Biofyzika
2.5 Transportní jevy
Transportní jevy představují děje, které probíhají v daném prostředí v důsledku pohybu a vzájemné interakce molekul (částic) a dochází k přenosu některé molekulární veličiny. Z tohoto hlediska lze na viskozitu pohlížet jako na transport hybnosti, na vedení tepla jako na transport kinetické energie a konečně na difuzi jako na transport samotných molekul.
Viskozita
Viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření a závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. Kapaliny s větší přitažlivou silou mají větší viskozitu, větší viskozita znamená větší brzdění pohybu kapaliny nebo těles v kapalině. Předpokládejme, že kapalina proudí trubicí naznačeným směrem (viz obr. 2.8). Různé vrstvy kapaliny proudí různou rychlostí v důsledku vnitřního tření. Uvažujme dvě velmi blízké vrstvy I a II vzdálené od sebe o Δx = x1 – x2 (m), ve kterých se rychlost proudění liší o Δv = v1 – v2 (ms–1). Stýkají-li se tyto dvě vrstvy o celkové ploše A (m2), vzniká mezi nimi následkem vnitřního tření tečné napětí σ (Pa).
Viskozitu lze definovat jako sílu tření, která vzniká mezi dvěma vrstvami proudící kapaliny, které se stýkají plochou 1 m2 při jednotkovém gradientu rychlosti, tj. je-li rozdíl jejich rychlostí 1 ms–1.
Kromě této tzv. dynamické viskozity η, se též užívá kinematická viskozita ν, definovaná jako dynamická viskozita dělená hustotou ρ.
Jelikož rychlost pohybu molekul kapaliny závisí na teplotě, je viskozita funkcí teploty.
Látky o vyšší molekulární hmotnosti mají vyšší viskozitu. Značný biologický význam má viskozita krve. Její hodnota je při 37 °C je asi 4,5 krát větší než viskozita vody při dané teplotě. Ovlivňují ji hlavně červené krvinky.
Podle principu, na jehož základě viskozitu měříme, rozlišujeme viskozimetry kapilární, rotační a tělískové.
Difuze
Difuze je proces rozptylování se částic v prostoru. Tento transportní jev, kdy částice jedné látky proniká do látky druhé s nižší koncentrací těchto částic se snahou o dosažení rovnoměrné koncentrace v celém objemu, který je k dispozici, se nazývá difuze. Dochází k ní vždy tam, kde existuje gradient koncentrace difundující látky. Má-li koncentrace (vyjádřená v molech na jednotku objemu) ve vrstvičce ve výšce dané souřadnicí x1 hodnotu c1 a ve výšce x2 hodnotu c2, pak rozdíl koncentrací Δc = c1 – c2, připadající na rozdíl souřadnic Δx = x1 – x2 určuje koncentrační gradient, který je dán poměrem Δc/Δx při Δx → 0 a Δc → 0. Je-li plocha celkového průřezu nádoby A (m2), projde danou vrstvičkou za velmi malý časový úsek τ (s) n molů rozpuštěné látky. Pro hustotu difuzního toku (n/A), vyjádřenou v molech na m2 za sekundu, pak platí
Tento vztah se nazývá 1. Fickův zákon, který říká, že hustota difuzního toku je přímo úměrná koncentračnímu gradientu. Konstanta D se nazývá difuzní koeficient (m2∙s-1). Vyjadřuje počet molů dané látky, rozpuštěné v daném rozpouštědle, které projdou za dobu 1 s průřezem 1 m2 při jednotkovém koncentračním spádu. Proto difuze závisí na velikosti částic rozpuštěné látky. Jelikož rychlost pohybu částic závisí také na teplotě, mění se hodnota difuzního koeficientu s teplotou. Při vyšší teplotě je difuze rychlejší. Jinak závisí hodnota difuzního koeficientu též na koncentraci. To je způsobeno jednak zvýšením viskozity, jednak snížením solvatace při vyšší koncentraci. Znaménko – je v rovnici proto, že směr vektoru gradientu koncentrace směřuje od nižších koncentrací k vyšším, zatímco tok látky probíhá ve směru opačném, z míst o vyšší koncentraci do míst o koncentraci nižší.
Difuze je jedním z nejdůležitějších fyzikálních procesů, který umožňuje pohyb látek uvnitř buněk s látkovou výměnou. V živých organizmech je ovlivněna mnoha faktory, které znemožňují přesný výpočet její rychlosti, přesto však můžeme z hodnot difuzních koeficientů usuzovat na rychlost četných životních procesů.
Vedení tepla
Vedení (kondukce) tepla je jeden ze způsobů šíření tepla v tělesech, při kterém částice látky v oblasti s vyšší střední kinetickou energií předávají část své pohybové energie prostřednictvím vzájemných srážek částicím v oblasti s nižší střední kinetickou energií. Částice se přitom nepřemísťují, ale kmitají kolem svých rovnovážných poloh.
Označíme-li teplo Q (J), je hustota tepelného toku (Q/A) myšlenou plochou A (m2) za dobu τ (s), vyjádřená v Wm-2, úměrná gradientu teploty (ΔT/Δx = = (T1 – T2)/(x1 – x2)) při ΔT → 0 a Δx → 0 a je dána formálně podobnou rovnicí jako u difúze, tedy
kde Q je teplo (J) a λ je koeficient tepelné vodivosti, nebo tepelná vodivost. Udává množství tepelné energie procházející jednotkovým průřezem při jednotkovém spádu teploty za jednotku času. Její jednotkou je W∙m-1∙K-1.