Биоэнергетика. Биотермодинамика.

Биоэнергетика. Биотермодинамика.

Биоэнергетика -раздел биофизики, изучающий вопросы обеспечивания организма энергией за счет ресурсов внешних источников.

Биотермодинамика –раздел биофизики, изучающий обмен энергией между телами термодинамической системы без учёта строения тел системы.

Изучение вопросов энергообмена в организме осуществляется по двум направлениям: на молекулярном и субмолекулярном уровнях в разделе квантовой физики и на основе классических законов термодинамики в разделе биотермодинамике.

3. Первое начало термодинамики и его применение к живым системам.

Первое начало:Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы:

Q= U +A

Внутренняя энергия –сумм кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит система.

5. Тепловой баланс организма. Способы теплообмена.

Биообъекты – открытые термодинамические сист., обмен-щиеся с окр.средой Е и вещ. Тепловой баланс орг.-соотношение между получаемым и отдаваемым во внеш. среду кол-вом тепла за определ. период времени (обеспечивающее постоян. деят-сть органов и тканей). Способы теплообмена (переноса тепловой Е): конвекция, теплопроводность (кондукция), излучение. Обычно существуют одновременно. Конвекция- перенос тепла при перемещении объемов газа или жид. в пространстве. Теплообмен между жидк. или газ. и поверхностью тв.тела - конвективный теплообмен. Накопив теплоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде( отличие конвекции от теплопроводности, когда вещ.-проводник тепла само остается на месте).Теплопроводность- молекулярный перенос тепла в сплошной среде, обусловленный разностью t⁰. В этом случае теплота передается за счёт непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную t⁰. Что приводит к обмену Е между молек., ат.или свободными е^-. Механизм теплопроводности: Q = A × ΔT/R, где Q — количество передаваемой тепловой Е, А — площадь сечения теплопроводящего тела, ΔT — разность t⁰ между 2точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу. Тепловое излучение –процесс распространения теплоты с электромагнитными волнами. Обусловлен превращением внутр.Е вещ. в Е излучения, переносом излучения (в форме электромагнитных волн) и его поглощением вещ. Тип излучения зависит от t⁰ тела.

Второе начало термодинамики.

Второе начало:

1.Формулировка Клаузиуса:теплота сама собой не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой;

2.Формулировка Томсона:не возможен двигатель второго рода, т.е. такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу вследствие охлаждения одного тела.

Термодинамические потенциалы как функции состояния термодинамической системы.

Параметры:

1.интенсивные –не зависят от числа частиц и массы системы (давление, температура);

2.экстенсивные –зависят от числа частиц и массы системы (объем, масса);

3.энергия,характеризующая способность системы совершать работу.

Значение изучения транспорта веществ через клеточные мембраны. Классификация мембранного транспорта

Для поддержания жизни в клетке необходимо непрерывное поступлении веществ и одновременное выведение из нее продуктов метаболизма.

Исследование проницаемости БМ важно для изучения биоэлектрических процессов, для физиологии обмена веществ, патологии водного и минерального обмена организма, для изучения фармакологии и токсикологии. Многие патологические явления связаны с нарушениями проницаемости клеточных мембран.

Перенос вещества может происходить без затраты энергии клеткой (пассивный перенос, или транспорт)и за счет энергии, выделяемой в клетке молекулами АТФ (активный транспорт).

Одна из причин изменения электрического сопротивления живых тканей – колебания их кровенаполнения. Использование высокочастотных токов необходимо для сведения к минимуму явлений поляризации в системе «электрод – кожа».

При применяемых в реографии частотах имеет место преимущественно ионная проводимость, так как проводниками служат жидкие среды организма, являющиеся слабыми электролитами. Ток при этом распространяется в основном по магистральным сосудам.

Реограф – электронное устройство, предназначенное для преобразования колебаний импеданса живой ткани или его составляющих, обусловленных пульсовыми изменениями кровенаполнения в пропорциональный электрический сигнал.

