Bouwstenen van het Leven (filmpjes zoom)
Elementen & Energieën
CLIP I.2
Energie
• Veel verschillende de nities, maar bij deze cursus gaat het om:
= een fundamentele waarde die in elk systeem zit; laat toe dat wij kunnen voorspellen hoeveel werk
het systeem zou kunnen verrichten of hoeveel warmte het kan produceren.
Of:
- werk verrichten
- warmte produceren
Joule: 1000 J = 1 kJ (4 cal = 4.1858 J)
Een systeem kan zich in twee verschillende staten bevinden: degene met de lagere hoeveelheid energie heeft
altijd een hogere waarschijnlijkheid van bestaan.
• de transitie/overgang van een toestand van hogere energie naar een toestand van lagere energie is spontaan
en gaat vanzelf (kost geen energie)
• de overgang van een toestand van een lagere energie naar een toestand van een hogere energie kost extra
energie (gaat niet spontaan)
CLIP I.2.1
De thermodynamica deelt de wereld als het ware in tweeën:
1. Het systeem = dat mag je zelf bepalen: waar we naar kijken (een molecuul, cel, organisme, groep van
organismen, ecosysteem, etc.)
2. De omgeving = het hele universum - het systeem
De toestand van het systeem beschrijf je met de hulp van toestandsvariabelen (bijv. massa, volume, druk,
temperatuur). Deze is niet afhankelijk van de weg waarop de toestand is bereikt / de manier waarop je er
gekomen bent.
• 2 soorten toestandsvariabelen:
3. Intensieve toestandsvariabelen: zijn niet afhankelijk van de massa van het systeem. Het combineren
van twee systemen zal resulteren in een nieuw systeem met de gemiddelde druk, temperatuur,
concentratie, etc. van die twee systemen (systeem van 10 graden en systeem van 20 graden = systeem
van 15 graden).
4. Extensieve toestandsvariabelen: zijn afhankelijk van de massa van het systeem. Het combineren van
twee systemen zal resulteren in een nieuw systeem met de opgetelde massa, volume, inwendige
energie, etc. van die twee systemen (systeem van 1 L volume + systeem van 1 L volume = systeem van
2 L volume).
Elke toestandsvariabele staat voor een bepaalde energie (subenergie). Om de totale energie inhoud van een
systeem te bepalen, moeten we al deze subenergieën optellen = inwendige energie (U)
• Een paar opgenoemd:
E = m ∙ c2
E = q1 ∙ q2 /4πe0err
E = 1.5 ∙ KB ∙ T
• De inwendige energie van een niet al te eenvoudig systeem kunnen wij niet berekenen!
Maarrr veel belangrijker is: wat is het verschil in inwendige energie (∆U) ?
• Wat is het verschil tussen de twee toestanden aan inwendige energie? (meetbaar)
ΔU = Uc −Us = Uend −Ustart
Is ∆U negatief of positief?
fi
, - negatief: de inwendige energie van de starttoestand > dan die van de eindtoestand (systeem raakt energie
kwijt, toestand van lagere energie = toestand van hogere waarschijnlijkheid, spontaan proces)
- positief: de eindtoestand heeft meer energie dan uitgangstoestand (gaat niet vanzelf = niet spontaan, heeft
energie nodig, niet waarschijnlijk)
Gaat het vanzelf gebeuren of moeten we energie erbij stoppen?
—> is het een spontaan proces?
We kunnen ∆U ook zien als de hoeveelheid warmte en de hoeveelheid werk wat in een systeem gestopt (∆U
= positief) wordt of uit een systeem gehaald wordt (∆U = negatief)
ΔU = q + w
De eerste hoofdwet van de Thermodynamica
Energie kan je niet maken en ook niet laten verdwijnen. Je kan energie wel in een andere soort energie
omzetten (potentiële energie —> kinetische energie)
• Dus de inwendige energie van een geïsoleerd systeem is constant.
CLIP I.2.2
Inwendige energie (=Enthalpy)
ΔU = q + w
- Het veranderen van de inwendige energie (Enthalpy changes: ∆H) kan op twee manieren plaatsvinden
1. Toevoegen of weghalen van een bepaalde hoeveelheid warmte: q
2. Verrichten van een bepaalde hoeveelheid werk op het systeem of het laten verrichten van werk
door het systeem op de omgeving: w
- Veel systemen zullen op het toevoegen van warmte reageren door een expansie (een systeem zet uit)
Wat is een expansie?
- Verandering van het volume: het systeem wordt groter.
- Dingen van het systeem komen terecht, waar eerder iets anders was (lucht/water)
• Wat er eerst was wordt opzij geduwd
• Dit is werk van een volumeverandering tegen een externe druk in = volume werk (wv)
wv = p ∙ ΔV
Een deel van de warmte die je toevoegt aan een systeem komt terecht in de inwendige energie, maar een deel
komt niet terecht in de inwendige energie; wordt gebruikt om dat volumewerk te verrichten.
ΔU = qp −p ∙ ΔV
qp = ΔU + p ∙ ΔV
Enthalpie veranderingen:
qp = ΔU + p ∙ ΔV = ΔH
Als ik een systeem opnieuw creëer (maak een nieuw systeem), kijken naar enthalpie verandering:
A. Energie die ik gebruik om het systeem te creëren, komt achteraf als inwendige energie in het systeem
B. Energie die nodig is om ruimte te scheppen tegen de druk in van het nieuwe systeem.
Wat brengt de warmtetransfer tot stand?
