细胞热力学研究方法
1热学的研究对象和研究方法
宏观量
实测的物理量 如 P T V 等
微观量
无法直接测量的量
组成系统的粒子(分子、原子、或其它)
的质量、动量、能量等等
5
解决问题的一般思路 •从单个粒子的行为出发
统计的方法
•大量粒子的行为--- 统计规律
例如：微观认为宏观量P
是大量粒子碰壁的平均作用力
先看一个 碰一次
fi
dIi dt
再看 fi
为了说明功是过程量 通常在微分号上画 一小横，同理 dQ
4)一般元功 dA 广义力f 广义位移dq
33
§5 理想气体的内能和热容 一、 物质的热容量 二、 摩尔热容量 三、 热量的计算
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一、 物质的热容量
c
dQ dT
与过程有关 Q可以 >0 = 0 <0
二、 摩尔热容量
1mol
Cm
dQ dT
等压摩尔热容 等容摩尔热容
CP,m
dQP dT
CV ,m
dQV dT
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1、理想气体等容摩尔热容
（1）等容过程方程
P
V const.
过程曲线
V
（2）热力学第一定律 若加一些条件
若为准静态 若为理想气体 若理气准静态
dQ dE PdV
dQ i RdT dA
2
dQ i RdT PdV
足够长 2)实在不行 --- 分小块 3)远离平衡态 -非线性 耗散结构
本课的主体： 平衡态 介绍： 远离平衡态
恒高温
恒低温
16
温度 一、几个基本概念
1.温度
处于热平衡的系统所具有的共同的宏观性质
热化学反应热力学分析的方法研究
热化学反应热力学分析的方法研究热化学反应是指化学反应在发生时伴随着能量的进出和转移。
热化学反应的研究不仅有助于深入掌握化学反应的本质、揭示化学反应机理，还为工业生产提供了重要的理论基础。
在热化学反应的研究中，热力学分析是不可或缺的一部分。
一、热力学基础热力学是研究物理、化学过程中热能转化和热动力学性质的科学，是先进的物理和化学学科，主要研究热力学系统在不同条件下热量、温度、能量转化规律。
热力学基本方程是dU=TdS−PdV。
其中，dU是热力学势能的变化量；TdS是熵的变化量，表示物理状况的微小变化带来的量子效应；PdV是功的变化量，表示变化带来的物理效应。
二、热化学反应的热力学分析方法1、热化学反应热力学分析的原理热化学反应过程中，能量的变化可分为两种类型：化学反应中的化学反应热(dH)和非反应热(∆E/E)，化学反应热反映的是化学反应过程中能量的转移，是指其它能量类型转换成热能的过程；而非反应热则指在热量（总能量）不变的情况下，物质内部的总能量可能存在转移。
因此，热化学反应热力学分析时，必须对化学反应热和非反应热同时进行分析。
2、热化学反应热力学分析的具体方法（1）通过验证反应物的化学式，计算反应生成物的生成焓反应生成物的生成焓可以通过热化学方程式推算得出，常用的方法有：热量计实验法、数理化学计算法、热量差法。
（2）通过热化学方程式验证反应热是否正确验证反应热的正确性，可以通过以下方法：热量计实验法、熔点实验法、热力学计算法。
（3）考察反应温度对反应热的影响反应温度对反应热的影响可通过以下方法进行分析：热态、准热态、等温态、等容态等实验方法。
（4）分析反应热的性质反应热的性质可通过以下方法进行分析：于温度相关性、于化学反应的普适性、于化学反应熵增值关系的研究。
三、热化学反应热力学分析的意义与应用1、对临界反应条件的把握热化学实验数据可以较为准确地预测反应热的大小和反应的进程，为反应条件的把握提供理论基础。
热力学中的复杂系统研究方法
