 |
Применение первого начала термодинамики к биосистемам.
|
|
|
|
В 19 столетии было доказано экспериментально, что первый закон термодинамики применим к процессам, которые происходят в биологических системах.
Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом. Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений - например, аденозинтрифосфорной кислоты (ATФ). ATФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке.
Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.
Таким образом, исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): углеводы - 4,1; белки - 4,1; жиры - 9,3.
|
|
|
С другой стороны, в конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая - рассеивается в форме тепла. При использовании энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую.
Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. Например, энергия, используемая мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла.
Другим примером является расход энергии, передаваемой сокращающимся сердцем крови. При течении крови по сосудам вся энергия превращается в тепло вследствие трения между слоями крови и между кровью и стенками сосудов.
Следовательно, по существу вся энергия, потраченная организмом, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Из этого принципа существует лишь единственное исключение: в случае, когда мышцы выполняют работу над внешними телами.
Если человек не выполняет внешней работы, то уровень высвобождения организмом энергии можно определить по величине общего количества теплоты, выделенной телом. Для этого применяют метод прямой калориметрии, для реализации которого используют большой, специально оборудованный калориметр. Организм помещают в специальную камеру, которая хорошо изолирована от среды, то есть не происходит обмена энергией с окружающей камеру средой. Количество теплоты, выделенной исследуемым организмом, можно точно измерить. Эксперименты, выполненные этим методом, показали, что количество энергии, поступающей в организм, равно энергии, выделяющейся при проведении калориметрии.
Прямая калориметрия в проведении трудоёмка, поэтому в настоящее время используют метод непрямой калориметрии, который основан на вычислении энергетического выхода организма по использованию им кислорода.
|
|
|
Билет 3. Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированной и закрытой системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов.
Второе начало термодинамики
· Невозможен самопроизвольный переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому.
· Невозможно превратить теплоту в работу, не производя никакого другого действия, кроме охлаждения источника теплоты
· Вечный двигатель второго рода невозможен – двигатель, единственным результатом действия которого было бы получение работы за счёт тепла окружающей среды
- Все самопроизвольные процессы в макроскопических системах протекают в направлении от менее вероятного к более вероятному состоянию системы.
Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы
Обратимые – такие термодинамические процессы, при которых возвращение системы в первоначальное состояние не требует затраты энергии извне и связанных с этим изменений в окружающей среде. Обратимый процесс - двусторонний
Необратимые – термодинамические процессы, при которых возвращение системы в исходное состояние возможно лишь при условии затрат внешней энергии, что влечет за собой определенные изменения в окружающей среде. Необратимый процесс – односторонний.
В любой системе 2 произвольно выбранных состояния различаются тем, что процесс, переходя из первого во второй, идёт самопроизвольно, а обратный процесс самопроизвольно не идёт.
Энтропия
Энтропия – это термодинамическая функция, которая характеризует меру неупорядоченности системы, то есть неоднородность расположения и движения её частиц.
[Дж/моль*K]
(для изобарного процесса); 
(для изохорного процесса)
(для обратимого процесса); 
(для необратимого)
, где k – константа Больцмана (1,38*10-23 Дж/К), w – вероятность микросостояний.
Так как в самопроизвольном процессе w2>w1, то 
- энтропийный фактор
В изолированных системах S>0, при достижении равновесия в изолированных системах энтропия максимальна, изменение энтропии при этом равно нулю.
|
|
|
Дополнительное следствие закона Гесса:
Факторы энтропии:
1) Агрегатное состояние вещества и природа вещества (энтропия газа выше энтропии жидкости того же вещества, энтропия жидкости выше твёрдого состояния)
2) С увеличение температуры энтропия возрастает
3) При повышении давления энтропия уменьшается
4) С увеличением числа частиц в системе энтропия увеличивается.
Энергия Гиббса
Это изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия системы.
или
– это часть внутренней энергии системы, которая может быть переведена в работу.
- связанная энергия. Часть внутренней энергии, которая не может быть превращена ни в работу, ни в теплоту.
- часть внутренней энергии, затрачиваемая системой на совершение работы против сил внешнего давления.
|
|
|
