Biofizyka - Lecture Notes PDF

WYKŁAD 1 (do zrobienia) (wstawiłam moje notatki z tego co on mówił na 1.wykładzie i mam kawałek notatek z transportu masy i ładunku elektrycznego + wstawiłam przepisany 1 wykład z dysk) 1.​ Pomiar kąta - dlaczego 360 stopni? → 360 stopni bo 360 dni w roku (kiedyś li...

WYKŁAD 1 (do zrobienia) (wstawiłam moje notatki z tego co on mówił na 1.wykładzie i mam kawałek notatek z transportu masy i ładunku elektrycznego + wstawiłam przepisany 1 wykład z dysk) 1.​ Pomiar kąta - dlaczego 360 stopni? → 360 stopni bo 360 dni w roku (kiedyś liczono 360) 2.​ Redefinicja podstawowych jednostek SI → Ziemia przestała być odnośnikiem dla różnych wielkości fizycznych (było to zbyt nieprecyzyjne) → przejście do uniwersalnych jednostek mogących opisać zjawiska występujące w całym wszechświecie 3.​ Które z jednostek nowych SI nie są zależne od szybkości światła w próżni? → Amper, mol i sekunda (tego typu pytanie może być na egzaminie, oparte jest na schemacie ze strzałkami na slajdach o jednostkach SI) Fzmian odp: Sekunda, mol, amper. Ponieważ ich wzoru nie da się doprowadzić do postaci, żeby zawierał mert, a właśnie metr odnosi się do prędkości światła. 4.​ Częstotliwość nadsubtelnego przejścia w at.cezu-133 → sekunda Prędkość światła → metr Stała Plank-a → kilogram elementarny ładunek elektryczny → Amper stała (liczba) Avogadra → mol stała Boltzmanna 5.​ Dlaczego mamy 24 godziny w dobie? → bo dobę dzielono na 12 części dnia i 12 części nocy dlatego, że było 12 modlitw dziennych i 12 nocnych Notatki z transportu masy i ładunku: 1.Transport błonowy: -​ transport bierny: dyfuzja (gazy oddechowe, substancje rozpuszczalne w tłuszczach) osmoza (związana z porami) dializa (związana z porami) -​ transport ułatwiony (kanały błonowe): uniport (pory) symport antyport (białka transportowe) -​ transport aktywny (wymaga ATP) 2. Osmoza to dializa rozpuszczalnika: -​ ryby słodkowodne → ryba ciągle pobiera jony z wodą i stale wysikuje rozcieńczony mocz, środowisko zewnętrzne ma mniejszą koncentrację jonów -​ ryby słonowodne → woda ucieka z organizmu, więc ryba musi stale pić wodę, środowisko zewnętrzne ma większą koncentrację jonów 3. Co się stanie, gdy wrzucimy rybę słodkowodną do morza? → umrze, bo wyschnie 4. Co się stanie, gdy wrzucimy rybę morską do stawu? → spuchnie i pęknie 5. Różnica między osmozą a dializą: wielkość porów 6.​ Dializa pod ciśnieniem hydrostatycznym: -​ nierówna wielkość tętnic doprowadzających i odprowadzających → narastające ciśnienie hydrostatyczne wypycha elementy drobnocząsteczkowe i wodę, zatrzymuje białka i elementy morfotyczne -​ ciśnienie filtracyjne zależy od ciśnienia hydrostatycznego i będzie się musiało przeciwstawić ciśnieniu osmotycznemu wywieranemu przez białka, które nie są w stanie przejść przez pory błony, i ciśnieniu hydrostatycznemu w obrębie torebki Bowman’a 7.​ Białkowy węzeł rożkowy → do węzła dołącza się cząsteczka glukozy, która pozwala na dołączenie jonów sodu -> dochodzi do zmiany konformacji tego białka -> białko jest wciągane w obrębie kanału, razem z glukozą i sodem i wnika do wnętrza komórki (tutaj można kontynuować) Wykład 1 przepisany z dysku: 1. Fizyka (z greckiego: physis - natura) - nauka o świecie naturalnym, która zajmuje się badaniem materii i jej oddziaływaniami w czasoprzestrzeni, oraz koncepcjami powiązanymi takimi jak energia i siła. Szerzej, fizyka zajmuje się podstawową analizą zjawisk naturalnych, od poziomu cząstek elementarnych (kwarki, neutrina i elektrony) do największych super-gromad galaktyk w celu zrozumienia jak działa wszechświat Biofizyka jest nauką interdyscyplinarną, która wykorzystuje metody fizyki i chemii fizycznej do badań systemów biologicznych. Badania dotyczą zjawisk na wszystkich etapach organizacji organizmów żywych, od skali molekularnej, przez organizm aż po ekosystem. Biofizyka obejmuje elementy biochemii, nanotechnologii, bioinżynierii, agro-fizyki i biologii systemowej. 2. Co to znaczy wszechświat? 3. Domena fizyczna: - Fizyka ciała stałego jest działem fizyki, która zajmuje się makroskopowymi właściwościami materii - Fizyka atomowa, molekularna i optyka zajmuje się badaniem oddziaływań materia-materia i światło-materia w skali od jednego do kilku atomów - Fizyka cząsteczkowa i wysokiej energii bada elementarne składniki materii i energii, oraz ich wzajemne oddziaływania, plus oczywiście Higgs'a - Astrofizyka dotyczy teorii i metod fizycznych wykorzystywanych w badaniach struktury gwiazd, ewolucji gwiazd, początkowych wszechświata i innych problemów kosmologicznych A matematyka? Matematyka jest językiem fizyki... 4. Metoda naukowa: - bada zastosowalność teorii fizycznych, z użyciem podejścia metodologicznego porównuje założenia teoretyczne z wynikami prac eksperymentalnych i obserwacji wszechświata - teorie znajdujące dobre poparcie w danych obserwowalnych, które zawsze znajdują potwierdzenie w doświadczeniach empirycznych, są często określane mianem praw naukowych, lub praw naturalnych 5. Teoria i eksperyment: - teoretycy tworzą modele matematyczne, które zgadzają się z wynikami eksperymentów i pozwalają przewidzieć wyniki przyszlych doświadczeń - praktycy wymyślają i przeprowadzają eksperymenty, które testują teoretyczne założenia i szukają dziury w całym 6. Dlaczego potrzebni są eksperymentatorzy?: Przykład: - podstawowym założeniem mechaniki kwantowej jest to, że stan każdej cząstki może być opisany funkcją falową używaną do określenia prawdopodobieństwa, że cząstka pozostaje w takim a nie innym stanie - według tej interpretacji, to fakt pomiaru powoduje, że stan prawdopodobieństwa "zapada się" do wartości określonej pomiarem - innymi słowy do czasu pomiaru cząstka pozostaje w dwóch stanach równocześnie 7. Recepta na kota Schrodinger'a: - weź kota, flaszę z trucizną, elektron (każdy ma spin) i detektor spinu -umieść w zamkniętym, dobrze zaizolowanym pudełku i wstrząśnij - jeśli elektron ma spin prawoskrętny, flasza ulega rozbiciu, a uwolniona trucizna zabija kota. Jeśli elektron ma spin lewoskrętny, kot przeżywa - mechanika kwantowa zakłada, że po chwili kot, jest równocześnie żywy i martwy, ponieważ każdy z kierunków spinu elektronu można określić z równym prawdopodobieństwem: lewoskrętny (żywy kot) i prawoskrętny (martwy kot) - według tej teorii to fakt obserwacji determinuje los kota! Ale czy na pewno? - Albert Einstein, w liście do Schrodinger'a z roku 1950, napisał: "Jesteś jedynym współczesnym fizykiem, który rozumie, że żeby pozostać uczciwym nie można wykroczyć poza założenie rzeczywistości. Większość po prostu nie widzi, w jak ryzykowną grę grają z rzeczywistością - rzeczywistością oderwaną od stanu faktycznego..." - sfotografowano kota Schrodinger'a! 8. Teoria i eksperyment (podejście nr 2) - niewielka dawka przyziemnego realizmu jest zawsze wskazana - albo błyskotliwa idea, która wywróci nasze rozumienie fizyki 9. Fundamenty fizyki: - zestaw praw uniwersalnych zarządzających znanym wszechświatem - grawitacja - wzajemne przyciąganie obiektów, które posiadają masę - masa??? - asymetria w polu Higgs'a - pole Higgs'a??? 10. Kwarki: - ładunek elektryczny (+ / -) = aromat - ładunek koloru (RGB) - masa - spin, lub jego część 11. Tajemnicze pole Higgs'a: - według hipotezy masę tworzy bozon Higgs'a (nośnik siły) przez spontaniczne, lokalne zakłócenie pola Higgs'a 12. Prawa zachowania: - pewna mierzalna właściwość izolowanego systemu fizycznego nie ulega zmianie w czasie ewolucji systemu - prawo zachowania masy: masa izolowanego systemu fizycznego (całkowicie izolowanego od wpływów zewnętrznych) pozostaje niezmienna w czasie - prawo zachowania pędu (drugie prawo dynamiki Newton'a): całkowity pęd ciał w izolowanym systemie fizycznym (bez interakcji z obiektami zewnętrznymi) jest niezmienny - prawo zachowania energii (pierwsze prawo termodynamiki): energia izolowanego systemu fizycznego pozostaje niezmienna w czasie 13. Jednostki SI: - Systeme Internationale d'Unites - międzynarodowy, dziesiętny system jednostek wprowadzony w roku 1960 - zawiera siedem podstawowych jednostek, z których wywodzą się pozostałe jednostki - oczekuje się zmiany definicji jednostek 20 maja 2019r. - nowe definicje odnosić się będą wyłącznie do naturalnych wartości bezwzględnych: stałej Planck'a, prędkości światła w próżni i częstotliwości okresów promieniowania atomu cezu - 133 - DŁUGOŚĆ - metr (m), odległość pokonywana przez światło w próżni w czasie 1/299'792'458 sekundy lub długość metalowej sztaby przechowywanej w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sevres, Francja, odpowiadająca (0,999914*)10^-7 połowy południka ziemskiego - MASA - kilogram (kg), definiowany przez masę walca o wysokości średnicy podstawy 39 mm wykonanego ze stopu platyny (90%) z irydem (10%): międzynarodowy wzorzec kilograma przechowywany w MBMiW w Sevres, Francja - CZAS - sekunda (s), czas równy 9192631770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F=3 i F=4 struktury stanu podstawowego atomu cezu 133, 1/60 minuty, 1/3600 godziny - NATĘŻENIE PRĄDU ELEKTRYCZNEGO - amper (A), niezmieniający się prąd elektryczny, który płynąc w dwóch równoległych przewodach, umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie, powoduje wzajemne oddziaływanie przewodów z siłą równą 2*10^-7 N na każdy metr długości przewodu - ŚWIATŁOŚĆ - kandela (cd), jest to "jasność", z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4*10^14 Hz i wydajności energetycznej równej 1/683 wata na steradian - LICZNOŚĆ SUBSTANCJI - mol (M), ilość materii zawierająca liczbę cząstek (indywiduów chemicznych) równą liczbie atomów zawartych w 0,012 kilograma izotopu węgla-12 - TEMPERATURA TERMODYNAMICZNA - kelwin (K), 100/27'316 punktu potrójnego wody (równowaga pomiędzy stanami: stałym, ciekłym i gazowym) czystej chemicznie wody 14. Inne jednostki - przestrzeń i czas: - godzina - 1/24 część średniego dnia solarnego - dzień - średni czas obrotu Ziemi wokół własnej osi - miesiąc - jednostka czasu odpowiadająca średniemu czasowi ewolucji Księżyca - rok - średni okres czasu odpowiadający jednemu obrotowi Ziemi wokół Słońca - rok świetlny - odległość, którą światło pokonuje w ciągu 1 roku w próżni (9.46053*10^12 km lub 63,240 jednostek astronomicznych) 15. Siła, praca, moc i ładunek: - Niuton (N) - jednostka absolutna siły, określana jako siła niezbędna by nadać masie jednego kilograma przyspieszenie 1m/s^2 - Dżul (J) - jednostka energii, pracy i ciepła, określa pracę wykonaną przez siłę o wartości 1N na odcinku 1m - Wat (W) - jednostka mocy odpowiadająca pracy 1J wykonanej w ciągu 1s - Wolt (V) - jednostka potencjału elektrycznego, różnica potencjału elektrycznego pomiędzy dwoma punktami przewodu liniowego, w którym płynie niezmienny prąd o natężeniu 1A, zaś moc pobierana pomiędzy tymi punktami jest równa 1W - Koń mechaniczny (KM/HP) - jednostka mocy stworzona dla porównania wydajności maszyn parowych do wydajności konia pociągowego, jest to moc niezbędna by podnieść masę 33'000 funtów na wysokość 1 stopy w ciągu 1 minuty, silnikiem o mocy 3KM można było zastąpić 3 konie pracujące przez cały dzień w zmianach co 8 godzin 16. Jasność:  - Lumen (lm) - jednostka gęstości strumienia świetlnego światła widzialnego dla człowieka, w odróżnieniu od światłości, która mierzy całkowitą moc emitowanego promieniowania monochromatycznego - Lux (lx) - natężenie oświetlenia, charakteryzujące jasność oświetlenia powierzchni światłem widzialnym dla człowieka, odpowiada 1lm na 1m^2 17. Temperatura: - Celsius (C) - 1/100 skali opartej na 0 stopni jako temperaturze zamarzania wody i 100 stopni jako