צריכת העמילן אצל האדם גברה כתוצאה מן המהפכה החקלאית לפני מספר אלפי שנים, וישנן ראיות שהיא אף הוליכה לברירה טבעית ואבולוציה לעיכול יעיל יותר של עמילן. בגנום של האדם בימינו, בחברות הצורכות עמילן רב במזון, נמצאה נטייה למספר גדול יותר של עותקים לגן AMY1, המקודד לאנזים העמילאז, וכתוצאה מכך לריכוז גבוה יותר של האנזים ברוק. ברירה מלאכותית דומה נמצאה גם בתהליך הביות של כלבי בית, והגדילה אצלם את מספר העותקים של הגן AMY2 (המקודד לעמילאז המופרש בלבלב אך לא ברוק), בהשוואה למספר העותקים בגנום של אבותיהם הזאבים, מה שאיפשר להם עיכול יעיל יותר של מזונות צמחיים עשירים בעמילן ממטבחו של האדם.
שימוש תעשייתי בעמילן התחיל במצרים העתיקה באלף הרביעי לפני הספירה כשהמצרים השתמשו בצמח גומא פפירוס לייצור פפירוסים לכתיבה. לאחר מכן, במאה ה-2 לספירה, התחילו הסינים לייצר נייר, שיש בו רכיבי עמילן רבים.
התיאור הראשון להכנת עמילן נכתב על ידי המדינאי הרומאי קאטו הזקן בספרו "על החקלאות" (המאה ה-2 לפנה"ס). בעת החדשה נעשה שימוש נרחב בעמילן ובתוצריו בעיקר בתעשיית הקוסמטיקה וענפים אחרים. בתקופה זו עיקר העמילן הגיע מתפוחי אדמה, אך החל מסוף המאה ה-19 התירס הוא המקור העיקרי לעמילן תעשייתי.
מבנה כימי.
העמילן הוא תערובות של שתי פחמימות פולימריות רב-סוכריות, הנקראות עמילוז ועמילופקטין אשר בתורם בנויים מגלוקוז. במרבית הצמחים כ-75 עד 85% מהעמילן מופיע בצורת עמילופקטין, אך יש גם יוצאי דופן דוגמת אפונה שבה תכולת העמילוז היא כ-50% עד 75% מהעמילן הכולל גלוקוז הוא סוכר הבנוי מ-6 פחמנים. כשהגלוקוז מופיע בצורה טבעתית, הוא מסוגל ליצור קשרים כימיים עם יחידות גלוקוז נוספות. קשר זה נקרא קשר גליקוזידי. קשר זה נוצר דרך הקצה המחזר של הגלוקוז. הקצה המחזר נמצא תמיד בפחמן מספר 1. קשר זה נקרא 1–4 כי הפחמן מספר 1 של הגלוקוז הראשון נקשר לפחמן מספר 4 של הגלוקוז השני. כך, מסוגל הגלוקוז ליצור שרשרת ישרה דרך קשר בין הפחמן המחזר לפחמן מספר 4 בטבעת גלוקוז שכנה. אפשרות נוספת היא יצירת הסתעפות לשרשרת העיקרית כשהגלוקוז נקשר דרך הפחמן המחזר לפחמן מספר 6, הבולט החוצה מהשרשת הכללית. זהו קשר 1–6. בעמילן, קיימים קשרים 1–4 ו1–6 מסוג אלפא בלבד (החמצן בקשר הגליקוזידי פונה למטה (ראו איור).
עמילוז מורכב משרשרת ישרה עם קשרים מסוג 1–4 אלפא ומעט מאוד הסתעפויות בקשר 1–6 אלפא. עמילופקטין זהה לעמילוז במבנה הכימי וגם הוא יוצר שרשרת, אך יש לו הרבה יותר הסתעפויות בקשר 1–6 אלפא. ריכוז ההסתעפויות וגם היחס בין עמילוז לעמילופקטין משתנה בהתאם למינים הצמח שמייצר את העמילופקטין. בגלל ההסתעפויות המעטות העמילוז יוצר שרשרות דחוסות יחסית ואילו עמילופקטין הוא הרבה פחות דחוס ממנו. יתרה מכך, בעיכול המזון הרבה יותר קל לעכל עמילופקטין כי יש לו הסתעפויות רבות וכך לאנזימים יש מרחב פעולה גדול יותר המאפשר להם לפרק את המולקולות במהירות רבה יותר.
סינתזה של עמילן.
