Termo-osmoza - biologie

Cât de fierbinte este prea fierbinte pentru viața adâncă sub fundul oceanului?

Antibiotice din bacterii

Migrația celulară: funcția nou descoperită a unei proteine cunoscute

Busolă moleculară pentru alinierea celulelor

Ceea ce face ca frunzele să îmbătrânească toamna

Democrația bibilicilor vultur

Mediul lui Ekembo: Oamenii au trăit și în peisaje deschise

| Genetica | Agricultură, silvicultură și creșterea animalelor

Soiul de grâu a fost creat prin traversarea ierburilor sălbatice

Cât de fierbinte este prea fierbinte pentru viața adâncă sub fundul oceanului?

Termo-osmoza

Cand Termo-osmoza (Engleză: osmoza termica) În științele naturii, se face referire la transportul substanțelor prin membrane sub influența unui gradient de temperatură [1]. Spre deosebire de osmoza în condiții izoterme, transportul materialului are loc și aici în sistemele cu o singură substanță. [2] Termo-osmoza este un caz special de termoforeză (sau Difuzie termică) și poate include lichide și gaze. În minerit, termenul se referă la mișcarea apei dintr-o zonă mai caldă într-o zonă mai rece a pământului. [3] Termenii termo-osmoză și transpiratia termica sunt adesea folosite sinonim. [4]

Poveste de descoperire

Prima descriere a lui Reynolds

În 1897, fizicianul britanic Osborne Reynolds a descris un fenomen pe care l-a numit transpiratia termica (Engleză: transpiratia termica) desemnat. [5] El a înțeles că înseamnă curgerea unui gaz printr-o placă poroasă cauzată de o diferență de temperatură între cele două părți ale acesteia. Dacă presiunea gazului pe ambele părți a fost inițial aceeași, gazul se deplasează de la partea mai rece la cea mai caldă. Aceasta crește presiunea gazului acolo pe partea mai caldă, cu condiția ca placa să fie fixă și să nu se poată mișca. Echilibrul termic este atins imediat ce presiunile sunt în același raport unul cu celălalt ca rădăcinile pătrate ale temperaturilor absolute. [6]

Efectul descris de Reynolds contrazice intuiția imediată. Este cauzată de forțele tangențiale dintre moleculele de gaz și pereții porilor plăcii. Gazul se comportă similar cu heliul superfluid (fără vâscozitate), care curge foarte repede în regiunea mai caldă atunci când un capilar este scufundat în recipient. Acest Efect fântână a fost descris pentru prima dată în 1938. [7]

Termo-osmoză în lichide

Fizicianul francez și laureat al Premiului Nobel Gabriel Lippmann a reușit să demonstreze că termo-osmoza apare în lichide în 1907. [A 8-a]

Noțiuni de bază

Permeabilitate termo-osmotică

Transportul de masă în termosmoză poate fi descris pentru un sistem cu o singură substanță prin următoarea ecuație de flux:

$ J_1 = B \ cdot \ frac \ cdot \ Delta T \ qquad (\ Delta p = 0; \ Delta x_1 = 0) $

Sunt acolo J1 fluxul de masă al componentei 1 în mol · s -1, B. permeabilitatea termo-osmotică în mol · K -1 · m -1 · s -1, q secțiunea transversală a zonei membranei în m 2, δ grosimea membranei în m și ΔT diferența de temperatură în K.

Termo-osmoza creează o diferență de presiune între cele două faze (inițial la aceeași presiune); partea spre care este transportat materialul are presiunea mai mare. Datorită diferenței de presiune aplicată acum între cele două faze, permeația are loc în direcția opusă și în cele din urmă fluxul de materie dispare (J1 = 0) de îndată ce se stabilește o stare de echilibru:

Această diferență de presiune staționară se numește diferența de presiune termo-osmotică desemnat. Este A. permeabilitatea izotermă a membranei în mol kg -1 s, care descrie transferul de masă datorită diferenței de presiune:

$ J_1 = A \ cdot \ frac \ cdot \ Delta p \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta x_1 = 0) $

cu diferența de presiune Δp în Pa.