temperaturze wrzenia wody, wynaleziona w 1742 przez szwedzkiego astronoma Andersa Celsiusa - Fahrenheit (F) - 1/180 skali opartej na 32 stopniach jako temperaturze zamarzania wody i 212 stopni jako temperaturze wrzenia wody, wynaleziona przez XVIII-wiecznego niemieckiego fizyka Daniela Gabriela Fahrenheita: ⦁​ określił on oryginalnie 3 punkty na skali: 0 stopni dla temperatury równowagowej mieszaniny soli i lodu, 30 stopni dla temperatury zamarzania wody i 90 stopni dla fizjologicznej temperatury ciała człowieka, później te ostatnie wartości skorygowano na 32 stopnie i 98,6 stopni 18. Absolutne zero: - -273,15 stopni w skali Celsiusa i -459,67 stopni w skali Fahrenheita - teoretyczna temperatura, w której molekuły substancji mają najniższą (brak) energii kinetycznej (pozostają w bezruchu) - temperatura bezwględnie najniższa 19. Inne ważne jednostki: - Pinta (pt) - jednostka objętości, 1/8 galonu, 1 pinta to objętość, którą łatwo podnieść na średnią wysokość 1 stopy, przechylić i wypić w ciągu 1 minuty - Kaloria (cal) - jednostka energii lub ciepła, oryginalnie określana jako ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury 1g wody z 14 na 15 stopni C przy standardowym ciśnieniu 1atm., średnia ilość energii zawarta w 1/2000 Bekon-Delux-Triple-Burgera, albo (według Garfield'a) międzynarodowa jednostka smaku - Bit, binary digit (b) - podstawowa, najmniejsza jednostka informacji w systemie fizycznym, która istnieje w wyłącznie w 2 stanach (0 lub 1), innymi słowy, ilość informacji, wystarczająca do zabicia kota Schrodinger'a 20. W świecie fizycznym (prawie) wszystko jest względne 21. Teoria pomiaru: - pomiar jest procesem nadawania wartości numerycznej obiektom lub zdarzeniom fizycznym - pomiar określa obiekty mierzalne, jak różne pomiary odnoszą się do siebie, oraz określa błąd w procesie pomiaru 22. Zakres - określa różnicę pomiędzy najwyższą i najniższą wartością, jest najprostszym sposobem wykazania różnorodności danych, określany jest wyłącznie przez dwie wartości ekstremalne Zakres fizjologiczny - określa optymalny zakres procesów biologicznych, jak wzrost i rozwój, jest wartością charakterystyczną dla gatunku lub populacji Średnia populacyjna - średnia i granice wartości opisujących procesy fizjologiczne w danej określonej populacji, uzyskany w wyniku kompilacji danych z badań przesiewowych w tej populacji Zakres osobniczy - średnia i granice wartości opisujących procesy fizjologiczne dla danego osobnika w danym okresie życia WYKŁAD 2 Elektryczność (ēlectricus, „bursztyno-podobny”) - zjawisko związane z obecnością lub przepływem ładunków elektrycznych ładunek elektryczny – właściwość cząstki subatomowej, która determinuje jej zachowanie w polu elektrycznym ładunek statyczny – ładunek powierzchniowy – nagromadzenie ładunku elektrycznego na powierzchni obiektu. Np. jeżeli kota włoży się do chipsów styropianowych to w czasie ocierania się go o te chipsy odbiera on część ładunku elektrycznego z tych chipsów i tworzy się różnica potencjału i kot zostaje oblepiony. Gdy dotknie się do czegoś metalowego to następuje rozładowanie tego ładunku -> wyładowanie elektrostatyczne ładunek dynamiczny – prąd – przepływ ładunków elektrycznych wzdłuż przewodnika jako konsekwencja wyładowania elektrostatycznego Wyładowanie elektrostatyczne opisane przez Charles Augustin de Coulomb’a Prawo Coulomb’a – opisuje natężenie siły elektrostatycznej występującej pomiędzy dwoma ładunkami elektrycznymi (forma skalarna) F – siła elektrostatyczna Q1,2 – ładunek elektryczny r – odległość k – stała Coulomb’a Pole elektryczne - wprowadzone przez Michael’a Faraday’a - otacza elektrycznie naładowaną cząstkę i zmienne w czasie pole magnetyczne - oddziałuje na inne elektrycznie naładowane obiekty - wprost proporcjonalne do siły elektrostatycznej i odwrotnie proporcjonalne do ładunku W warunkach izolowanych wektor pola elektrycznego od ładunku dodatniego do ładunku ujemnego F – siła elektrostatyczna Q – ładunek elektryczny Pole elektromagnetyczne Właściwość przestrzeni wywołana ruchem ładunków elektrycznych, powstaje wokół każdego poruszającego się ładunku elektrycznego Obowiązuje reguła prawej dłoni by określić kierunek przepływu (prawa ręka, kciuk wskazuje przypływ prądu, a palce reki kierunek pola magnetycznego) Pole magnetyczne jest prostopadłe do przepływu ładunku, a pole elektryczne prostopadłe do pola magnetycznego Przepływ ładunków opisują (prawa Kirchoffa) Prawa Kirchhoff’a Pierwsze prawo: suma natężeń prądów wpływających i wypływających z węzła obwodu elektrycznego jest równa zeru np. z błony komórkowej Drugie prawo: w zamkniętym obwodzie elektrycznym suma spadków napięć na oporach (np. bateriach) równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie, równa zeru Siła elektromotoryczna: siła nadana ładunkowi poruszającemu się w obwodzie elektrycznym wynikająca z różnicy potencjału elektrycznego (napięcia [V]) przyłożonego do obwodu. Mówi nam z jaką intensywnością może dochodzić do przepływu ładunków prze błonę kom Prawo Ohm’a: prąd płynący pomiędzy dwoma punktami przez przewodnik jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów pomiędzy tymi punktami Ohm [Ω] – jednostka oporności; oporność pomiędzy dwoma punktami przewodnika (izolowanego od zewnętrznych oddziaływań elektromagnetycznych), przy różnicy potencjału 1 volta i natężeniu płynącego prądu 1 ampera opór elektryczny (ta siła która stara się przeciwstawić ładunkowi elektrycznemu) to upór przewodnika by nie przepuścić ładunków elektrycznych; jego przeciwieństwem jest przewodność elektryczna, określająca łatwość przepływu prądu w zależności od intensywności oporu mówimy o obiektach o dobrej przewodności elektrycznej -> przewodniki, lub o słabej przewodności elektrycznej -> izolator Woda i roztwory - czysta woda jest doskonałym izolatorem (wysoka oporność) - dobrze chłodzi; czysta woda będzie dobrze rozpuszczać inne substancje - dzięki rozpuszczonym w niej jonom nabiera właściwości przewodnika (im więcej jonów tym lepszy przewodnik???) - ładunek w roztworze płynie w obu kierunkach – w stronę (+) i (-) elektrody Jak dodamy do wody NaCl i przyłożymy elektrody to zauważymy, że jony zaczęły się poruszać (jony ujemne do elektrody dodatniej, a jony dodatnie do elektrody ujemnej – chlor porusza się wolniej niż sód bo jest większy) Im większy obiekt tym wolniej będzie się poruszał w środowisku wodnym i słabiej będzie przenosił ładunek elektryczny przez środowisko wodne. - silne przewodniki: małe naładowane jony np. sole nieorganiczne - słabe przewodniki: duże naładowane jony np. kwasy organiczne, białka, itp. Kondensator – urządzenie do przechowywania energii elektrycznej (butelka lejdejska – pierwszy kondensator - zbudowany jest z dwóch blisko siebie położonych przewodników dobrze odizolowanych od siebie σ= pojemność Q = ładunek A = powierzchnia E= pole elektryczne V = przyłożone napięcie ​ d = odległość BUTELKA LEJDEJSKA – były pierwszymi bateriami do urządzeń; pojemność elektryczna mierzono ilością butli Lejdejskich o określonej wielkości O anodach i katodach w baterii ANODA - elektroda przyciągająca jony ujemne (aniony) / oddaje jony dodatnie do roztworu (nagromadzenie w niej nadmiarowych jonów ujemnych) KATODA - elektroda przyciągająca jony dodatnie (kationy) / oddaje jony ujemne do roztworu (nagromadzenie w nie nadmiarowych jonów dodatnich) Gdy połączymy te dwie baterie to nastąpi przepływ prądu – od elektrody ujemnej do dodatniej Cząstka naładowana - cząstka posiadająca ładunek elektryczny - cząstka subatomowa (proton lub elektron)22 - jon - stado naładowanych cząstek = PLAZMA Równanie Nernst’a - równanie używane do określenia potencjału równowagi redukcyjnej połowy komórki elektrochemicznej - określa wartość gradientu elektrycznego równoważącego gradient chemiczny roztworu Potencjał Nernst’a - fizjologiczne przełożenie równania Nernst’a; potencjał jonu obdarzonego ładunkiem w poprzek błony biologicznej, potencjał równowagi - potencjał równowagi jonu określa potencjał błonowy, przy którym nie występuje znaczący przepływ tego jonu przez błonę komórkową (stężenie jonów po obu stronach błony pozostaje bez zmian) - DOTYCZY TYLKO SYTUACJI STATYCZNYCH!!! Równanie Goldman’a - Żeby odzwierciedlić fizjologiczne warunki, dla których równanie Nernst’a nie znajduje zastosowania, wykorzystywane jest równanie Goldman’a–Hodgkin’a–Katz’a, określające potencjał równowagi jonu uwzględniający jony przepływające przez błonę komórkową i określa jak one wpływają na potencjał Siła napędowa - mówi w która strone jony będą chciały przejść przez blone kom - określa różnicę pomiędzy faktycznym potencjałem błonowym, a potencjałem równowagi jonu - prąd jonowy (Iion) to przewodność jonowa (gion) przemnożona przez siłę napędową, czyli różnicę pomiędzy potencjałem błonowym (Vm) a potencjałem równowagi jonu(Eion) - prąd jonowy wynosi zero jeśli błona jest dla jonu nieprzepuszczalna(gion= 0), niezależnie od wartości siły napedowej (np. Li) Jeżeli potencjał równowagi jonu jest dodatni to przepływa do komórki, a jeżeli ujemny z komórki Neuron Komórka elektrycznie obojetna, która przenosi informacje przez zmiane jego potencjału Róznica w szybkści przepływu informacji: Za każdym razem jak jony napływają przez błone, tam gdzie nie ma osłonki powoduje zmiane środowiska wew w komórce. Pojawia się duża ilość jonów sodu i to będzie się sprzeciwiać napływowi jonow Na+ przy kolejnym kanalae jonowym Komórka nerwowa nieaktywna – nie obserwujemy przepływu jonów Wykres potencjału czynnościowego: dół wykresu mniejszy niż góra bo dochodzi do odtworzenia potencjału błonowego i ta różnica nigdy nie będzie taka duża jak w przypadku przechodzenia fali depolaryzacji przez pierwsza elektrodę Z przepływem ładunków związane jest powstawanie pola elektrycznego i pola elektromagnetycznego wokół neurony. To pole będzie intensywne w okolicach węzłów Ranviera (intensywne przemieszczanie się jonów) Osłonki mielinowe neuronów zapobiegają crosstorfowi (???) między neuronami sąsiadującymi – chodzi o to by nie odzdziaływały na siebie tak jak by to robiły jakby były bezmielinowe, bo te jony z jednego neuronu oddziaływałyby na drugi Za każdym razem jak jony napływają przez błonę komórkowa do neuronu to zmienia się środowisko wewnętrzne w komórce. Pojawia się duża ilość jonów Na+ i to się sprzeciwia napływowi jonów soduz zewnętrza błony komórkowej przy kolejnym otwartym kanale. Dopiero gdy mamy fragment błony komórkowej odizolowany od środowiska jest możliwość dyfuzji tych jonów Potencjał jonów Na+ w przewężeniach musi być tak duży by spowodować zmianę polaryzacji błony komórkowej w kolejnym węźle Ranviera i dojdzie do przekazania informacji przez neuron Jeżeli przyłączymy napięcie do żywego, spolaryzowanego neuronu: zamykamy obwód, ładunek płynie zgodnie z ruchem. Przy elektrodzie dodatniej dochodzi do zmniejszenia ładunku, odbieramy z niej ładunek elektryczny – potencjał błonowy rośnie, aż osiągnie potencjał progowy. Po tym otworzą się kanały sodowe, sód napłynie do wnętrza (faza depolaryzacji). Następnie ucieknie i pojawi się faza depolaryzacji i pojawi się tzw. Potencjał katodowy. W tym samym czasie kiedy tworzymy to wyładowanie, po drugiej stronie następuje taka sama zmiana ale przeciwna, bo ten prąd w obrębie układu musi się zrównoważyć. Przy anodzie generowany jest potencjał anodowy i przy niej nagromadzamy elektrony i dochodzi do hyperpolaryzacji błony komórkowej. Powoduje to, że zgodnie z gradientem elektrycznym zaczną nam napływać ładunki dodatnie (jony K+ się nagromadza w okolicy anody). Gdy teraz rozłączymy układ elektryczny, nagle „zabieramy” te elektrony i mamy nagromadzone dużo ładunków potasowych. Powoduje to depolaryzacje błony komórkowej - powstaje taki ładunek (taka polaryzacja błony, że znów otwierają się kanały sodowe (sód napływa, potas ucieka) i dojdzie do wyładowania – powstaje tzw. Potencjał anodowy. Będzie on zawsze mniejszy niż potencjał katodowy. Wynika to z tego, że jony sodu napływają w środowisko gdzie jest olbrzymia ilość jonów dodatnich (płyna w odwrotną stronę ładunku elektrycznego i wbrew potencjałowi elektrycznemu) Potencjały otwarcia i zamknięcia potencjał katodowy = potencjał zamknięcia potencjał anodowy = potencjał otwarcia Bioelektryczność - pole elektryczne, magnetyczne lub elektromagnetyczne wytwarzane przez żywe komórki, tkanki i organizmy Przewodniki organizmu: · Neurony - Na + , K +, Cl – Ca+ · mięśnie szkieletowe i sercowy - Ca 2+ · mięśnie gładkie - Ca 2+ Przez te przewodniki w organizmie i posiadanie pola elektryczego jesteśmy widoczny dla organizmów, które mają zdolność do wykrywania pola elektrycznego poprzez jego zmiany Rekiny i szósty zmysł - ampule Lorenziniego (kanał wypełniony żelem wysokoprzewodzącym dużą ilość jonów i przyłączonego do niego włókna nerwowego) - wykrywają pola elektryczne w wodzie (odbierane za pośrednictwem ampuli wypełnionych wysoko przewodzącym żelem) i wiedza z jakiego kierunku bo ampuły ułożone symetrycznie Róznica natężenia pola elektrycznego pomiędzy dwoma ampułami będzie wywoływać wyładowanie elektryczne. - próg pobudzenia to 5 nV/cm Rekiny są w stanie odbierać pole elektryczne, ale nie są w stanie same indukować pola, jest ono związane z aktywnością ich komórek Elektryczność jako broń Jeżeli jest pobudzenie dojdzie do depolaryzacji błony komórkowej i dojdzie do przepływu jonów sodu i ona depolaryzacja będzie się rozprzestrzeniać wzdłuż całej błony komórkowej i zmieni się polaryzacja całej błony komórkowej. Dojdzie do wytworzenia pola elektrycznego, ale nie dojdzie do powstania „baterii” bo te zmiany zachodzą równomiernie. Niektóre zwierzęta tak zmodyfikowały swoje komórki (powstały elektrocyty), że są w stanie wytworzyć różnice napięcia pomiędzy jedną stroną komórki a drugą (z jednej strony mamy bardzo rozbudowana synapsę, a na pozostałej części błony kom mamy bardzo mało kanałów jonowych). Jeżeli dojdzie pobudzenie do takiej komórki to stworzy się różnica potencjałów. Z jednej strony będzie potencjał dodatni wewnątrz komórki, a z drugiej strony ujemny. Na powierzchni błony będą na odwrót. I dojdzie do tego, że stworzona zostanie duża różnica potencjałów. Nagromadzając takie komórki w klasyczne stosy Volty (grupy funkcjonalne) będziemy mogli zwiększyć róznice napięcia między początkiem, a końcem grupy. Krótko mówiąc będziemy zwiększać ilość voltów generowana przez taka „baterie”. Jeżeli stosy elektrocytów połączymy w układ równoległy (obok siebie) to będziemy zwiększać ilośc prądu płynącego (zwiększać natężenie prądu czyli zwiększać ilość amperów generowana przez narząd elktryczny). Tak jest indukowane pole elektryczne przez zwierzęta wytwarzające „na życzenie” zmiany pola elektrycznego – elektryczność jako broń GADATLIWY MRUK: mruk nilowy, potrafi wykorzystać elektryczność. Żyje w mętnym środowisku, nic nie da się zobaczyć. Mruk nilowy posiada pręgę tuż nad linią naboczną – posiada narząd elektryczny. Ta linia to skupisko elektrocytów i dzięki temu jest w stanie wyidukować impulsy prądu elektrycznego (klikają). Wytworzone zostaje pole elektryczne , które służy do tego by gdy zbliży się do niej coś wypełnione solami (żywa kom, żywy organizm) to dojdzie do zagęszczenia linii tego pola elektrycznego ponieważ organizm ten będzie miał większą przewodność niż otaczająca woda i dojdzie do zacieśnienia się linii pola i zwiększenia potencjału elektrycznego odbieranego przez ta rybę. Jeżeli będzie to duży obiekt przewodzący to rybka będzie uciekać, a jeżeli mały to będzie chcaiła go zjeść, a gdy będzie podobnych rozmiarów i będzie klikała to będzie to inny mruk. Jeżeli mruk zbliży się do obiektu który nie jest wypełniony solą (pozbawiony rozpuszczonych subst jonowych w wodzie) to dojdzie do rozrzedzenia linii pola elektrycznego (mniejsze natężenie pola odbieranego przez receptory w danej okolicy) i ryba wie, że zbliża się do jakiejś skały i będzie wiedziała ze musi ja ominąć. Niektóre zwierzęta doprowadziły elektryczność do formy bardzo wyspecjalizowanej broni. Węgorze elektryczne potrafią szeregowo nagromadzić dużo elektrocytów (bo są długie) i jak wykryją, że w pobliżu przepływa jakaś zdobycz lub drapieżnik, to doprowadza do wyładowania (o niewielkim natężeniu, ale o bardzo dużej różnicy potencjałów). Dlaczego prąd nie poraża węgorza a rybę obok tak. Węgorz jest oślizgły, ma bardzo grubą warstwę śluzy nieprzewodzącego na zewnątrz, że ten ładunek elektryczny który „wypuszcza do wody” nie dotyka go i nie powoduje samoporażenia. Kolejnym zwierzęciem jest drętwa elektryczna. Żyje w ciepłych przezroczytych wodach. Ona jest płaska i szeroka. Dzięki temu, że żyje w środowisku wypełnionym jonami nie musi idukować aż tak dużej różnicy potencjałów, żeby prąd przez wodę przepłynął. Ona stwarza układy równoległe elektrocytów co zwiększa ilość prądu płynącego (zwiększyć natężenie, ładunek elektryczny prądu). Używa wyładowania jako broń przed drapieżnikami. Wytwarzany prąd ma bardzzo duże natężenie – może nawet zabić człowieka. BIOELEKTRYCZNOŚĆ W MEDYCYNIE: Elektrokardiogram – wykrywanie różnicy potencjałów powstający przez przepływ jonów w obrębie mięśnia sercowego, róznice tego potencjału/pola elektrycznego miedzy elektrodami przyczepionymi do powierzchni ciała. Nie wykrywamy prądu, ale mierzymy odwzorowanie elektryczne jakie jest na skórze. Elektroencefalogram (Elektrycznośc mózgu): przez dużą ilość neuronów cały czas generowane jest pole elektryczne. Hans Berger dokonal pierwszych zapisów aktywności elektrycznych mózgu. Obecnie: zbiera się zapis z elektrod przyczepionych do głowy. Zapis zbierany z powierzchni skóry. Elektroforeza: mamy do czynienia z białkam, które zanurzone w środowisku wodnym będą oddawały proto i stawały się jonami (anionami). Będą one słabo wędrowac przez roztwory bo sa dużymi jonami. Natomiast wykorzystujemy to że przez gęsty żel wedruja one z różną szybkoscią (im większe tym wolniej) po przyłożeniu potencjałów. I to umozliwia rozkład elektroforetyczny białek (wykrywanie przeciwciał i antygenów) Prawa dynamiki Newtona definiują relacje pomiędzy siłami działającymi na ciało i ruchem tego ciała Pierwsze prawo dynamiki Newtona określa, że ciało pozostanie w niezmiennym stanie ruchu jeżeli nie zadziała na niego jakaś zewnętrzna siła (zewnętrzna siła musi zadziałać na ciało by zaczęło się ono poruszać) Drugie prawo dynamiki Newtona określa, że pęd ciała jest wypadkową jego masy, prędkości oraz wielkości i kierunku działającej na niego siły – prawo zachowania pędu Trzecie prawo dynamiki Newtona określa, że kiedy dwa ciała oddziałują na siebie, oddziałują z siłami o równej wielkości i odwrotnym kierunku – prawo akcji i reakcji Czy można nadmuchać w swój własny żagiel? Nie można, na podstawie prawa akcji i reakcji?? Grawitacja - siła przyciągania działająca pomiędzy obiektami obdarzonymi masą - średnia grawitacja Ziemi = 9.81 N/kg - siła dośrodkowa i gęstość Dlaczego Ci co się waża na równiku sa lżejsi ponieważ dzaiał tam siła dośrdokowa i tam jest ona największa. Będzie najwięcej równoważyć (sprzecwiać się sile grawitacji). Na biegunie ta siła praktycznie nie działa dlatego tam jest się cięższym. Grawitacja też nie jest równomierna. Zaalezy ona pod gęstości. Np. tam gdzie więcej skał to jest silniejsza niż np. nad głębiami oceanicznymi. Dętego też człowiek nad oceanem będzie lżejszy niż w górach Energia „Newtonowska” POTENCJALNA - wypadkowa sił, które oddziałują na ciało wyłącznie w związku z pozycją ciała w przestrzeni Oznacza ona, że ciało ma jakiś potencjał do wykonania pracy, poruszania się, napędzania czegoś. Gdy chcemy wykorzystać energie potencjalną musimy zmienić ja w przestrzeni i zmieni się ona w kinetyczną KINETYCZNA - energia ciała związana z charakterystyką jego ruchu Gdy popchniemy to ciało to gdyby nie siły oporu/tarcia, które przeciwstawiają się ruchowi ciała to ciało zgodnie z prawem 1 dynamiki Newtona, poruszałoby się w nieskończoność z tą sama prędkością. ciężar to masa w polu grawitacyjnym; w = mg. Wypadkowa tego ciężaru będzie związana z podparciem ciężaru (taka siłą jaką musimy przeciwstawić grawitacji która będzie nas zgniatać (oddziaływanie grawitacyjne na naszą masę0) z drugiej strony inercja (ilość energii by wprawić w ruch to ciało) – dlatego te małe ciała (szczur) jak biega to nie musi dotykać cały czas ziemi, a słoń tak by utrzymać stabilna postawę ciała. Sztywność - właściwość ciała stałego, która zapobiega jego deformacji; składa się na nią siła zginająca i siła kompresji Przeciwstawia się ciężarowi. Jakie siły działają na słonia? Siła zginająca będzie chciała wepchnąć go do ziemi. Na nogi (elementy podporowe) będzie działać siła kompresji. Kręgosłup z jednej strony ma nam zapewnić sztywność, z drugiej strony musi zapewnić elastyczność (możliwość ruchu) i magazynowanie energii Giętkość (elastyczność) zapewniają nam stawy Stawy ustalone: szwy czaszki – rozszerzenie się dwóch kości Stawy półelastyczne panewki międzykręgowe – bardzo mały zakres ruchu Stawy elastyczne większość stawów – bardzo duża ruchomość Opór - Ile wody należy wyprzeć aby osiągnąć dodatnią pływalność 1 tonowego mamuta? Ile dla pływalności ujemnej? Sprężyna, dźwignia i zatrzask sprężyna = elastyczność - materiał, który po zadziałaniu siły szybko odzyskuje swój kształt sprężyna w spoczynku: siła przyciągania i odpychania miedzy atomami jest w równowadze. Jeżeli sprężynę rozciągniemy zacznie działać siła przyciągająca atomy, a maleje siła odpychania. Gdy sprężynę ściśniemy maleje siła przyciągania, a wzrasta odpychania. dźwignia - maszyna prosta służąca do zwielokrotnienia przyłożonej siły im dłuższa część wolna dźwigni tym mniejszą siłą musimy zadziałać na dźwignię by przemieścić tą duża mase na dźwigni dźwignie w organizmie: kości długie zatrzask – sztywna struktura, która będzie albo łączyć ze sobą różne elementy (przeciwstawiać się ruchowi tych elementów) albo będzie elementem nagromadzenia siły mięśnie i ścięgna: - element równoległy elastyczny: tkanka łączna i białka strukturalne w obrebie samego mięśnia - element kurczliwy: wsuwanie się filamentów miozynowych między aktynowe (generator siły aktywnej) - szeregowy komponent elastyczny: ścięgno ENERGIA W RUCHU: Gdy kończyny są ułożone jak u pierwotnych gadów i płazów: to mamy tam dwie dźwignie. Bo jedna kość tworząca kończynę jest do tułowia przyczepiona, a do niej jest przyczepiona kolejna kość. Ten typ ruchu jest mało efektywny. Dodatkowo takie zwierzęta szorują brzuchem po ziemi więc dochodzą siły tarcia jeszcze, powodujące, że ta siła wytworzona do poruszania musi być większa. (więcej energii potrzeba) U krokodyla: jak odpoczywa to ma układ dźwigni jak u gadów i płazów, ale gdy chce się przejść to potrafią wsunąć łapy pod siebie i stworzyć jedną dźwignie – kończyny pod tułowiem. Dużo energii na przemieszczanie bo ona jest jedynie zużywana do podtrzymywania ciała. Redukujemy tez siłę tarcia bo tylko łapy dotykają ziemi Zatrzask w przyrodzie na przykładzie krewetki pistoletowej: ona ak poluje to wykorzystuje olbrzymią ilość energii. Powstający bąbel do upolowania np., ślimaka – ma to taką energie ze można by ugotrowąć wodę. Jak to możliwe: kurczy odpowiedzialny za ten ruch mięsień. Jak ten mięsień zbliży się