热力学中的复杂系统研究方法热力学是一种研究热能转化及其与物理系统宏观运动之间关系的物理学科。
在热力学中，许多物理系统是非常复杂的，因为它们具有多个不同的部分和因素，它们之间的相互作用复杂而难以理解，并且它们的行为难以预测。
为了应对这些系统的困难，热力学家和物理学家已经开发了许多用于研究复杂系统的方法和技术。
熵是热力学中关键的概念之一。
它是一个系统的无序程度的度量，这个度量是根据系统中分子或者其他单元的排列方式来确定的。
在很多情况下，我们可以通过计算熵来预测一种系统的行为和变化。
例如，熵通常被用来研究相变的问题，例如固体和液体之间的相变或者液体和气体之间的相变。
熵不能作为研究复杂系统的唯一手段，而且在实际应用中，我们往往需要用其他更加复杂的方法来研究这些系统。
最显著的方法之一是计算机模拟。
在计算机模拟中，物理学家建立了一个数学模型来表示物理系统，并使用计算机模拟来研究该模型的行为。
这些方法通常涉及数值计算、程序编写和大量的计算机时间。
另一种方法是网络理论。
网络理论是一种用于研究复杂系统的数学方法。
在网络理论中，研究者使用一个简单的数学模型来描述系统的结构，并利用这个模型来研究系统的行为。
网络理论通常可以提供对系统结构和相互作用的深入理解。
另一种方法是复杂性科学。
复杂性科学是一种交叉学科，它研究自然界中复杂系统的特点、行为和结构。
研究复杂系统通常需要多学科的知识，包括统计物理学、计算机科学和工程学等。
复杂性科学的研究范围非常广泛，涵盖了生物学、社会学、经济学和生态学等许多学科。
最后，还有一种方法是深度学习。
深度学习是一种机器学习的分支，它利用神经网络来模拟和学习复杂系统的行为。
深度学习通常需要大量的数据和计算资源，但在许多情况下，它可以提供对系统的深入理解，并帮助预测系统的行为。
总之，在研究复杂系统时，我们需要使用多种不同的方法和技术。
这些方法包括计算机模拟、网络理论、复杂性科学和深度学习等。
每种方法都有其优点和局限性，但它们都可以为我们提供对系统的更深入的理解，并帮助我们预测和设计复杂系统的行为。
化学反应动力学和热力学分析方法
化学反应动力学和热力学分析方法是化学领域的两个重要分支。
前者研究反应速率、反应机理等动态过程，后者则关注反应的热学性质，如热变化、熵变化等。
在许多化学领域中，这两个分支都扮演着至关重要的角色。
下面，我们将从动力学和热力学两个方面探讨这两个分析方法。
一、化学反应动力学化学反应速率是反应动力学研究的核心。
反应速率是指单位时间内反应物转化的量，通常用反应物消耗量的负数除以时间来表示。
比如，对于一般的下列反应式：A + B → C，其速率可以用以下方程式来表示：r = -d[A]/dt = -d[B]/dt = d[C]/dt其中r表示反应速率，[A]、[B]、[C]分别表示A、B、C的摩尔浓度，t表示时间。
由于摩尔浓度可以实验测定，因此反应速率也可以通过测定摩尔浓度变化来计算。
反应速率不仅取决于摩尔浓度，还受到其他因素的影响。
因此，反应动力学研究反应速率时需要考虑反应条件、反应物浓度、温度、催化剂等因素对反应速率的影响。
常见的动力学研究方法包括速率定律、反应机理、催化作用等。
速率定律速率定律是描述反应速率随反应物浓度变化规律的定律。
对于一般的下列反应式：A + B → C，速率定律可以用以下方程式来表示：r = k[A]^x[B]^y其中k为速率常数，x、y分别为反应物A、B的反应级数。
反应级数是一个实验上可以确定的参数，一般为整数或分数。
速率常数是一个反应体系特有的参数，体现了反应物质与反应物质、反应物质与催化剂之间相互作用的强度。
反应机理反应机理是揭示反应物质转化成产物的分子和离子间相互作用和转化过程的细节描述。
反应机理是研究反应速率、反应选择性和反应稳定性的一种主要方法。
