Statistinė termodinamika. Boltzmann o pasiskirstymas

Σχετικά έγγραφα
Matematika 1 4 dalis

Arenijaus (Arrhenius) teorija

Dviejų kintamųjų funkcijos dalinės išvestinės

I dalis KLAUSIMŲ SU PASIRENKAMUOJU ATSAKYMU TEISINGI ATSAKYMAI

Elektronų ir skylučių statistika puslaidininkiuose

Skysčiai ir kietos medžiagos

X galioja nelygyb f ( x1) f ( x2)

II dalis Teisingas atsakymas į kiekvieną II dalies klausimą vertinamas 1 tašku g/mol

Vilniaus universitetas. Edmundas Gaigalas A L G E B R O S UŽDUOTYS IR REKOMENDACIJOS

Temos. Intervalinės statistinės eilutės sudarymas. Santykinių dažnių histogramos brėžimas. Imties skaitinių charakteristikų skaičiavimas

1 TIES ES IR PLOK TUMOS

2015 M. MATEMATIKOS VALSTYBINIO BRANDOS EGZAMINO UŽDUOTIES VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija. I dalis

Atomų sąveikos molekulėje rūšys (joninis ir kovalentinis ryšys). Molekulė mažiausia medžiagos dalelė, turinti esmines medžiagos chemines savybes.

Matematika 1 3 dalis

Lina Ragelienė, Donatas Mickevičius. Fizikin chemija. Praktiniai darbai

Spalvos. Šviesa. Šviesos savybės. Grafika ir vizualizavimas. Spalvos. Grafika ir vizualizavimas, VDU, Spalvos 1

= γ. v = 2Fe(k) O(g) k[h. Cheminė kinetika ir pusiausvyra. Reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros. t2 t

III.Termodinamikos pagrindai

Įžanginių paskaitų medžiaga iš knygos

MATEMATINĖ LOGIKA. Įžanginių paskaitų medžiaga iš knygos

Specialieji analizės skyriai

Riebalų rūgščių biosintezė

FRANKO IR HERCO BANDYMAS

1. Įvadas. Laisvųjų dalelių kvantinės mechanikos elementai

Termochemija. Darbas ir šiluma.

Su pertrūkiais dirbančių elektrinių skverbtis ir integracijos į Lietuvos elektros energetikos sistemą problemos

2008 m. matematikos valstybinio brandos egzamino VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija

VILNIAUS UNIVERSITETAS MATEMATIKOS IR INFORMATIKOS FAKULTETAS PROGRAMŲ SISTEMŲ KATEDRA. Algoritmų teorija. Paskaitų konspektas

Oksidacija ir redukcija vyksta kartu ir vienu metu!!!

IV. FUNKCIJOS RIBA. atvira. intervala. Apibrėžimas Sakysime, kad skaičius b yra funkcijos y = f(x) riba taške x 0, jei bet kokiam,

1.4. Rungės ir Kuto metodas

III. MATRICOS. DETERMINANTAI. 3.1 Matricos A = lentele žymėsime taip:

0.1. Bendrosios sąvokos

VERTINIMO INSTRUKCIJA 2008 m. valstybinis brandos egzaminas Pakartotinë sesija

I.4. Laisvasis kūnų kritimas

04 Elektromagnetinės bangos

FUNKCIJOS. veiksmu šioje erdvėje apibrėžkime dar viena. a = {a 1,..., a n } ir b = {b 1,... b n } skaliarine sandauga

BRANDUOLIO FIZIKOS EKSPERIMENTINIAI METODAI

Statistinis ir termodinaminis tyrimo metodai

AIBĖS, FUNKCIJOS, LYGTYS

TERMODINAMIKA. 1. Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai

ŠVIESOS SKLIDIMAS IZOTROPINĖSE TERPĖSE

1. Individualios užduotys:

Algoritmai. Vytautas Kazakevičius

LIETUVOS JAUNŲ J Ų MATEMATIKŲ MOKYKLA

Molekulių energijos lygmenys Atomų Spektrai

Atsitiktinių paklaidų įvertinimas

EKONOMETRIJA 1 (Regresinė analizė)

0.1. Bendrosios sąvokos

PNEUMATIKA - vožtuvai

Kinetinė biomolekulių spektroskopija 1. Darbo tikslas šmatuoti BSA (jaučio serumo albumino) ir GFP (žaliai fluorescuojančio baltymo) baltymų fluoresce

LIETUVOS ŽEMĖS ŪKIO UNIVERSITETAS Vandens ūkio ir žemėtvarkos fakultetas Fizikos katedra. Juozas Navickas FIZIKA. I dalis MOKOMOJI KNYGA

V skyrius ĮVAIRŪS PALŪKANŲ APSKAIČIAVIMO KLAUSIMAI

Biologinių pigmentų fluorescencijos tyrimas

2009 m. matematikos valstybinio brandos egzamino VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija 1 6 uždavinių atsakymai

1 Įvadas Neišspręstos problemos Dalumas Dalyba su liekana Dalumo požymiai... 3

Papildomo ugdymo mokykla Fizikos olimpas. Mechanika Dinamika 1. (Paskaitų konspektas) 2009 m. sausio d. Prof.