opowiedznio do drugiej łapki to część szkieletu zatrzaskuje się na dolnej części kończyny. Te dwa elemnty kończyny przestają się poruszać względem siebie, ale mięsień nadal się kurczy i dochodzi do nagromadzenia się olbrzymiej ilości energii elastycznej w tych ścięgnach. By uwolnić tą energie to wystarczy, że zwolni ten zatrzask i doprowadza to do wyzwolenia całej energii Fizyka sprężystości (o tym jak siły działające na ciało będą powodować jego odkształcanie) Dwa moduły: Moduł Kirchhoffa: współczynnik uzależniający odkształcenie poprzeczne materiału od jego naprężenia–określa granice elastyczności poprzecznej. Mówi o tym jak odkształci się ciało w poprzek (pod katem prostym) do działania siły Moduł Younga: współczynnik określający zależność względnego odkształcenia liniowego materiału od jego naprężenia–określa granice elastyczności podłużnej. Mówi jak się odkszatłaca ciało wzdłuż (w kierunku działania siły) Współczynnik Poisson’a: stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Mówi o generalnej elastyczności różnych ciał. Prawo Hooke’a: określa gradient siły niezbędny do odkształcenia ciała elastycznego o określona długość (np. rozciągnięcie/ściśnięcie sprężyny) Prawo Hooke’a - zwiększenie dwukrotne długości odkształcenia będzie wymagało od nas dwukrotności siły. - siła potrzebna do odkształcenia sprężystego sprężyny rośnie liniowo z odległością (w pewnych granicach) - limit elastyczności po osiągnięciu go dochodzi do odkształcenia terminalnego – zerwania elementu lub rozciągnięcia go tak, że już nie wróci do swojej formy, lub do zmiażdżenia celementu F – siła k – sztywność sprężyny x – odległość Współczynnik Poisson’a - naprężenie i odkształcenie - w naprężeniu osiowym ciała stałe podlegają odkształceniu w wymiarze poprzecznym do działającej siły - wdepnęliśmy w gumę i chcemy ją odlepić, ale odciągając nogę ta guma staje się co raz dłuższa ale i cieńsza. Siła naprężająca będzie przemieszczać się równolegle do naszego ruchu, a odkształcenie będzie się odbywać prostopadle. Ciało będzie coraz coraz cieńsze, aż dojdzie do odkształcenia terminalnego czyli pęknięcia tej gumy Jeżeli będziemy ściskać coraz bardziej to ciało (gume) to będzie ono coraz szersze i rozgniatać, aż je permanentnie rozgnieciemy i się przykleimy do podłoża DZIAŁANIE TYCH SIŁ NA ORGANIZM: W zależności z jakim typem odkształcenia mamy do czynienia to będziemy mieli do czynienia z różnymi typami złamań. Złamanie kompresywne – zgniecenie kości – model YOUNGA. Złamanie poprzeczne – odkształcenie w poprzek do działania siły. Gdy odniesiemy do siebie model Younga i Kirchoffa to pojawi się współczynnik Poissona (guma ma najwyższy ten współczynnik – najbardziej elastyczne ciało z jakim możemy mieć do czynienia; na drugim końcu skali jest korek – wgl się nie odkształca – nie możemy go ani zgnieść, ani rozciągnąć) POSTAWA STATYCZNA I DYNAMICZNA: Postawa statyczna taka która będzie w równowadze względem podłoża. Potrzebne są minimum trzy podpory by zachować równowagę.np. słoń przemieszcza tylko jedną nogę a reszta jest na podłużu. Postawa dynamiczna gdy jest potrzebna praca np. mięśni do utrzymania równowagi i stania stabilnie Stan skupienia – stan stały, dwa stany ciekłe:ciekły i gazowy i plazma) - gęstość (im gęstszy to bardziej stały) - temperatura (im wyższa ty większa energia kinetyczna, większa szansa ze ciało wejdzie najpierw w stan ciekły a potem gazowy) - stan energetyczny - energia kinetyczna atomów Woda – substancja wyjątkowa, bo jej ciało stałe ma mniejszą gęstość niż ona w stanie ciekłym Niezrównoważone siły Napięcie powierzchowne – powstaje przez nierówność pomiędzy molekułami wody - cząsteczka wody w środku warstwy wody – oddziałują na nią inne molekuły z taką samą siłą (mniejsza gęstość niż na powierzchni) - molekułom na powierzchni brak jest warstwy górnej, która by je przyciągała (są one „ściągane w dół”), gradient siły skierowany w głąb co umożliwa utrzymanie lekkiego ciała na powierzchni cieczy - niezrównoważona warstwa tworzy gęstszą, elastyczną błonę na powierzchni cieczy To wszystko wpływa na to, że mniejszy wydatek energetyczny będziemy nakładać gdy będziemy płynąć pod wodą (i szybciej) niż na wodzie gdzie będziemy musieli cały czas przerywać tą elastyczną błonkę na powierzchni wody gdzie mamy nierównomierne rozłożenie sił rozciągających molekuły Prawo Archimedesa - na każde ciało całkowicie bądź częściowo zanurzone w cieczy (gazie lub płynie) działa siła wypierająca, której wielkość jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez zanurzone ciało Innymi słowy: jeżeli zważymy się w atmosferze to będziemy ważyć mniej niż jeżeli zważymy się w próżni, bo jakąś objętość atmosfery wyparliśmy swoim ciałem i ta objętość ma jakąś mase i o tą objętość atmosfery jaką wyparliśmy nasze ciao będzie lżejsze. A jeżeli zanurzymy coś w cieczy to powstanie ta siła, która będzie wypierać nam to ciało – będzie „redukcja siły ciążenia” czyli pojawi się pływalność - pływalność = “redukcja siły ciążenia” -> jeżeli zanurzamy jakieś ciało to ono traci na wadze i ta siła wyporu działająca na ciecz będzie równa masie wody, którą to ciało wypiera - gęste ciecze (np. woda) w większym stopniu wypierają zanurzone ciała niż ciecze rzadkie (np. powietrze) Pływalność ujemna – poniżej tony wody Pływalność dodatnia - powyżej tony wody Pływalność dodatnia mówi nam, że ciało będzie unosić się na powierzchni wody Pływalnośc ujemna będzie nam mowić, że ciało będzie się w tej wodzie zanurzać Pływalnośc obojętna – ciało nie będzie przemieszczać się w kolumnie wody NURKOWANIE I PŁYWALNOŚC: Nurkowanie na pełnych i częściowo pustych zbiornikach: Krokodyl potrafi bardzo efektywnie się zanurzać. Bez machania łapami itd. Robi to przesuwając swoją przeponę czyli odciągając swoje płuca względem klatki piersiowej. Przesuwanie płuc powoduje, że jak podsunie je do przodu to przód ciała ma pływalność dodatnią i przód ciała przesunie się na powierzchnie wody i lekko się wynurzy. Gdy chce się schować pod wodą to przesuwa płuca w strone środka ciężkości ciała – wszystkie części krokodyla maja pływalność ujemną i zanurza się pod wodą Nurkowanie na pustych zbiornikach – kaszaloty. By zanurkować muszą wypchnąć z płuc całe lub prawie cale powietrze bo inaczej ich klatka zostałaby zmiażdżona przez ciśnienie. Pęcherz pławny: umożliwia rybie uzyskanie zerowej pływalności, przez wypełnienie pęcherz pławnego gazem ROŚNIĘCIE: Pozytywne aspekty powiększania masy ciała: - zachowanie ciepła (im większa objętość tym mniejsza powierzchnia – tym wolniej tracimy ciapło) – stosunek powierzchni do objętości - wolnijszy metabolizm - ochrona przed drapieżnikami - większy zasięg np. jednym krokiem – mniejszy wydatek energii na przemieszczenie się lub szyi i rąk Problemy rośnięcia: Im większy ciężar osiągamy tym większa musi być średnica i wytrzymałość naszych podpór. Dwukrotny wzrost ciężaru powoduje wzrost podpór do kwadratu 2w – r2 Bardzo szybko doprowadzi to do kompresyjnego zmiażdżenia kości w nogach dinozaura Płetwal błękitny – może przeżyć w morzu dzięki sile wyporu. Wypiera tyle wody, że jest praktycznie nieważkie w niej. WYKŁAD 3 Termodynamika Czym jest energia: - właściwość materii Energia - zdolność do wykonania pracy (np. ruch lub inna aktywność) Ta praca wykonywana jest dzięki rozproszeniu energii Energia nie może zniknąć. Może za to się zmieniać z jednej formy w inną, ale całkowita ilość energii we wszechświecie nie ulega zmianie. FORMY ENERGII: Energia mechaniczna – kinetyczna i potencjalna; energia dźwięku Energia elektromagnetyczna – energia światła i ciepła (fale) Ciepło Energia elektryczna – przemieszczanie się ładunków elektrycznych i zmiana potencjałów Energia chemiczna – umożliwia powstanie energii elektrycznej; pewien rodzaj energii potencjalnej Energia jądrowa masa w energie, energia w masę TRANSFORMATOR – przetwarza jeden rodzaj energii w drugi - przykładem biologicznym jest receptor Receptor to wyspecjalizowany narząd (komórka lub tkanka), który odpowiada na zmianę środowiska wewnętrznego lub zewnętrznego (bodziec) zmianą potencjału błonowego. Zmiana odkształcenia błony komórkowej i przekazywane to w postaci przepływu jonów rozprzestrzeniającej się fali energii elektrycznej przez włókna nerwowe. W między czasie w każdej synapsie przetwarzana energia chemiczna. Przy każdej zmianie kształtu kanału jonowego mamy energię mechaniczną wyzwalana. Receptor będzie przetwarzał energię fizyczną w prąd elektryczny i koduje informacje z formy analogowej w cyfrowa Siła bodźca -> potencjał stopniowany -> potencjał czynnościowy ​ TERMODYNAMIKA – nauka zajmująca się krążeniem i przemianami energii i ciepła, oraz mechanizmami innych form energii w ciepło Będziemy zamieniać różne formy energii w ciepło i potem to ciepło może zostać związane – dostarczone np. do jakiejś reakcji by zaszła, lub zmagazynowane w organizmie lub służy do przyspieszenia innych biernych procesów fizycznych np. dyfuzja, czyli dostarczyć energii kinetycznej naszym biernym cząsteczkom. Prawa termodynamiki 1. Energia nie może być ani stworzona ani zniszczona, tylko przeniesiona z jednego systemu do drugiego lub przetworzona z jednej formy w drygą -> cała suma energii we wszechświecie w systemie izolowanym będzie zawsze taka sama 2. W izolowanym systemie fizycznym różnice temperatury, ciśnienia, potencjału chemicznego będą dążyć do tego by się wyrównać. By zawsze w końcu były jednakowe. By cały układ był wypełniony jednakowa ilością energii. 3. Mówi że entropia systemu będzie dążyła do zera jeżeli temperatura systemu zbliża się do zera absolutnego. To z kolei mówi, że ten układ będzie miał olbrzymią zdolność do pochłaniania jakiejkolwiek formy energii (odbierania jej z otoczenia), że do tego zera absolutnego to nie dojdziemy, bo nawet minimalna ilość energii w okolicy tego systemu będzie pochłaniana i będzie ogrzewać system 4. ZEROWE PRAWO TERMODYNAMIKI mówi, że jeżeli dwa ciała są w równowadze termicznej z trzecim ciałem, to sa również w równowadze termicznej miedzy sobą. Odnosi się to np. do pomiaru temperatury. Wtykamy termometr w tyłek kota/psa. Zgodnie z drugim prawem termodynamiki temperatura termometru i ciała kota się wyrównają i zmiana energii tego układu (termometru) doprowadzi do rozszerzenia alkoholu/rtęci w termometrze i słupek rtęci podniesie się na określoną wysokość. Odczytujemy to ze skali która była porównywana z tym naszym trzecim ciałem czyli z jakimś układem referencyjnym. Jeżeli mamy równowagę termiczna między układem referencyjnym o znanej temperaturze (i według tego wyskalowaliśmy termometr) to jesteśmy w stanie porównać temperaturę tego ciała kota z tym układem referencyjnym i powiedzieć ile ma stopni temperatury (ciepłoty wewnętrznej ciała). Rozwinięcie praw termodynamiki: Pierwsze prawo: energia nie może być ani stworzona ani zniszczona, tylko przeniesiona z jednego systemu do drugiego i/lub przetworzona z jednej formy w drugą. Mówi że: energia wewnętrzna układu będzie zależna od przepływy ciepła w systemie i pracy wykonywanej przez system: U=Q=W Przemiany energii: - słońce dostarcza energii elektromagnetycznej, która jest wiązana przez organizmy i przemieniana jest w energie chemiczną - Energia chemiczna ppowstaje z energii elektromagnetycznej przez „zielone stworki’ które ją wiążą i które przeprowadzają fotosyntezę - energia chemiczna przetworzona przez rośliny. Rośliny zjadają zwierzęta i przetwarzają ta energie na własna energię chemiczną (tworzącą elementy budulcowe ciała) i ciepło (rozpraszanie energii) - konsument (np. krowa) ucieka przed wilkiem więc biegając jest energia