C5340 Nerovnovážné systémy

Přírodovědecká fakulta
podzim 2002
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
RNDr. Jiří Čermák, DSc. (přednášející)
prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc.
Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc.
Předpoklady
Podmínkou je absolvování základních kurzů z matematiky a fyzikální chemie.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
V přednášce jsou shrnuty nejdůležitější poznatky klasické rovnovážné termodynamiky a vyloženy principy termodynamiky nerovnovážné. Zavedeny matematický aparát je aplikován na jednoduché nerovnovážné děje, zejména na transportní procesy. V oblasti nelineárních jevů je kladen důraz na pochopení periodického a chaotického chování. Zjednodušené teoretické modely jsou rovněž používány k analýze mechanismů metabolických regulací a prebiotické evoluce.
Osnova
  • 1. Termodynamické systémy, proměnné veličiny, teplota, nultá věta, práce,vnitřní energie. 2. Teplo, přirozené a vratné děje, entropie, termodynamické potenciály a vztahy mezi nimi, měřitelné termodynamické veličiny, parciální a molární veličiny, modely termodynamických systémů, fázové pravidlo. 3. Rovnice pro toky, přiblížení lineární nerovnovážné termodynamiky, Onsagerovy relace. 4. Produkce entropie, stacionární stavy, transportní jevy. 5. Procesy kontrolované difúzí, rovnice pro difúzní toky, difúze v koncentračním gradientu, souhrn koeficientů difúze. 6. Kinetická interpretace difúze. 7. Difúze po drahách o vysoké difuzivitě, vliv uspořádání na difúzi, metody meření difúzních charakteristik. 8. Nelineární nerovnovážná termodynamika. Termodynamická kriteria stability a evoluce systemů. 9. Matematické modelování dynamiky nelineárních dynamických systémů (fázový prostor, trajektorie, fázový portrét, klasifikace singulárních bodů, atraktory, podivné atraktory jako fraktály, deterministický chaos, bifurkační diagramy, katastrofy). 10. Disipativní struktury ve fyzice, chemii a biologii. 11. Příklady počítačového modelování, praktická demonstrace reakce Bělousovovy - Žabotinského. 12. Obecné principy metabolických regulací (stechiometrické efekty: kooperace, kompetice, stechiometrická autokatalýza; signály kinetické a adaptační; homeostáze, multistabilita, spoušť, hystereze, oscilátor). 13. Teorie řízení metabolismu (kontrolní koeficienty toku, koeficienty elasticity, koeficienty odpovědi, vzájemné vztahy, experimentální stanovení, příklady použití). 14. Prebiotická evoluce a původ života (vznik organických látek, selekce prebiotických polymerů, vznik kvazidruhů, hypercykly).
Literatura
  • FISCHER, Oldřich. Nerovnovážné soustavy : termodynamika nevratných chemických a buněčných procesů. Edited by Igor Kučera. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1987, 154 s. info
  • ATKINS, P. W. Physical chemistry. 6th ed. Oxford: Oxford University Press, 1998, xvi, 1014. ISBN 0198501013. info
  • COVENEY, Peter V. a Roger HIGHFIELD. Šíp času :cesta vědou za rozluštěním největší záhady lidstva. 1. vyd. Ostrava: Oldag, 1995, 472 s., [1. ISBN 80-85954-08-7. info
  • GLEICK, James. Chaos :vznik nové vědy. Translated by Jaroslav Sedlář - Renata Kamenická. [1. vyd.]. Brno: Ando Publishing, 1996, 349 s. ISBN 80-86047-04-0. info
Metody hodnocení
Jednosemestrová přednáška v rozsahu 2 hod týdně. Zahrnuje i praktickou demonstraci počítačového modelování a vzniku prostorových a časových struktur při reakci Bělousova a Žabotinského. Zkouška (kolokvium)je ústní.
Informace učitele
Studenti by měli získat elementární představu o možnostech aplikace nerovnovážné termodynamiky a fenomenologické kinetiky při popisu procesů v (bio)chemických systémech. Detailní znalosti používaného matematického aparátu nebudou požadovány.
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2007 - akreditace, podzim 1999, podzim 2010 - akreditace, podzim 2001, podzim 2003, podzim 2004, podzim 2005, podzim 2006, podzim 2007, podzim 2008, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, podzim 2012, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.