Термоосмоза - биология
Колко горещо е твърде горещо за живота дълбоко под дъното на океана?
Антибиотици от бактерии
Клетъчна миграция: новооткрита функция на известен протеин
Молекулярен компас за подравняване на клетките
Какво кара листата да стареят през есента
Демокрацията на лешоядите токачки
Околната среда на Ekembo: Хората също живееха в открити пейзажи
| Генетика | Земеделие, горско стопанство и животновъдство
Сортът пшеница е създаден чрез кръстосване на диви треви
Колко горещо е твърде горещо за живота дълбоко под дъното на океана?
Термоосмоза
Кога Термоосмоза (Английски: термична осмоза) В природните науки транспортът на веществата през мембраните под въздействието на температурен градиент е посочен [1]. За разлика от осмозата при изотермични условия, транспортът на материали също се случва тук в системи с едно вещество. [2] Термоосмозата е специален случай на термофореза (или Термична дифузия) и може да включва течности и газове. В рудодобива терминът се отнася до движението на вода от по-топла към по-студена област на земята. [3] Термините термоосмоза и термична транспирация често се използват синонимно. [4]
История на откритието
Първо описание от Рейнолдс
През 1897 г. британският физик Озбърн Рейнолдс описва феномен, който той нарича термична транспирация (Английски: термична транспирация) определена. [5] Той разбира, че означава поток на газ през пореста плоча, причинен от температурна разлика между двете му страни. Ако налягането на газа от двете страни първоначално е еднакво, газът се премества от по-студената към по-топлата страна. Това увеличава налягането на газа там от по-топлата страна, при условие, че плочата е фиксирана и не може да се движи. Термичното равновесие се постига веднага щом наляганията са в същото съотношение едно към друго като квадратните корени на абсолютните температури. [6]
Описаният от Рейнолдс ефект противоречи на непосредствената интуиция. Причинява се от тангенциални сили между молекулите на газа и стените на порите на плочата. Газът се държи подобно на свръхтечния хелий (без вискозитет), който тече много бързо към по-топлия регион, когато капилярът е потопен в контейнера. Това Ефект на фонтана е описан за първи път през 1938г. [7]
Термоосмоза в течности
Доказателството, че термоосмозата се появява в течности, е постигнато през 1907 г. от френския физик и носител на Нобелова награда Габриел Липман. [8-ми]
Основи
Термоосмотична пропускливост
Транспортът на маса при термоосмоза може да бъде описан за система от едно вещество чрез следното уравнение на потока:
$ J_1 = B \ cdot \ frac \ cdot \ Delta T \ qquad (\ Delta p = 0; \ Delta x_1 = 0) $
Има ли J1 масовия поток на компонента 1 в mol · s -1, Б. на термоосмотична пропускливост в мол · K -1 · m -1 · s -1, q напречното сечение на мембранната площ в m 2, δ дебелината на мембраната в m и Δт температурната разлика в K.
Термоосмозата създава разлика в налягането между двете фази (първоначално при едно и също налягане); страната, към която се транспортира материалът, има по-високо налягане. Поради разликата в налягането, приложена сега между двете фази, проникването възниква в обратна посока и накрая потокът на материята изчезва (J1 = 0) веднага след установяване на стабилно състояние:
Тази стационарна разлика в налягането се нарича разлика в термоосмотичното налягане определен. то е А. на изотермична пропускливост на мембраната в mol kg -1 s, което описва преноса на маса поради разлика в налягането:
$ J_1 = A \ cdot \ frac \ cdot \ Delta p \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta x_1 = 0) $
с разликата в налягането Δстр в Па.
Знак и температурна зависимост
Термо-осмотичната пропускливост може да приеме положителни или отрицателни стойности в зависимост от материалния компонент и вида на мембраната и съответно ще се увеличи налягането върху по-топлата или студената страна на системата. В системи, където газът е разделен от гумена мембрана, въглеродният диоксид тече към по-топлата страна (Б. > 0: положителна термоосмотична пропускливост), докато водородът увеличава налягането от по-студената страна (Б. [9] [10] [11] Ако системата се състои от вода и целофанова мембрана (Целофан 600), термоосмотичната пропускливост постепенно намалява с повишаване на температурата, докато обръщането на знака настъпи при около 56 ° C и стойностите му са отрицателни при по-високи температури. Установени са стойности в диапазона от 6,5 · 10 -10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (при 10,7 ° C) до -11,7 · 10 -10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (при 90.0 ° C) определено [12]
Пропорционалност на топлината на предаване
Топлината на трансфера Въпрос: * и термоосмотичната пропускливост са пропорционални един на друг в стационарно състояние:
е там Въпрос: * топлината на пренос в J · mol -1 и $ \ bar V $ частичният моларен обем в m 3 · mol -1. Топлинната пренос обикновено има същия знак като термоосмотичната пропускливост. В системата на водата и Целофан 600 по този начин показва обратен знак при 56 ° C; стойностите от 11,9 J mol -1 (при 10,7 ° С) до -5,7 J mol -1 (при 90,0 ° С) бяха измерени за топлината на пренасяне. [12]
Осмотична температура
Ако има система с повече от един компонент на веществото, разликата в термоосмотичното налягане може да доведе до стационарна разлика в концентрацията между двете фази:
Е Д. на коефициент на осмотична дифузия в m 2 s -1, което характеризира уравнението на потока за изотермично-изобарен пренос на маса през мембрана:
$ J_1 = D \ cdot \ frac \ cdot \ Delta x_1 \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta p = 0) $
с разликата в количеството вещество Δх1 от компонента 1 в mol · m -3
Стационарната температурна разлика Δт в този случай се нарича осмотична температура определен.
Осмотичен термичен ефект
Ако мембраната показва термоосмоза за даден материален компонент (поради това нейната термоосмотична пропускливост не е равна на 0), топлината се транспортира при първоначално същата температура на двете фази, ако ефектът от разликата в налягането или концентрацията причинява транспортиране на материала през мембраната. Това явление се нарича осмотичен термичен ефект определен; доказано е експериментално с течен хелий и също е под името механокалоричен ефект известен; той е обратното на Ефект на фонтана. [2]
Биологично значение
Историческа дискусия
Значението на термоосмозата за биологичните системи беше обсъдено от Spanner през 1954 г .: Той оцени топлината на пренос на вода през мембраните на растителните клетки на около 4060 J · mol -1; приемайки стандартни стойности за средната температура и моларния обем на водата, температурната разлика от 0,01 K би довела до стационарна разлика в налягането от 134 kPa. Не беше известно обаче дали мембраната с дебелина 10 nm може да поддържа такъв температурен градиент от 1000 K на mm. От друга страна, тъй като в клетката протичат множество енергоемки или енергийно продуциращи реакции, не може да се изключи, че термоосмозата играе роля в мембранния транспорт през биологичните мембрани. [13]
Термо-осмотичен транспорт на кислород в растенията
Транспортът на кислород поради термоосмоза е доказан при растения, които се вкореняват в бедна на кислород среда, като жълтата езерна роза или черната елша. [14]