kinetyczna - wilk dogania krowę i ją zjada i znów przetwarza energie na własną energie chemiczną i ciepło - gdy wilk nam umrze to wchodzimy w moment gdzie ta energia staje się energia potencjalną. I może ona zostać wchłonięta do ekosystemu i zostać zużyta przez reducentów, rośliny. Może również zostać związana poza możliwością dostania do ekosystemu – część energii wnika w niższe warstwy gleby i zostaje tam związana dopóki nie zostanie znowu uwolniona i wykorzystana/przemieniona w energie chemiczną Zjawiskiem który nam mówi o tym ile tej energii jest, jest ENTALPIA: - pomiar energii systemu - Każdy system ma właściwość fizyczną zwana energią wewnętrzną, która jest funkcją jego objętości, ciśnienia (w tym układzie i wywieranego na otoczenie) i temperatury - energia wewnętrzna zależy wyłącznie od wartości tych zmiennych (ciśnienia, objętości i temp), a nie od tego jak dochodzi do ich wzajemnych konwersji H = U + PV -à H = U + PRACA Entalpia jest to energia wewnętrzna i praca wykonywana przez ten układ, (praca np. jakieś tam ciśnienie będzie generowane i będzie działać na otoczenie (ścianki naczynia zamkniętego/jakiś tłok), albo będzie polegać na zmianie objętości (rozszerzać się układ) i przez to będzie jakieś działanie na otoczenie) UKŁADY IZOBARYCZNE: Panuje w nich stałe ciśnienie (nie zmienia się) Zmiana entalpi powoduje zmianę energii wewnętrznej i wykonanej pracy na otoczeniu Na podst gotowania wody: mamy czajnik, dostarczamy do niego od spodu energii, ciśnienie jest stałe bo para cały czas uchodzi. Nie będzie się zmieniać ciśnienie wywierane na ściany układu, ale będzie zminiać się objętość tego układu (objętość wody będzie efektywnie nam rosnąć) UKŁADY IZOCHORYCZNE Panuje w nim stała objętość systermu Zmiana entalpi powoduje zmianę energii wewnętrznej i ciśnienia wywieranego na otoczenie Na podstawie gotowanie w naczyniu ciśnieniowym: mamy jakąś objętość. Zamykamy naczynie i dostarczamy energii. Objętość nie może się zmienić bo naczynie jest szczelnie zamknięte (mamy okreslona pojemność naczyni). Natomiast praca tego układu polega na tym, że ciśnienie jego będzie rosnąć. Będziemy manipulować energią kinetyczną cząstek z układu. Będzie ona rosła i powodowała mniejsze/większe zmiany. Co się stanie jak układ izochoryczny zmieni się w izobaryczny? (na koniec wykładu) Teoria kinetyczna – właściwości gazu/cieczy/c. stałego zależą od ruchu jego cząsteczek. Jeżeli te cząsteczki będą się zderzać ze sobą lub ze ścianami naczynia lub ciałem zanurzonym w cieczy to będą generować ciśnienie. Jeżeli dostarczymy do takiego gazu energie cieplną, to jego molekuły poruszają się szybciej zwiększając temperaturę gazu i zderzają się szybciej zwiększając ciśnienie. Jeżeli zwiększymy objętość tego gazu to zmniejszymy szanse na zderzanie się molekuł ze sobą, co obniży temperatury i ciśnienia gazu prawa opisujące wzajemną zależność temperatury, objętości i ciśnienia: Prawo Boyle’a – dla stałej ilości gazu idealnego, przy stałej temperaturze, ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne (wzrost jednej powoduje spadek drugiej) Prawo charles’a – prawo objętości, przy stałym ciśnieniu, objętość stałej ilości gazu idealnego wzrasta lub maleje wprost proporcjonalnie do zmian temperatury. Jak temperatura wzrasta to objętość tez, a jak spada temperatura to objętość się zmniejsza Prawo ciśnień = mówi o tym jakie są komponenty ciśnienia wywieranego przez cząstki gazów na ściany naczynia/ciało zanurzone w gazie. Ciśnienie wywierane przez ten gaz jest równe sumie ciśnień parcjalnych wywieranych przez cząsteczki każdego z komponentów gazów. Np. powietrze to suma ciśnień wywieranych przez azot, tlen , CO2 i inne gazy Drugie prawo termodynamiki: W izolowanym systemie fizycznym różnice temperatury, ciśnienia i potencjału chemicznego dążą do wyrównania Przykład: mamy sześciopak piwa - powinno być zimne. Musimy je ochłodzić rzucając na antarktyde, w tedy ciepło odpływa z piwa do środowiska i ono się ochładza. W systemach fizycznych ciepło płynie od tego ciała co ma wyższą energie do tego co ma niższą energie. Czyli tak naprawdę ogrzaliśmy antarktyde, a nie schłodziliśmy piwo. Silnik Carnot’a – idealny silnik cieplny, koncept inżyniera francuskiego Sadi Carnot stworzony dla określenia maksymalnej pracy wykonywanej przez silnik zależny od przemian termodynamicznych. Mamy źródło ciepła i chłodnice. Nad nimi mamy cylinder z gazem, który przenosimy z nad źródła ciepła nad chłodnice. Zmiana objętości tego gazu czyli zamiana energii tego gazu (ciepoty gazu w cylindrze) i to powoduje prac. I to określało nam górną granice wydajności każdego silnika (praktycznie nie osiągalna) Na podstawie tego silnika powstał cykl Carnot’a czyli cykl pracy tego silnika gdzie końcowy element pracy silnika/końcowy etap doprowadza do stadium takiego jakie zapoczątkowywało pierwszą przemianę - mamy cylinder z gazem umieszczony nad źródłem ciepła. Ciepło będzie przenikać z tego cieplejszego ciała do gazu i będzie powodować zwiększanie jego objętości (pierwszy cykl pracy – rozprężanie izotermiczne) izotermiczne dlatego, że zwiększa się objętość gazu co nie powoduje wzrostu temperatury gazu - przenosimy cylinder z gazem na bezwładna część układu, gaz dalej się rozzpręża (rozprężanie adiabatyczne). Teoretycznie nie mamy wymiany ciepła w otoczeniu - przenosimy cylinder z gazem nad chłodnice. Energia zaczyna płynąć z gazu do chłodnicy (kompresja izotermiczna) temperatura gazu się nie zmienia bo równocześnie zmienia się jego objetośc - przesuwamy szybko cylinder z gazem nad część bezwładną układu (kompresja adiabatyczna) – bez wymiany ciepła z otoczeniem - cylinder na ogrzewacz W tym procesie pominęliśmy siłę tarcia, chociaż duża część energii będzie rozpraszana w postaci tego tarcia. Dodatkowo nie da się idealnie zizolować układu więć część ciepła będzie uciekać w inną strone niż do cylindra lub z cylindra. Jeszcze część ciepła będzie przenosić się pomiędzy źródłem ciepła a chłodnicą bo nie ma idealnych izolatorów cieplnych – dlatego przez tą część bezwładna (izolator) będzie ciepło przepływać. Dlatego ten wzór nie jest idealny Procesy adiabatyczne: procesy które zachodzą bez wymiany ciepła z otoczeniem. Mamy dwie opcje: układ idealnie zaizolowany termicznie (jedyny taki układ to wszechświat) – na granicy wszechświata nie będzie wymiany ciepła. Druga możliwość to to, że mogą to być bardzo gwałtowne procesy, nie dające czasu na przyjęcie bądź rozproszenie ciepła. Ponieważ w procesach adiabatycznych nie ma wymiany ciepła z otoczeniem, wszelki zmianom ciśnienia bądź objętości musi towarzyszyć zmiana temperatury à w skrócie sa zmiany temperatury, objętości i csnienia ale nie zachodzą zmiany ciepła cieplo w pojęciu fizycznym to nie temperatura!!!!!!!!!!! Temperatura – właściwość fizyczna systemu, która ilościowo określa dystrybucje i średnią wartość energii kinetycznej cząstek materii. Czyli przejaw wibracji/zderzania się cząsteczek w cieczach, gazach i ciałach stałych Im wyższa energia układu tym większa szansa, że będzie on miał wyższą temperaturę. Pojęcie ciepła nie odnosi się bezpośrednio do pojęcia ciepła!!!!!!!!!! Silniki odwracalne: - ta sama ilość pracy jest wykonywana w cyklu progresywnym i zwrotnym Przy cyklu progresywnym-regresywnym/postępowym-zwrotnym będzie wykonywał tą samą ilość prracy. Generalnie pobiera i oddaje taka sama energie przy każdym swoim cyklu. Krążenie tej energii będzie zawsze zachowane co powoduje ze wydajność systemu=100% Pomijamy: opory pracy, wymianę ciepła z otoczeniem, minimalne oddziaływanie ciśnienia na otaczające środowisko, itd. à czyli ten silnik nie istnieje Perpetum mobile: Układ dwóch połączonych silników Carnoe’a: chłodnica jest też ogrzewaczem, po dwóch stronach tłoki i one się przesuwają na przemiennie Perpetuum mob ile może być nasz jedyny znany układ izolowany – wszechświat Pompy cieplne – systemy przenoszenia ciepła z ogrzewacza do chłodnicy (miejsce w którym ciepło jest rozpraszane). Na przykładzie człowieka/zwierzęcia: intensywnie pracujące narządy: mięśnie, wątroba, mózg, przewód pokarmowy, chłodnia – powierzchnia naszej skóry, gdzie ciepło zostaje rozproszone pompa cieplna – krew (odbiera ciepło z narządów) silniki cieplne stosujemy w komputerach, w organizmie krew-skóra, pojazdy (przenoszenie ciepła przez płyn chemiczny pomiędzy silnikiem, a chłodnicą tego obiektu) w druga stronę zadziała to w przypadku lodówki gdzie przenosi się ciepło ze wszystkich rzeczy w niej umieszczonych i będzie odbierane i przenoszone na zewnątrz do radiatora z tylu lodówki, który ogrzewa pomieszczenie, w którym jest lodówka\ czy jak otworzymy lodówkę w pomieszczeniu to je ochłodzimy czy ogrzejemy? Ogrzejemy pomieszczenie. By ona nam je chłodziła powinniśmy wystawić radiator lodówki na zewnątrz np. zaklinować lodówke w drzwiach. Wtedy ciepło odbierane z naszego pomieszczenia będzie „wyrzucane” za te drzwi w których stoi lodówka a pomieszczenie w którym jesteśmy będzie się chłodzić. Tak działają też klimatyzatory: odbierają ciepło z pomieszczenia i wyrzucają je na zewnątrz do środowiska Entropia - wszystkie procesy naturalne są nieodwracalne - każdy system dąży w kierunku największego prawdopodobieństwa i najwyższego chaosu, czyli najniższego stanu energetycznego - procesy naturalne zdążają wyłącznie w jednym kierunku – w stronę coraz większej entropii. One daża do zmniejszenia tego chaosu, do zbudowania jak najlepiej i do osiągnięcia największych rozmiarów. (CHODZI TU O ROŚLINY) - kryształy też dążą do jak najlepszego uporządkowania atomów siatce kryształu Entropia i wszechświat: To że jakaś roślinka rośnie to znaczy, że maleje dostępna energia w całym wszechświecie. à kiedy w systemie rośnie entropia, równocześnie maleje dostępna energia systemu. Wszystkie procesy wymiany i krążenia ciepła, kowekcji i kondukcji będą związane ze zwiększaniem entropii równocześnie powodują zmniejszenie dostępnej energii we wszechświecie, czyli zmniejszenie dostępności różnic energii między poszczególnymi regionami tego wszechświata Reasumując: każdy proces naturalny będzie powodował, że dojdzie do rozproszenia ciepła w naszym wszechświecie Los wszechświata na końcu będzie zależny od dwóch zjawisk obecnych we wszechświecie (obu tych zjawisk nie jesteśmy w stanie zmierzyć i zaobserwować) - czarnej materii - czarnej energii Wiemy że te zjawiska istnieją bo mamy we wszechświecie obszary które zakrzywiają światło bardziej niż wskazywałoby na to obserwowalna masa we wszechświecie. Czyli muszą tam być jakieś obiekty obdarzone masa czyli materia, których nie jesteśmy w stanie zaobserwować – czarna materia Mamy obszary we wszechświecie ,które przemieszczają się względem sienie we wszechświecie dużo szybciej niż wskazywałaby na to ilość energii, którą tam możemy zaobserwować. Mamy do czynienia z nieobserwowalna energią, która powoduje przyspieszenie tych obszarów wszechświata. Jeżeli zdominuje nasz wszechświat czarna materia to w pewnym momencie zatrzyma się jego ekspansja i zacznie się zmniejszać. Mamy szanse na nasze perpetum mobile- proces odwracalny powstawania i zanikania naszego układu fizycznego Trzecie prawo termodynamiki Entropia systemu dąży do zera jeśli temperatura systemu zbliża się do zera absolutnego. Mówi o tym, że taki element w systemie, który jest bardzo schłodzony, będzie intensywnie się starał odebrać temperatur/energie z całego otaczającego nas układu – „odkurzacz energetyczny” Zero absolutne: zero Kelvina - trudno powiedzieć co się dzieje w temperaturze zera absolutnego, jest to niemożliwe do zaobserwowania - jest to temperatura w której cząstki