.

Путем обычной диффузии через мембрану клетки поступают молекулы кислорода, углекислого газа. Это медленный процесс.

«Облегченная диффузия» - это проникновение внутрь клетки минеральных кислот, солей, сахара, аминокислот и др. органических веществ. Они проникают через специальные переносчики и каналы, которые могут открываться и закрываться.

Интенсивность потока веществ при диффузии равна переносимой массе через единицу площади в единицу времени:

в

При переносе вещества через поверхность, разделяющую разные концентрации С₁ и С₂ совершается работа:

где m - переносимая масса вещества, - масса 1 моля вещества,

Т- абсолютная температура, С₁ и С₂ – концентрации вещества по разные стороны мембраны. R = 8,31Дж/мольК - универсальная константа.

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты от нагретых участков тела к холодным.

Уравнение теплопроводности (Закон Фурье):

, где

- переносимое количество теплоты через площадку S за время t,

- градиент температуры, т.е. изменение температуры при переходе от слоя к слою, - коэффициент теплопроводности. Знак «минус» показывает, что тепло распространяется в сторону низких температур.

Интенсивность количества теплоты при теплопроводности:

в

Коэффициент теплопроводности зависит от рода вещества. Наибольшую теплопроводность имеют металлы, наименьшую – газы. В живых организмах жировая ткань имеет меньшую теплопроводность, чем мышечная, в которой много кровеносных сосудов. Жировой слой препятствует утечке тепла у пингвинов, тюленей, моржей. Волосяной покров животных и перья птиц тоже сберегают тепло. Мышечная ткань выводит тепло наружу, сберегая организм от перегрева.

Вязкое трение является переносом импульса молекул газа из быстро движущихся слоёв в медленные, в результате чего скорости движения слоёв газа выравниваются.

Уравнение вязкого трения:

где - переносимое через площадку изменение импульса молекул в течение времени ; - градиент скорости, т.е. изменение скорости движения слоёв газа на расстоянии между ними; - динамический коэффициент вязкости среды или коэффициент вязкого трения.

Знак «минус» означает, что быстрые слои замедляются, а медленные ускоряются.

Связав формулу второго закона Ньютона

с уравнением вязкого трения, мы получим силу Ньютона для вязкого трения:

Единица коэффициента вязкого трения в СИ – 1 Па ^.с

Вязкое трение существует не только в газах, но и в жидкостях, однако механизм его возникновения разный. Скорости движения слоёв жидкости выравниваются не за счёт переноса импульса быстрых молекул, а за счёт сил сцепления между молекулами соседних слоёв, движущихся с разными скоростями.

На тело, движущееся в жидкости или газе, действует сила вязкого трения , тормозящая его движение. Замена сухого трения вязким трением облегчает работу деталей механизмов машин, уменьшая их износ.

Способ определения коэффициента вязкого трения « » подробно рассмотрен в главе 2 настоящего методического руководства (смотри «метод Стокса»).

Диффузия молекул растворителя через полупроницаемую перегородку мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя, называется осмосом. При этом в растворе возникает избыточное давление, называемое осмотическим давлением (см. рис.). Явление осмоса показано на рисунке.

m

В сосуде дистиллированная вода H₂O. В воронке, затянутой мембраной, находится водный раствор сахара C₁₂H₂₂O₁₁. Молекулы H₂O меньше молекул сахара C₁₂H₂₂O₁₁, поэтому они проникают сквозь поры мембраны и разбавляют раствор сахара в воронке. Уровень раствора повышается на высоту h, создавая осмотическое давлениеР, которое равно гидростатическому.

В разбавленных растворах молекулы растворенного вещества значительно удалены друг от друга подобно молекулам идеального газа. Поэтому к этим молекулам можно применить уравнение Клапейрона – Менделеева для идеального газа:

Часть молекул растворённого вещества диссоциирует на ионы. С учетом этого вводится изотонический коэффициент i =1+α, где - степень диссоциации молекул. Тогда осмотическое давление

где m- масса растворенного вещества, V- объем раствора, Т – абсолютная температура, μ- масса 1 моля растворенного вещества. R=8,31 Дж/ мольК;

Обозначим , где С - объемная концентрация растворенного вещества.

- формула закона Вант-Гоффа.

Закон Вант-Гоффа

Осмотическое давление прямо пропорционально объёмной концентрации вещества в растворе С, абсолютной температуре и обратно пропорционально молярной массе растворенного вещества μ.

В живых организмах основная часть осмотического давления Р обусловлена растворенными в плазме крови солями, а меньшая часть - содержащимися в плазме белками. Белки плазмы создают онкотическое давление, которое является частью осмотического.

Интенсивность осмотического потока

,

где - масса молекул, проходящих сквозь мембрану.

Зависимость интенсивности осмотического потока от разности давлений Р₁ и Р₂ по разные стороны мембраны:

,

где – коэффициент.

При этом совершается осмотическая работа:

Благодаря осмосу вода поступает в клетку и она разбухает. Это явление называется тургором клетки. В клетке возрастает осмотическое давление. При обессоливании организма клетка от сильного разбухания может лопнуть. Это «осмотический шок». Если организм обезвожен, то вода выходит из клетки. Клетка усыхает. Организм погибает. Это коллапс клетки.

В крови животных содержится белок - сывороточный альбумин, который поддерживает в клетках постоянное осмотическое давление, открывая и закрывая каналы в мембранах.

При сильных кровотечениях осмотическое давление падает, что может привести к клеточному коллапсу, поэтому пострадавшему вводят высокомолекулярные заменители крови, восстанавливающие осмотическое давление.

Раствор, у которого осмотическое давление больше давления внутренних жидкостей называютгипертоническим. У которого меньше – гипотоническим.

Растворы с одинаковыми осмотическими давлениями называют изотоническими. Вводимый в организм раствор должен быть изотоническим относительно внутренних жидкостей. Иначе будет или «осмотический шок», или коллапс.

Контрольные вопросы

1. Перечислите явления переноса. Что и как переносится в каждом из этих явлений?

2. Определение диффузии. Уравнение диффузии (Закон Фика). Поясните все буквы. Роль диффузии в жизни живых и растительных организмов.

3. Диффузия сквозь клеточные мембраны. Отличие «облегченной» диффузии от обычной диффузии.

4. Интенсивность потока вещества при диффузии (формула).

Формула работы по переносу вещества в процессе диффузии. Поясните все буквы.

5. Определение теплопроводности. Уравнение теплопроводности (Закон Фурье). Поясните все буквы. Теплопроводность различных тканей живого организма.

Интенсивность количества теплоты при теплопроводности (формула).

6. Понятие осмоса. Закон Вант-Гоффа. Поясните все буквы. Осмотическое давление и онкотическое давление.

7. Интенсивность осмотического потока (формула). Зависимость интенсивности осмотического потока от разности давлений по разные стороны мембраны.

Формула осмотической работы. Поясните все буквы.

8. Роль осмоса в биологических объектах. Изотонические, гипертонические и гипотонические растворы.