2008 m. CHEMIJOS VALSTYBINIO BRANDOS EGZAMINO UŽDUOTIES VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinë sesija. II dalis

SIGNALAI TELEKOMUNIKACIJŲ SISTEMOSE

4.1 Skaliarinė sandauga erdvėje R n Tarkime, kad duota vektorinė erdvė R n. Priminsime, kad šios erdvės elementai yra vektoriai vektoriu

1 Tada teigini Ne visi šie vaikinai yra studentai galima išreikšti formule. 2 Ta pati teigini galima užrašyti ir taip. 3 Formulė U&B C reiškia, kad

2.5. KLASIKINĖS TOLYDŽIŲ FUNKCIJŲ TEOREMOS

KAIP VYKSTA FOTOSENSIBILIZACIJA BIOLOGINĖSE SISTEMOSE?

Balniniai vožtuvai (PN 16) VRB 2 dviejų angų, vidiniai ir išoriniai sriegiai VRB 3 trijų angų, vidiniai ir išoriniai sriegiai

LIETUVOS RESPUBLIKOS ÐVIETIMO IR MOKSLO MINISTERIJA NACIONALINIS EGZAMINØ CENTRAS 2014 METŲ MATEMATIKOS VALSTYBINIO BRANDOS EGZAMINO REZULTATŲ

TIKIMYBIU TEORIJA HAMLETAS MARK AITIS MYKOLO ROMERIO UNIVERSITETAS 2010

VIII. FRAKTALINĖ DIMENSIJA. 8.1 Fraktalinės dimensijos samprata. Ar baigtinis Norvegijos sienos ilgis?

Matematinės analizės konspektai

Įvadas į laboratorinius darbus

Balniniai vožtuvai (PN 16) VRG 2 dviejų eigų vožtuvas, išorinis sriegis VRG 3 trijų eigų vožtuvas, išorinis sriegis

ATSITIKTINIAI PROCESAI. Alfredas Račkauskas. (paskaitų konspektas 2014[1] )

Specialieji analizės skyriai

MECHANINIS DARBAS, GALIA, ENERGIJA. TVERMĖS DĖSNIAI MECHANIKOJE. HIDRODINAMIKA

Paprastosios DIFERENCIALINĖS LYGTYS

1. Klasifikavimo su mokytoju metodai

Cheminės kinetikos kurso KONSPEKTAS

5 klasė. - užduotys apie varniuką.

Modalumo logikos S4 kai kurios išsprendžiamos klasės

ANALIZINĖ GEOMETRIJA III skyrius (Medžiaga virtualiajam kursui)

Paprastosios DIFERENCIALINĖS LYGTYS

Diskrečioji matematika

Gyvųjų organizmų architektūra: baltymai

Laboratorinis darbas Nr. 2

VILNIAUS UNIVERSITETAS INGA STANKEVIČIENĖ ANGLINIŲ NANOSTRUKTŪRŲ SINTEZĖ IR DANGŲ GAMYBA. Daktaro disertacija Fiziniai mokslai, chemija (03 P)

5 Ι ^ο 3 X X X. go > 'α. ο. o f Ο > = S 3. > 3 w»a. *= < ^> ^ o,2 l g f ^ 2-3 ο. χ χ. > ω. m > ο ο ο - * * ^r 2 =>^ 3^ =5 b Ο? UJ. > ο ο.

1. Įvadas į sistemas ir signalus. 1. Signalas, duomenys, informacija ir žinios

ORGANINIŲ METALŲ JUNGINIŲ CHEMIJA

1 iš 15 RIBOTO NAUDOJIMO

Vilniaus universitetas Matematikos ir informatikos fakultetas Informatikos katedra. Gintaras Skersys. Mokymo priemonė

Šotkio diodo voltamperinės charakteristikos tyrimas

JONAS DUMČIUS TRUMPA ISTORINĖ GRAIKŲ KALBOS GRAMATIKA

Cheminių ryšių sudaryme dalyvauja valentiniai elektronai. Atomo sandara. O ir N išorinio sluoksnio elektronų išsid stymas kvantų d žut se