催化作用催化剂是通过提高反应物间的相互作用能力，从而促进化学反应达到平衡的一种物质。
催化剂可以使反应物质的活化能降低，从而加快反应速率。
催化研究是化学反应动力学的一个重要分支，也是催化领域的核心内容。
二、化学热力学化学热力学研究的是化学反应中的热学性质，主要包括热变化、熵变化、自由能变化等。
热力学与化学动力学实验
热力学与化学动力学实验热力学与化学动力学是化学领域中两个重要的分支，通过实验可以直观地观察和研究物质在热力学和动力学方面的性质和变化规律。
本文将介绍热力学与化学动力学实验的基本原理、实验方法和实验结果分析。
一、热力学实验1. 基本原理热力学研究物质在不同温度和压力下的性质和变化规律。
热力学实验主要通过测量物质的热力学性质，如温度、压力、焓等来研究物质的热力学性质。
实验中常用的热力学性质测量方法包括温度计、压力计、比热容测量等。
2. 实验方法（1）温度测量：可以使用常见的温度计，如水银温度计、电子温度计等。
在实验中，根据需求选择合适的温度计，并进行校准，确保温度的准确性和稳定性。
（2）压力测量：常用的压力测量方法有水银柱压力计、压力传感器等。
实验中需要确保测量装置的密封性以及压力测量的准确性。
（3）比热容测量：可以采用热容器法进行测量，即在一个绝热容器中放入待测物质，在将其与已知温度的热源接触后，测量物体在温度变化过程中吸收或释放的热量。
在热力学实验中，通过测量物质的热力学性质，可以得到一些实验数据，如温度、压力、焓等。
根据这些实验数据，可以计算出热力学性质的相关参数，如热容、焓变等。
通过对数据的分析和处理，可以得出物质在不同温度和压力下的热力学性质变化规律，并进一步理解物质的性质和变化。
二、化学动力学实验1. 基本原理化学动力学研究化学反应的速率和反应机理，通过实验观察和测量反应物浓度随时间的变化，研究反应速率和反应机理。
化学动力学实验中常用的指标包括反应速率、反应级数、反应活化能等。
2. 实验方法（1）浓度测量：化学动力学实验中，需要通过测量反应物浓度随时间的变化，了解反应速率的变化规律。
常用的浓度测量方法包括分光光度法、电化学法等。
需要根据实验的需要选择合适的测量方法，并对测量装置进行校准，确保测量结果的准确性和可靠性。
（2）温度控制：化学反应速率与温度密切相关。
实验中可以通过控制反应容器的温度，观察和测量反应速率随温度的变化，研究温度对反应速率的影响。
生物大分子相互作用的热力学原理及分析方法
生物大分子相互作用的热力学原理及分析方法生物大分子相互作用是维持生物体各种生理活动的关键，也是许多生命过程中发生的基础反应。
其运动、结构、功能和调控的机制都与充电和热力学相关。
此文旨在介绍生物大分子相互作用的热力学原理及其分析方法。
一、热力学基础热力学是研究能量转化与宏观现象之间的关系的学科。
能量转化是指从一种形式的能量转移到另一种形式，从而驱动宏观过程。
而生物大分子相互作用存在于生物体内，因此必须重视化学反应热力学的基础知识。
热力学中有几个重要的概念需要特别说明。
（一）系统与环境在本文中，系统指的是被研究的生物大分子样品，而环境是指不包括系统的所有其他物质，两者间通过作用力所交换的能量就是热力学热力。
热力学研究的重点是如何将系统和环境之间相互转移的能量描述，并对系统和环境特征作出测量。
（二）热力学第一定律和第二定律热力学第一定律指的是能量不会消失或产生，只能转化成其他形式。
第二定律主要说明了能量转化的方向：永远不会从自己低温的物体转移热量到高温的物体上，也不会从无序的系统到有序的系统上。
因此，生物大分子相互作用过程中能量的转移必须遵循第一和第二定律的规律。
（三）熵和自由能热力学中有一个重要的概念是熵（entropy）。