Принцип работы реографа заключается в следующем: от генератора высокой частоты реографа с помощью электродов через исследуемый орган пропускается ток высокой частоты. При этом на исследуемом участке (органе) возникает падение напряжения. Изменения кровенаполнения в исследуемом органе приводят к изменениям его импеданса и пропорциональным изменениям амплитуды высокочастотного напряжения. После усиления с помощью детектора и фильтров выделяется низкочастотная составляющая, представляющая собой реографический сигнал (реограмму) – Используется переменный ток с частотами 30-300 кГц, величина тока составляет 1-5 мА. Реоэнцефалография- метод исследования мозгового кровообращения, основанный на измерении и записи пульсовых колебаний полного электрического сопротивления (импеданса) головного мозга при пропускании через него тока высокой частоты, слабого по силе и напряжению.

39. Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспо­собность тканей организма, что важно знать для пересадки тканей и органов. Импеданс тканей и органов зависит также и от их физиологи­ческого состояния. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечнососудистой де­ятельности.

40. Плетизмография- процесс, основанный на регистрации изменений импеданса (суммарного емкостного сопротивления) части тела

Эл-ный осциллограф

Измерительное устройство для визуального наблюдения или записи функциональной зависимости 2-х величин, преобразованных в эл-кий сигнал. Исп-ся для наблюдения временной зависимости переменной величины. Главная часть-электронно-лучевая трубка. Ее элементы в вакуумированном баллоне. Они включают лиминесцирующий экран, отклоняющую систему из конденсаторов и электронную пушку(из подогревного катода и специальных электродов, которые ускоряют и факусируют электроны). На пластины- разность потенциалов, пучок электронов в вертикальном или горизонтальном направлении, пучок на люминесц. экран-переднюю стенку, покрытую люминофорами, которые светятся под воздействием ударов электронов. Сформированный направленный электронный пучок попадает на лю­минесцирующий экран, покрытый люминофорами, которые способны светиться под воздействием ударов электронов (катодолюминесценция).Пучок электронов на экране изобразится светящейся точкой. Плавно изменяя напряжение на отклоняющих пластинах, светя­щуюся точку можно перемещать по экрану. Люминофоры обладают свойством послесвечения, они светятся в данном месте некоторое время после того, как электронный пучок сместился с данного места. Поэтому перемещение пучка наблюдается на экране в виде линии. Структурная схема осциллографа: У— усилители, БП — блок питания, ГР — генератор разверт­ки, ЭЛТ — электронно-лучевая трубка. Имеется также блок синхронизации. Изображение, полученное на экране электронного осциллогра­фа, может быть сфотографировано

Дифференцирующая цепь.

На вход системы-прямоугольный импульс. Длительность импульса τи постоянная времени цепи τ=RC. Будем считать, что τи>>τ. Входное напряжение распределяется на конденсаторе Uc и резисторе Ur: Uвх=Umax=Uc+Ur. Конденсатор заряжается при подаче импульса и разряжается после его прекращения по экспоненциальному закону. Выходное напряжение равно напряжению на резисторе:

Выходное напряжение пропорционально производной по времени от входного напряжения.

Интегрирующая цепь.

На вход подается прямоугольный импульс. Длительность импульса значительно меньше постоянной времени цепиτ>>τи. В этом случае конденсатор заряжается медленнее. Выходное напряжение- напряжение на конденсаторе

Поэтому данная цепь интегрирующая.

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

Термометры сопротивления (терморезисторы, термисторы) – датчики, в основе действия которых лежит изменение электрического сопротивления при изменении температуры. При этом у металлов сопротивление с ростом температуры увеличивается, а у полупроводников уменьшается.

Измеряют t⁰ ядра или сердцевины тела и t⁰ пов-сти кожи чел. Для измерения температуры человеческого тела - проволочные и полу-проводниковые терморезисторы и термоэлементы. В основу работы проволочных и полупроводниковых резисторов положено их свойство изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение температуры оценивается изменением ТКС м. б. >0 R возрастает и ТКС<0 – уменьшается - пассивные биоуправляемые датчики. В основу работы термоэлектрических датчиков положен принцип работы термогенератора. Хар-ки датчиков: а) линейность зав-сти R от Т и Е; б) время р-ции; в) стабильность параметров.