Nauji dviejų vamzdžių sistemos balansavimo būdai

Puslaidininkių fizikos laboratoriniai darbai

VILNIAUS UNIVERSITETAS VALSTYBINIS MOKSLINIŲ TYRIMŲ INSTITUTAS FIZINIŲ IR TECHNOLOGIJOS MOKSLŲ CENTRAS TATJANA CHARKOVA

15 darbas ŠVIESOS DIFRAKCIJOS TYRIMAS

ELEMENTARIOJI TEORIJA

Intel x86 architektūros procesoriai. Kompiuterių diagnostika

Rinktiniai informacijos saugos skyriai. 3. Kriptografija ir kriptografijos protokolai: Klasikinė kriptografija

ECL Comfort V AC ir 24 V AC

Transcript:

Statistinė termodinamika. Boltzmann o pasiskirstymas

DNR molekulių vaizdas DNR struktūros pakitimai. Keičiantis DNR molekulės formai keistųsi ir visos sistemos entropija. Mielėse esančio DNR struktūros pakitimai veikiant baltymui AbF2. Vaizdas užregistruotas atominės jėgos mikroskopu (AJM arba AFM)

DNR konformacijos S S A - DNR B - DNR Z - DNR DNR molekulės, būdamos skirtingos konformacijos bus skirtingoje energetinėje būsenoje ir turės skirtingas entropijas Kitaip tariant S 0

Paprasta ir sudėtinga sistemos Paprasta sistema Sudėtinga sistema Au (aukso) paviršiuje esančio Mn (mangano) porfirino nuotrauka gauta su skanuojančiu tuneliniu mikroskopu (STM) DNR molekulių nuotrauka gauta su atominės jėgos mikroskopu (AFM) Norint nustatyti sudėtingos sistemos, pvz. sudarytos iš DNR molekulių energetinį būvį, reikėtų įvertinti kiekvienos atskiros molekulės mikrobūseną

Kas yra mikrobūsena? Pavyzdžiai Šioje sistemoje esant dviem skirtingoms dalelėms tokia sistema viso gali turėti 4 mikrobūsenas. Esant keturioms skirtingoms dalelėms ši sistema gali turėti 16 mikrobūsenų.

Mikrobūsena sudėtingoms molekulėms... mikrobūsena 1 mikrobūsena 2 mikrobūsena 3 t.t. r 3 r i r 2 r 1 Diskretinis mikrobūsenos aprašymas pvz. krypties vektorių rinkiniu {r 1, r 2, r 3,..., r i } r(s) Mikrobūsenos aprašymas nenutrūkstama krypties funkcija r(s)

Boltzmann o entropijos lygtis S = k lnw S entropija (sistemos būsena ),. Galimi sistemos mikroskopiniai energijos lygmenys. W yra būdų arba galimybių skaičius sistemai pasiekti tam tikrą būseną. W proporcingas sistemos mikrobūsenų skaičiui. Boltzmann o konstanta, k. Idealių dujų konstanta paskaičiuota vienai dalelei (atomui, molekulei ar pan.) k = R / N A.

Boltzmann o entropijos lygtis Tarkime, hipotetinį kristalą sudaro 20 anglies (II) oksido (CO) molekulių Dvi skirtingos sistemos būsenos: (a) Tvarkingai išsidėsčiusios molekulės arba tvarkinga būsena. Tokiai būsenai pasiekti galimas tik vienintelis kelias t.y. W = 1, tuomet sistemos entropija: S = k lnw = R/N A ln W = = (8,31 J mol -1 K -1 ) / (6,022 10 23 mol -1 ) ln 1 = 0 J K -1 (b) Chaotiškai išsidėsčiusios molekulės arba chaotiška būsena. Šią būseną sistema gali pasiekti 2 20 = 1048576 skirtingais keliais. t.y. W = 2 20, tuomet : S = (8,31 J mol -1 K -1 ) / (6,022 10 23 mol -1 ) ln 2 20 = = 1,91 10-22 J K -1

Pavyzdys 1: likutinė DNR entropija Žmogaus DNR molekulėje apytikriai yra N = 5 10 8 taip vadinamų bazinių porų, kurių tarpe dažniausiai pasitaiko pagrindinės keturios rūšys: A-T, T-A, C-G ir G-C (čia pirma raidė atitinka pvz. pirmos DNR grandinės grandį, o antra raidė atitinkamą antrosios). Tarkime, kad kiekviena bazinė pora yra šių keturių rūšių atsitiktinė parinktis, be to visos skirtingos parinktys sudaro tokios pačios energijos DNR molekulę. Apskaičiuokite tokios DNR molekulės, likutinę entropiją S, esant T = 0 K.

