Termo-ozmózis - biológia
Milyen meleg túl meleg az élethez az óceán feneke mélyén?
Antibiotikumok baktériumoktól
Sejtvándorlás: egy ismert fehérje újonnan felfedezett funkciója
Molekuláris iránytű a sejtek igazításához
Mi teszi a levelek öregedését ősszel
A keselyű gyöngytyúk demokráciája
Ekembo környezete: Az emberek nyílt tájakon is éltek
| Genetika | Mezőgazdaság, erdészet és állattenyésztés
A búzafajtát vad füvek keresztezésével hozták létre
Milyen meleg túl meleg az élethez az óceán feneke mélyén?
Termo-ozmózis
Mikor Termo-ozmózis (Angol: termikus ozmózis) A természettudományokban az anyagok membránon keresztüli, hőmérsékleti gradiens hatására történő szállítására utalnak [1]. Az izoterm körülmények közötti ozmózissal szemben az anyagszállítás itt is előfordul az egyanyagos rendszerekben. [2] A termo-ozmózis a termoforézis (vagy Termikus diffúzió), és tartalmazhat folyadékokat és gázokat. A bányászatban ez a kifejezés a víz mozgását jelenti a melegebb helyről a föld hidegebb területére. [3] A termo-ozmózis és termikus transzpiráció gyakran szinonimákként használják. [4]
Felfedezési történet
Reynolds első leírása
1897-ben Osborne Reynolds brit fizikus leírta az általa hívott jelenséget termikus transzpiráció (Angol: termikus transzpiráció) kijelölt. [5] Megértette, hogy ez egy porózus lemezen átáramló gáz áramlását jelenti, amelyet a két oldala közötti hőmérséklet-különbség okoz. Ha a gáz nyomása eredetileg mindkét oldalon azonos volt, akkor a gáz a hidegebbről a melegebb oldalra mozog. Ez megnöveli a gáznyomást a melegebb oldalon, feltéve, hogy a lemez rögzül és nem mozoghat. A hőegyensúly akkor érhető el, amikor a nyomások egymáshoz viszonyított arányban vannak, mint az abszolút hőmérséklet négyzetgyökei. [6]
A Reynolds által leírt hatás ellentmond az azonnali megérzésnek. A gázmolekulák és a lemez pórusfalai közötti tangenciális erők okozzák. A gáz hasonlóan viselkedik, mint a szuperfolyékony hélium (nincs viszkozitás), amely nagyon gyorsan áramlik a melegebb régióba, amikor egy kapilláris merül a tartályba. Ez Szökőkút hatása először 1938-ban írták le. [7]
Termo-ozmózis folyadékokban
A francia fizikus és Nobel-díjas Gabriel Lippmann bizonyítani tudta, hogy a termo-ozmózis folyadékokban fordul elő 1907-ben. [8.]
Alapok
Termo-ozmotikus permeabilitás
A termo-ozmózisban bekövetkező tömegtranszport az egyanyag-rendszer esetében a következő áramlási egyenlettel írható le:
$ J_1 = B \ cdot \ frac \ cdot \ Delta T \ qquad (\ Delta p = 0; \ Delta x_1 = 0) $
Vannak J1 az alkatrész tömegárama 1 mol · s -1-ben, B. a termo-ozmotikus permeabilitás mol · K-1 · m-1 · s -1-ben, q a membránterület keresztmetszete m 2 -ben, δ a membrán vastagsága m-ben és Δ-banT a hőmérséklet-különbség K-ban.
A termo-ozmózis nyomáskülönbséget eredményez a két fázis között (kezdetben ugyanazon a nyomáson); annak az oldalnak van nagyobb nyomása, amely felé az anyagot szállítják. A két fázis között most alkalmazott nyomáskülönbség miatt az átjáródás ellentétes irányban történik, és végül az anyag áramlása eltűnik (J1 = 0), amint az egyensúlyi állapot létrejön:
Ezt az álló nyomáskülönbséget nevezzük termo-ozmotikus nyomáskülönbség kijelölt. Ez A. a izoterm permeabilitás a membrán mol kg -1 s-ban, amely a nyomáskülönbség miatti tömegátadást írja le:
$ J_1 = A \ cdot \ frac \ cdot \ Delta p \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta x_1 = 0) $
a Δ nyomáskülönbséggelo Pa-ban.
