Сопряжение потоков и движущих сил

Можно допустить, что термодинамическое совершенство процесса разделения в реакционно-диффузионных мембранах также окажется функцией величин Ф,, а,/, х и 1Х Аг. Если использовать значения ац и Л1 = Ф,Л,-, то потери эксергии в мембранах такого типа можно вычислить по уравнениям (7.47) и (7.52), эксергетический к. п. д. проницания по соотношениям (7.54) —(7.56), (7.64) и (7.66), приведенные плотности проникшего целевого и суммарного потоков — по уравнениям (7.58), (7.59) и (7.67), состав проникшего потока по выражениям (7.62) и (7.65). Применимость соотношений несопряженного массопереноса для расчета эффективности разделения в реак-ционно-диффузионных мембранах основано на общности подхода, трактующего мембрану в сечении как точечную систему с конечным значением движущей силы на границах, т. е. как черный ящик . При этом предполагается, что перенос компонентов смеси сопряжен только с химической реакцией, взаимно их потоки независимы. [c.249]

Термодинамические потоки /1 и /2 характеризуют скорости сопряженных процессов переноса массы, сорбции или химического превращения и могут быть представлены комбинацией линейных функций движущих сил [c.17]

Митчелл рассмотрел также сопряжение потоков протонов и катионов, движущихся в противоположных направлениях ( антипорт ), протонов и анионов, движущихся в одном направлении ( симпорт ). [c.435]

Она равна д = 0, когда сопряжение отсутствует ( 12 =0), и = 1 при полностью сопряженных процессах. В начальные моменты запуска системы большая скорость сопрягающего процесса /2 снижается до минимальных значений и одновременно с этим растет величина Х1. В результате таких изменений устанавливается стационарное состояние, когда результирующий сопряженный поток обращается в нуль /] = 0. Если система полностью сопряжена, то и для сопрягающего потока устанавливается стационарное состояние /2 = 0. В этом случае в системе нет видимых изменений и вся энергия сопрягающего потока тратится на поддержание силы Х . Можно мысленно представить себе колесо турбины, погруженное в струю воды. В зависимости от глубины погружения изменяются число лопастей колеса турбины в воде (Х ), скорости ее движения (/]) и потока воды (/2). Эти примеры справедливы не только для активного переноса, но и для других случаев. Так, в системе дыхательного контроля в митохондриях скорость окисления субстрата (/2) связана с отношением АДФ/АТФ, т. е. движущей силой Хь В состоянии митохондрий, когда концентрация АДФ равна нулю и видимого образования АТФ не происходит (/] = 0), вся энергия тратится на поддержание максимального фосфатного потенциала (Х ). Добавление разобщителей уменьшает величину Х, но тогда уже /] О, что приводит к ускорению сопрягающего потока. [c.75]

Таким образом, в отсутствие изотопных взаимодействий определение потока одной из меток и суммарного потока дает сопротивление суммарному потоку / . Поэтому / можно определить, не зная ни движущей силы, ни природы сопряженных потоков. Проницаемость для суммарного потока о снова можно оценить как /сЯ. [c.204]

Движущая сила может быть градиентом давления, концентрации, электрического потенциала или температуры. Обзор различных мембранных процессов и движущих сил дан на рис. 1-7 и в табл. 1-8. Для описания транспорта чистого компонента, проникающего через мембрану, можно применить линейные соотношения. Однако, когда проникают два или более компонента, такие соотношения в общем случае не могут быть применены, поскольку могут происходить явления сопряжения потоков и сил. Явления сопряжения могут быть описаны в терминах и формализме неравновесной термодинамики. [c.32]

Подобные исследования были успешно проведены и в отношении активного транспорта протонов с применением уравнений неравновесной термодинамики для двух потоков. Во всех случаях варьирование Х+ позволяет оценить феноменологические коэффициенты и сродство А движущей метаболической реакции. В последнее время успешно применяют подобный формализм для описания процессов фосфорилирования в митохондриях и хлоропластах. Считается общепринятым, что в этих объектах имеется тесное сопряжение между тремя главными процессами, лежащими в основе биоэнергетики клеточных мембран электронный транспорт с окислением субстрата (/о, Ао), фосфорилирование АДФ с образованием АТФ (/р. Ар), транслокация протонов через сопрягающую мембрану (/н Ацн). Ключевую роль играет трансмембранная циркуляция протонов, которая индуцируется переносом электронов и в свою очередь запускает синтез АТФ. Феноменологическое описание системы включает соответственно три уравнения [c.80]