Pavyzdys 1: likutinė DNR entropija Visų pirma apskaičiuojame mikrobūsenų kitaip tariant būdų, kuriais galima pasiekti tokios pačios energijos DNR būseną, skaičių: W = 4 4 4... = 4 N Pritaikius Boltzmann o entropijos lygtį: S = k lnw = k ln 4 N = N k ln 4 = = (5 10 8 ) (1,38 10-23 J K -1 ) ln 4 = = 9,57 10-15 J K -1

Mikrobūsenos pasiekimo kelias W Jei sistemą sudaro N objektų (dalelių), o n 0 dalelių yra 0-nėje būsenoje, n 1 yra 1-je būsenoje ir t.t., tuomet tam tikros mikrobūsenos pasiekimo kelių skaičių W galima apskaičiuoti: W = N! n 0! n 1! n 2! faktorialas x! = x (x-1) (x-2) 1 pavyzdžiui 4! = 4 3 2 1 = 24

Boltzmann o pasiskirstymo lygtis Tarkim sistemą sudaro N dalelių. Tuomet n 0 dalelių turės ε 0 energiją (būseną), n 1 turės ε 1 ir t.t.. Tada bendra sistemos energija bus lygi E. N = n 0 + n 1 + = n i i E = n 0 ε 0 + n 1 ε 1 + = n i ε i i Boltzmann o pasiskirstymo lygtis n i N = e -ε i /kt ψ čia ψ - pasiskirstymo funkcija: -ε ψ = 1 + e 1 /kt -ε + e 2 /kt + = i e -ε i /kt

Boltzmann o pasiskirstymo lygties pritaikymas Pritaikius Bolzmann o lygtį galime apskaičiuoti santykį tarp dalelių turinčių energiją ε 1 ir ε 2, arba kitaip tariant - energijos lygmenų ε 1 ir ε 2 santykinį užpildymą: n i = N e -ε i /kt ψ N e -ε 2 /kt n 2 ψ = = e -ε 2 /kt n 1 N e -ε 1 /kt ψ e -ε 1 /kt = e -(ε 2 -ε 1 ) /kt = e - ε /kt

Pavyzdys 2: santykinis užpildymas Denatūruoto baltymo molekulių energija yra 22 kj/mol didesnė nei to paties baltymo esančio normalioje būsenoje. normali būsena denatūravimas denatūruota būsena Apskaičiuokite šių dviejų baltymo energetinių lygmenų santykinį užpildymą, esant 20 o C temperatūrai. Kokioje temperatūroje denatūruotos ir normalios būsenų santykinis užpildymas bus 0,01? Ar galima tokia būsena?

Pavyzdys 2: santykinis užpildymas Kadangi yra žinoma 1 molio (molinė) energija, tuomet vietoj Bolzmann o konstantos k taikome R = k N A. idealių dujų konstantą R: ε = 22 kj/mol Apskaičiuojame santykinį užpildymą, nes žinome, kad: n - denatūruotas n = e - ε /RT = e normalus 22 10 3 J mol -1 (8,31 J K -1 mol -1 ) (273 + 20) K = 1,2 10-4 = Kitaip tariant, denatūruotos būsenos baltymo yra 1,2 10-4 karto mažiau nei normalios būsenos.

Pavyzdys 2: santykinis užpildymas Išlogaritmuojame ir pertvarkome lygtį: ln n denatūruotas n normalus = - ε RT ε T = - = - R ln n denatūruotas n normalus 22 10 3 J mol -1 (8,31 J K -1 mol -1 ) ln 0,01 = 575 K = 302 o C = 0,01 santykinis pasiskirstymas tarp denatūruoto baltymo ir esančio normalioje būsenoje bus pasiektas padidinus temperatūrą iki 302 o C. Tai yra gerokai didesnė temperatūra, kuomet pradeda skilti cheminiai ryšiai, todėl tokia būsena praktiškai yra negalima!!!

Baltymų lankstymas

Levinthal io paradoksas: Baltymų lankstymas tarkime baltymą sudaro 50 amino rūgščių, iš kurių kiekviena gali turėti vieną iš 10 konformacijų (erdvinių struktūrų). Tuomet toks baltymas turės 10 50 (!!!) skirtingų konformacijų. Tarkime kiekviena konformacija susidaro per 1 ps (10-12 s), tuomet tinkamos baltymo struktūros susidarymas gali užtrukti iki 10 38 s (~1 mln metų!!!) energija entropija išlankstyta struktūra išlydyta globulė gamtinė (normali) būsena

Gyvosios gamtos evoliucija? entropija išlankstyta struktūra energija išlydyta globulė gamtinė (normali) būsena

Literatūra L1 13-16, 80-82 L2 502-532 L3 822-824 L4 298-301 L5 163-171 L6 646-649 L7 750-754 L8 166-172 L9