Характеристики термисторных датчиков:

а) линейность зависимости R от Т ;

б) время реакции;

в) стабильность параметров.

Рассмотрим несколько конкретных конструкций температурных датчиков.

Корпус датчика для измерения температуры поверхности тела может быть похож на шариковую авторучку, но вместо шарика на рабочем конце имеется термистор, выводы которого идут внутри полого корпуса (простой и надежный).

Термистор датчика может крепиться в латунном корпусе.

Датчик для измерения ректальной температуры изготавливается в виде пластмассового катетера, на конце которого под металлическим колпачком расположен чувствительный элемент (проволочный терморезистор, термистор или термоэлемент).

60. Резистивный датчик частоты дыхания - из резиновой эластич. трубки, наполненной угольным порошком, в торцах трубки выставлены электроды. К концам трубки опоясывающий грудную клетку ремень. При вдохе -растягивается, контакт между частичками угля ухудшается, сопротивление цепи меняется и ток изменяется, по изменению тока судят о частоте дыхания. В другом резистивном датчике используется токопроводящая резина. Растяжение резины при вдохе приводит к увеличению сопротивления, которое преобразуется в импульсы тока. Пневматический датчик частоты дыхания представляет гофрированную трубку из резины герметично закрытую с торцов. При растяжении объем трубки увеличивается и давление воздуха внутри падает. Изменение давления внутри фиксирует датчик. Объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха позволяет определять турбинный датчик. Он представляет собой полный цилиндр, изготовленный из оргстекла с фланцами для крепления к дыхательной маске и к трубке подачи газовой смеси. Контроль эффективности дыхания можно осуществлять путем фотометрического измерения процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. Метод изм-ния основан на отличии спектральных хар-тик поглощения света восстановител. гемоглобином - Нв и оксигемоглобином НвО₂. Для l = 620-680 нм коэф-ент поглощения для Нв в несколько раз выше чем НвО₂, что может быть исп-но.

Биоэнергетика. Биотермодинамика.

Биоэнергетика -раздел биофизики, изучающий вопросы обеспечивания организма энергией за счет ресурсов внешних источников.

Биотермодинамика –раздел биофизики, изучающий обмен энергией между телами термодинамической системы без учёта строения тел системы.

Изучение вопросов энергообмена в организме осуществляется по двум направлениям: на молекулярном и субмолекулярном уровнях в разделе квантовой физики и на основе классических законов термодинамики в разделе биотермодинамике.

3. Первое начало термодинамики и его применение к живым системам.

Первое начало:Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы:

Q= U +A

Внутренняя энергия –сумм кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит система.

5. Тепловой баланс организма. Способы теплообмена.

Биообъекты – открытые термодинамические сист., обмен-щиеся с окр.средой Е и вещ. Тепловой баланс орг.-соотношение между получаемым и отдаваемым во внеш. среду кол-вом тепла за определ. период времени (обеспечивающее постоян. деят-сть органов и тканей). Способы теплообмена (переноса тепловой Е): конвекция, теплопроводность (кондукция), излучение. Обычно существуют одновременно. Конвекция- перенос тепла при перемещении объемов газа или жид. в пространстве. Теплообмен между жидк. или газ. и поверхностью тв.тела - конвективный теплообмен. Накопив теплоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде( отличие конвекции от теплопроводности, когда вещ.-проводник тепла само остается на месте).Теплопроводность- молекулярный перенос тепла в сплошной среде, обусловленный разностью t⁰. В этом случае теплота передается за счёт непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную t⁰. Что приводит к обмену Е между молек., ат.или свободными е^-. Механизм теплопроводности: Q = A × ΔT/R, где Q — количество передаваемой тепловой Е, А — площадь сечения теплопроводящего тела, ΔT — разность t⁰ между 2точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу. Тепловое излучение –процесс распространения теплоты с электромагнитными волнами. Обусловлен превращением внутр.Е вещ. в Е излучения, переносом излучения (в форме электромагнитных волн) и его поглощением вещ. Тип излучения зависит от t⁰ тела.