Jel és hőmérsékletfüggés
A termo-ozmotikus permeabilitás az anyag összetevőjétől és a membrán típusától függően pozitív vagy negatív értékeket vehet fel, és a rendszer melegebb vagy hidegebb oldalán a nyomás ennek megfelelően növekszik. Azokban a rendszerekben, ahol a gázt gumimembrán osztja el, a szén-dioxid a melegebb oldalra áramlik (B. > 0: pozitív termo-ozmotikus permeabilitás), míg a hidrogén növeli a nyomást a hidegebb oldalon (B. [9] [10] [11] Ha a rendszer vízből és celofán membránból áll (Celofán 600), akkor a termo-ozmotikus permeabilitás a hőmérséklet növekedésével folyamatosan csökken, amíg a jel megfordulása 56 ° C körül nem következik be, és magasabb hőmérsékleten negatívak lesznek. 6,5-10-10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (10,7 ° C hőmérsékleten) és -11,7 · 10-10 mol · K -1 · m közötti értékeket kaptunk -1 · s -1 (90,0 ° C-on) meghatározva [12]
Arányosság az átadás hőjével
Az átadás hője Q * és a termo-ozmotikus permeabilitás állandósult állapotban arányos egymással:
van Q * az átvitel hője J · mol -1-ben és $ \ bar V $ a részleges moláris térfogat m 3 · mol -1-ben. Az átadás hőjének általában ugyanaz a jele, mint a termo-ozmotikus permeabilitásának. A víz és a rendszer rendszerében Celofán 600 mint ez, a jel megfordulását mutatja 56 ° C-on; Az átviteli hőre 11,9 J mol -1 (10,7 ° C-on) és -5,7 J mol -1 (90,0 ° C-on) értékeket mértünk. [12]
Ozmotikus hőmérséklet
Ha egy rendszer több anyagkomponenssel rendelkezik, akkor a termo-ozmotikus nyomáskülönbség a két fázis között álló koncentráció-különbséghez vezethet:
Is D. a ozmotikus diffúziós együttható m 2 s -1-ben, amely a membránon átívelő izotermikus-izobáros tömegtranszport áramlási egyenletét jellemzi:
$ J_1 = D \ cdot \ frac \ cdot \ Delta x_1 \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta p = 0) $
az anyag mennyiségi különbségével Δx1 komponens 1 mol · m -3-ban
Az álló hőmérséklet-különbség ΔT ebben az esetben hívják ozmotikus hőmérséklet kijelölt.
Ozmotikus hőhatás
Ha egy membrán egy termikus ozmózist mutat egy anyag komponensnél (termo-ozmotikus permeabilitása ezért nem egyenlő 0-val), akkor a hőt eredetileg a két fázis azonos hőmérsékletén szállítják, ha az anyagtranszport a membránon keresztül nyomás vagy koncentráció-különbség hatására megy végbe. Ezt a jelenséget ún ozmotikus hőhatás kijelölt; folyékony héliummal kísérletileg bizonyították, és név alatt is szerepel mechanokalorikus hatás ismert; ő a fordítottja Szökőkút hatása. [2]
Biológiai jelentőség
Történelmi vita
A termo-ozmózis jelentőségét a biológiai rendszerek számára Spanner vitatta meg 1954-ben: Becslése szerint a növény növényi sejtmembránokon átáramló víz hője mintegy 4 060 J · mol -1; a középhőmérséklet és a víz moláris térfogatának standard értékeit feltételezve, a 0,01 K hőmérséklet-különbség 134 kPa álló nyomáskülönbséget eredményez. Nem ismert azonban, hogy egy 10 nm vastag membrán képes-e fenntartani az ilyen 1000 K/mm hőmérsékleti gradienst. Másrészt, mivel egy sejtben számos energiafogyasztó vagy energiát termelő reakció megy végbe, nem zárható ki, hogy a termo-ozmózis szerepet játszik a membrán transzportjában a biológiai membránokon keresztül. [13]
Termo-ozmotikus oxigéntranszport a növényekben
A hő-ozmózis következtében bekövetkező oxigéntranszport olyan növényekben bizonyított, amelyek alacsony oxigéntartalmú környezetben gyökereznek, például a sárga tavi rózsában vagy a fekete égerben. [14]