Законы термодинамики

Первый закон термодинамики — закон сохранения и превращения энергии (Ломоносов М. В., 1748):

«Энергия не исчезает и не творится вновь, а только переходит из одной формы в другую: механическая работа, кинетическая энергия и теплота могут превращаться друг в друга».

Второй закон термодинамики (Больцман, 1880) гласит:

 «Если любой вид энергии можно трансформировать в эквивалентное количество тепла, то в случае обратного превращения полная трансформация невозможна».

Свободная энергия способна к превращениям и к совершению полезной работы. Связанная энергия составляет ту «непроизводительную» часть, которая не переходит в другие формы и рассеивается в виде тепла, характеризуя меру термодинамической неупорядоченности системы, называемую энтропией.

Имеется коэффициент полезного действия живой клетки определяется:

Вследствие энтропии КПД живых организмов всегда очень низок. При мышечном сокращении, например, 80% энергии теряются в виде теплоты и только 20% превращаются в механическую работу.

Теплоту, выделяемую организмом, условно делят на два типа. Первичная теплота постоянно высвобождается в ходе клеточного метаболизма, вне зависимости от того, совершается внешняя работа или нет. Ее количество является показателем интенсивности основного обмена, обеспечивающего функционирование жизненно важных органов.

Вторичная теплота выделяется при совершении организмом любой работы за счет резерва аккумулированной энергии АТФ, образующегося в результате метаболических превращений питательных веществ.

В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в относительном равновесии. Первичная теплота непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если температура среды превышает температуру тела. При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термокинез).

В физиологических и медицинских исследованиях для определения количества энергии, выделенной организмом используют внесистемные единицы — калорию (кал) и килокалорию (ккал). Калория — количество энергии (тепла), необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1⁰С.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях относительного физического и психического покоя. Эта энергия расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, функционирование жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желез.

Печень потребляет 27% энергии основного обмена, мозг — 19%, мышцы — 18%, почки — 10%, сердце — 7%, остальные органы и ткани — 19%.

Любая работа — физическая или умственная, а также прием пищи, колебания температуры окружающей среды и другие внешние и внутренние факторы, изменяющие уровень обменных процессов влекут за собой увеличение энергозатрат.

Зависимость интенсивности основного обмена от площади поверхности тела была показана немецким физиологом Рубнером для различных животных (кривая «мышь — слон»). Согласно этому правилу, интенсивность основного обмена тесно связана с размерами поверхности тела: у теплокровных организмов, имеющих разные размеры тела, с 1 м² поверхности рассеивается одинаковое количество тепла.

Таким образом, закон поверхности тела гласит:

«Энергетические затраты теплокровного организма пропорциональны площади поверхности тела».

С возрастом величина основного обмена неуклонно снижается. Средняя величина основного обмена у здорового человека равна 1 ккал (кг. ч).

Общий расход энергии человеком зависит от состояния организма и мышечной деятельности. Мышечная работа сопряжена со значительными затратами энергии и увеличением теплопродукции. У спокойно лежащего человека теплопродукция составляет 35 ккал. Если человек слегка приподнимается и облокачивается на спинку кровати — теплопродукция увеличивается на 15%; если принимает сидячее положение —
на 42%; в положении стоя — на 70%, а при спокойной неторопливой ходьбе теплопродукция увеличивается на 180%.

При мышечных нагрузках средней интенсивности КПД работы мышц составляет около 24%. Из всего количества энергии, расходуемой рабочими мышцами, 43% затрачивается на активацию сокращения, и вся эта энергия переходит в тепло. Только 57% из общего количества энергии идет на рабочее сокращение.

Разность между энергозатратами при физической нагрузке и энергозатратами основного обмена составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа. Рабочая прибавка — это вся остальная энергия, которую тратит организм в течение суток на физическую и умственную активность.

Сумма основного обмена и рабочей прибавки составляет валовой обмен. Сумма валового обмена и специфического динамического действия пищи называется общим обменом.

Предельно допустимая по тяжести работа для данного человека, постоянно выполняемая им в течение длительного времени, не должна превышать по энергозатратам уровень основного обмена более чем в 3 раза.

При кратковременных нагрузках энергия выделяется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме расщепляются преимущественно жиры, обеспечивая 80% потребной энергии.