Termodynamika v biochemiiTermodynamika v biochemii

Studium energetických zmStudium energetických změěnn

KlasickKlasickáá x statistickx statistickáá

RovnovRovnováážžnnáá x nerovnovx nerovnováážžnnáálinelineáárnrníí a nelinea nelineáárnrníí

ZZáákladnkladníí pojmypojmy

Makroskopický systém, okolí systému

Termodynamický systém

Otevřený / uzavřený / izolovaný systém

Heterogenní a homogenní systém, fáze

Stav termodynamického systému

Stavové parametry: vnější / vnitřní, globální / lokální

ZZáákladnkladníí pojmypojmy

Stavové funkce, rovnice

Termodynamické funkce

Mikrostav / makrostav

Stavový prostor

Rovnovážný stav, lokální rovnováha, stacionární stav

Relaxační doba

TermodynamickTermodynamickéé procesyprocesyzměna termodynamického systému v čase, přechod z jednoho stavu do druhého

vratný proces – pokud systém prochází pouze rovnovážnými

stavy

kvazistatické procesy –probíhají tak pomalu, že prakticky nenaruší stav

systému, vratné

TermodynamickTermodynamickéé funkce a vfunkce a věětyty

H = U + H = U + pVpVenthalpieenthalpieHH

G = H G = H -- TSTSGibbsovaGibbsova volnvolnáá energieenergieGG

F = U F = U -- TSTSHelmholtzovaHelmholtzova energieenergieFF

dSdS ≥≥ dQdQ/T/TentropieentropieSS

∆∆U = Q + WU = Q + Wvnitvnitřřnníí energieenergieUU

I. věta termodynamická (Zákon zachování energie)Změna vnitřní energie uzavřeného systému je rovna

energii, která prošla hranicí systému ve formě tepla nebo práce

TermodynamickTermodynamickéé funkce a vfunkce a věětyty

0lim0

=∆→

ST

II. věta termodynamická

III.věta termodynamická

EntropieEntropie

GibbsovaGibbsova energieenergie

Rovnováha a směřování systému

T

dQdS ≥

ŽŽivivéé systsystéémymy

nerovnovážné systémy, vyskytující se převážněv lokálně rovnovážných stavech

termodynamické procesy v nich probíhající jsou nevratné

vnitřní struktura a regulace vedou k ustálení ve stacionárních nebo dynamicky stacionárních

stavech

LineLineáárnrníí nerovnovnerovnováážžnnáá termodynamikatermodynamika

eeee Lj ϕ∇−=

cLj DDD ∇−=

zobecněnésíly

lineární fenomenologické zákony

∑=

=f

kkiki XLJ

1

fenomenologickékoeficienty

zobecněnétoky

Příklady aplikace

Přenos tepla vedením – Fourierův zákon

Fickův zákon difuze

Ohmův zákon elektrické vodivosti

TLj qqq ∇−=

Entropie v lineEntropie v lineáárnrníí oblastioblasti

∫==V

ir dVSdt

dSP )()( σ

( ) 0≥=∑i

ii XJSσhustota produkce entropie

celková produkce entropie ( ) 0≥= ∫∑V i

ii XJSP

CurieCurieůůvv –– PrigoginPrigoginůůvv principprincip

pro izotropní termodynamický systém v lineární oblasti

popsaný pomocí lineárních fenomenologických zákonů

vzájemn ě se mohou ovliv ňovat jenom procesy stejného tenzorového charakteru

OnsagerovyOnsagerovy relace reciprocityrelace reciprocity

MinimMinimáálnlníí produkce entropieprodukce entropie

pouze pro lineární oblast

Lik = Lki

výhoda – snížení počtu koeficientů

v lineární oblasti

Produkce entropie nabývá minim ální hodnoty v tom stacionárním stavu, který je v souladu se zadanými

hrani čními podm ínkami ur čenými charakterem úlohy.

0≤dt

dσ

PotenciPotenciáál na membrl na membráánněě nervovnervovéé bubuňňkyky

Hodkinův-Huxleyův model membránového potenciálu

FitzHughův-Nagumův model vzrušivétkáně - obecnější

Oscilace v Oscilace v řřetetěězových enzymových reakczových enzymových reakcííchch

model glykolýzy v kvasinkách

dvě vzájemně se ovlivňující buňky

Vliv podVliv podáánníí substrsubstráátu na oscilace v glykolýzetu na oscilace v glykolýze

Kontrakce a relaxace svalovKontrakce a relaxace svalovéé bubuňňkyky

KardiovaskulKardiovaskuláárnrníí systsystéémm

Termodynamika biologickTermodynamika biologickéé evoluceevoluce

náhodné seskupování – velmi nepravděpodobné, vysokémnožství různých typů molekul

základ vzniku života – autokatalýza a posléze zprostředkovanáautoreprodukce

možnost vzniku špatných kopií

i pro studium ontogeneze, morfogeneze a embryogeneze

PPřříšíšttěě

Bioenergetika.

Kinetika.