在生物大分子相互作用的过程中，随着体系的复杂化，熵增加，从而使有序变为混沌的情况变得不可避免。
自由能（Gibbs free energy）是能量转移和过程中的有助于实现生物大分子相互作用的因素。
要能够提高系统中有组织的状态，并使其达到最大的稳定状态，就需要使系统的自由能达到最小。
在预测反应的方向和速率上，自由能变化是非常重要的。
二、常用的生物化学分析方法生物大分子相互作用的研究涉及到多种现代生物化学和物理化学方法。
目前，常用于热力学研究的方法主要包括等温滴定量热法、差示扫描量热法、圆二色性光学光谱法、荧光共振能量转移法、表面等离子共振法等。
下面将分别介绍这些方法的原理和应用。
（一）等温滴定量热法等温滴定量热法（Isothermal titration calorimetry，ITC）是研究生物大分子相互作用最常用的实验技术之一。
物理实验技术中的热力学实验方法详解
物理实验技术中的热力学实验方法详解热力学是物理学中研究热量、能量转换和能量守恒的学科。
而在物理实验中，热力学实验是研究物质热平衡状态以及热力学过程的重要手段。
在本文中，我们将详细讨论几种常用的热力学实验方法。
一、热力学平衡性的实验检验物质热力学平衡是热力学研究的基础，而实验中需要验证所研究系统的平衡性。
一种常用的方法是利用热电偶或温度计来测量系统的温度，观察温度是否保持稳定。
如果温度不再发生变化，即可认为系统达到了热力学平衡状态。
二、气体状态方程的实验测定气体状态方程描述了气体在不同温度、压强和体积条件下的关系。
实验测定气体状态方程是热力学的基础实验之一。
常用的方法包括压力和体积的关系测定、压力和温度的关系测定以及体积和温度的关系测定。
1. 压力和体积的关系测定通过改变气体的体积，测量相应的压力变化，可以建立起气体在不同体积下的压力关系。
使用气缸、活塞和压力传感器，可以通过改变活塞的位置来改变体积，并记录相应的压力值。
通过多组实验数据的统计处理，可以得到压力和体积的关系。
2. 压力和温度的关系测定根据理想气体状态方程可知，对于一定质量的理想气体，在恒定体积情况下，气体的压力和温度呈线性关系。
因此，通过使用常见的洪斯顿蒸煮实验装置，可以测量不同温度下的蒸汽压力，进而得到压力和温度的关系。
3. 体积和温度的关系测定由于理想气体在恒定压力下，体积与温度存在线性关系，所以可以通过恒定压力下的体积测量来确定理想气体的体积和温度关系。
一种常用的方法是使用恒压容器，通过改变恒压容器内气体的温度来测量体积的变化。
三、热力学过程的实验研究除了热力学平衡和气体状态方程的研究，物理实验中还可以通过不同热力学过程的实验研究来深入理解热力学原理。
1. 等温过程实验等温过程是指系统与恒温热源接触，温度保持不变的过程。
在实验中，可以通过绝热容器、热电偶等设备来研究气体的等温膨胀过程。
通过测量气体的压力和体积，计算功的变化，可以验证等温过程的热力学原理。
热学的研究对象和研究方法
02 热学的基本概念
温度与热量
温度
表示物体热度的物理量，常用的温度单位有摄氏度、华氏度和开 尔文。
热量
物体之间由于温差而转移的能量，单位是焦耳。
温度与热量之间的关系
热量是物体之间温度差的表现，热量转移的方向总是从温度高的物 体流向温度低的物体。
热容与热传导
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热容
表示物体吸收或释放热量的能力，分为质量热容 和比热容。
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热设计
在产品设计过程中，需要考虑材料的热性能，如导热性、比热容等，以及产品在工作过程中产生的热量，这些都 需要用到热学的知识。
05 热学的发展趋势和挑战
