Термоосмос - біологія
Як жарко занадто жарко для життя глибоко під дном океану?
Антибіотики від бактерій
Міграція клітин: нещодавно виявлена функція відомого білка
Молекулярний компас для вирівнювання клітин
Від чого листя старіє восени
Демократичність грифа-цесарки
Середовище Екембо: Люди також жили на відкритих ландшафтах
| Генетика | Сільське, лісове та тваринництво
Сорт пшениці був створений шляхом схрещування дикорослих трав
Як жарко занадто жарко для життя глибоко під дном океану?
Термоосмос
Коли Термоосмос (Англійською: тепловий осмос) У природничих науках транспорт речовин через мембрани під впливом градієнта температури згадується [1]. На відміну від осмосу в ізотермічних умовах, транспортування матеріалів тут також відбувається в одноматеріальних системах. [2] Термоосмос - це окремий випадок термофорезу (або Теплова дифузія) і може включати рідини та гази. У видобутку корисних копалин цей термін стосується руху води з теплішої в холодну ділянку землі. [3] Терміни термоосмос і теплова транспірація часто використовуються як синоніми. [4]
Історія відкриття
Перший опис Рейнольдса
У 1897 році британський фізик Осборн Рейнольдс описав явище, яке він назвав теплова транспірація (Англійською: теплова транспірація) призначений. [5] Він розумів, що це означає потік газу через пористу пластину, спричинений різницею температур між двома його сторонами. Якщо тиск газу спочатку був однаковим з обох сторін, газ рухається з більш холодної на теплу сторону. Це збільшує тиск газу там, де тепліше, за умови, що пластина закріплена і не може рухатися. Теплова рівновага досягається, як тільки тиски знаходяться в тому ж співвідношенні один до одного, що і квадратні корені абсолютних температур. [6]
Ефект, описаний Рейнольдсом, суперечить безпосередній інтуїції. Це обумовлено дотичними силами між молекулами газу та стінками пор пластини. Газ поводиться подібно до надрідкого гелію (без в'язкості), який дуже швидко тече в теплу область, коли капіляр занурюється в контейнер. Це Ефект фонтану був вперше описаний в 1938 році. [7]
Термоосмос у рідинах
Доказ того, що термоосмос відбувається в рідинах, був досягнутий у 1907 році французьким фізиком та лауреатом Нобелівської премії Габріелем Ліппманом. [8-й]
Основи
Термоосмотична проникність
Перенос маси в термоосмосі можна описати для системи з однією речовиною за допомогою рівняння потоку:
$ J_1 = B \ cdot \ frac \ cdot \ Delta T \ qquad (\ Delta p = 0; \ Delta x_1 = 0) $
Є там J1 масова витрата компонента 1 в моль · с -1, B. термоосмотична проникність в моль · К -1 · м -1 · с -1, q переріз площі мембрани в м 2, δ товщина мембрани в м і ΔТ різниця температур у K.
Термоосмос призводить до різниці тисків між двома фазами (спочатку при однаковому тиску); сторона, до якої транспортується матеріал, має вищий тиск. Через різницю тисків, що застосовується між двома фазами, проникнення відбувається в зворотному напрямку і, нарешті, потік речовини зникає (J1 = 0) відразу після встановлення стійкого стану:
Ця стаціонарна різниця тиску називається різниця термоосмотичного тиску призначений. це є А. ізотермічна проникність мембрани в моль кг -1 с, що описує масообмін через різницю тисків:
$ J_1 = A \ cdot \ frac \ cdot \ Delta p \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta x_1 = 0) $
з різницею тисків Δстор в Па.
Знак і температурна залежність
Термоосмотична проникність може приймати позитивні або негативні значення залежно від компонента матеріалу та типу мембрани, і тиск на тепліші або холодніші сторони системи відповідно зростатиме. У системах, де газ розділений гумовою мембраною, вуглекислий газ надходить у теплу сторону (B. > 0: позитивна термоосмотична проникність), тоді як водень збільшує тиск на більш холодній стороні (B. [9] [10] [11] Якщо система складається з води та целофанової мембрани (Целофан 600), термоосмотична проникність неухильно зменшується із збільшенням температури, поки не відбудеться обернення знаків при температурі близько 56 ° C, а його значення будуть негативними при більш високих температурах. Отримані значення в діапазоні від 6,5 · 10 -10 моль · К -1 · м -1 · с -1 (при 10,7 ° С) до -11,7 · 10 -10 моль · К -1 · м -1 · с -1 (при 90,0 ° C) визначено [12]
Пропорційність теплоті передачі
Тепло передачі Питання * і термоосмотична проникність пропорційні між собою у стаціонарному стані:
є там Питання * теплота передачі в Дж · моль -1 і $ \ бар V $ частковий молярний об'єм в м 3 · моль -1. Теплопередача, як правило, має той самий знак, що і термоосмотична проникність. У системі води і Целофан 600 так, він показує розворот знаків при 56 ° C; для теплоти переносу вимірювали значення від 11,9 Дж моль -1 (при 10,7 ° С) до -5,7 Дж моль -1 (при 90,0 ° С). [12]
Осмотична температура
Якщо існує система з кількома компонентами речовини, різниця термоосмотичного тиску може призвести до стаціонарної різниці концентрацій між двома фазами:
Є Д. коефіцієнт осмотичної дифузії в м 2 с -1, що характеризує рівняння потоку для ізотермічно-ізобарного транспорту маси через мембрану:
$ J_1 = D \ cdot \ frac \ cdot \ Delta x_1 \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta p = 0) $
з різницею кількості речовини Δх1 компонента 1 в моль · м -3
Стаціонарна різниця температур ΔТ в цьому випадку це називається осмотична температура призначений.
Осмотичний тепловий ефект
Якщо мембрана демонструє термоосмос для компонента матеріалу (тому його термоосмотична проникність не дорівнює 0), тепло передається при спочатку однаковій температурі двох фаз, якщо вплив різниці тиску або концентрації спричиняє транспорт матеріалу через мембрану. Це явище називається осмотичний тепловий ефект призначений; це було доведено експериментально з рідким гелієм і також під назвою механокалорійний ефект відомий; він є реверсом Ефект фонтану. [2]
Біологічне значення
Історична дискусія
Важність термоосмосу для біологічних систем обговорював Шпаннер в 1954 році: він оцінив теплоту передачі води через мембрани рослинних клітин приблизно 4060 Дж · моль -1; припускаючи стандартні значення середньої температури та молярного об'єму води, різниця температур 0,01 К дасть стаціонарну різницю тиску 134 кПа. Однак не було відомо, чи може мембрана товщиною 10 нм підтримувати такий градієнт температури 1000 К на мм. З іншого боку, оскільки в клітині відбуваються численні енергоємні або енергопродукуючі реакції, не можна виключати, що термоосмос відіграє певну роль у перенесенні мембран через біологічні мембрани. [13]
Термоосмотичний транспорт кисню в рослинах
Транспортування кисню внаслідок термоосмосу доведено на рослинах, які приживаються в умовах, бідних киснем, таких як жовта троянда ставку або чорна вільха. [14]