biofyzika zkouška 2

Tepelná bilance chemických reakcí v organismu

V živém organismu probíhají dva termodynamicky protichůdné děje:

a) otevřené systémy – životní pochody brání přírůstku entropie (na úkor zvýšení entropie okolí).

b) ireverzibilní pochody – degradace energie a vzrůst entropie (konverze živin na vodu a CO2).

Při samovolně probíhající reakci se energie uvolňuje ve formě tepla. Přeměna živin na CO2 a vodu: řada komplikovaných reakcí, ale výsledné přijaté nebo uvolněné teplo reakce závisí pouze na počátečním a konečném stavu (Hessův zákon).

Maximální množství energie, které se při chemické reakci může přeměnit v práci:

K – rovnovážná konstanta ΔG < 0 spontánní reakce; uvolňuje energii do okolí

V organismu je řada reakcí s deltaG > 0, avšak vždy jsou součástí cyklů, jejichž celková deltaG < 0. Spontánní reakce mohou být pomalé (termodynamika nevyjadřuje rychlost reakce). Metabolismus živin (cukry, lipidy, atd.) vyžaduje přítomnost enzymů, které urychlí průběh reakce tím (sníží aktivační energii).

Termoregulace organismu

Teplota má rozhodující význam pro metabolismus – vysoce citlivé enzymy. Průměrná tělesná teplota u člověka se pohybuje v rozmezí 35,8 °C až 37,3 °C. Teplota kůže se pohybuje v rozmezí 31 °C až 35 °C.

Produkce tepla:

Podstatná část ve formě energie chemické (potrava); nepatrná část energie elektromagnetického záření, mechanická, tepelná.

a) bazální metabolismus

b) zvýšený metabolismus – svalovou námahou, chladovým třesem, trávením

– působením regulačních hormonů (thyroxin, noradrenalin)

Ztráta tepla:

Přímé ztráty tepla: vyzařování (radiace); vedení (kondukce) a proudění (konvekce).

Nepřímé ztráty tepla: odpařování z plic; pocení (evaporace)

Vedení (kondukce)

Zejména krev (kapaliny dobře tepelně vodivé). Vazodilatace/vazokonstrikce = zvětšování/zmenšování povrchu. Množství předané energie Q za čas t (s) mezi dvěma místy závisí na rozdílu jejich teplot deltaT (K), vzdálenosti d (m), ploše S (m2) a koeficientu tepelné vodivosti l (J/m.s.K):

Q = (lambda * S * DT * t) / d

Vyzařování

Tvoří až 60% celkových tepelných ztrát (v závislosti na teplotě okolí). Každé těleso, které je v prostředí o nižší teplotě teplo vyzařuje ve formě IČ záření (organismy 5-20 mikrom).

Proudění (konvekce)

Proudění tepla úzce souvisí s jeho vedením (nejdříve je teplo předáno vedením látce, jejímž prouděním je odvedeno do okolí). Dochází k přenosu energie i látky. Množství energie, které je za čas t odvedeno prouděním z tělesa o ploše S do okolí o teplotě nižší o deltaT: Q = alfa * S * DT * t alfa – koeficient přestupu tepla rozhraním (W/K.m2)

Vypařování

Vzhledem k velkému měrnému teplu vypařování vody tvoří až 25 % ztrát tepla organismu (závisí na vlhkosti vzduchu).