新型热学材料的研发
总结词
新型热学材料的研发是当前热学领域的重要发展趋势之一，旨在寻找具有优异热性能和功能特性的新 材料，以满足不断增长的技术需求。
计算机模拟法通常需要建立计算机模型、编写程序、进行模拟计算，并对结果进 行可视化展示和分析。
04 热学在各领域的应用
能源领域
热能转换与利用
热学在能源领域中主要涉及热能与其 他形式能量的转换与利用，如热力发 电、热泵等。
节能技术
通过热学原理，开发各种节能技术， 如热回收、热能梯级利用等，提高能 源利用效率。
热学的研究对象和研究方法
目 录
• 热学的研究对象 • 热学的基本概念 • 热学的研究方法 • 热学在各领域的应用 • 热学的发展趋势和挑战
01 热学的研究对象
热现象
热现象 热学主要研究物体热运动、热量 传递、物质相变等现象，这些现 象与温度有关，是热力学系统中 的基本物理现象。
物质相变 物质在不同温度和压力下会发生 相变，如熔化、凝固、蒸发和凝 结等现象，热学研究这些相变过 程的规律。
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二、 细胞内核酸、蛋白质、酶、糖 与脂类等的显示方法
原理：利用一些显色剂与所检测物质中一些特 殊基团特异性结合的特征，通过显色剂在细胞中 的定位及颜色的深浅来判断某种物质在细胞中的 分布和含量。
4. 脂溶染色法：借苏丹染料溶于脂类而使脂类显色。 5. 茚三酮反应：显示蛋白质。
Schiff反应 联苯胺反应
三、特异蛋白抗原的定位与定性
免疫细胞化学 immunocytochemistry 是利用抗体同特定抗原专一结合的原理，对 抗原进行定位测定的技术。常用的标记物有 荧光素和酶。
（一）免疫荧光法（immunofluorescent technique）：快速、灵敏、 有特异性，但其分辨率有限 如异硫氰酸荧光素、罗丹明等。
显 微 操 作 仪
第二节 细胞组分的分析方法
一、离心技术
是分离细胞器及各种大分子基本手段。 转速为10~25kr/min的离心机称为高速离心机。 转速>25kr/min，离心力>89Kｇ者称为超速离心机。 超速离心机的最高转速可达100000r/min，离心力超
过500Kg。
（一）差速离心 Differential centrifugation
四、显微操作技术 micromanipulation technique
是在倒置显微镜下利用显微操作器进行细胞或早期胚胎 操作的一种方法。
包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、胚胎移植以 及显微切割等。
– 细胞核移植技术已有几十年的历史，1952 年，Briggs和King等将 不同阶段的蛙胚细胞核注入去核的蛙卵，构建核移植胚。Gordon （1962）证明原肠胚以后的细胞核移植能发育到成体。1997年， Wilmut等克隆了绵羊Dolly。
High speed
Low speed
Velocity (A) and Equilibrium (B) sedimentation
（二）密度梯度离心
用介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细 胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通过离心力场的作用使 细胞和细胞成分分层、分离。
类型：速度沉降、等密度沉降。 常用介质：氯化铯、蔗糖、多聚蔗糖。 分离活细胞的介质要求：
（一）原位杂交（in situ hybridization）
➢ 原位杂交技术：用标记的核酸探针通过分子杂交,经放射 自显影或非放射检测体系，确定特殊核苷酸序列在染色体 或细胞中位置的方法。在组织、细胞、间期核及染色体上 对核苷酸序列进行定位和相对定量研究的一种手段。
➢ 分RNA原位杂交和染色体原位杂交两大类。最初是使用放 射性DNA探针，后来又发明了免疫探针法。
通过显色或放射自显影法检 测凝胶中的蛋白质成分
（三）免疫电镜技术：
免疫铁蛋白技术：铁蛋白提取繁琐，分子量大，不易进 入细胞。
免疫酶标技术：反应没有特异性，不能进行感受部位的 点对点对应。
免疫胶体金技术：胶体金是直径1-100mμm的金颗粒分 散在水中形成的 金溶胶。特异性强，容易识别。分辨 率高。
应用：通过对分泌蛋白的定位，可以确定某种蛋白的分 的研究；膜蛋白的定位与骨架蛋白的 定位等
泌动态；胞内酶
免疫胶体金技术
四、细胞内特异核酸的定位与定性
分子杂交技术：具有互补核苷酸序列的两条单链核苷酸分子片段，在 适当条件下，通过氢键结合，形成DNA-DNA，DNA-RNA或RNA-RNA 杂交的双链分子。这种技术可用来测定单链分子核苷酸序列间是否具有 互补关系。
对该基因的表达产物在细胞水平上做 出定位定量的分析
2、荧光原位杂交技术FISH （fluorescence in situ hybridization）
荧光素标记探针DNA
染色体
DNA
检测荧光素来确定与探针DNA序列杂交的 互补序列在染色体或DNA 上的位置
荧光原位杂交显示的人体着丝粒卫星DNA
荧光原位杂交显示的端粒
特点：
– 介质密度均一； – 速度由低向高，逐级离心。
用途：分离大小相差悬殊的细胞和细胞器。 沉降顺序：核——线粒体——溶酶体与过氧化物酶
体——内质网与高基体——核蛋白体。 可将细胞器初步分离，常需进一步通过密度梯离心再
行分离纯化。
差速离心
Differential centrifugation
（二）Southern杂交
是体外分析特异DNA序列的方法，操作时先用限 制性内切酶将核DNA或线粒体DNA切成DNA片段， 经凝胶电泳分离后，转移到醋酸纤维薄膜上，再 用探针杂交，通过放射自显影，即可辨认出与探 针互补的特殊核苷序列。
光镜水平的原位杂交技术：同位素标记或荧光素标记 的探针 电镜水平的原位杂交技术 ：生物素标记的探针与抗生 物素抗体 相连的胶体金标记结合。
1、RNA原位杂交
放射性物质或非放射性（如地高辛、生物素）
标记特异性探针RNA
被固定的组织切片
反应
若细胞中存在与探针互补的mRNA分子
放射自显影或酶促免疫显色
（二） 蛋白电Байду номын сангаас(SDS-PAGE) 与免疫印迹反应(Western-Blot)
免疫印迹(Immunoblotting)或蛋白质印迹(Western blotting) 是检测目标蛋白质的一项十分有效的方法。
➢ SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）
原理
蛋白质
十二烷基磺酸钠(SDS)和少量巯基乙醇
显示方法
1. 金属沉淀法：如磷酸酶分解磷酸酯底物后，反应产物最 终生成CoS或PbS有色沉淀，而显示出酶活性。
2. Schiff反应：醛基可使Schiff试剂中的无色品红变为红色。 用于显示糖和脱氧核糖核酸（Feulgen反应）。
3. 联苯胺反应：过氧化酶分解H202，产生新生氧，后者再将 无色联苯胺氧化成联苯胺蓝，进而变成棕色化合物。
蛋白质中的多肽链处于伸展状态
形成SDS-蛋白质复合体
具有相同的构象
具有相同的荷质比
电泳速度由质量决定
十二烷基磺酸钠
磺酸基 极性亲水 烷基 亲油（蛋白质疏水区）
原态蛋白质
Western-Blot方法：
蛋白质样品
电泳
转膜（硝酸纤维素薄膜）
非标记抗体（一抗）发 生免疫反应
荧光素酶或放射性同位素标 记的第二抗体起反应