Dependența de semn și temperatură

Permeabilitatea termo-osmotică poate asuma valori pozitive sau negative în funcție de componenta materialului și de tipul membranei, iar presiunea pe partea mai caldă sau mai rece a sistemului va crește în consecință. În sistemele în care gazul este împărțit de o membrană de cauciuc, dioxidul de carbon curge către partea mai caldă (B. > 0: permeabilitate termo-osmotică pozitivă), în timp ce hidrogenul crește presiunea pe partea mai rece (B. [9] [10] [11] Dacă sistemul este format din apă și o membrană de celofan (Celofan 600), permeabilitatea termo-osmotică scade constant odată cu creșterea temperaturii, până când inversarea semnului are loc la aproximativ 56 ° C și valorile sale sunt negative la temperaturi mai ridicate. S-au obținut valori cuprinse între 6,5 · 10-10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (la 10,7 ° C) până la -11,7 · 10-10 mol · K -1 · m -1 · s -1 (la 90,0 ° C) determinat [12]

Proporționalitatea la căldura de transfer

Căldura transferului Î * și permeabilitatea termo-osmotică sunt proporționale între ele în starea de echilibru:

Este acolo Î * căldura de transfer în J · mol -1 și $ \ bar V $ volumul molar parțial în m 3 · mol -1. Căldura de transfer are, în general, același semn cu permeabilitatea termo-osmotică. În sistemul apei și Celofan 600 astfel, arată o inversare a semnului la 56 ° C; valorile de 11,9 J mol -1 (la 10,7 ° C) până la -5,7 J mol -1 (la 90,0 ° C) au fost măsurate pentru căldura de transfer. [12]

Temperatura osmotică

Dacă există un sistem cu mai multe componente de substanță, diferența de presiune termo-osmotică poate duce la o diferență de concentrație staționară între cele două faze:

Este D. coeficient de difuzie osmotică în m 2 s -1, care caracterizează ecuația fluxului pentru transportul de masă izoterm-izobaric pe o membrană:

$ J_1 = D \ cdot \ frac \ cdot \ Delta x_1 \ qquad (\ Delta T = 0; \ Delta p = 0) $

cu diferența de cantitate a substanței ΔX1 al componentei 1 în mol · m -3

Diferența de temperatură staționară ΔT în acest caz se numește temperatura osmotică desemnat.

Efect termic osmotic

Dacă o membrană prezintă termo-osmoză pentru o componentă materială (permeabilitatea sa termo-osmotică nu este deci egală cu 0), căldura este transportată inițial la aceeași temperatură a celor două faze, dacă efectul unei presiuni sau a unei diferențe de concentrație determină transportul materialului prin membrană. Acest fenomen se numește efect termic osmotic desemnat; a fost dovedit experimental cu heliu lichid și este, de asemenea, sub denumirea efect mecanocaloric cunoscut; el este inversul Efect fântână. [2]

Importanța biologică

Discuție istorică

Importanța termo-osmozei pentru sistemele biologice a fost discutată de Spanner în 1954: El a estimat căldura transferului de apă prin membranele celulare ale plantelor la aproximativ 4.060 J · mol -1; presupunând valori standard pentru temperatura medie și volumul molar de apă, o diferență de temperatură de 0,01 K ar produce o diferență de presiune staționară de 134 kPa. Cu toate acestea, nu se știa dacă o membrană cu grosimea de 10 nm poate menține un astfel de gradient de temperatură de 1.000 K pe mm. Pe de altă parte, întrucât într-o celulă au loc numeroase reacții consumatoare de energie sau producătoare de energie, nu s-ar putea exclude faptul că termo-osmoza joacă un rol în transportul membranelor peste membranele biologice. [13]

Transportul oxigenului termo-osmotic în plante

Transportul de oxigen datorat termo-osmozei a fost dovedit la plantele care prind rădăcini într-un mediu cu conținut scăzut de oxigen, cum ar fi trandafirul galben de iaz sau arinul negru. [14]