- In biologische systemen heb je meestal te maken met of het ontstaan/sluiten of verbreken van chemische
bindingen of interacties, die zijn meestal gepaard met warmtetransfer met de omgeving (uit of in)
Elementen & Energieën
CLIP I.2
Energie
• Veel verschillende de nities, maar bij deze cursus gaat het om:
= een fundamentele waarde die in elk systeem zit; laat toe dat wij kunnen voorspellen hoeveel werk
het systeem zou kunnen verrichten of hoeveel warmte het kan produceren.
Of:
- werk verrichten
- warmte produceren
Joule: 1000 J = 1 kJ (4 cal = 4.1858 J)
Een systeem kan zich in twee verschillende staten bevinden: degene met de lagere hoeveelheid energie heeft
altijd een hogere waarschijnlijkheid van bestaan.
• de transitie/overgang van een toestand van hogere energie naar een toestand van lagere energie is spontaan
en gaat vanzelf (kost geen energie)
• de overgang van een toestand van een lagere energie naar een toestand van een hogere energie kost extra
energie (gaat niet spontaan)
CLIP I.2.1
De thermodynamica deelt de wereld als het ware in tweeën:
1. Het systeem = dat mag je zelf bepalen: waar we naar kijken (een molecuul, cel, organisme, groep van
organismen, ecosysteem, etc.)
2. De omgeving = het hele universum - het systeem
De toestand van het systeem beschrijf je met de hulp van toestandsvariabelen (bijv. massa, volume, druk,
temperatuur). Deze is niet afhankelijk van de weg waarop de toestand is bereikt / de manier waarop je er
gekomen bent.
• 2 soorten toestandsvariabelen:
3. Intensieve toestandsvariabelen: zijn niet afhankelijk van de massa van het systeem. Het combineren
van twee systemen zal resulteren in een nieuw systeem met de gemiddelde druk, temperatuur,
concentratie, etc. van die twee systemen (systeem van 10 graden en systeem van 20 graden = systeem
van 15 graden).
4. Extensieve toestandsvariabelen: zijn afhankelijk van de massa van het systeem. Het combineren van
twee systemen zal resulteren in een nieuw systeem met de opgetelde massa, volume, inwendige
energie, etc. van die twee systemen (systeem van 1 L volume + systeem van 1 L volume = systeem van
2 L volume).
Elke toestandsvariabele staat voor een bepaalde energie (subenergie). Om de totale energie inhoud van een
systeem te bepalen, moeten we al deze subenergieën optellen = inwendige energie (U)
• Een paar opgenoemd:
E = m ∙ c2
E = q1 ∙ q2 /4πe0err
E = 1.5 ∙ KB ∙ T
• De inwendige energie van een niet al te eenvoudig systeem kunnen wij niet berekenen!
Maarrr veel belangrijker is: wat is het verschil in inwendige energie (∆U) ?
• Wat is het verschil tussen de twee toestanden aan inwendige energie? (meetbaar)
ΔU = Uc −Us = Uend −Ustart
Is ∆U negatief of positief?
fi
, - negatief: de inwendige energie van de starttoestand > dan die van de eindtoestand (systeem raakt energie
kwijt, toestand van lagere energie = toestand van hogere waarschijnlijkheid, spontaan proces)
- positief: de eindtoestand heeft meer energie dan uitgangstoestand (gaat niet vanzelf = niet spontaan, heeft
energie nodig, niet waarschijnlijk)
Gaat het vanzelf gebeuren of moeten we energie erbij stoppen?
—> is het een spontaan proces?
We kunnen ∆U ook zien als de hoeveelheid warmte en de hoeveelheid werk wat in een systeem gestopt (∆U
= positief) wordt of uit een systeem gehaald wordt (∆U = negatief)
ΔU = q + w
De eerste hoofdwet van de Thermodynamica
Energie kan je niet maken en ook niet laten verdwijnen. Je kan energie wel in een andere soort energie
omzetten (potentiële energie —> kinetische energie)
• Dus de inwendige energie van een geïsoleerd systeem is constant.
CLIP I.2.2
Inwendige energie (=Enthalpy)
ΔU = q + w
- Het veranderen van de inwendige energie (Enthalpy changes: ∆H) kan op twee manieren plaatsvinden
1. Toevoegen of weghalen van een bepaalde hoeveelheid warmte: q
2. Verrichten van een bepaalde hoeveelheid werk op het systeem of het laten verrichten van werk
door het systeem op de omgeving: w
- Veel systemen zullen op het toevoegen van warmte reageren door een expansie (een systeem zet uit)
Wat is een expansie?
- Verandering van het volume: het systeem wordt groter.
- Dingen van het systeem komen terecht, waar eerder iets anders was (lucht/water)
• Wat er eerst was wordt opzij geduwd
• Dit is werk van een volumeverandering tegen een externe druk in = volume werk (wv)
wv = p ∙ ΔV
Een deel van de warmte die je toevoegt aan een systeem komt terecht in de inwendige energie, maar een deel
komt niet terecht in de inwendige energie; wordt gebruikt om dat volumewerk te verrichten.
ΔU = qp −p ∙ ΔV
qp = ΔU + p ∙ ΔV
Enthalpie veranderingen:
qp = ΔU + p ∙ ΔV = ΔH
Als ik een systeem opnieuw creëer (maak een nieuw systeem), kijken naar enthalpie verandering:
A. Energie die ik gebruik om het systeem te creëren, komt achteraf als inwendige energie in het systeem
B. Energie die nodig is om ruimte te scheppen tegen de druk in van het nieuwe systeem.
Wat brengt de warmtetransfer tot stand?
- In biologische systemen heb je meestal te maken met of het ontstaan/sluiten of verbreken van chemische
bindingen of interacties, die zijn meestal gepaard met warmtetransfer met de omgeving (uit of in)
