Термо-осмоза - биологија
Колку е топло премногу топло за живот длабоко под дното на океанот?
Антибиотици од бактерии
Миграција на клетки: новооткриена функција на познат протеин
Молекуларен компас за порамнување на клетките
Она што ги прави лисјата стареат наесен
Демократијата на птиците за мршојадец
Околина на Екембо: Луѓето исто така живееле во отворени пејзажи
| Генетика | Земјоделство, шумарство и сточарство
Разновидноста на пченицата е создадена со вкрстување на диви треви
Колку е топло премногу топло за живот длабоко под дното на океанот?
Термо-осмоза
Кога Термо-осмоза (Англиски: термичка осмоза) Во природните науки, се повикува на транспорт на супстанции преку мембрани под влијание на температурен градиент [1]. За разлика од осмозата под изотермални услови, транспортот на материјалот се јавува и во системите со една супстанција. [2] Термо-осмозата е посебен случај на термофореза (или Термичка дифузија) и може да вклучува течности и гасови. Во рударството, терминот се однесува на движењето на водата од потопло во постудено подрачје на земјата. [3] Термините термо-осмоза и термичка транспирација често се користат синонимно. [4]
Приказна за откритијата
Прв опис од Рејнолдс
Во 1897 година британскиот физичар Озборн Рејнолдс опиша феномен што тој го нарече термичка транспирација (Англиски: термичка транспирација) назначен. [5] Тој го сфатил тоа како проток на гас низ порозна плоча, предизвикан од температурна разлика помеѓу нејзините две страни. Ако притисокот на гасот од двете страни првично бил ист, гасот се движи од поладната на потопла страна. Ова го зголемува притисокот на гасот таму од потоплата страна, под услов плочата да е фиксирана и да не може да се движи. Термичката рамнотежа се постигнува веднаш штом притисоците се во истиот сооднос едни со други како квадратните корени на апсолутните температури. [6]
Ефектот опишан од Рејнолдс е во спротивност со непосредната интуиција. Таа е предизвикана од тангенцијални сили помеѓу молекулите на гасот и wallsидовите на порите на плочата. Гасот се однесува слично на суперфлуидниот хелиум (нема вискозитет), кој тече многу брзо кон потоплиот регион кога капиларот ќе се потопи во контејнерот. Ова Ефект на фонтана за прв пат е опишан во 1938 година. [7]
Термо-осмоза во течности
Доказот дека термо-осмозата се јавува во течностите го постигна францускиот физичар и добитник на Нобелова награда Габриел Липман во 1907 година. [8-ми]
Основи
Термо-осмотска пропустливост
Масовниот транспорт во термо-осмоза може да се опише за систем со една супстанција со следната равенка на проток:
$ J_1 = B \ cdot \ frac \ cdot \ Делта Т \ qquad (\ Делта p = 0; \ Делта x_1 = 0) $
Се таму Ј1 протокот на маса на компонентата 1 во молс -1, Б. на термо-осмотска пропустливост во мол · K -1 · m -1 · s -1, q пресекот на областа на мембраната во m 2, δ дебелината на мембраната во m и ΔТ. температурната разлика во К.
Термо-осмозата резултира во разлика во притисокот помеѓу двете фази (првично со ист притисок); страната кон која се пренесува материјалот има поголем притисок. Поради разликата во притисокот што сега се применува помеѓу двете фази, проникнувањето се случува во спротивна насока и конечно протокот на материјата исчезнува (Ј1 = 0) веднаш штом се воспостави стабилна состојба:
Оваа стационарна разлика во притисокот се нарекува разлика во термо-осмотски притисок назначен. Е А. на изотермална пропустливост на мембраната во mol kg -1 s, што го опишува преносот на масата поради разликата во притисокот:
$ J_1 = A \ cdot \ frac \ cdot \ Delta p \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta x_1 = 0) $
со разликата во притисокот Δстр во Па.
Зависност од знак и температура
Термо-осмотската пропустливост може да претпостави позитивни или негативни вредности во зависност од материјалната компонента и видот на мембраната, а притисокот врз потоплата или постудената страна на системот соодветно ќе се зголеми. Во системите каде што гасот се дели со гумена мембрана, јаглерод диоксидот тече кон потоплата страна (Б. > 0: позитивна термо-осмотска пропустливост), додека водородот го зголемува притисокот на постудената страна (Б. [9] [10] [11] Ако системот се состои од вода и целофанска мембрана (Целофан 600), термо-осмотската пропустливост се намалува стабилно со зголемувањето на температурата, сè додека не се случи пресврт на знакот на околу 56 ° C и неговите вредности се негативни на повисоки температури. Добиени се вредности во опсег од 6,5 · 10 -10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (на 10,7 ° C) до -11,7 7 · 10 -10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (на 90,0 ° C) определено [12]
Пропорционалност на топлината на пренесување
Топлината на пренесување П * и термо-осмотската пропустливост се пропорционални едни на други во стабилна состојба:
е таму П * топлината на пренос во J · mol -1 и $ \ bar V $ делумниот моларен волумен во m 3 · mol -1. Топлината на пренесување генерално го има истиот знак како и термо-осмотската пропустливост. Во системот на вода и Целофан 600 вака, тој покажува пресврт на знак на 56 ° C; се измерени вредностите од 11,9 J mol -1 (на 10,7 ° C) до -5,7 J mol -1 (на 90,0 ° C) за топлината на преносот. [12]
Осмотска температура
Ако има систем со повеќе од една компонента на супстанцијата, разликата во термо-осмотскиот притисок може да доведе до стационарна разлика во концентрацијата помеѓу двете фази:
Е Д. на коефициент на осмотска дифузија во m 2 s -1, што ја карактеризира равенката на проток за транспорт на изотермално-изобарска маса преку мембрана:
$ J_1 = D \ cdot \ frac \ cdot \ Делта x_1 \ qquad (\ Делта Т = 0; \ Делта p = 0) $
со разликата во количината на супстанцијата Δx1 од компонентата 1 во мол · м -3
Стационарната температурна разлика ΔТ. во овој случај се нарекува осмотска температура назначен.
Осмотски термички ефект
Ако мембраната покажува термо-осмоза за материјална компонента (нејзината термо-осмотска пропустливост не е еднаква на 0), топлината се транспортира на првичната иста температура од двете фази, ако влијанието на разликата во притисок или концентрација предизвикува транспорт на материјалот низ мембраната. Овој феномен се нарекува осмотски термички ефект назначен; е докажано експериментално со течен хелиум и е исто така под името механокалоричен ефект познат; тој е обратен на Ефект на фонтана. [2]
Биолошка важност
Историска дискусија
Важноста на термо-осмозата за биолошките системи беше дискутирана од Спанер во 1954 година: Тој процени дека топлината на пренесување на вода преку растителните клеточни мембрани е приближна. претпоставувајќи стандардни вредности за просечната температура и моларниот волумен на вода, температурната разлика од 0,01 К ќе произведе стационарна разлика во притисокот од 134 kPa. Сепак, не беше познато дали мембраната со дебелина од 10 nm може да одржи таков градиент на температура од 1.000 K на mm. Од друга страна, бидејќи бројни реакции на потрошувачка на енергија или производство на енергија се случуваат во ќелија, не може да се исклучи дека термо-осмозата игра улога во транспортот на мембраната преку биолошките мембрани. [13]
Термо-осмотски транспорт на кислород кај растенијата
Транспортот на кислород како резултат на термо-осмоза е докажан кај растенија кои се вкорени во средина со сиромашно кислород, како што е жолтата езерце или розовата елка. [14]