Mechanika úvodní stránka

Vnitřní a jiné síly

 

Statické síly

  Dynamické síly   Pohyb   Energie a hybnost  
Elastické síly a sval   Tíhová síla   Odporové a třecí síly   Chůze a běh   Energie
Povrchové napětí a kapilarita   Tlaková a vztlaková síla   Proudění   Létání a plachtění   Výkon
Transportní jevy Páka Setrvačná síla   Plavání Zákony zachování
 

Stránka není dokončena
Transportní jevy (difůze, osmóza)

V systému, který není ve stavu termodynamické rovnováhy, probíhají při neměnných vnějších podmínkách samovolné procesy, vedoucí nakonec k ustavení rovnováhy . Transportní děj je proces, při němž se mění hodnota sledované veličiny v určitém místě systému s časem. Sledovanou veličinou může být látkové množství, energie nebo hybnost. Proces, při kterém v koncentračně nehomogenním systému dochází k samovolnému vyrovnávání koncentrací, nazýváme difuzí.

První Fickův zákon
Příčinou toku látky jsou rozdíly v její koncentraci. Hnací silou je změna koncentrace složky měnící se s polohou (derivace koncentrace podle polohy). Změna látkového množství dn za čas dτ při průchodu plochou A je dle Fickova zákona při jednorozměrné difuzi dána vztahem

 

kde D je difuzní koeficient látky v prostředí. Difuzní koeficient udává počet molů dané složky, která projde jednotkovou plochou za jednotku času při jednotkovém spádu koncentrace složky. Hlavní jednotka: m2/s.Nechť jsou 2 oblasti o počtu částic n1 a n2 na jednotku objemu (m3) vzdálené od sebe ∆x, potom podíl

udává koncentrační gradient.

Difúzní tok N je množství částic, které přejde za 1 sekundu skrz plochu A oddělující obě oblasti:

,

kde D je difúzní koeficient (difúzní konstanta), která závisí na vlastnostech roztoku, jeho teplotě a velikosti difundujících částic. Difůze může být také popsána pomocí parciálního tlakového gradientu, v plynu je vztah mezi parciálním tlakem pi a hustotou ni  a teplotou následující:

kde kB je Boltzmannova konstanta.

Tělo velkých organizmů sestává z mnoha buněk. Všechny buňky potřebují živiny a  kyslík ke svému fungování. Buňky získávají tyto živiny ze svého okolí difůzí. Toto platí pro jednobuněčné organizmy stejně jako pro diferencované (specializované) buňky, které utvářejí tělo nějakého organizmu. Proto velké organizmy potřebují transportní systémy pro transport těchto látek přímo do jednotlivých tkání, transportérem je krev. Konvekční systém, kardiovaskulární aparát sestává z potrubního systému (cévy), pumpou (srdce), výměník vzduchu (plíce), rezervoárem krve (sleziny), a chlopně.

Z hlediska energetiky je difúze velmi vhodný transportní mechanizmus na úrovni atomů a molekul plynu nebo kapaliny, kdy ve dvou sousedních oblastech je výrazný rozdíl v množství částic. K transportu totiž dochází bez dodání vnější energie.

 

Velikost buňky
Difúzní tok se může uplatnit při výživě buněk pouze na velmi krátkou vzdálenost Rd. Tato vzdálenost je současně i poloměrem těla živočichů, kteří jako jediný způsob transportu využívají právě difúzi.  Abychom tuto vzdálenost určili, představme si organizmus jako kouli o poloměru R o hmotnosti

,

kde ρ = 1000 kg/m3  je hustota vody. Množství molekul kyslíku N potřebné pro metabolismus buňky závisí na spotřebě látek organizmem, charakterizovanou metabolickým poměrem Г. V případě savců je množství kyslíku dáno

,

kde P0 je metabolický poměr popsaný Kleiberem (jeho slavnou křivkou „mouse to elephant“), a b je aktivní faktor (viz termodynamika).

Nárok živin je

,

Jednotlivé buňky organizmu mají spotřebu kyslíku

to je menší než savčí měrná spotřeba jedné buňky v savčím organizmu je

,
kde po dosazení                                  ,
dostáváme                                    

Tato spotřeba musí být uspokojena prostřednictvím difúze. Difúze skrz obal organizmu koulovitého tvaru (plocha )

Dodává tok kyslíku

Rozdělíme difúzní tok, na hmotu sférického tvaru.