העמילן נוצר בכלורופלסטידות המצויים בעלים ובגבעולים ירוקים. בצמחים מסוימים מיוצר בעמילופלסטידות (ברקמות שאינן ירוקות).
עמילן בטבע.
כל הזרעים מכילים עמילן המספק אנרגיה לזרע כאשר הוא באדמה ואינו מבצע פוטוסינתזה. ריכוז העמילן בזרעים הוא כ-60% עד 75%. עמילן מצוי גם בעלים, גבעולים פקעות ושורשים. עמילן מספק 70-80% מהקלוריות הנצרכות על ידי האדם בעולם והוא נצרך במזון טבעי וכתוסף מזון - נותן סמיכות וקשיחות למזונות מסוימים והשפעתו גדולה על המרקם.
מקור העמילן הנאכל על ידי האדם הוא בעיקר מדגנים.
שימוש תעשייתי בעמילן.
עמלון בגדים.
כאשר עמילן מהצומח מעורבב עם מים ומורתח ניתן להשתמש בו לעימלון בגדים. במאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20 היה אופנתי לחזק צווארונים ושרוולים של חולצות גברים ובתחתוניות של נשים. האפקט מתקבל לאחר הוספת עמילן לבד וגיהוץ. מעבר לאפקט האסתטי, תוספת העמילן לבד גורמת לכך שבוץ וזיעה לא נספגים בבד, אלא דבקים בעמילן דווקא, וכך גם נשטפים בקלות יחד איתן. לאחר הכביסה, ניתן לעמלן את הבגדים שוב. כיום יש תרסיסי עמילן לבגדים.
סינתיזה של ציקלודקסטרין.
ניתן להפיק מן העמילן באמצעות ראקציות אנזימטיות, סוגים שונים של ציקלודקסטרינים. הציקלודקסטרינים משמשים רבות בתעשיית המזון וכחומרי ספיחה לריחות רעים.
בדיקות לגילוי עמילן.
כאשר מוסיפים תמיסה המכילה יוד לדגימה המכילה עמילן (במיוחד עמילוז) הופכת צבעה לכחול כהה. אם הדגימה נטולת עמילן, צבע התמיסה נשאר צהוב-כתום. הסיבה לשינוי הצבע היא יצירת תרכובת קומפלקסית (complex) - היוד נכנס לתוך מולקולות העמילן.
גז אידיאלי
גז אידיאלי הוא מודל פיזיקלי, לפיו גז מורכב מהרבה גופים נקודתיים הנעים באופן רנדומלי במרחב. מודל זה נמצא בשימוש נרחב בתרמודינמיקה ובאווירודינמיקה, ומצליח לתאר היטב גזים בתנאי לחץ וטמפרטורה מתונים, כגון אוויר בלחץ אטמוספירי ובטמפרטורת החדר. ההנחה הראשונה של מודל זה היא שלא קיימת אינטראקציה בין הגופים המרכיבים את הגז. תאוריית הגז האידיאלי מניחה שגודל החלקיקים המרכיבים את הגז זניח, ואין התנגשויות בין החלקיקים בתוך נפח הגז. בנוסף, מניחים שגם לא קיימת אינטראקציית ארוכת טווח בין החלקיקים – כגון כוחות כבידה או כוחות אלקטרומגנטיים. בתאוריית הגז האידיאלי, הגוף היחיד שאיתו החלקיקים מבצעים אינטראקציה הוא דפנות הכלי אשר בתוכו הגז נמצא.
במודלים שונים של הגז האידיאלי, ניתן לתאר גזים אשר לא בהכרח מורכבים מגופים נקודתיים, אלא מצבר של חלקיקים נקודתיים, הניתן להסתכל עליהם כמו על כדורים קטנים הקשורים ביניהם בקשרים אלסטיים (כגון מולקולה דו אטומית). ייצוג חלקיקי הגז על ידי מולקולות פוליאטומיות גורם להוספה של דרגות חופש נוספות במערכת. הוספת דרגות החופש מצריכה לקחת בחשבון בחישובים אנרגטיים את התנועות האפשריות של המולקולה ביחס לעצמה – כגון סיבוב או רטט סביב נקודת שיווי משקל.
במקרה של לחצים גבוהים מאוד, מודל הגז האידיאלי לא מתאר מספיק טוב את המערכת, ועל מנת לתאר מערכות אלו יש להשתמש במשוואות מצב מדויקות יותר, כגון משוואת ואן דר ואלס, הלוקחת בחשבון את הכוחות הפועלים בין החלקיקים ואת הגודל הסופי שלהם. גם בטמפרטורות גבוהות מאוד מודל הגז האידיאלי לא מספק, בין היתר בגלל שהמולקולות המרכיבות את הגז יכולות להתנתק לאטומים המרכיבים אותם, או שיכול להיווצר מצב של יינון.