nie maja energii kinetycznej, są praktycznie nieruchome. To znaczy, że np. nie będą miały spinów, nie będą drgać – nie wiemy co się w tedy stanie w/z materią (nie wiemy czy elektrony przestana się poruszać na powłokach elektronowych czy nie) Zero absolutne czyli materia pozbawiona temperatury czyli energii kinetycznej Kriogenika – badanie materiałów w ultra-niskich temperaturach Nie jesteśmy w stanie osiągnąć zera absolutnego ponieważ te niskie temperatury maja astronomicznie mała objętość. To znaczy, że przyjmą każdy kwant energii dostępny w okolicy, żeby zwiększyć temperaturę/ciepło dostępne w swoim układzie. --. Będą bardzo efektywnie odzyskiwać ciepło. Zerowe prawo termodynamiki Jak zmierzyć temperatura mamuta? - mamy dwa ciała w równowadze termicznej z tzrecim ciałem to są też w równowadze termicznej ze sobą. Mamy mamuta (ciało 1), termometr (ciało 2) i układ referencyjny według, którego termometr został wyskalowany. Jeżeli wetkniemy mu ten termometr w trąbę i zachodzi tam transfer przenoszenia energii cieplnej zgodnie z zasadą drugą termodynamiki (że będą wymieniąc między sobą energie tak, aż ona się równomiernie w nich rozproszy). Energia przekazywana jest z mamuta do termometru, w nim dochodzi do rozszerzenia cieplnego układu pomiarowego – rtęci, alkoholu. I porówna temperaturę swojego układu (która się wyrównała) z temperatura mamuta i odniesie ją do układu referencyjnego. Ponieważ termometr został wyskalowany z zgodnie z trzecim ciałem to znaczy ze układ referencyjny będzie odpowiadał temperaturze mamuta. Transfer energii cieplnej: Mamy 3 sposoby przenoszenia ciepła: 1. promieniowanie: - rozpraszanie ciepła w postaci fal elektromagnetycznych, w medycynie to będą głównie fale podczerwone; będzie to energia cieplna zakresu promieniowania elektromagnetycznego. - transfer energii zachodzi przez ” przezroczyste” media – bo to co jest przezroczyste dla światła widzialnego, nie musi być przezroczyste dla promieniowania termicznego - jest to jedyna forma energii cieplnej zdolna przenieść się przez próżnie (dlatego słońce dostarcza nam fal elektromagnetycznych) 2. konwekcja - występuje w cieczach. Niezależnie czy ciecz będzie bardzo rozproszona (gaz – ciecz kompresyjna, płyn – ciecz nie kompresyjna) - związana z przemieszczaniem i rozrzedzeniem molekuł. Rozrzedzenie powoduje szybsze poruszanie co spowoduje zajęcie przez nie większej objętości. Im wieksza objętość, a masa będzie taka sama to stana się lżejsze i będą wędrować „w górę” (od środka grawitacyjnego do układu). Na miejsce molekuł które nam „uciekną” będzie napływać „chłodniejsza” – bardziej gęsta materia (ciecz) 3. kondukcja - nie obserwujemy przemieszczania się molekuł - transfer energii cieplnej przez zmianę kinetycznej energii molekuł bez ich przemieszczania. Będzie zmieniać się siła wibracji tych molekuł, ale nie będą się one przemieszczać. Wibracja z molekuły na molekuły przenoszona przez wiązania i w ten sposób ta energia jest przenoszona i rozpraszana w całej objętość ciała stałego - transport energii cieplnej w obrębie ciał stałych - np. przenoszenie energii z palnika na patelnie i na mięso KONWEKCJA: Podgrzaniu cieczy towarzyszy wzrost jej objętości, co powoduje spadek gęstości i uniesienie jej ponad gęstsze i chłodniejsze otoczenie, w miejsce „zwolnione” przez unosząca się rozgrzaną ciecz przemieszcza się ciecz chłodniejsza tworząc prąd konwekcyjny Prąd konwekcyjny, a żeglarze: W dzień intensywniejsze ogrzewanie jest nad lądem. Rozrzedzone masy się unoszą, a z nad wody unosi napływa to gęstsze (chłodniejsze) powietrze – bryza wieje w strone lądu W nocy ląd szybciej oddaje ciepło niż ciecz, nad powierzchnia wody będzie dochodziło do ogrzewania mas powietrza i one będą się unosić i tworzyć ta próżnie do której będzie napływać gęstsze (chłodniejsze) powietrze z nad lądu – bryza w kierunku otwartego morza KONDUKCJA: Przepływ ciepła przez ciał ostałe, bez widocznego przemieszczenia materii Podgrzewamy ciało stałe, molekuły zaczynają coraz bardziej drgać i przez oddziaływanie wzajemne kolejnych molekuł, energia będzie przekazywana przez całą objetosc ciała stałego. Przewodniki ciepła – substancje posiadające wolne elektrony (niezaangażowane w tworzenie wiązań) np. metale, wolne elektrony przemieszczają się przez siatkę atomów przenosząc energie kinetyczną pomiędzy atomami, materiały o dużej gęstości Izolatory cieplne – słabo przewodzą ciepło; ich wszystkie elektrony są zaangażowane w tworzenie wiazań, nie dochodzi w nich do przepływu elektronów, substancje o niskiej gęstości (np. drewno lub plastik) PROMIENIOWANIE Jasna gwiazda vs. Ciemna gwiazda: jasna gwazda będzie emitować energie w pasmach widzialnych a ciemna – duża część emisji jest od podczerwieni w górę (fale podczerwone i inne). To która z gwiazd będzie emitować więcej energii jest trudne do określenia na podstawie ich jasności. Musimy zmierzyć tez całość energii wydzielanej przez te gwiazdy. Ale generalnie jak mówimy o ciałach jasnych i ciemnych to te kótre są dobrymi pochłaniaczami – „ciemne” te będą tez bardzo dobrymi emiterami. Natomiast te które będą „jasne” będą generalnie odbijać cześc tej energii i będą odbijać energie w stronę miejsca z którego zostało wyemitowane np. ze środka tego ciała. DOBRE ABSORBERY, SA RÓWIEŻ DOBRYMI EMITERAMI ENERGII CIEPLNEJ Promieniowanie ciała idealnie czarnego: Ciało idealne czarne – ciało, które promieniuje w całym zakresie promieniowania (od promieniowania gamma długości Planka, az po promieniowanie olbrzymich fal radiowych) Jeżeli ciała nabierają zdolności odbijania energii to tą efektywność emisji tego ciepła będzie spadać EFEKT CIEPLARNIANY: Pewna porcja energii jest zatrzymywana w atmosferze ziemskiej. CO2 pogłębia efekt cieplarniany Gazy cieplarniane, głownie metan, największym producentem jest holandia. CO2 potrzebny w atmosferze do fotosyntezy i do tego by nie do szło do „snowball Earth” czyli do zlodowacenia planety. Ile emituje CO2 wulkan w porównaniu do tego co cywilizacja? à jeden wulkan wytworzył porównywalna ilość CO2 jak cywilizacja od początku rewolucji przemysłowej. Problemem z emisja dwutlenku węgla nie jest to, że produkujemy go dużo tylko to że usuwamy rośliny które mogłyby jego nadmiar wiązać. Energia chemiczna: Energia związana w substancjach i związkach, która może zostać uwolniona lub zmagazynowana w reakcjach chemicznych Jest to forma energii potencjalnej, której absolutna wartość jest niemierzalna; mierzalna jest zmiana energii wynikająca z reakcji chemicznych W zależności czy musimy dostarczyć energie czy ją odebrać to mówimy o reakcjach endotermicznych i egzotermicznych REAKCJE ENDOTERMICZNE: Będziemy usuwać energie ze wszechświata, po to by stworzyć jakiś związek chemiczny. Np. w roślinach za sprawa promieniowania elektromagnetycznego tworzony jest cukier. REAKCJE EGZOTERMICZNE: wszechświat musi zabsorbować ilość energii uwolnionej w procesach chemicznych. à Spalanie – proces, w którym połączenie tlenu z substancją powoduje uwolnienie ciepła i (najczęściej) światła Proces spalania zachodzi według praw fizycznych: - prawo hess’a - prawo sumowania ciepła: mówi ile energii jesteśmy w stanie z tego procesu spalania uzyskać (całkowita ilość energii uzyskana bądź stracona przez system podczas reakcji chemicznych nie zależy od mechanizmu reakcji, a wyłącznie od substratów i produktów) Przykład: mamy 3 kostki cukru wyprodukowane w procesach tracenia energii przez rośliny. Pierwszą porcje cukru spalamy, a drugą przepuszczamy przez cykl krebsa. Okazuje się, że ilośc energii w obu tych procesach będzie taka sama. Różny w tych dwóch procesach będzie czas uwalniania energii i w cyklu Krebsa będzie dodatkowo wielu małych porcjach uzyskiwana – odzyskanie energii w sposób kontrolowany. Gdyby w naszych komórkach proces uzyskiwania energii wyglądał tak jak spalanie to nasze komórki tez by się spaliły bo powstaje bardzo dużo ciepła i wszystkie białka uległyby denaturacji. WOLNA ENERGIA: Ilość pracy (energii), którą system może wykonać (wydatkować) Ile energii możemy pobrać z systemu lub ile on może wydatkować. Jest to zależne od entalpii systemu, temperatury i entropii (różnicy energii między układem a otaczającym wszechświatem) Jeżeli G (wolna energia): g>0 – reakcja egzotermiczna, Wszechświat musi zaabsorbować energie G=0 – system w równowadze G< 0 – reakcja endotermiczna, wszechświat musi dostarczyć energii E=mc2 - masa jest forma energii!! - we wszechświecie masa może zostać „utracona”, ale każda „utracona” masa zamieniana jest w energię, która może zostać znowu zamieniona w masę Prawo zachowania MASY I ENERGII FIZYKA JĄDROWA: - reakcje jądrowe: rozszczepianie atomów (jeżeli w sposób kontrolowany to uzyskamy energię, która będzie nam napędzać tworzenie jeden z czystszych energii) - reakcje termojądrowe: łączenie atomów, tworzenie nowych związków (ale nie potrafimy odzyskać energii z reakcji termojądrowych w sposób kontrolowany) Bomba wodorowa – zamiana niewielkiej ilości wodoru w hel i wydzielanie ogromnej ilości energii. FILMIK JAKIŚ: wzięli podgrzewacz wody i usunęli wszystkie zabezpieczenia,, po czym zaczęli go podgrzewać. Był proces izochoryczny -mieliśmy określoną ilość wody i ją przegrzaliśmy, narasta ciśnienie, bo objętość nie mogła się zmienić przy dostarczaniu energii. Potem jak pękł ten zbiornik to się okazało, żę błyskawicznie cała objętość wody zmieniła się w parę, to spowodowało, że nadaliśmy tym częścią zbiornika bardzo dużą energię kinetyczną, która doprowadziła do dużego bum. ZAMIANA PROCESU IZOHORYCZNEGO W IZOBARYCZNY CIEPŁO Kotka na gorącym blaszanym dachu (wszystkie transporty ciepła wykorzystywane) - dach nagrzewa się za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego. Jak dach się ogrzeje to pojawiają się na im koty i pochłaniają ciepło przez kontakt (przewodzenie). Po jakimś czasie ten kotek jest bardzo nagrzany, ale jest leniem i nie chce mu się ruszać i z puchatej nagrzanej kulki stanie się płaska nagrzana kulką (połozy po sobie futerko) i to powoduje łatwiejszy kontakt powietrza nad kotem z kotem. Przez konwekcje będzie on ogrzewał masy powietrza nad sobą (one będą „uciekać” i na ich miejsce będzie napływać chłodniejsze powietrze). Dodatkowo kot dysząc odparowuje małą część ciepła. POJEMNOŚĆ CIEPLNA Pojemność cieplna jest pomiarem ilości ciepła potrzebnej do zmiany temperatury ciała o jakąś jednostkę. Molarna pojemność cieplna to ilość energii niezbędna do ogrzania mola danej substancji (pojemność cieplna mola czystej substancji) specyficzna pojemność cieplna to pojemność cieplna na jednostkę masy pojemność cieplna to „wartości intensywne” niezależne od ilości materiału, a wyłącznie od jego typu i warunków ogrzewania jeżeli różnica w temperaturze między grzejnikiem a ciałem które ogrzewamy jest duża to będzie się to ciało ogrzewało szybciej. W miarę zbliżania się do zera absolutnego, specyficzna pojemność cieplna także zbliża się do zera. To znaczy ze coraz mniejszą ilością energii jesteśmy w stanie podnieść temperaturę ciała. à o tym mówi 3 prawo termodynamiki OBJĘTOŚĆ CIEPLNA Objętość cieplna mówi o tym jak efektywnie będzie magazynować ciało ciepło. Masa termiczna (ciało dinozaura/chomika) będzie absorbować ciepło jeżeli jego otoczenie ma temperaturę wyższą od temperatury ciała (ciepło postępuje do masy termicznej). Natomiast jeżeli temp otoczenia jest chłodniejsza to będzie oddawać ciepło. Chomik i dinozaur, a ciepło Ten przykładowy chomik będzie bardzo szybko się ogrzewał i bardzo szybko oddawał ciepło, bo ma małą objętość, a stosunkowa dużą powierzchnie z której to ciepło jest wypromieniowywane. Chomik