Процессы транспорта через мембраны не могут рассматриваться как термодинамически равновесные, и поэтому для описания мембранного транспорта может быть использована только термодинамика необратимых процессов. В неравновесных процессах (и, следовательно, в мембранном транспорте) свободная энергия непрерывно рассеивается (если поддерживается постоянная движущая сила), а энтропия производится. Эта скорость увеличения энтропии вследствие необратимых процессов описывается с помощью диссипативной функции ф, выраженной в виде суммы всех необратимых процессов, каждый из которых может быть описан как произведение сопряженных потоков (7) и сил (X). [c.217]

Неравновесную термодинамику применяли ко всем типам мембранных процессов, а также к разбавленным растворам, содержащим растворитель (обычно воду) и растворенное вещество [5, 6]. Характеристики мембраны в таких системах могут быть описаны с помощью трех коэффициентов, или транспортных параметров проницаемость для растворителя проницаемость для растворенного вещества и и коэффициент отражения а. При использовании воды в качестве растворителя (индекс IV) для данного растворенного вещества (индекс б) диссипативная функция (рост энтропии) в разбавленном растворе является суммой потока растворителя и потока растворенного вещества, умноженных на сопряженные им движущие силы [c.219]

Рис. 1.5. Возможные режимы сопряженного массопереноса в мембране а — положительное сопряжение 6 — отрицательное сопряжение в — приведенная. движущая сила и направление результирующего потока массы -го компонента

Ранее было получено уравнение (1.18) для коэффициента ускорения массопереноса, при этом предполагалось, что результирующий поток при сопряжении I и независимый поток /, сравниваются при одинаковой движущей силе X, равной разности химических потенциалов газа в напорном и дренажном каналах. Если использовать допущение о локальном равновесии фаз и выразить движущую силу поверхностной диффузии через состояние газовой фазы, то очевидно = Тогда коэффициент ускорения окажется функцией степени сопряжения у. и феноменологической стехиометрии 2 (см. уравнения (1.11)) [c.68]

Соотношения (7.74) означают, что поток массы, сопряженный с химической реакцией, направлен таким образом, что вторая сумма в числителе выражения (7.72) отрицательна, т. е. соответствует затратам работы на перемещение потока массы под действием дополнительных движущих сил, причем [c.252]

Пусть ФХС характеризуется набором N независимых потоков субстанций 1 ж N сопряженных движущих сил е . Билинейная форма, составленная из переменных/ и представляет обобщенную энергетическую характеристику ФХС — так называемую диссипативную функцию системы [c.7]

Если открытая система находится вблизи термодинамического равновесия, когда значения движущих сил весьма мапы, а сами процессы протекают достаточно медленно, термодинамические силы X (градиенты интенсивных термодинамических параметров) и сопряженные с ними потоки У связаны простым линейным соотношением [c.322]

Значения q = достигаются только для полностью сопряженных систем. При 7 < О увеличение движущей силы одного процесса приводит к уменьшению потока сопряженного с ним процесса. [c.328]

Дыхательная цепь транспорта электронов обеспечивает работу протонных насосов, которые используют свободную энергию потока электронов для перекачивания протонов наружу, против градиента концентрации Н . В результате, как отмечено выше, возникает электрохимический потенциал. Затем выведенные наружу ионы снова устремляются внутрь через специальные каналы или поры для этих ионов в мембране. В дыхательной цепи электроны идут по градиенту концентрации, и во время их перехода через молекулу АТФ выделяется энергия. Именно эта свободная энергия и служит движущей силой для сопряженного синтеза АТФ из АДФ и фосфата. [c.87]

Одна из важнейших функций биологических мембран состоит в обеспечении трансформации энергии, сопряженной с преобразованием ее из одного вида в другой. Это, собственно, и составляет основу биоэнергетических процессов в клетке. Как известно, энергия, необходимая для различных видов жизнедеятельности клетки, утилизируется в виде энергии химических связей молекулы АТФ, синтез которой в живой природе осуществляется главным образом в биологических мембранах митохондрий и хлоропластов (хроматофоров). Во всех этих системах движущей силой является электронный поток, который генерируется в митохондриях за счет окисления субстрата и в хлоропластах - за счет энергии света. Здесь перенос электрона сопряжен с транслокацией протонов и синтезом АТФ в АТФ-синтезе. [c.165]

Сопряженная задача существенно упрощается при больших числах Пекле для сплошной фазы. В этом случае вокруг движущейся частицы существует сформировавшийся пограничный слой. Как показано в [16], при наличии такого слоя средний по поверхности частицы диффузионный поток на ее поверхности может быть представлен в виде [c.286]