את הפתרון המלא של גז אידיאלי והגדלים המאפיינים אותו אי אפשר היה לחשב עד הופעת מכניקת הקוונטים.
המאפיינים של גז אידיאלי נקבעים מתוך המודל של הגז האידיאלי בו מתקיימות ההנחות הבאות:
משוואת המצב.
משוואת המצב עבור גז אידיאלי היא:
כאשר:
מקרים פרטיים של משוואה זו הם חוקי הגז הפרטיים: חוק בויל-מריוט, חוק גיי-לוסאק וחוק שארל.
עבור התיקונים המוכנסים במשוואה על מנת לתאר גז דחוס, ראה גז ואן דר ואלס.
תנאים לקיום גז אידיאלי.
ריכוז מוגדר:
formula_3
כאמור גז אידיאלי מתקיים כאשר צפיפות הגז נמוכה, כלומר כאשר ריכוזו נמוך.
אם נבודד את ריכוז הגז מתוך משוואת המצב נקבל:
formula_4
מתוך הצגה זו ניתן להסיק כי תנאים לגז אידיאלי מתקיימים כאשר הלחץ נמוך או כאשר הטמפרטורה גבוהה.
גז אידיאלי עם דרגות חופש פנימיות.
כאשר לכל מולקולה של גז אידיאלי יש דרגות חופש ורמות אנרגיה פנימיות, אזי האנרגיה הממוצעת שלו היא
כלומר, זהו סכום של האנרגיה התרמית וכל רמת אנרגיה פנימית כפול האכלוס שלה.
בדרך כלל נהוג לרשום את האנרגיה של גז אידיאלי בצורה מוכללת:
כאשר n הוא מספר המולים של הגז, R הוא קבוע הגזים ו formula_16 הוא קבוע מספרי המבטא את מספר דרגות החופש: formula_17 כאשר formula_18 הוא מספר דרגות החופש. מספר דרגות החופש הוא לדוגמה 3 עבור גז חד אטומי, 5 עבור גז דו-אטומי ו-6 עבור מוצק.
ניתן להראות שעבור גז אידיאלי בעל דרגות חופש פנימיות עם אנרגיה
מתקיים:
כמו כן, בתהליך אדיאבטי מתקיים ש
אנרגיה קינטית
אֵנֶרְגִּיָּה קִינֵטִית או אנרגיית תנועה (באנגלית: Kinetic energy) היא האנרגיה בה ניחן גוף מתוקף תנועתו, והיא תלויה רק במסת הגוף ובמהירותו. בדינמיקה, השימוש באנרגיה קינטית מקל על החישובים. בהקשר זה, העבודה הכוללת שמושקעת בגוף שווה להפרש בין האנרגיה הקינטית במצב הסופי ובין האנרגיה הקינטית במצב ההתחלתי.
בתורת היחסות הפרטית, השקילות בין מסה לאנרגיה מובילה לזיהוי של אנרגיה קינטית עם גידול במסת הגוף כתוצאה מתנועה במהירות גבוהה. השימוש באנרגיה קינטית נפוץ גם בתחומים אחרים של הפיזיקה, כמו תרמודינמיקה ומכניקת הקוונטים. כך למשל, הטמפרטורה של גוף יכולה להיות מוסברת באמצעות האנרגיה הקינטית של המולקולות.
בתהליכים רבים מנסה האדם לבצע המרה של אנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית שאותה ניתן לנצל בצורה הרצויה לו. זה התהליך המתרחש בתחנות הכוח השונות ברחבי העולם, וההבדל בין מקורות אנרגיה שונים, המשמשים להפקת אנרגיה, מתבטא רק בצורתה של האנרגיה הפוטנציאלית. כל גוף שנמצא בתנועה נושא אנרגיה קינטית, ולכן היא משתתפת בתהליכים בהם אנרגיה עוברת ממקום אחד לשני. כך למשל, הפוטונים המרכיבים את הקרינה האלקטרומגנטית נושאים אנרגיה קינטית.
מקור המילה קינטי במילה היוונית Κίνητικός (קינטיקוס) שמשמעותה "נמצא בתנועה". השימוש הראשון בביטוי "אנרגיה קינטית" מיוחס ללורד קלווין באמצע המאה ה-19.
היסטוריה.