by zostać nagrzanym musi się zaizolować od otoczenia. Ta izolacja cieplna będzie redukowała przewodnictwo cieplne, będzie się zmniejszać efektywność transportu ciepła i będzie powodowaćdłuższe nagrzewanie, ale też długi okres zatrzymania ciepła w ciele. Izolacja cieplna redukuje przewodnictwo cieplne, powodując, że ciało nagrzewa się niezależnie od temperatury otoczenia i dłużej zatrzymuje ciepło à wartość izolacyjna; przewodniki i izolatory cieplne Izolatory cieplne – trudniej przewodzą ciepło, mniej gęste ciała, nie posiadają w swoim składzie wolnych elektronów Przewodniki ciepła- zawierają w sobie wolne elektrony i będą bardzo dobrze przewodzić to ciepło Z kolei jak weźmiemy dużego dinozaura to te wahania oddawania i absorbowania ciepła będą „wypłaszczone”, trudniej jest ogrzać tak duża masę termiczna, a z drugiej strony będzie też trudniej oddać to ciepło -> fluktuacje temperatury między dniem a nocą będą dużo mniejsze niż w przypadku chomika. JAK MOŻEMY SIĘ OGRZEWAĆ? Ogrzewanie pasywne – każdy kwant ciepła stracony podczas procesu chemicznego (trawienie, tworzenie ATP itd.) będzie ogrzewał organizm à ciepło śmieciowe Ogrzewanie aktywne – stałocieplność; krokodyl ma specjalne narządy w okoł narządów zmysłów i wyspecjalizowaną tkankę, w której dochodzi do ciągłego przeciekania jonów wapnia do cytozolu i ciagle pracuje pompa wapniowa, wpakowująca te jony do komórki i mamy rozpraszania energii z cząst ATP. Duża część jest tracona jako ciepło to krokodyl ogrzewa narządy zmysłu by szybciej znaleźć ofiare à termogeneza Ogrzewanie słoneczne – bezpośrednie pobieranie ciepla z otoczenia, za pomocą promieniowania à plażowanie Krokodyl wszystkimi 3 sposobami się ogrzewa Wyścig między żółwiem a zającem i krokodylem CIEPŁO ŚMIECIOWE: - olbrzymia ilośc energii - wydajnośc procesów biologicznych zbliża się do 20% (tylko 20% energii jest zużytkowane do stworzenia ATP, zmiany konformacji bialka pod wpływem ATP) 80% energii na strate?????? Nie bo w normalnych warunkach środowiskowych (przy braku ekstremalnych różnic temperatury między środowiskiem a ciałam) to jest to wystarczająca ilość energii by ogrzać organizm WYDAJNOŚĆ - ilość energii zamieniona w pracę - mięśnie szkieletowe: u bardzo wytrenowanego długodystansowca to będzie około 20%, a więc praca mięśni szkieletowych będzie produkować nam około 80% ciepła - tworzenie ATP 5-20% w zależności od związków chemicznych - myślenie 15-20% Obszary nagrzane u człowieka najbardziej to: głowa, szyja (krew ciepła odbierana) , i mięśnie okolic bioder (korygujące nam postawę, cały czas ich skurcz) Wewnętrznym obszarem produkującym duża ilość energii którą rozpraszamy w postaci ciepła, które musi potem zostać rozproszone intensywnie pracujące narządy np. wątroba, serce, nerki, przewód pokarmowy podczas tworzenia SPALANIE WEWNĘTRZNE W komórce takim piecem ogrzewającym komórkę są mitochondria. To co mamy w mitochondriach to jest olbrzymia ilość substratów energetycznych przetwarzanych w cyklu Krebsa w matrixie, które będą nam zasilać te pompy ATP. Dla takiej komórki ważne jest spowolnienie uwalniania energii z substratu, tak musimy rozłożyć w czasie uwalnianie energii, żeby zdążyć odzyskać chociaż część tej energii w związkach chemicznych (umożliwić ich stworzenie) i żeby umożliwić mitochondrium oddania energii (przekazania do cytozolu, a potem na zewnątrz komórki) i to wszystko będzie powodować, że mitochondrium funkcjonuje intensywnie i ogrzewa komórkę. Reasumując śmieciowe ogrzewanie, wystarcza do ogrzania komórki i później do ogrzania organizmu PLAŻOWANIE W ciepły słoneczny dzień krokodyl lezy na brzegu bajora, lekko otwiera paszcze by się schłodzić, a reszta ciała magazynuje ciepło. Pomimo skóry krokodyla, która jest bardzo efektywną zbroją on się jakoś nagrzewa. W tych swoich blaszkach kostnych tworzących zbroje jest bardzo dużo kanałów z naczyniami krwionośnymi. Krew płynąca w tych PŁYTKACH kostnych i jako pompa ciepła bardzo efektywnie przenosi ciepło do wnętrza ciała krokodyla. Jak krokodyl wchodzi pod wodę, która by szybko odebrała mu to ciepło to zamyka zwieracze przed włośnikowe i krew nie płynie przez naczynia w Płytkach kostnych i zatrzymuje krew ogrzaną w głębi ciała. Ze skóry krokodyli za czasów rzymskich tworzono zbroje bo były bardzo wytrzymałe. CHŁODZENIE Chłodzenie pasywne – wykorzystujemy te same procesy co przy ogrzewaniu – transporty ciepła: promieniowanie, konwekcja, przewodzenie. Chłodzenie wymuszone – pocenie się, chłodzenie wiatrem, nakładanie na skóre warstwy wilgotenej, która będzie przez parowanie odbierać nam ciepło. Rozpraszanie ciepła: jeżeli temperatura jest dużo niższa to dużo ciepła tracimy przez promieniowanie (60%), oddawanie ciepła przez konwekcje (26%) – zależy od tego jak dobrze zaiziolowani jesteśmy, jak dobry dostęp ma ciało do mas powietrza. Parowanie i przewodzenie (u nas mało bo małą powierzchnią stykamy się z ziemią która mogłaby przez przewodzenie zabierać nam ciepło) Surykatka jak chce się schłodzić to kopie dołek do zimniejszych pokładów piasku i w norce się rozpłaszcza by przylegać jak największą powierzchnią do chłodnego piasku i ochładzać się przez przewodzenie Kot, w domu w upały rozpłaszcza się tam gdzie jest największy przewiew i najchłodniejszy kawałek podłogi, by to ciepło oddać Gdy temperatura ciała zbliża się do temperatury otoczenia to okazuje się, że tracimy efektywność oddawania ciepła za pomocą promieniowania. %konwekcji praktycznie się nie zmienia, ale tracimy zdolność przewodzenia ciepła, ale rośnie efektywność parowania. Musimy angażować efektywne systemy oddawania ciepła. Jeżeli temperatura otoczenia przekroczy nam wartość temperatury ciała to przez promieniowanie i przewodzenie będziemy się ogrzewać (bo kontakt z ciałami cieplejszymi – mieszanina gazów w atmosferze, czy powierzchnia na której stoimy). Ochładzać się będziemy za pomocą parowania jedynie. Problem z parowaniem: wszystko pięknie działa gdy atmosfera jest sucha, ma mało pary wodnej. Ale jeżeli wilgotność powietrza wzrasta do 100% to trudno oddać nam ciepło – można łatwo dostać udaru cieplnego, bo nie jesteśmy w stanie oddać nadmiaru ciepła. W tedy stosujemy behawioralne sposoby np. wachlowanie, szukanie przewiewu. AKTYWNE ROZPRASZANIE Pocenie się: Sposób na chłodzenie Gruczoły na całym ciele wydalają pot: woda, duża ilość jonów sodowych, i biernie przenikają metabolity (śmierdzą) Gruczoł potowy gdy wraca się z suchej pustyni i wejdzie się do klimatyzowanego pomieszczenia to „strzela potem”. Pocenie jest bardzo intensywne ponieważ jesteśmy bardzo nagrzani i ciało chce oddać to całe ciepło z ciała bo jest nagła duża różnica temperatur. Czynnik wiatru Wyjście tam gdzie jest duży przewiew Wachlowanie się – słoń i jego uszy: słoń macha uszami, w uszach jest duża siatka naczyń krwionośnych tętnicze doprowadzają krew do uszu aż do brzegu ucha gdzie jest największy przebieg wiatru podczas wachlowania, efektywnie odbierane ciepło od słonia, i schłodzona krew wraca naczyniami żylnymi (sa one w pewnej odległości od naczyń tętniczych po to by nie dochodziło do efektywnej wymiany ciepła pomiędzy żyłą a tętnicą. Na brzegu uch słonia jest gorąca krew a do ciała wpływa chłodna. Chłodzenie przez wachlowanie jest bardzo efektywne, jak obserwujemy słonia przez kamere termowizyjną to uszy słonia mają taki sam „kolor” jak otoczenie bo mają taką samą temperaturę. Elementem oddającym ciepło z wnętrza ciała są żyły: żyły powierzchowne, a do żył głębokich kierujemy krew gdy chcemy ciepło zatrzymać. ŻYŁY POWIERZCHOWNE – DLACZEGO ŻYRAFA MA CĘTKI Żyrafa jest cetkowana, ma białe obszary ciała i pod tymi obszarami znajdują się duże naczynia krwionośne. Pod ciemną cętką znajduje się dużo małych naczyń krwionośnych (tętniczki, naczynia włosowate). Jak żyrafa chce się schłodzić to krew kierowana jest pod te ciemne cętki i tam będzie efektywne wypromieniowanie – promieniowanie ciała czarnego (bardzo efektywny transfer energii cieplnej z wnętrza ciała żyrafy do otoczenia. Gdy chce zatrzymać w sobie ciepło to zamyka zwieracze przedwlosniczkowe i krew będzie płynęła pod białymi częściami ciała, a to białe futro będzie odbijać fale podczerwone do wnętrza ciała żyrafy – straty ciepła dużo mniejsze. Zwierzęca pompa cieplna – układ krwionośny - wymienia ciepło z otoczeniem, zabiera ciepło z narządów produkujących je, miesza ciepła i schłodzoną krew by nie doprowadzić do dużych wahań temp w obrębie rdzenia ciała. Efektywne oszczędzanie ciepła gdy będziemy kierować krew do żył głębokich - dociera wszędzie - wysoka przewodność cieplna - wysoka objętość cieplna - wymiana ciepła z otoczeniem Oszczędzanie ciepła - wymienniki ciepła: ----- dwa naczynia krwionośne są obok siebie i krew płynie w tę sama stronę à mało efektywne ponieważ na początku jest efektywne przenoszenie z naczynia tętniczego do żylnego rozgrzanej krwi, a z dalszym biegiem naczyń ten gradient będzie mała aż się ustali na poziomie 50% przeniesionego ciepła. WSPÓŁPRĄDOWY ----- dwa naczynia, jedno biegnie w jedną stronę a drugie w druga (krew przepływa w inne strony) krew ogrzana będzie po kawałku oddawać swoje ciepło. Nie będzie może to tak bardzo efektywne jak początek tego pierwszego rodzaju oddawania ciepła, ale gradient będzie utrzymany na całej długości naczynia. à powoduje to prawie 100% odzyskanie ciepła. PRZECIWPRĄDOWY Kończyny i ciało konia – obraz termowizyjny: ciało konia ma około 36*C, a kończyny około 20 (kilku) a nawet 20*C przy kopytach (utrata przez kontakt z ziemią i przez rozproszenie powietrza powierzchni kończyn). Ten wymiennik ciepła (w kończynach) powoduje efektywne zatrzymanie ciepła w organizmie, że kończyna kaczki spacerującej po lodzie ma temperaturę prawie taka sama jak ten lód. To powoduje, że nie będzie ona topić warstwy lodu pod stopą. A to właśnie ta warstwa wody co się tworzy na lodzie przez topienie od naszej temperatury powoduje, żę się ślizgamy, a kaczka nie bo go nie topi pod łapką i on jest dla niej szorstki. - izolacja Jak zwierzęta się izolują od środowiska: · wytwory skóry: futro, pierze, paznokcie, łuski, pazury, kopyta · tkanka tłuszczowa i zmniejszenie przepływu krwi · zachowanie: zbicie się w grupe, gniazda zrobienie Antarktyda, pingwiny i foki Pingwiny na Antarktydzie: w centrum kolonii jest pusta przestrzeń, pingwiny wędrują pod wiatr. Na filmiku były pingwiny które przeniosły się na obrzeże tej kolonii i szły pod wiatr bo były już przegrzane i chciały się ochłodzić. Tak efektywny sposób gromadzenie ciepła, że ono właściwie z tej kolonii nie ucieka. Jak je przestraszmy i się pingwinki rozbiegną to jest „wybuch” śniegu objawiający się opadem śniegu (bo para wodna zgromadzona natychmiast zamarza) z drugiej strony taka kolonia nie przeżyje do wiosny i jest skazana na zagładę ponieważ nie będzie już tego ciepła zmagazynowanego pomiędzy tymi pingwinami. Lato na Antarktydzie: foki mogą wyjść na powierzchnie i muszą się poopalać bo muszą wytworzyć witaminę D a powierzchni swojej skóry. Foka niechętnie wychodzi na powierzchnie ponieważ jest dobrze zaizolowana (tkanka tłuszczowa) i dlatego tez, żę na powierzchni jest -20—30*C, a woda morska ma temperaturę -2*C wiec jest jej tam cieplej i traci mniej ciepła przez promieniowanie. Gdy foka się wynurza to na jej wąsa momentalnie ta woda zamarza na jej wąsach (wygląda słodziutko), ale musi się wynurzać po tą witaminę D Pustynia australijska i spieczony wielbłąd Wielbłąd jest dostosowany do przegrzewania się do 50*C, natomiast mózg musi utrzymywać w temperaturze około 36*C. cały czas musi chłodzić powietrze przez odparowanie olbrzymiej ilości wody z powierzchni krętarzy kości. Chłodzi się krew, która opływa ciało, z drugiej strony wilgoć nawilża nam powietrze docierające do płuc wielbłąda (drugi zysk – płuca mu nie wysychają. Trzecim elementem (zyskiem) jest to, że cała tkankę tłuszczową przerzucił na grzbiet (powstał garb) – w nim jest magazyn tłuszczu i substancji izolującej termicznie. A więc mamy bardzo silne promieniowanie z góry na ciała wielbłąda, które lekko je ogrzewa, a przez usunięcie tkanki tłuszczowej z całego ciała, spowodował, że ma naczynia krwionośne biegnące pod skórą w dużo lepszym kontakcie z powierzchnią ciała, więc łatwiejsze jest oddawanie tego ciepła przy delikatnym przewiewie. ROZMIAR MA ZNACZENIE!! Istotny jest stosunek powierzchni ciała do objętości ciała. Im większa objętość, tym mniejsza stosunkowo powierzchnia ciała wystawiona na działanie czynników środowiskowych à mniejsza powierzchnia przez która zwierzę będzie oddawać ciepło SZCZEKUSZKI – jakiś gryzoń. W Waszyngtonie np. będą miały około 20 cm długości, natomiast szczekuszki z doliny śmierci (wysokie temperatury) będą miały 10-15 cm, natomiast szczekuszki z Kanady są długości około 25-30cm. Jaki jest zysk z tego że mają różny rozmiar ciała??? Te najmniejsze żyjące na gorących pustyniach będą bardzo efektywnie rozpraszać ciepło. Maja małą objętość ciał upakowaną w stosunkowo duża powierzchnie ciała. W związku z tym każdy przepływ lub kontakt z chłodniejszym obiektem będzie odbierał ciepło od szczekuszki. Jakby ten ich rodzaj przenieść do Kanady to by zamarzły – straciły zbyt dużo ciepła. Szczekuszki kanadyjskie- mają duża objętość do małej powierzchni ciała. Mniejsza utrata ciepła z powierzchni ciała. Jak je przeniesiemy na pustynię to się ugotują bo nie byłyby w stanie tak efektywnie oddawać tego ciepła Dlaczego szczekuszki nie są jeszcze większe? Bo tam jest dużo drapieżników, a taki malec łatwo się schowa i jest szybki. Kojoty utrzymują mały rozmiar szczekuszek, natomiast one będą próbowały zwiększyć swój rozmiar do granicy presji ekologicznej indukowanej przez drapieżniki. Niedźwiedź polarny ma czarną skórę i przezroczystą sierść (ale jak jest w kupie to odbija wiele barw – białe). Jak chce się schłodzić to wystarczy, że nastroszy futro i efektywne oddawanie ciepła przez promieniowanie. Jak będzie chciał się ogrzać to kładzie futro po sobie i duża część ciepła wygenerowanego przez niedźwiedzia jest odbita od futra i pochłonięta przez skórę. WYSOKIE KOSZTY UTRZYMANIA – ZAUROPODY Po zbadaniu kości ktoś doszedł do wniosku, zę zauropody maja taka samą strukturę kości jak zwierzęta stałocieplne – nie zaobserwowano na nich zatrzymań wzrostu związanych z fluktuacją dnia i nocy, tak jak u zwierząt zmiennocieplnych. Kłócono się że jakby był zmiennocieplny to wystarczyłyby mu 3 snopki paproci a jakby był stałocieplny to musiałby jeść i jeść. I nie starczyłoby mu czasu w dobie i miejsca by całe to jedzenie zmieścić. Wada stałocieplności à szybki metabolizm by jak najszybciej uzyskać z metabolitów porcje energii i tracimy dużo energii z niestrawionego pokarmu w przeciwieństwie do zmiennocieplnych które niewiele tego co zjadły wydalają. To że jesteśmy stałocieplni spowodowało że nie jesteśmy wydajni i cały czas musimy dostarczać porcje energii. Gdy zaczęto badać inne szkielety to znaleziono w organizmach ich ogromne ilości stomatoidów – kamienie połykane by ścierać jedzenie w żołądku. Obszar rozkładu i wielkość stomatoidów pokazała nam jak duży był żołądek zauropoda, a że było tam też dużo materii organicznej to się okazało, że była tam ogromna kadź fermentacyjna (jak u krowy) , a jak coś fermentuje to produkuje ciepło i okazało się, że może być stałocieplny i jeść mało tak by zmagazynować go i żeby starczyło mu casu w ciągu dnia na wiele rzeczy. Małe zwierzęta będą miały dużą utratę ciepła przez powierzchnie ciała, optimum metaboliczne osiągają koty i zwierzęta ich wielkości, a większe zwierzęta będą miały większe straty energii życiowej na to by przemieszczać się – pokonać inercje – przezwyciężyć siłe ciążenia działającąna kończyny by je podnieść. Początkowo zauropody były na szczycie linii (najwięcej energii na poruszanie), ale okazało się ze krowa i zauropod i inne zwierzęta fermentujące będzie się lokalizować n poziomie zwierząt stosunkowo mniejszych [200kg krowa na poziomie 120kg swini] jeżeli chodzi o wydatki energii nma utrzymanie życia. Z zimna krwią - zwierzęta zmiennocieplne - większość zwierząt - temperatura ciała oscyluje w zależności od temperatury otoczenia. - gdy im nie wystraczy ciepło rozpraszane z ATP to zastosują strategie behawioralne: plażowanie, odbieranie ciepła z podłoża, zmiana koloru - takie zwierzęta będą starały się utrzymać tą temperaturę w stałych granicach. WYSPY GALAPAGOS I LEGWANY MORSKE Co rano musi wystawić się na słońce by się nagrzać. Leży na ciemnej skale wulkanicznej, która będzie dobrze absorbować ciepło i przekazywać je do legwana. Nagrzewają się do maksimum. Jak są prawie ugotowane to wędrują by coś zjeść. By coś zjeść idą do wody. Ta woda jest jednym z najniższych prądów. Nagrzany legwan musi popłynąć na pewną odległość od lądu po algi i zacząć żerować. Im większy legwan tym więcej żarcia potrzebuje. I on sobie je je je, aż temperatura jego rdzenia osiągnie niebezpieczną granicę temperatury przy której mógłby nie przeżyć (tak zimno) wtedy wraca, ale dużo wolniej to robi. Znów rozkłada się na skale rozgrzanej i absorbuje promieniowanie słoneczne przez powierzchnię ciała ale i odbiera ciepło od skały. A nagrzewa się znów by te algi strawić. ZMARŹLUCHY: - ryba lodowa: niewielka rybka na Antarktydzie. Cały czas musi uważać by nie dotknąć powierzchnią ciała do lodu, bo jeżeli tak się stanie to przechłodzone tkanki jej zamarzną (lawinowe zamarzanie) i taka rybka zmieni się w sopel lodu. Jej temperatura ciała ma tak jak woda-2*C, a ponieważ że ma mniejszą gęstość i nagromadzenie soli niż otaczająca woda to musi uważać na kontakt z lodem. - traszka syberyjska: na wiosnę jest ciemna – ładnie absorbuje promieniowanie słoneczne i szybko wytapia się z otaczającego lodu, którym była pokryta całą zimę. Wydobywa się z lodu i biegnie do wody coś zjeść i spłodzić nowe pokolenie. Najdłużej obserwowana traszka ma ponad 30 lat. WODA LÓD I PRZECIWZAMARZACZE Dla komórki nie jest niebezpieczna niska temperatura tylko kryształy lodu pojawiające się przez zamarznięcie wody w komórce. Te kryształy przebijają błony komórkowe i niszczą wszystkie organella komórkowe. A komórka pozbawiona błony komórkowej przestaje być żywą komórka. By nie doszło do szybkiego zamarzania, zwierzęta nagromadzają w komórkach substancje osmotycznie czynne, które będą powodować że ta woda będzie odciągana od ognisk tego zamarzania. Będzie dochodziło do bardzo powolnego odkładania tego lodu ( w kształcie kuleczek) im wyższe będzie stężenie wody w kuleczkach tym wyższe stężenie będzie tych substancji osmotycznie czynnych. Czyli trudno tej wodzie będzie dojść do ogniska zamarzania. I dlatego taka traszka w lodzie jest w stanie przeżyć. Te substancje to: etanol i inne alkohole, glicerol, cukry, glikoproteiny poRYBA LODOWA JEST CAŁY CZAS NA HAJU BO MA BARDZO DUŻE STĘŻENIE ETANOLU W SOBIE TRASZKA GROMADZI GLIKOPROTEINY Termodynamika w medycynie - zerowe prawo termodynamiki à mierzenie temperatury - drugie prawo termodynamiki à mierzenie temperatury (przenoszenie ciepła od bardzo nagrzanych obiektów, lub z naszego ciała to bardzo schodzonych obiektów ), przegrzewanie i ochładzanie tkanek - trzecie prawo termodynamiki à wydajność przenoszenia ciepła będzie rosła w miarę obniżania temperatury ciała które będzie odbierać temperaturę. - gorąco i zimno Gorąco w chirurgii – sklapele elektryczne (kauteryzacja), rozgrzana płytka która może ciąć bardzo efektywnie tkanki i zatrzymuje krwawienie bo zamyka drobne naczynka krwionośne. Dodatkowo sterylizujemy te rany - miejscowe ogrzewanie: lokalne podniesienie temperatury tkanek przez radiację, przewodzenie bądź drażnienie chemiczne, zmieniające perfuzję, aktywność enzymów lub indukujące reakcje immunologiczna. Drażnienie chemiczne toksynami (pokrzywa, jad pszczół) będzie powodować zmiane temperatury i przekrwienie w danym miejscu. WYKŁAD 4 Energia i ruch Sir Newton postawa wyprostowana energia w ruchu powietrze, woda i ląd Pierwsze prawo dynamiki Newtona Kot pozostanie w niezmiennym stanie (bez)ruchu jeżeli nie zadziała na niego jakaś zewnętrzna siła (mysz) Drugie prawo dynamiki Newtona Pęd kota jest wypadkową jego masy, prędkości oraz wielkości i kierunku działającej na niego siły … …i oczywiście, kierunku ucieczki obranego przez zdobycz Trzecie prawo dynamiki Newtona Kiedy dwa ciała oddziałują na siebie, oddziałują z siłami o równej wielkości i odwrotnym kierunku Prawa dynamiki Newtona ▪ definiują relacje pomiędzy siłami działającymi na ciało i ruchem tego ciała ▪ Pierwsze prawo dynamiki Newtona określa, że ciało pozostanie w niezmiennym stanie ruchu jeżeli nie zadziała na niego jakaś zewnętrzna siła ▪ Drugie prawo dynamiki Newtona określa, że pęd ciała jest wypadkową jego masy, prędkości oraz wielkości i kierunku działającej na niego siły – prawo zachowania pędu ▪ Trzecie prawo dynamiki Newtona określa, że kiedy dwa ciała oddziałują na siebie, oddziałują z siłami o równej wielkości i odwrotnym kierunku – prawo akcji i reakcjI Grawitacja ▪ siła przyciągania działająca pomiędzy obiektami obdarzonymi masą ▪ średnia grawitacja Ziemi = 9.81 N/kg ▪ siła dośrodkowa gęstość! (na równiku jesteśmy lżejści ponieważ poza silą grawitacji, działa tam najsilniej siłą dośrodkowa!) Energia „Newtonowska” POTENCJALNA ▪ wypadkowa sił, które oddziałują na ciało wyłącznie w związku z pozycją ciała w przestrzeni (po pchnięciu kuli, na równie pochyłą energia potencjalna kuli zmieni się w energię kinetyczną) KINETYCZNA ▪ energia ciała związana z charakterystyką jego ruchu Ciężar, a skala ▪ ciężar to masa w polu grawitacyjnym ▪ podparcie ciężaru - siła przeciwstawienia się sile zgniatającej ▪ inercja - ilość energii potrzebna by wprawić w ruch ciało Sztywność ▪ właściwość ciała stałego, która zapobiega jego deformacji ▪ siła zginająca ▪ siła kompresji Kręgosłup ▪ sztywność ▪ giętkość ▪ magazynowanie energii (więzadła, mięśnie, ścięgna) Stawy - umożliwiają przemieszczenia sztywnych części szkieletu – elastyczność ▪ ustalone: – włókniste lub chrząstkowe ​ szwy czaszki ▪ półelastyczne: panewki kręgowe ▪ elastyczne: większość stawów Ile wody należy wyprzeć aby osiągnąć dodatnią pływalność 1 tonowego mamuta? Ile dla pływalności ujemnej? ​ pływalność "dodatnia", kiedy W>F, ​ pływalność "ujemna", kiedy F>W, ​ pływalność "zerowa" (neutralna), kiedy F=W. W - SIŁA WYPORU F- SIŁA CIĘŻKOŚCI Sprężyna, dźwignia i zatrzask ▪ sprężyna = elastyczność - więzadła, ścięgna ! ▪ materiał, który po zadziałaniu siły szybko odzyskuje swój kształt ▪ dźwignia - w organizmie i są kości długie ! ▪ maszyna prosta służąca do zwielokrotnienia przyłożonej siły Zatrzask – element gromadzenia siły lub łączy elementy i przeciwstawia się ruchowi tych elementów Energia zmagazynowana zatrzask – krewetka pistoletowa (bąbel) Fizyka sprężystości ▪ Moduł Kirchhoffa: współczynnik uzależniający odkształcenie poprzeczne materiału od jego naprężenia – określa granice elastyczności poprzecznej ▪ Moduł Younga: współczynnik określający zależność względnego odkształcenia liniowego materiału od jego naprężenia – określa granice elastyczności podłużnej ▪ Współczynnik Poisson’a: stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia  ▪ Prawo Hooke’a: określa gradient siły niezbędny do odkształcenia ciała elastyczneg