Таким образом, потенциал действия можно описать как поток положительно заряженных ионов натрия, проникающих через мембрану внутрь нейрона и движущихся вдоль аксона. Главное преимущество электрического пути проведения импульса состоит в том, что сигнал распространяется на большие расстояния быстро и без затухания. Достигая окончания аксона, волна деполяризации вызывает выброс молекул медиатора из синаптических пузырьков, и механизм передачи нервного импульса опять приобретает тонкую химическую природу. Нейрон быстро восстанавливает электрохимическое равновесие и возвращается к состоянию с отрицательным потенциалом внутри клетки до следующего сигнала. Таким образом, чрезвычайно малая продолжительность синаптического сопряжения между соседними нейронами позволяет передавать через си- [c.460]

Сравнивая это уравнение с уравнением (6.2.8), увидим, что 15(Р, /) описывает возрастание температуры на границе в случае движущейся жидкости с функцией влияния Р(Р, Р, t). Кроме того, уравнение (6.4.20) управляет температурой в объеме тела с распределенными, не зависящими от времени стоками тепла с мощностью с0. Следовательно, мы получили для сопряженных полей аналоговую модель, сходную с моделью, описанной в 4.4. Различие между ними заключается в граничном условии. Поле 0 является плотностью теплового потока, возникающего при наличии стоков тепла при граничном условии, задаваемом функцией влиянии [c.132]

При векторном сопряжении потоков двух проникающих компонентов эффективность разделения определяется непосредственно отношением двух сопрягающихся потоков lillj по уравнению (1.12). Очевидно, при положительной приведенной движущей силе сопряженного процесса ZXilXj>0, т. е. Xi>0, Хз>0 или Хг<0, Xj<0) наилучшее разделение смеси достигается при отрицательном сопряжении (х<0), когда потоки компонентов не увлекают, а выталкивают друг друга. Это соответствует области Z/2//i-<0, где сопряжение не только компенсирует самопроизвольный поток массы второго компонента L22X2, но и обеспечивает его активный транспорт в противоположном направлении. Обычно при сопряжении мембранных процессов удается лишь частично подавить результирующий поток нецелевого компонента, т. е. приблизиться с фиксированной силой /2/(/,Z)-0. [c.24]

В энергетических процессах, происходящих в живых организмах на MOHO- или бислойных мембранах, потоки (скорости) сопряженного y (например, синтез АТФ из АДФ) и сопрягающего У2 (окисление пищевого субстрата) процессов контролируются механизмом сопряжения. Так, в начальный период функционирования системы скорость У2 мала, что одновременно сопровождается установлением максимальных значений движущей силы Xf. В установившемся стационарном по концентрации АТФ состоянии сопряженный поток У I = О, а А 1 = A" " = -(I12/I-1 )A 2. При этом стационарное значение потока для сопрягающего процесса [c.328]

Их определение требует знания движущей силы и вклада сопряженных потоков в силы, активирующие транспорт, а в биологических исследованиях такие данные часто получить не удается. Поэтому надеялись, что недостающие данные удаст- [c.200]

I. В весьма общих предположениях может быть получено соотношение между суммарным потоком, отношением потоков и сила.ми, индуцирующими транспорт. Если проницаемость обусловлена одинаковыми каналами, то в отсутствие изотопных взаимодействий измерение отношения потоков позволяет количественно оценить силы. Измерение одного из однонаправленных потоков (в отсутствие суммарного потока) или обоих однонаправленных потоков (при наличии суммарного потока) определяет Я (сопротивление суммарному потоку) или со (проницаемость) без привлечения каких-либо сведений или предположений о движущих силах или сопряженных потоках. [c.218]

Если выбор движущих сил 1 и Дг независим, то при определенных условиях выражение в скобках и величина Р могут приближаться к нулю при конечных значениях потоков. Поскольку диссипативная функция характеризует рассеяние свободной энергии, это означает приближение процессов в условиях полного сопряжения к термодинамической обратимости. Подробнее проблема энергетической эффективности процессов мембраны в условиях их сопряжения рассмотрена в гл. 7. Здесь же оценим влияние степени сопряжения на скорость массопереноса в мембране. На рис. 1.2 показан общий вид зависимости, где величина Z использована для приведения отношений потоков /]//2 и сил Х-21Х1 к безразмерной форме. [c.19]

При положительном сопряжении (и>0) наиболее быстрый рост относительной скорости массопереноса наблюдается при высокой степени сопряжения в области отрицательных значений приведенной движущей силы 2 Х]1Х2). Согларно (1.11) и (1.10) знак сопряжения определяется только знаком перекрестного коэффициента Ь12- При положительном сопряжении двух векторных процессов, например фазового переноса и поверхностной или кнудсеновской диффузии в пористых мембранах, один поток увлекается вторым в том же направлении ( 12>0, [c.20]

На рис. 1.5 показаны возможные режимы сопряженного массопереноса в мембране при положительном (а) и отрицательном (б) сопря жении. Условие равенства химических потенциалов на границах мембраны (ti = n"i) соответствует состоянию с фиксированным потоком (Xi = 0, h LirAr, АгфО), которое делит возможные режимы на две группы с положительными и отрицательными значениями приведенной движущей силы сопряженного массопереноса ZXijAr (рис. 1.5, а). Предельное положительное значение этой величины ZX IAr соответствует нулевому химическому потенциалу в дренажном канале (ji,"j->0), который можно создать при бесконечно большой скорости отвода проникшего потока (например, с помощью газа-носителя [c.24]

Диссипативная функция ФХС определяет все возможные виды энергозатрат внутри системы на протекание необратимых процессов различной физико-химической природы химической, тепловой, диффузионной, гидромеханической, магнитной, электрической и т. п. В общем случае каждый поток / , входящий в выражение (1) для диссипативной функции, является сложной нелинейной функцией сопряженных и несонряженных движущих сил б . Обычно функции такого типа обладают аналитическими свойствами и допускают разложение в степенной ряд [c.7]

А. Тепло- и массопереиос к твердым телам и жидким средам прн внешнем обтекании тел и течении в каналах, при вынужденной и естественной конвекции. Перенос теплоты к твердым телам и жидким средам при ламинарном течении с заданными граничными условиями или условиями сопряжения полностью описывается законом теплопроводности Фурье, если только тепловые потоки не превышают своих физических пределов (фононный, молекулярный, электронный перенос н т. д.). Возможность решения сложных задач в большей или меньшей степени зависит только от наличия необходимой вычислительной техники. Для расчета ламинарных течений, включая и снарядный режим, к настоящему времени разработано достаточно много стандартных про1-рамм, и их число продолжает непрерывно увеличиваться. Случай движущихся тел включает в себя также и покоящиеся тела, так как координатную систему можно связать с телом и, таким образом, исключить относительное движение. Поэтому методы расчета теплопередачи к твердым телам и жидким средам при их ламинарном течении полностью аналогичны. Единственным фактором, влияющим на тепловой поток как при нестационарном нагреве твердого тела, так и при квазистационар-ном ламинарном течении, является время контакта. Хотя часто коэффициент теплоотдачи нри ламинарном течении представляется как функция скорости, необходимо обязательно помнить, что скорость течения есть только мера времени контакта или времени пребывания среды в теплообменнике. Эта концепция обсуждалась в 2.1.4, где было показано, каким образом и — а-метод, используемый обычно для описания ламинарного теплообмена, можно применить и для расчета нестационарного теплопереноса а твердом теле. В разд. 2.4 эта концепция получает даль- [c.92]

Если Х2, входная или движущая сила, поддерживается постоянной, а на Xi ограничений не накладывается, то поток Ji будет продолжаться до тех пор, пока не достигнет величины, достаточной для его прекращения. После этого Ji будет оставаться равным нулю и, таким образом, Xi будет постоянной до тех пор, пока Х2 и феноменологические коэффициенты сохраняют свои исходные значения. Мы будем называть такой режим состоянием с фиксированной силой, или состоянием статического напора (stati head). Примерами систем в состоянии статического напора являются топливный элемент при разомкнутой цепи, мембраны растительных или животных клеток, поддерживающие постоянные градиенты концентраций с помощью активного транспорта, и мышцы при изотермическом сокращении. В неполностью сопряженных системах для поддержания состояния статического напора должна затрачиваться энергия, даже если выходной поток равен нулю. [c.64]

С точки зрения локальной системы несущественно, каким образом поддерживается концентрация реагентов и продуктов. (Например, имеется отсек, в котором реагенты и продукты на.ходятся практически в равновесии с растворами в больших резервуарах.) Стехиометрическое превращение М и N в Р VI Q требует, чтобы в этой области не было ответвлений цепи это является нашим основным предположением. Однако, как показано на рисунке, может существовать ряд других замкнутых цепей (петель). В стационарном состоянии потребление М а N все же должно быть связано стехиометрически с производством Р и Q. Некоторые из этих петель могут быть не сопряжены с насосом, и ясно, что, хотя они не оказывают влияния на обоснованность применения общего подхода, они могут уменьшать степень сопряжения между метаболизмом и транспортом. Необходимо понимать, что даже локальная скорость диссипации свободной энергии должна выражаться как разность потоков на входе и выходе. Входным членом является 1гА, где сродство А, определенное выше, представляет собой движущую силу процесса. С этой точки зрения система может рассматриваться как черный ящик с тМ 4- рР - - [c.146]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология