Законы термодинамики в биологии

Содержание

Применение термодинамики к биологическим системам.

При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенность организации живых систем:

1) Биолопгческие системы открыты, т.к. обмениваются с окружающей средой массой и энергией.

2) Живые системы не находятся в состоянии равновесия;

3) Порцессы просходящие в живых системах в конечном итоге необратимы;

4) Биологические системы гетерогенны.

Всем живым организмам для их роста и функционирования необходима энергия: растения и некоторые бактерии получают энергию от солнца, при помощи процесса фотосинтеза. Человек существует за счет пиши. Основным источником энергии для организма человека является энергия, заключенная в пищевых веществах, в продуктах питания. Часть этой энергии расходуется на:

1) Совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением, секрецией соков. перемещением метаболитов и др.;

2) Нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи;

3) Покрытие потерь теплоты в окружающую среду при испарении влаги с поверхности тела, а также с выдыхаемым воздухом и продуктами жизнедеятельности;

4) Совершение внешней работы связанной с перемещением человека и с его трудовой деятельностью.

Таким образом, организм не является источником новой энергии, все виды работы он совершает за счет энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ, это является доказательством применения первого закона термодинамики к биологическим системам. С пищей в организм поступают довольно сложные химические соединения, в частности, ВМС, содержащие многочисленные слабые химические связи (водородные) и. нереализованный запас внутренней энергии. Такие вещества характеризуются высоким значением энергии Гиббса и низким значением энтропии. В ходе усвоения питательных веществ из относительно больших молекул белков, жиров, углеводов, образуются НМС (СО2, Н2О, NН3), которые имеют более простую структуру и более прочные химические связи в молекулах. Процессы деструктуризации веществ (диссимиляция), в ходе которых из меньшего числа частиц образуется большее число частиц, сопровождаются ростом энтропии. Т.к. в ходе таких превращений упрочняются химические связи и реализуется запас внутренней энергии, то энергия Гиббса понижается. Таким образом продукты жизнедеятельности, в отличие от исходных питательных веществ, характеризуются более высоким значением энтропии и более низким значением энергии Гиббса. К биологическим процессам ассимиляции н диссимиляции не применимо понятие термодинамического равновесия. Живые системы находятся в стационарном состоянии, при котором скорость реакции. протекающей в одном направлении, обычно выше скорости реакции протекающей в другом направлении. причем разность скоростей таких реакций постоянна во времени. Таким образом, такое состояние при котором ее параметры во времени не изменяются, но происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой, называется стационарным. Математическое выражение второго закона термодинамики применительно к биологическим системам, представляют следующим образом:


ΔS/Δτ= Δsорг./Δτ+ ΔSсреды/Δτ , где:

Δτ -изменение времени протекания процесса.

Δτ /ΔS — скорость изменения энтропии в открытой системе

ΔSорг/Δτ — скорость изменения энтропии внутри организма.

ΔSсрды/Δτ- скорость изменения энтропии вследствие обмена организма с окружающей средой массой и энергией.

В организме протекает необратимый процесс, поэтому ΔSорг/Δτ >0.

Ученый Пригожий сформулировал основное свойство стационарного состояния. В стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленная протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений. Стационарное состояние (гомеостаз) обусловлено постоянством химического состава внутренней среды организма, величиной рН, осмотическим давлением и др. параметрами. Стационарное состояние в организме поддерживается за счет механизмов авторегуляция- это деятельность дыхательного центра, головного мозга механизмы терморегуляции, буферные системы, работа кишечника, печени, почек, легких. Известны нестационарные состояния — состояние стресса. Таким образом, законы термодинамики применимы к биологическим системам. Недостатком термодинамики является отсутствие информации о скоростях протекания процессов. Многие процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, протекают очень маленькой скоростью. Например, реакция окисления глюкозы:


С6Н12О5+6O2=6СО2+6Н2O

ΔG0р-ции =-2800 Кдж моль

Несмотря на низкие значения энергии Гиббса реакция протекает с очень малой скоростью .Для протекания таких процессов необходимо либо нагревание, либо присутствие катализаторов, а в организме участие ферментов.

ЛЕКЦИЯ №3

Растворы.

План:

  • растворы
  • классификация растворов
  • термодинамика образования растворов
  • растворимость веществ
  • влияние на растворимость природы компонентов
  • влияние на растворимость внешних факторов
  • законы Генри и Дальтона, закон Сеченова

Растворы — это физико-химическая система, состоящая из двух или большего числа веществ и имеющая переменный состав в некотором интервале соотношения компонентов.

Велика роль растворов в процессах жизнедеятельности. Кровь, лимфа, желудочный сок, кишечный сок и другие биологические жидкости являются растворами. В жидких средах организма поддерживается постоянство рН, концентрации солей, органических веществ. Такое постоянство называется концентрационным гомеостазом. Растворы занимают промежуточное положение между смесями веществ и химическими соединениями. С механическими смесями растворы сближает переменность по составу, а с химическими соединениями — тепловые эффекты, сопровождающие растворение большинства веществ. Компонентами раствора являются растворитель и растворенное вещество.

С термодинамической точки зрения растворителем является тот компонент, который находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор в целом. Если компоненты до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем является тот компонент, который находится в большем количестве. В растворах электролитов независимо от их концентрации электролит рассматривается как растворенное вещество. Например, в 70%-ном растворе азотной кислоты НNО3 растворенным веществом является HNO3, хотя она находится в большем количестве (70% по массе), а растворителем – вода.

Растворы классифицируются по следующим признакам:

I. По агрегатному состоянию они делятся:

• жидкие растворы (кровь, желудочный сок, растворы кислот, солей, щелочей);

• газообразные растворы (воздух, наркозные смеси);

• твердые растворы (сплавы различных металлов).

II По размеру частиц растворенного вещества:

• истинные растворы с размерами частиц меньше 10-9 м.

• коллоидные растворы и растворы ВМС с размером от частиц от 10-9до 10-7 м.

Истинные растворы и растворы ВМС гомогенны и термодинамически устойчивы. Коллоидные растворы микрогетерогенны и термодинамически неустойчивы.

III По молярной массе растворенного вещества:

• растворы НМС — вещества с молярной массой Мr < 5000 г/моль;

• растворы ВМС — веществ с молярной массой Мr > 5000 г/моль.

Главной особенностью растворов ВМС является существенное разлете между макромолекулами полимеров и молекулами растворителя, которые являются НМС.

V По наличию или отсутствию электролитической диссоциации:

• Растворы электролитов (растворы многих неорганических соединений — кислот, солей, щелочей). Их электропроводимость больше электропроводимости чистого растворителя.

• Растворы неэлектролитов — растворы многих органических соединении. Их электропроводимость мало отличается от электропроводимости чистого растворителя.

• Растворы амфолитов, т.е. веществ, которые диссоциируют как по кислотному так и по основному типу (напр. α-аминокислоты).

Образование растворов.

Термодинамика процесса растворения.

С термодинамической точки зрения процесс растворения вещества в каком-либо растворителе будет протекать самопроизвольно происходит, если происходит уменьшение энергии Гиббса (ΔG<0)

ΔG=ΔH-TΔS

Рассмотрим влияние энтальпийного и энтропийного факторов на величину приращения энергии Гиббса Δ G в процессе растворения веществ.

1.Влияние энтальпийного фактора. В процессе растворения вещества энтальпия системы может повышаться пли понижаться. Как известно, ΔH зависит от изменения объема системы:

ΔH=ΔE+pΔV. При растворении твердых и жидких веществ объем системы практически не изменяется. Поэтому ΔV=0, следовательно ΔH=ΔЕ,тогда ΔG=ΔE-TΔS. Таким образом, если при растворении вещества обьем системы практически не меняется, то решающим фактором, влияющим на величину ΔH, а следовательно, и на величину ΔG, будет изменение внутренней энергии системы ΔE. Теплота, выделяемая или поглощаемая при растворении 1 моль вещества называется теплотой растворения Qраств. В соотвеоствии с первым началом термодинамики Qраств=ΔHраств.

Изменение энтальпии растворения (ΔH) — это изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества.

ΔHраств=ΔHкрист ΔHсол

ΔHкрист (кристаллическое) — это изменение энтальпии при разрушении кристаллической решетки вещества. Разрушение кристаллической структуры вещества является эндотермическим процессом, поэтому ΔHкрист>0.

ΔHсол (сольватации) — это изменение энтальпии в процессе сольватации. Сольватация — это процесс взаимодействия частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Это экзотермический процесс, т.е. ΔHсол<0.

При растворении газообразных веществ ΔHкрист=0, поэтому энтальпия растворения ΔHраств=ΔHсол, следовательно ΔHраств>0, т.е. растворение газов является экзотермическим процессом.

При растворении веществ с молекулярной кристаллической решеткой, а также жидкостей, ΔHсол>ΔHкрист следовательно, в итоге ΔHраств<0 — есть экзотермический процесс.

При растворении веществ с ионной кристаллической решеткой в большинстве случаев ΔHсол<ΔHкрист поэтому ΔHраств>0 — эндотермический процесс.

2. Влияние энтропийного фактора. При переходе вещества из упорядоченного твердого и жидкого состояния в раствор в системе повышается беспорядок, поэтому энтропия S увеличивается, ΔS>0. Это способствует протеканию процесса растворения, т.к. уменьшает энергию Гиббса, ΔG<0.

Влияние энтропийного фактора на ΔG будет особенно заметным при высоких температурах. Поэтому растворимость твердых и жидких веществ в основном повышается при повышении температуры. При переходе вещества из газообразного состояния в растворенное в системе повышается упорядоченность, поэтому энтропия уменьшается ΔS<0. Влияние энтропийного фактора на ΔG будет минимальным при низких температурах, поэтому растворимость газов в основном повышается при понижении температуры.

Растворимость веществ.

Растворимость веществ — это способность веществ растворяться в том или ином растворителе.

Процесс растворения веществ в каком-либо растворителе будет протекать самопроизвольно до тсх пор, пока в системе установится состояние равновесия. При этом ΔG =0. Такой раствор называют насыщенным. Количественно растворимость веществ характеризуют коэффициентом растворимости, который показывает, сколько грамм вещества растворяется при данной температуре в 100 граммах растворителя с образованием насыщенного раствора.

Насыщенным называется раствор, находящийся в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества. На растворимость растворимость веществ влияние следующие факторы:

1. Природа компонентов раствора. Вещества с полярными ковалентнымн связями (напр. хлороводород НСI), а также с ионными связями (напр. бромид калин КВr) лучше растворяются в неполярных растворителям (напр, нафталин лучше растворяется в бензине, чем в воде). На растворимость органических соединений оказывает влияние наличие в их молекулах большого количества гидрофильных полярных групп. Гидрофильность полярных групп в молекулах органических соединений убывает в следующем порядке;

1) карбоксильная группа -СООН;

2) гидроксильная группа -ОН;

3) альдегидная группа -СНО;

4) аминогруппа -NН2;

5) меркаптильная группа -SН.

Хорошая растворимость в воде многих белков обусловлена наличием в их молекулах большого количества гидрофильных полярных групп.

11.Влияние внешних факторов температуры и давления.

Поскольку при образовании насыщенного раствора устанавливается истинное равновесие, те ΔG=0, то для определения влиянии температуры и давления на растворимость веществ пользуются принципом Ле-Шателье. Для этого нсо6ходимо учитывать знаки ΔH и ΔV. Знак ΔН будет определять характер действия температуры на растворимость веществ, а знак ΔV -характер действия давления на растворимость веществ. Поскольку процессы жизнедеятпьности связаны с растворением в крови различных газообразных веществ (СО2, О2 и др.) то рассмотрим влияние температуры на растворимость газов в жидкостях. Растворение газов в жидкостях обычно сопровождается выделением тепла, ΔHраств<0. Тогда в соответствии с принципом Ле-Шателье повышение температуры будет понижать растворимость газов в жидкостях. Растворение газов в жидкостях сопровождается уменьшением объема газов (ΔV>0), поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение давления будет способствовать росту растворимости газов в жидкостях. Малорастворимые газы подчиняются закону Генри, открытому в 1803 г. Количество газа, растворенное при данной температуре в определенном объеме жидкости при равновесии прямопропорционально давлению газа над растворам.

С(Х)=Кг(Х)-Р(X), где:

С(Х) — концентрация газа Х в насыщенном растворе, моль дм-3 ;

Кг — константа Генри, моль дм -3 Па-1, Кг зависит от природы газа и растворителя, от температуры;

Р(Х) — давление газа над раствором. Па.

При растворении в жидкости смеси газов при постоянной температуре растворимость каждого из компонентов газовой смеси пропорциональна парциальному давлению компонента над жидкостью и не зависит от общего давления газовой смеси и индивидуальности других компонентов. Это закон Дальтона. Парциальным называется часть общего давления, которое приходится на долю каждого газа в газовой смеси. Т.о. общее давление газовой смеси складывается из суммы парциальных давлений газов, входящих в состав данной смеси.

Pобщее=P1+P2+P3+…Pi

Знание законов Генри и Дальтона позволяет анализировать газообмен в организме, протекающий в основном в легких. Поступление газов из воздух в кровь, а также выделение их из организма подчиняется этим законам. Между парциальным давлением газов в крови и в воздухе существует различие, которое и обеспечивает газообмен в организме. Знание законов Генри и Дальтона позволяет объяснить патологии. которые возникают у человека, при его нахождении в условиях высокогорья (4-5 км над уровнем моря), а также на больших глубинах, под водой. В условиях высокогорья возникает т.н. горная болезнь вследствие кислородной недостаточности (гипоксии), т.к. на большие высотах в воздухе уменьшается парциальное давление кислорода, вместе с этим уменьшается его содержание в крови. Во втором случае возможна кессонная болезнь (встречается у водолазов). На глубине около 40 м резко возрастает общее давление. Оно становится близким к 400 кПа (~4 атмосферы). Растворимость газов в крови при этом значительно увеличивается. Растворимость азота в соответствии с законом Генри повышается в 4 раза. При быстром подъеме водолаза с глубины растворенные газы выделяются, т.к. их растворимость уменьшается. Выделяясь в просвет кровеносных сосудов в виде пузырьков, газы вызывают эмболию, т.е. закупорку кровеносных сосудов. Эмболия сопровождается сильными болями, головокружением, и может привести к гибели организма. Для лечении кессонной болезни больных помешают в барокамеры, где создается повышенное давление. При этом газы вновь растворяются в крови. Затем в течение нескольких суток давление в барокамере медленно снижают избыток газов при этом легко удаляется из организма через легкие. Для лечения некоторых видов анемии , газовой гангрены и другие заболеваний применяют оксигенобаротерапию. Больных при этом помещают в специальные палаты с повышенным парциальным давлением кислорода в воздухе, что способствует улучшению снабжения тканей кислородом.

111.Влияние электролитов на растворимость газов.

Выдающийся русский ученый Иван Михайлович Сеченов изучал растворимость газов в физиологических жидкостях и солевых растворах. В 1950 г. Сеченов остановил, что растворимость газов в растворах электролитов меньше, чем в чистых растворителях. Это закон Сеченова.

С(X)=Со(X)e-KcCэ ,где:

С(Х) — растворимость газа Х в растворе электролита;

С0(Х) — растворимость газа Х в чистом растворителе;

е -основание натурального логарифма (е=2,7183);

Кс — константа Сеченова , зависит от природы газа и электролита, а также от температуры;

Сэ — концентрация электролита, моль дм-3.

Одной из причин понижения растворимости газов в растворах электролитов является гидратация ионов электролита, в результате чего в растворе уменьшается концентрация свободных молекул растворителя, и т.о. понижается его растворяющая способность. В крови и других биологических жидкостях содержатся ионы электролитов (напр., К+, Nа+, Са2+, Мg2+, НРО2-, НСО3-, С1- и другие). Благодаря присутствию электролитов растворенные газы легко удаляются из биологических жидкостей. Это имеет огромное значение в процессах дыхания и обмена веществ в оргазме.

ЛЕКЦИЯ № 4

Свойства растворов электролитов. Водородный показатель среды растворов.

План:

  • электролиты
  • степень диссоциации
  • классификация электролитов по величине степени диссоциации (α)
  • константа диссоциации
  • межионные взаимодействия
  • активность ионов, ионная сила, физиологические растворы
  • константа автоионизации воды (Кв)
  • уравнение ионного произведения воды, его анализ
  • характеристика кислотности/щелочности среды растворов
  • водородный показатель среды (рН)
  • гидроксильный показатель среды (рОН)
  • биологическое значение водородного показателя среды растворов

Многие химические и все биологические системы представляют собой растворы, содержащие различные ионы, которые образуются в результате диссоциации или ионизации веществ. Устойчивость биомакромолекул и скорость биохимических реакций зависят от природы и концентрации присутствующих в системе ионов. С точки зрения классической теории электролитической диссоциации, сформулированной в 1887г. Аррениусом: электролиты — это вещества, растворы которых обладают электропроводимостью. Способность электролита распадаться на ионы характеризуется степенью диссоциации. Степень диссоциации показывает отношение числа молекул распавшихся на ионы к общему числу диссоциированных и недиссоциированных молекул электролита. α= n/(n+N)(доли единиц или %).

Степень диссоциации зависит от:

природы растворенного вещества или растворителя;

температуры;

концентрации раствора.

Чем выше концентрация электролита в растворе, тем ниже степень диссоциации, т.к. при этом возрастет вероятность обратного процессы взаимодействия ионов с образованием молекул. Степень диссоциации принимает значения от 0 до1 (100%) и по величине а различают следующие классы электролитов:

1. Слабые электролиты, характеризуются величиной степени диссоциации α<=0,03 (3%) (Н2S, Н2СО3,СН3СООН и др. орг. к-ты. НN4ОН, НNО2).

2. Электролиты средней силы, характеризуются 0,03<α<=0,3 (Н3РО4, Н2SO3, Н2С204)

3. Сильные электролиты — α>30%, α→100% (НС1, Н2SO4, НNО3, NаОН, КОН, Са(ОН)2 и все хорошо растворимые соли).

Процесс диссоциации является обратимым равновесным процессом, поэтому количественно может быть оценен величиной константы диссоциации, определенной законом действующих масс. Константа диссоциации равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов диссоциации к равновесным концентрациям недиссоциированных молекул электролита:

КА↔К++А-

K=/

Это уравнение показывает, что чем выше константа диссоциации, тем сильнее диссоциация электролита. Константа диссоциации зависит от природы растворенного вещества и растворителя и температуры , не зависит от концентрации электролита в растворе. Природа электролита определяет состояние ионов и растворе. В растворах слабых электролитов концентрация ионов не велика, расстояние между ионами больше, поэтому силами межионного взаимодействия можно пренебречь. В растворах, сильных электролитов распад молекул на ионы осуществляется на 100%, поэтому каждый ион в растворе окружен плотной атмосферой противоионов и в этом случае силы межионного взаимодействия влияют на состояние иона в растворе.

КСI↔К++СI-

При наложении внешнего электрического поля центральный ион движется к одному электролиту, а ионная атмосфера к другому. При этом ионы взаимно тормозят движение друг друга. Кроме того, каждый ион покрыт плотной сольватной оболочкой молекул растворителя, которая еще больше препятствует движению ионов. Т.о., чем больше концентрация раствора, тем плотнее ионная атмосфера, и тем медленнее движется ион. В результате создается впечатление, что в растворе находится меньше ионов, чем на самом деле, при этом снижается электропроводимость раствора, и определяемая по величине электропроводности степень диссоциации оказывается меньше 100%, такую степень диссоциации называют «кажущейся». Для оценки концентрационных эффектов в растворах электролитов в 1907г. американский ученый Льюис ввел представление об активности ионов α(x).

Активная концентрация α(х) — эффективная концентрация ионов в растворе с учетом сил межионного взаимодействия.

α (х)=f(x) o(x)

o(x) — молярная концентрация иона в растворе,

α(x) –активная концентрация ионов в растворе,

f(х) — коэффициент активности характеризует отношение свойств раствора электролита данной концентрации от свойств бесконечно разбавленного раствора этого же электролита, т.е. это мера отличия реального раствора от идеального, принимает значение от 0 до 1.

Пусть:

f(x)<=1=>α(x)<c(x) т.е. движение иона стеснено силами межионного взаимодействия. В этом случае во всех расчетах необходимо использовать меньшую по величине активность нона.

f(x)=1=>α(x)=с(х) т.е. движение иска не стеснено силами мсжионного взаимодействия, что наблюдается в бесконечно разбавленном растворе с концентрацией порядка 10-4 моль-дм-3.

Суммарное влияние ионов друг на друга оценивается с помощью ионной силы раствора (J), которая равна полусумме произведения малярности каждого иона на квадрат его заряда:

J=1/2ΣBi Zi2, где:

J- ионная сила раствора(моль-кг-1 );

Вi — моляльная концентрация, показывающая отношение количества вещества к массе растворителя (моль кг-1);

Zi- заряд иона.

Ионная сила характеризует интенсивность электрического поля ионов в растворе и для биологических жидкостей обусловлена присутствием ионов Nа+, К+, Са2+, С1-, НСО-.

Для большинства биологических жидкостей ионная сила имеет значение 0,15 моль кг-1. Эта величина объясняется присутствием в биологических средах ионов, образующихся при диссоциации таких солей, как NаСI, КС1, СаСI2, МgСI2, NаНСО3 и др., поэтому вводимые в организм растворы должны иметь определенную концентрацию с тем, чтобы их ионная сила была равна 0,15 моль кг-1. Такие растворы называются филологическими. На основе NаСI готовят физиологический раствор, применяемый внутривенно для регуляции давления и поддержания ритма сердечной мышцы предварительно устанавливая его концентрацию.

NaСI↔Na++CI- (α→1)

b(NaСI)=b(Na+)=b(СI-)=x моль кг-1

0,15=1/2

0,15=1/2

0,15=x

b(NaCI)=0,15 моль-кг-1, но в физиологии используется

W=m(в)/m(p) 100

1. М(NаСI)=58,5 г моль-1

m(NaCI)=nМ=0,15* 58,5=8,775г

2. m(р)=m(р-ля)+m(р-го в-ва)= m(Н20)+m(NaCI)=1000+8,775= 1008,775г.

3.W=8,775/1008,775*1000=0,87%

Поэтому физиологический раствор NaCI, используемы й в медицинской практике, должен иметь концентрацию в интервале значений 0.8-0,9%.

Ионное произведение воды. Водородный показатель среды.

Чистая дистиллированная вода хоть и не значительно, но проводит электрический ток. Процесс диссоциации воды слагается из двух стадий:

1. непосредственно диссоциация эндотермичиа;

2. гидратация протона – экзотермична.

Поэтому практически все протоны оказываются гидратированы

Н2О↔H++ОН- ∆H>0

Н2O+Н+=Н3О+ ∆Н<0

Суммарный процесс диссоциации воды называется уравнением автоионизации воды: 2Н2O↔Н3О++ОН-. Этот равновесный процесс характеризуется константой диссоциаци воды, определенной законом действующих масс.

Kд(H2O)=( )/2

Кд=( )/

При 250С Кд (Н20)=1,8•10-16моль дм-3

Молярная концентрация воды может считаться величиной постоянной, т.к. степень диссоциации воды=1,9 10-6, т.е. из 555 молекул воды только одна распадается на ионы. Молярная концентрация воды может быть определена как отношение массы одного дм3 воды к молярной массе.

=1000/18=55,6 моль дм-3

Исходя из уравнения константы диссоциации воды следует, что произведение концентраций протонов и гидроксид-анионов есть произведение двух констант;

Kв= =Kд =1,8 10-16 55,6=10-14 (моль дм-3)2

Данное выражение называется ионным произведением воды (Кв). Это выражение показывает, что в чистой воде и в растворе любого электролита произведение концентрации Н+ и ОН- есть величину постоянная при постоянной температуре, а сами концентрации являются сопряженными величинами, т.е. уменьшение одной вызывает увеличение другой и наоборот.

Величины концентраций Н+ и ОН- определяют кислотность или основностъ среды. В чистой воде с(H+)=c(OH-) и исходя из данного выражения может быть найдена как 10-7 моль •дм-3 исходя из этого все среды классифицируют:

1. Нейтральная среда =10-7 моль дм-3

2. Кислая среда >10-7 моль дм-3

3. Щелочная среда<10-7 моль дм-3

Характеризовать кислотность среды числами с открытыми показателями степеней неудобно, поэтому в 1909г было введено понятие водородный показатель среды — рН. рН равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода в растворе:

pН=-lg

рН=-lgC(H+)

рОН равен отрицательному десятичному логарифму концентрации гидроксид-анионов воды:

рОН=-lgС(ОН-)

=10-14(-lg)

-lgH++-lgOH-=-lg10-14

рН+рОН- =14 -уравнение ионного произведения воды.

По величине водородного показателя характеризуют кислотность среды:

1.pH=-lg10-7 =7- нейтральная среда. pОН=7;

2. рН<7 — кислая среда;

3. рН>7 — щелочная среда.

В биологических объектах инвово необходимо учитывать Т=37 0С. При этом уравнение ионного произведения воды имеет вид:

Кв37=Н++OH-=Кд(H2O)=-lg2,3 10-14=13,6, поэтому кислыми считаются биологические среды с рН<6,8, а щелочными — с рН>6,8. При определении кислотности среды используют медицинский алгоритм.

1. С(НСl)=0,01 моль дм-3. Определить рН раствора.

НС1↔Н++Сl-

C(H+)=10-2 моль дм-3

pH=-lg10-2=2

2.С(HCI)=0,001 моль дм-3. Определить рН раствора.

NaОН↔Nа++ОН-

С(NaОН)=10-2 моль дм-3

рОН=-IgС(ОН)=-Ig10-2=2

pОН+pOH=14 рН=14-рОН; рН=12

3.рН=4 Определить С(Н+) и С(ОН-)

рН=-Ig

Ig C=-pH

C=10-4моль•дм-3

С(ОН-)=10-14моль дм-3

Все вышеописанное относится к теории разбавленных растворов сильных электролитов. Для теории слабых электролитов учитывают активность ионов в растворе и различают три вида кислотности:

активную– характеризует активную концентрацию свободных протонов в растворе;

потенциальную (резервная) характеризует количество связанных протонов в молекулах непродиссоциировавших кислот, общую- сумма активной и потенциальной.

СН3СООН↔Н++СН3СОО- (α<3%)

Активную кислотность определяют только Н+, но их мало, т.к. α<3%

Потенциальная — определяется кол-вом связанных протонов в непродиссоциировавших молекулах уксусной кислоты.

Общая кислотность — сумма активной и потенциальной кислотностей. Определяется титрованием щелочью, а рН такого раствора является мерой активной кислотности среды и рассчитывается по уравнению:

рН=-IgαН+

Активную кислотность определяется потенциометрически. По разнице между обшей и активной кислотностями определяют резервную кислотность. Свободные протоны и молекулы кислот инвиво имеют разнообразную физиологическую активность, поэтому в биохимических исследованиях учитывают все виды кислотностей. Т.о. pH- это мера активности кислотной среды..

Биологические системы характеризуются определёнными и постоянными значениями рН. Так рН крови в норме составляет 7,36. рН слюны =6.8. рН желудочного сока =1.7. рН мочи=5,8 с возможными незначительными отклонениями в ту или другую сторону. Постоянство водородного показателя среды является залогом нормальной работы организма, что объясняется следующими причинами:

1) Протоны H+ являются катализаторами многих биохимических превращений,

2) Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность в определенном интервале рН. Так, например, пепсин желудочного сока активен при рН от 1,5 до 2, каталаза (фермент крови) активен при рН=7.3;

3) Белковые вещества способны денатурировать при колебаниях рН. что вызывает необратимые изменения в структуре протоплазмы

4) Незначительные изменения концентрации ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях вызывают значительные изменения величины давления внутриклеточной жидкости. Организм человека располагает тонкими механизмами регуляции происходящих в нем физиологических и биохимических превращений, направленных на поддержание кислотно-основного баланса. Это координация называется кислотно-основным гомеостазом. Гомеостаз осуществляется через кровь, тканевую жидкость, лимфу с помощью ферментов, гормонов, при участии нервных регулирующих механизмов. Пр.: продуктом окисления органических веществ является СО2, постоянно продуцируемый в кровь, где он связывается в молекулу угольной кислоты, которая диссоциирует, вызывает подкисление крови:

СО2+Н20=Н2СО3; К2СОзÛН++НСО3-.

При уменьшении рН крови на сотые доли происходит раздражение хеморецепторов, которые посылают импульс в дыхательный центр продолговатого мозга. Это, в свою очередь, возбуждает дыхательную мускулатуру. Т.о. усиливаются процессы вдоха и выдоха, и избыточный СО2 удаляется из организма. Отклонения реакции среды в живом организме в кислую сторону называется ацидозом, а щелочную -алкалозом. Тяжелое коматозное состояние наступает при колебаниях рН крови порядка 0.3, а отклонение на 0.4 от нормального значения рН вызывают смертельный исход. Т.о. постоянство рН всех систем организма обеспечивает его нормальную жизнедеятельность, а контроль величины рН дает возможность выявить патологию и правильно поставить диагноз.

ЛЕКЦИЯ № 5

Законы термодинамики являются важными объединяющими принципами науки биологии. Эти принципы регулируют химические процессы (обмен веществ) во всех биологических организмах.

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, утверждает, что энергия не может появиться ниоткуда и исчезнуть. Она способна переходить от одной формы к другой, но энергия в замкнутой системе остается постоянной.

Второй закон термодинамики гласит, что при передаче энергии в конце процесса переноса будет меньше энергии, чем в начале. Из-за энтропии, которая является мерой беспорядка в замкнутой системе, вся доступная энергия не будет полезна для организма. Энтропия увеличивается по мере передачи энергии.

В дополнение к законам термодинамики теория клеток, теория генов, теория эволюция и гомеостаз составляют главные принципы, лежащие в основе изучения жизни.

Первый закон термодинамики в биологических системах

Все биологические организмы нуждаются в энергии для выживания. В замкнутой системе, такой как Вселенная, эта энергия не потребляется, а трансформируется из одной формы в другую. К примеру, клетки организма выполняют ряд важных процессов. Эти процессы требуют энергии. При фотосинтезе энергия подается солнцем. Световая энергия поглощается клетками листьев растений и превращается в химическую энергию.

Химическая энергия хранится в виде глюкозы, которая используется для образования сложных углеводов, необходимых для создания растительной массы. Энергия, хранящаяся в глюкозе, также может выделяться через клеточное дыхание. Этот процесс позволяет растительным и животным организмам получать доступ к энергии, хранящейся в углеводах, липидах и других макромолекулах, путем производства АТФ.

Эта энергия необходима для выполнения клеточных функций, таких как репликация ДНК, митоз, мейоз, движение клеток, эндоцитоз, экзоцитоз и апоптоз.

Второй закон термодинамики в биологических системах

Как и в случае с другими биологическими процессами, передача энергии на 100% не эффективна. При фотосинтезе, например, не вся энергия света поглощается растением. Некоторая ее часть отражается, а другая часть трансформируется в тепло. Потеря энергии в окружающую среду приводит к увеличению беспорядка или энтропии.

В отличие от растений и других фотосинтезирующих организмов животные не могут генерировать энергию непосредственно из солнечного света. Они должны потреблять растения или других животных организмы для получения энергии. Чем выше организм находится в пищевой цепи, тем меньше доступной энергии он получает от своих источников пищи.

Большая часть этой энергии теряется во время метаболических процессов. Поэтому для организмов в высших трофических уровнях доступно гораздо меньше энергии. Чем меньше энергии, тем меньше число организмов может быть поддержано. Именно поэтому в экосистеме больше производителей, чем потребителей. Живые системы непрерывно нуждаются в энергии для поддержания своего высокоупорядоченного состояния.

Клетки, например, сильно упорядочены и имеют низкую энтропию. В процессе поддержания этого порядка некоторая энергия теряется в окружающей среде или трансформируется. Таким образом, в то время как клетки упорядочены, процессы, выполняемые для поддержания этого порядка, приводят к увеличению энтропии в окружении клетки/организме. Передача энергии приводит к увеличению энтропии во Вселенной.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Термодинамика живых систем. Биотическая структура природных экосистем.

Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а. значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния. В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живо системы в такое состояние означает для нее смерть.

Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых систем.

Весьма важным является вопрос о применимости законов термодинамики к живым системам.

I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой

DE = Q + A

Для адиабатически изолированных (Q = 0, то есть обмена теплом с внешней средой не происходит) и замкнутых (А = 0, то есть внешние силы отсутствуют) систем DE = 0. Последнее утверждение является законом сохранения энергии: при всех изменениях, происходящих в адиабатически изолированных и замкнутых системах полная энергия системы остается постоянной.

Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. Действительно, как показали опыты, общее количество энергии, которое получает организм за некоторый промежуток времени, вновь обнаруживается впоследствии в виде:

а) выделяемого тепла;

б) в совершаемой внешней работе или выделяемых веществах;

в) в виде теплоты сгорания веществ, синтезированных за этот промежуток времени за счет энергии, поступившей извне.

II закон (начало) термодинамики.Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах, то есть DS ³ 0. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим, поэтому также DS ³ 0.

Здесь есть также определенная связь с упорядоченностью системы, а также с информацией (большая упорядоченность соответствует большему количеству информации). Можно говорить при этом о единстве природы информации и энтропии. Действительно, увеличение энтропии соответствует переходу системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние. Такой переход сопровождается уменьшением информации, содержащейся в структуре системы. Беспорядок, неопределенность можно трактовать как недостаток информации. В свою очередь возрастание количества информации уменьшает неопределенность.

Вспомним физический смысл энтропии. Все процессы, самопроизвольно протекающие в природе, необратимы и способствуют переходу системы в равновесное состояние, которое всегда характеризуется тем, что:

а) в процессе этого перехода всегда безвозвратно выделяется некоторая энергия и для совершения полезной работы она использована быть не может;

б) равновесном состоянии элементы системы характеризуются наименьшей упорядоченностью.

Отсюда следует, что энтропия является как мерой рассеяния энергии, так и, что сейчас для нас главное, мерой неупорядоченности системы.

Применение второго закона термодинамики к живым системам без учета того, что это открытые системы, приводит к противоречию. Действительно, энтропия должна всегда возрастать, то есть должна расти неупорядоченность живой системы. В то же время мы хорошо знаем, что все живые системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе развития каждого организма (ортогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза) все время образуются новые структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Таким образом, второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим.

Для открытых термодинамических систем изменение энтропии состоит из суммы

DS = DSi + DSе

где DSi – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, DSe – изменение энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой.

Согласно второму закону термодинамики величина DSi может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dSe может быть положительной (DSe > 0, система получает энтропию) и отрицательной (DSe < 0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe < 0 и |DSe| > | DSi | :

DS = DSi + DSe < 0,

что означает увеличение упорядоченности в случае, когда систему покидает больше энтропии, чем возникает внутри ее в ходе необратимых процессов.

Рассмотрим производную энтропии по времени , которую называют скоростью изменения или производством энтропии. Из выражения для DS следует, что производство энтропии открытой системы:

Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины):

Это означает, что

,

т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dSi), должна полностью переходить во внешнюю среду.

Теорема Пригожина. Согласно теореме Пригожина, если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным, то есть .

Таким образом, мы можем сказать, что для открытой системы в стационарном состоянии производство энтропии минимально.

Для живых систем это означает следующее:

В течение времени жизни живой системы ее элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает неупорядоченность).

Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией).

Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению энтропии системы, которое связано с процессом распада и создает упорядоченность.

Источником энергии для совершения негэнтропийной внутренней работы являются:

Для организмов — гетеротрофов (питающихся только органической пищей) – энергия в виде химических связей и низкая энтропия поглощаемых высокоструктурированых органических веществ. В этом случае поглощаемые пищевые вещества обладают больше упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.

Для организмов — автотрофов (самостоятельно синтезирующих для себя питательные вещества из неорганических соединений с участием солнечного излучения) – энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией.

Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

Если рассматривать систему «живой организм плюс среда», из которой берутся питательные вещества и в которую отдаются продукты обмена, то второй закон термодинамики справедлив: энтропия этой системы возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система создает внутри себя упорядоченность за счет того, что она уменьшает упорядоченность в окружающей среде.

Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом (как следует из теоремы Пригожина) минимально.

Таким образом, с позиций термодинамики можно утверждать, что живым системам присущи процессы, уменьшающие энтропию систем и, следовательно, поддерживающие их организованность.

Термодинамика биосистем

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биофизики, информатики и медицинской аппаратуры

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕДАЦИИ

на тему:

для студентов медицинского университета.

Утверждено

на методическом совете кафедры

«___»_______________2010 года

Зав.кафедрой

Профессор __________ Годлевский Л.С.

Одесса 2010

Термодинамика- раздел физики, рассматривающий системы (термодинамические), между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему.

Основные понятия термодинамики. Первое начало термодинамки

Открытые, закрытые и изолированные системы.

Мерой передачи энергии в процессе теплообмена яявляется количество теплоты, а мерой передачи энергии в процессе работы является сама работа

Закон сохранения энергии для теплового процесса формулируется как первое начало термодинамики. Количество теплоты передаваемое системе идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы.

Второе начало термодинамики. Энтропия.

Есть несколько определений второго закона

Клаузиса: теплота сама собой не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Томсон- невозможен вечный двигатель второго рода.

Отношение количества теплоты полученного или отданного рабочим веществом к температуре, при которой происходит теплообмен, называют приведенным количеством теплоты.

Энтропия- функция состояния системы, разность значений которой для двух состояний равна сумме приведенных количеств теплоты при обратимом переходе системы из одного состояния в другое.

Если процес происходит в изолированной системе, то в обратимом процессе энтропия не изменяется, а в необратимом возрастает.

Молекулярно- кинетическая теория показывает, что энтропия наиболее удачно может характеризоваться как мера неупорядоченности частиц системы.

Когда газ конденсируется или происходит кристаллизация при постоянной температуре, то выделяется теплота и энотропия убывает. При этом увеличивается упорядоченность структуры.

Неуопрядоченность системы количественно характеоризуется термодинамической вероятностью — числом способов размещения частиц или числом микросостояний реализующих данное макросостояние.

Больцман установил, что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности

S= k ln W

Основная задача термодинамики заключается в том, чтобы найти такие характеристики, которые бы однозначно определеляли измнение состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое. На основании опыта такой величиной была определена внутренняя энергия U. Она является функцией состояния системы и зависит от термодинамических параметров:

U= f(m, p, V, T).

Внутренняя энерегия прпедставляет собой сумму кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул термодинамичсекой системы.

Измерение внутренней энергии дельта U в замкнутой системе возможно осуществить путем измерения поглощенной (выделившейся) теплоты Q и выполненную работу W. Эксперментально установлено, что изменение внутренней энергии равно

Дельта U= U2-U1+ Q-W.

В замкнутой системе внутренняя энергия представляет собой постоянную величину.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что в изолированой термодинамческой системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой в эквивалтентных соотношениях.

1.2. Энтальпия. Закон Гесса.

При фиксированном давлении р можно ввести вместо внутренней энергии иную функцию состояния, которая будет хорошо описывать термодинамическую систему; она важна для изучения химических реакций в клетке, протекающих при р= const.

При этом работа по изменению объема при постоянном давлении запишется как

Wp= p дельта V.

Тогда запись первого закона термодинамики будет иметь вид:

Q= U +дельта pV= дельта (U+ pV)= дельтаH.

Новая функция будет представлять собой функцию сосотояния — энтальпию (Н) (от греч.- энтальпия- «нагреваю»).

Энтальпию называют теплосодержанием системы.

Данная функция лежит в основе закона Гесса:

Эффект химической реакции Q не зависит от пути реакции от исходных веществ к продуктам реакции, а определяетрся лишь разностью энтальпий конечных и исходных веществ.

Закон Гесса- прямое следствие первого закона термодинамики. Следует отметить важное свойство этой новой функции состояния: поскольку изменение энтальпии (содержания тепла) системы соответствует величине поглощенной или выделенной теплоты, то ее можно точно определить калориметром.

Энтальпия при изменении состояния системы представляет собой разность между количеством выделившегося тепла и величиной полезной работы.

Калориметрия.

Впервые измерения энергетического баланса организма были проведены в конце XVIII го века Лавуазье и Лапласом.

Следует подчеркнуть, что достаточную точность калориметрии возможно иметь только в том случае, когда организм не накопляет биомассы и не выполняет работу.

В термодинамике объектом исследования является система, под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и веществом с этой средой, и открытые системы, в которых такой обмен происходит. Живые организмы представляют собой открытые системы.

Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одни из этих параметров зависят от массы или числа частиц в системе (иначе говоря, от размеров системы), другие пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров. К ним относится давление, температура и т.п. Параметры второй группы называются экстенсивными- объем, энергия, энтропия и др.

Поэтому энергию системы также можно определить как сумму данных составляющих, т.е. как результирующую компонентов, которые зависят от движения и положения системы как целого (W) и не зависящих от этого факторов (U). Вторая составляющая называется внутренней энергией. Она включает в себя энергию теплового движения частиц, химическую энергию и ядерную энергию.

Из полной энергии системы выделяют так называемую энтальпию Н=U+ pV. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, полученному системой. Поэтому энтальпию называют также теплосодержанием.

Первое начало термодинамики.

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами- посредством передачи тепла и путем совершения работы:

дельтаU= Q- A Q= дельтаU+ A.

Эта формула и выражает первое начало термодинамики.

Адиабатический процесс- в системе отсутствует теплообмен из- за идеальной тепловой изоляции системы.

Свободная и связанная энергия.

Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным или неупорядоченным

Обратимые и необратимые процессы

Применение первого начала термодинамики к живым организмам

В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счет тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Поэтому положение, согласно которому изменение внутренней энергии равно ее обмену энергией с окружающей средой удобнее записать как

ДельтаU= Wпищи- Q- A

Поскольку организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, поэтому внутренняя энергия такого организма приблизительно постоянна. Слепдовательно дельта У= 0.

Поэтому Wпищи= Q+ A.

Данная формула вполне соответствует приложению первого начала термодинамики к биологическим системам

Следует подчеркнуть ту особенность преобразования энергии пищи в энергию (работу) является тот момент, что нет промежуточного момента в виде образования свободной тепловой энергии.

Источники свободной энергии живого организма в виде совершаемых работ.

Температура и теплота

Термодинамики в описании явлений природы

Основные принципы термодинамики. Значение законов

Статистическое описание природы находит свое воплощение в термодинамике. Термодинамика базируется на двух основных законах.

Закон сохранения энергии. Он выполняется во всех явлениях природы и подтверждается опытом человечества.

Q = U – A, где U – внутренняя энергия, A – работа.

Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. В другой редакции этот закон звучит так: нельзя построить действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен).

Тепловые процессы протекают самопроизвольно только в определенном направлении, такие процессы называются необратимыми.То есть тепло перетекает от более нагретого тела к менее нагретому.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух форм энергии – теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Немецкий физик Р. Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии,которое впоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок (хаос) в системе.

Энтропия замкнутой системы,т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом,постоянно возрастает(второе начало термодинамики).

Таким образом, такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой работа становится невозможной. В точке термодинамического равновесия энтропия максимальна. Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то энтропия и выступает в качестве своеобразной стрелы времени.

Отличие термодинамической модели от классической механики: необратимость времени.

Отличие от эволюционной теории Дарвина: эволюция – это естественный отбор и усложнение организации систем; термодинамическая же система движется к дезорганизации систем.

Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял Р. Клаузиус, выдвинув два постулата:

1. Энергия Вселенной всегда постоянна.

2. Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Все процессы во Вселенной направлены в сторону термодинамического равновесия – состояния, характеризующегося наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. Во Вселенной должна наступить «тепловая смерть».

Живые организмы, являясь открытыми системами, постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией; получая энергию, организмы упорядочиваются, т.е. снижается энтропия. Но если рассматривать систему «организм – среда» в целом, энтропия постоянно растет.

Законы классической механики строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена «+t» на » -t» ничего в них не меняет. Поэтому и говорят, что механика обратима. Если мы абсолютно точно знаем начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы. Конечно, практически это осуществить невозможно, ни один компьютер не справится с такой задачей. Главное то, что мы можем это сделать теоретически. В мире ньютоновской механики все события раз и навсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в нем нет места случайностям.

А вот согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении – к максимальной энтропии, возрастанию хаоса, что сопровождается рассеянием энергии. Проблема, которая потребовала своего решения, выглядела так: как можно вывести необратимость термодинамики из обратимости механики?

Эту проблему пытался решить во второй половине XIX века Л. Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость имеет смысл только для большого числа частиц: если частиц мало, то система оказывается фактически обратимой. Для того чтобы согласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью, Больцман использовал вероятностное описание системы. Однако вскоре было показано, что уже само по себе вероятностное описание в неявном виде содержит представление о существовании «стрелы времени», и поэтому доказательство Больцмана нельзя считать корректным решением проблемы.

Сам Больцман пришел к выводу, что вся бесконечная Вселенная в целом обратима, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине XX века пулковский астроном Н.А. Козырев попытался создать необратимую механику, в которой «стрела времени» имеет характер физической реальности и служит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускает возможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областях Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особую физическую сущность, подобную «жизненной силе».

Термодинамика

Термодинамика – это раздел физики, изучающий тепловые свойства макроскопических тел и систем тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, на основе закона сохранения энергии, без учета внутреннего строения тел, составляющих систему.

Термодинамика не рассматривает микроскопические величины – размеры атомов и молекул, их массы и количество.

Законы термодинамики устанавливают связи между непосредственно наблюдаемыми физическими величинами, характеризующими состояние системы, такими как давление ​\( p \)​, объем ​\( V \)​, температура ​\( T \)​.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия – это физическая величина, равная сумме кинетической энергии теплового движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Обозначение – ​\( U \)​, в СИ единица измерения – Джоуль (Дж).

В термодинамике внутренняя энергия зависит от температуры и объема тела.

Внутренняя энергия тел зависит от их температуры, массы и агрегатного состояния. С ростом температуры внутренняя энергия увеличивается. Наибольшая внутренняя энергия у вещества в газообразном состоянии, наименьшая – в твердом.

Внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения его частиц; потенциальная энергия взаимодействия частиц равна нулю.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре, а от объема не зависит (молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом):

где ​\( i \)​ – коэффициент, равный числу степеней свободы молекулы, ​\( \nu \)​ – количество вещества, ​\( R \)​ – универсальная газовая постоянная, ​\( T \)​ – абсолютная температура.

Число степеней свободы равно числу возможных движений частицы.

Важно!
Для одноатомных газов коэффициент ​\( i \)​ = 3, для двухатомных газов ​\( i \)​ = 5.

На практике часто важно уметь находить изменение внутренней энергии:

При решении задач можно записать формулу для вычисления внутренней энергии, используя уравнение Менделеева–Клапейрона:

где ​\( p \)​ – давление, ​\( V \)​ – объем газа.

Внутренняя энергия реальных газов зависит как от температуры, так и от объема.

Изменить внутреннюю энергию можно за счет изменения температуры (при теплопередаче) и за счет изменения давления и объема (при совершении работы).

Тепловое равновесие

Тепловое равновесие – это состояние системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами. К ним относятся давление и температура, объем, масса, концентрация отдельных компонентов смеси газа и др. В состоянии теплового равновесия отсутствует теплообмен с окружающими телами, отсутствуют переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, не меняются температура, давление, объем.

Любая термодинамическая система переходит самопроизвольно в состояние теплового равновесия. Каждому состоянию теплового равновесия, в которых может находиться термодинамическая система, соответствует определенная температура.

Важно!
В состоянии теплового равновесия объем, давление могут быть различными в разных частях термодинамической системы, и только температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, является одинаковой. Микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Теплопередача

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы.

Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение (лучистый теплообмен). Теплопередача происходит между телами, имеющими разную температуру. Тепло передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых тел (частей тела) к менее нагретым в результате движения и взаимодействия частиц тела. Высокую теплопроводность имеют металлы – так, лучшие проводники тепла – медь, золото, серебро. Теплопроводность жидкостей меньше, а газы являются плохими проводниками тепла. Пористые тела плохо проводят тепло, так как в порах содержится воздух. Вещества с низкой теплопроводностью используют в качестве теплоизоляторов. Теплопроводность невозможна в вакууме. При теплопроводности не происходит переноса вещества.

Явление теплопроводности газов аналогично явлению диффузии. Быстрые молекулы из слоя с более высокой температурой перемещаются в более холодный слой, а молекулы из холодного слоя перемещаются в более нагретый. За счет этого средняя кинетическая энергия молекул более теплого слоя уменьшается, и его температура становится ниже.

В жидкостях и твердых телах при повышении температуры какого-либо участка твердого тела или жидкости его частицы начинают колебаться сильнее. Соударяясь с соседними частицами, где температура ниже, эти частицы передают им часть своей энергии, и температура этого участка возрастает.

Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа.

Объяснить механизм конвекции можно на основе теплового расширения тел и закона Архимеда. При нагревании объем жидкости увеличивается, а плотность уменьшается. Нагретый слой под действием силы Архимеда поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это естественная конвекция. Она возникает при неравномерном нагревании жидкости или газа снизу в поле тяготения.

При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит под действием насосов, лопастей вентилятора. Такая конвекция применяется в состоянии невесомости. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев среды и агрегатного состояния вещества. Конвекционные потоки поднимаются вверх. При конвекции происходит перенос вещества.

В твердых телах конвекция невозможна, так как частицы не могут из-за сильного взаимодействия покидать свои места. В вакууме конвекция также невозможна.

Примером конвективных потоков в природе являются ветры (бризы дневной и ночной, муссоны).

Излучение (лучистый теплообмен) – перенос энергии электромагнитными волнами. Перенос тепла излучением возможен в вакууме. Источником излучения является любое тело, температура которого отлична от нуля К. При поглощении энергия теплового излучения переходит во внутреннюю энергию. Темные тела быстрее нагреваются излучением, чем тела с блестящей поверхностью, но и остывают быстрее. Мощность излучения зависит от температуры тела. С увеличением температуры тела энергия излучения увеличивается. Чем больше площадь поверхности тела, тем интенсивнее излучение.

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количество теплоты – это скалярная физическая величина, равная энергии, которую тело получило или отдало при теплопередаче.

Обозначение – ​\( Q \)​, в СИ единица измерения – Дж.

Удельная теплоемкость – это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое тело массой 1 кг получает или отдает при изменении его температуры на 1 К.

Обозначение – ​\( c \)​, в СИ единица измерения – Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость определяется не только свойствами вещества, но и тем, в каком процессе осуществляется теплопередача. Поэтому выделяют удельную теплоемкость газа при постоянном давлении – ​\( c_P \)​ и удельную теплоемкость газа при постоянном объеме – ​\( c_V \)​. Для нагревания газа на 1 К при постоянном давлении требуется большее количество теплоты, чем при постоянном объеме – ​\( c_P > c_V \)​.

Формула для вычисления количества теплоты, которое получает тело при нагревании или отдает при охлаждении:

где ​\( m \)​ – масса тела, ​\( c \)​ – удельная теплоемкость, ​\( T_2 \)​ – конечная температура тела, ​\( T_1 \)​ – начальная температура тела.

Важно!
При решении задач на расчет количества теплоты при нагревании или охлаждении можно не переводить температуру в кельвины. Так как 1К=1°С, то​\( \Delta T=\Delta t \)​.

Работа в термодинамике

Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела.

Обозначение работы газа – ​\( A’ \)​, единица измерения в СИ – джоуль (Дж). Обозначение работы внешних сил над газом – ​\( A \)​.

Работа газа ​\( A’ =-A \)​.

Работой расширения идеального газа называют работу, которую газ совершает против внешнего давления.

Работа газа положительна при расширении и отрицательна при его сжатии. Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работы газ не совершает.

Графически работа газа может быть вычислена как площадь фигуры под графиком зависимости давления от объема в координатных осях ​\( (p,V) \)​, ограниченная графиком, осью ​\( V \)​ и перпендикулярами, проведенными из точек начального и конечного значений объема.

Формула для вычисления работы газа:

в изобарном процессе ​\( A’=p\cdot\Delta V. \)​

в изотермическом процессе \( A’=\frac{m}{M}RT\ln\frac{V_2}{V_1}. \)​

Уравнение теплового баланса

Если система тел является теплоизолированной, то ее внутренняя энергия не будет изменяться несмотря на изменения, происходящие внутри системы. Если ​\( A \)​ = 0, ​\( Q \)​ = 0, то и ​\( \Delta U \)​ = 0 .

При любых процессах, происходящих в теплоизолированной системе, ее внутренняя энергия не изменяется (закон сохранения внутренней энергии).

Рассмотрим теплоизолированную систему из двух тел с разными температурами. При контакте между ними будет проходить теплообмен. Тело с большей температурой будет отдавать некоторое количество теплоты, а тело с меньшей температурой – получать, пока температуры тел не станут равными. Так как суммарная внутренняя энергия не должна изменяться, то, на сколько уменьшится внутренняя энергия более нагретого тела, на столько должна увеличиться внутренняя энергия второго тела. Так как работа не совершается, то изменение внутренней энергии равно количеству теплоты.

Количество теплоты, отданное при теплообмене телом с большей температурой, равно по модулю количеству теплоты, полученному телом с меньшей температурой:

Другая формулировка: если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма отданных ​\( Q_{отд} \)​ и полученных \( Q_{пол} \) количеств теплоты равна нулю:

Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.

Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:

количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами:

Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

Изотермический процесс: ​\( Q=A’\,(T=const, \Delta U=0) \)​
Физический смысл: все переданное газу тепло идет на совершение работы.

Изобарный процесс: \( Q=\Delta U+A’ \)​
Физический смысл: подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы.

Изохорный процесс: \( Q=\Delta U\,(V=const, A’=0) \)​
Физический смысл: внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла.

Адиабатный процесс: ​\( \Delta U=-A’ \)​ или ​\( A=\Delta U\,\mathbf{(Q=0)} \)​
Физический смысл: внутренняя энергия газа уменьшается за счет совершения газом работы. Температура газа при этом понижается.

Задачи об изменении внутренней энергии тел

Такие задачи можно разделить на группы:

  • При взаимодействии тел изменяется их внутренняя энергия без совершения работы над внешней средой.
  • Рассматриваются явления, связанные с превращением одного вида энергии в другой при взаимодействии двух тел. В результате происходит изменение внутренней энергии одного тела вследствие совершенной им или над ним работы.

При решении задач первой группы:

  • установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, а у каких – возрастает;
  • составить уравнение теплового баланса ​\( (\Delta U=0) \), при записи которого в выражении ​\( Q =cm(t_2 – t_1) \)​ для изменения внутренней энергии нужно вычитать из конечной температуры тела начальную и суммировать члены с учетом получающегося знака;
  • решить полученное уравнение относительно искомой величины;
  • проверить решение.

При решении задач второй группы:

  • убедиться, что в процессе взаимодействия тел теплота извне к ним не подводится, т.е. действительно ли ​\( Q = 0 \)​;
  • установить, у какого из двух взаимодействующих тел изменяется внутренняя энергия и что является причиной этого изменения – работа, совершенная самим телом, или работа, совершенная над телом;
  • записать уравнение ​\( Q = \Delta U + A \)​ для тела, у которого изменяется внутренняя энергия, учитывая знак перед работой и КПД рассматриваемого процесса;
  • если работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии одного из тел, то ​\( А= -\Delta U \)​, а если внутренняя энергия тела увеличивается за счет работы, совершенной над телом, то ​\( A=\Delta U \)​;
  • найти выражения для ​\( \Delta U \)​ и ​\( A \)​;
  • подставить в исходное уравнение вместо \( \Delta U \) и \( A \) выражения для них, получить окончательное соотношение для определения искомой величины;
  • решить полученное уравнение относительно искомой величины;
  • проверить решение.

Второй закон термодинамики

Все процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Необратимым называется процесс, обратный которому может протекать только как составляющая более сложного процесса.

Примеры необратимых процессов:

  • переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу;
  • переход механической энергии во внутреннюю энергию.

Первый закон термодинамики ничего не говорит о направлении процессов в природе.

Второй закон термодинамики выражает необратимость процессов, происходящих в природе. Существует несколько его формулировок.

Второй закон термодинамики (формулировка Клаузиуса):
невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Второй закон термодинамики (формулировка Кельвина):
невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Эта формулировка говорит также и о том, что невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Важно!
В формулировке второго закона термодинамики большое значение имеют слова «единственным результатом». Если процессы, о которых идет речь, не являются единственными, то запреты снимаются. Например, в холодильнике происходит передача тепла от более холодного тела к нагретому и при этом осуществляется компенсирующий процесс превращения механической энергии окружающих тел во внутреннюю энергию.

Второй закон термодинамики выполняется для систем с огромным числом частиц. В системах с малым количеством частиц возможны флуктуации – отклонения от равновесия.

КПД тепловой машины

Коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины (двигателя) называется отношение работы ​\( A \)​, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты ​\( Q_1 \)​, полученному за цикл от нагревателя:

Тепловая машина с максимальным КПД была создана Карно. В машине осуществляется круговой процесс (цикл Карно), при котором после ряда преобразований система возвращается в начальное состояние.

Цикл Карно состоит из четырех стадий:

  1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс 1–2). В начале процесса рабочее тело имеет температуру ​\( T_1 \)​, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты ​\( Q_1 \)​. При этом объем рабочего тела увеличивается.
  2. Адиабатное расширение (на рисунке — процесс 2–3). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника ​\( T_2 \)​.
  3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс 3–4). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру ​\( T_2 \)​, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты ​\( Q_2 \)​.
  4. Адиабатное сжатие (на рисунке — процесс 4–1). Рабочее тело отсоединяется от холодильника. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ​\( T_1 \)​.

КПД цикла Карно:

Отсюда видно, что КПД цикла Карно с идеальным газом зависит только от температуры нагревателя ​\( (T_1) \)​ и холодильника \( (T_2) \).

Из уравнения следуют выводы:

  • для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;
  • КПД тепловой машины всегда меньше 1.

Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами.

КПД тепловых двигателей: двигатель внутреннего сгорания — 30%, дизельный двигатель — 40%, паровая турбина — 40%, газовая турбина — 25–30%.

Принципы действия тепловых машин

Тепловым двигателем называют устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Основные части теплового двигателя:

  • Нагреватель – тело с постоянной температурой, преобразующее внутреннюю энергию топлива в энергию газа. В каждом цикле работы двигателя нагреватель передает рабочему телу некоторое количество теплоты.
  • Рабочее тело – это газ, совершающий работу при расширении.
  • Холодильник – тело с постоянной температурой, которому рабочее тело передает часть тепла.

Любая тепловая машина получает от нагревателя некоторое количество теплоты ​\( Q_1 \)​ и передает холодильнику количество теплоты ​\( Q_2 \)​. Так как ​\( Q_1 > Q_2 \)​, то совершается работа ​\( A’ = Q_1 – Q_2 \)​.

Тепловой двигатель должен работать циклически, поэтому расширение рабочего тела должно сменяться его сжатием. Работа расширения газа должна быть больше работы сжатия, совершаемой внешними силами (условие совершения полезной работы). Температура газа при расширении должна быть выше, чем температура при сжатии. Тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении.

В реальных тепловых машинах нагревателем является камера сгорания. В них рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, вычисляется по формуле:

где ​\( q \)​ – удельная теплота сгорания топлива, ​\( m \)​ – масса топлива.

Холодильником чаще всего у реальных двигателей служит атмосфера.

Виды тепловых двигателей:

  • паровой двигатель;
  • турбина (паровая, газовая);
  • двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный, дизельный);
  • реактивный двигатель.

Тепловые двигатели широко используются на всех видах транспорта: на автомобилях – двигатели внутреннего сгорания; на железнодорожном транспорте – дизельные двигатели (на тепловозах); на водном транспорте – турбины; в авиации – турбореактивные и реактивные двигатели. На тепловых и атомных электростанциях тепловые двигатели приводят в движение роторы генераторов переменного тока.

Проблемы энергетики и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели широко применяются на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции). Использование тепловых двигателей сильно влияет на состояние биосферы Земли. Можно выделить следующие вредные факторы:

  • при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, что приводит к снижению содержания кислорода в воздухе;
  • при сгорании топлива в атмосферу выделяется углекислый газ. Концентрация углекислого газа в атмосфере повышается. Это изменяет прозрачность атмосферы, так как молекулы углекислого газа поглощают инфракрасное излучение, что ведет к повышению температуры (парниковый эффект);
  • при сжигании угля в атмосферу поступают азотные, серные соединения и соединения свинца, вредные для здоровья человека.

Решение проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия предприятий тепловой энергетики требует комплексного подхода. Массовыми загрязнителями при работе тепловых электростанций являются летучая зола, диоксид серы и оксиды азота. Методы сокращения выбросов зависят от свойств топлива и условия его сжижения. Предотвращение загрязнения летучей золой достигается очисткой всего объема продуктов сгорания твердого топлива в высокоэффективных золоуловителях. Сокращение выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлива на тепловых электростанциях, а также в парогазовых и газотурбинных установках обеспечивается, главным образом, технологией сжигания топлива. Уменьшение выброса диоксида серы может быть достигнуто различными методами облагораживания и переработки топлива вне тепловых электростанций либо непосредственно на тепловых электростанциях, а также очисткой дымовых газов.

Контроль за выбросом вредных веществ электростанций осуществляется специальными приборами.

В ряде случаев достаточно эффективным решением вопросов очистки выбросов в атмосферу остается сооружение фильтров-уловителей и дымовых труб. У дымовой трубы два назначения: первое — создавать тягу и тем самым заставлять воздух — обязательный участник процесса горения — в нужном количестве и с должной скоростью входить в топку; второе — отводить продукты горения (вредные газы и имеющиеся в дыме твердые частицы) в верхние слои атмосферы. Благодаря непрерывному турбулентному движению вредные газы и твердые частицы уносятся далеко от источника их возникновения и рассеиваются.

Для рассеивания сернистого ангидрида, содержащегося в дымовых трубах тепловых электростанций, сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и 320 м. Тепловые электростанции России, работающие на твердом топливе, за год выбрасывают в отвалы около 100 млн т золы и шлаков. Зола и шлаки занимают большие площади земель, неблагоприятно влияют на окружающую среду.

Более половины всех загрязнений создает транспорт. Один из путей решения проблемы защиты окружающей среды заключается в переходе на дизельные двигатели, электродвигатели, повышение КПД.

Алгоритм решения задач раздела «Термодинамика»:

  • выделить систему тел и определить ее тип (замкнутая, адиабатически замкнутая, замкнутая в механическом смысле, незамкнутая);
  • выяснить, как изменяются параметры состояния ​\( (p,V,T) \)​ и внутренняя энергия каждого тела системы при переходе из одного состояния в другое;
  • записать уравнения, связывающие параметры двух состояний системы, формулы для расчета изменения внутренней энергии каждого тела системы при переходе из одного состояния в другое;
  • определить изменение механической энергии системы и работу внешних сил по изменению ее объема;
  • записать формулу первого закона термодинамики или закона сохранения и превращения энергии;
  • решить систему уравнений относительно искомой величины;
  • проверить решение.

Основные формулы раздела «Термодинамика»

1. Дайте понятие биологической системы. Что такое объект, предмет, методы, задачи биологии?

  • •6. Укажите основные черты строения липидов и углеводов. Какова биологическая роль этих соединений в клетках живых организмов?
  • •38. В чем принципы эволюционного учения? Опишите процесс происхождения видов. В чем суть работ ч. Дарвина, ж.-б. Ламарка, а.Н. Северцова?
  • •37. Опишите сущность понятия адаптации. В чем заключается принцип Ле-Шателье? Дайте понятие гомеостаза. В чем его биологическая роль?
  • •15. Каковы структурные аспекты дыхания? Объясните локализацию процесса в клетке. Каковы основные особенности строения митохондрий?
  • •24. Опишите механизмы и основные типы газообмена у животных. Приведите примеры.
  • •16. Каковы клеточные механизмы трансмембранного переноса? в чем сущность пассивного переноса? Сравните понятия диффузии и осмоса.
  • •8. Назовите известные Вам фотосистемы. Покажите основные светозависимые стадии фотосинтеза.
  • •9. Укажите светонезависимые стадии фотосинтеза. Опишите основные стадии цикла Кальвина. Какова биологическая роль этого процесса?
  • •11. Обоснуйте концепцию хемиосмотического сопряжения.
  • •26. Опишите процесс пищеварения у разных групп животных. Укажите биологическую роль, отметьте эволюционное развитие пищеварительной системы.
  • •29. Дайте понятие экскреции у млекопитающих. Какие основные этапы можно выделить в этом процессе? Какова биологическая роль этого процесса?
  • •43. Дайте определение понятие ресурса. Укажите существующие принципы ресурсопотребления в биосфере и в обществе.
  • •42. Вернадский о распределении живого вещества в биосфере. «Сгущения» и «плёнки» жизни в океане.
  • •14. Опишите сущность процесса окислительного фосфорилирования. В чем заключается его энергетическая эффективность?
  • •44. Дайте понятие стабильных и нестабильных экосистем. Укажите основные причины и пути преодоления экологического кризиса.
  • •30. Дайте определение крови. Каковы биологические функции крови? Перечислите основные вещества, входящие в состав крови.
  • •39 Назовите основные тезисы теории в.И. Вернадского о единстве живой и неживой природы. Дайте определение и сущность понятия биокосной системы.
  • •12. Какова сущность процесса гликолиза? Покажите его основные молекулярные механизмы. Какова локализация процесса в клетке? Укажите энергетическую эффективность и эволюционный аспект процесса.
  • •10. Сравните с-4 и сам- фотосинтез. Каковы физиологические и экологические особенности этих процессов?
  • •20. Опишите лизосомы, как участников клеточного метаболизма. Какова их биологическая роль в клетке?
  • •35. Сравните основные стадии процессов митоза и мейоза. Какова биологическая роль отдельных стадий и процессов в целом?
  • •3. Дайте определения и сущность понятий: «начала термодинамики», «качество энергии». В чем заключается понятие энтропии? Что такое «стрела времени» в термодинамических процессах?
  • •33. Что такое закономерность образования потока вещества? Опишите критерии: замкнутость, степень замкнутости.
  • •15. Каковы структурные аспекты дыхания? Объясните локализацию процесса в клетке. Каковы основные особенности строения митохондрий?
  • •19. Опишите комплекс Гольджи, как участника клеточного метаболизма. Какова его биологическая роль в клетке?
  • •18. Каково участие эндоплазматической сети во внутриклеточном транспорте и трансформации веществ?
  • •22. Опишите механизм транспорта воды и минеральных веществ растениями.
  • •27. Опишите процесс пищеварения у млекопитающих. Какие основные стадии можно выделить в этом процессе? Биологическая роль процесса?
  • •36. Дайте понятие управляющей связи. Какие основные типы управляющих связей выделяют?
  • •25. Какие типы питания у животных Вам известны? Приведите примеры.
  • •31. Опишите поток энергии через экологическое сообщество. Дайте определение «сообщества».
  • •28. Опишите основные типы экскреции. Каковы биохимический и экологический аспекты этого процесса?
  • •21. Дайте понятие транспирации и газообмена у растений. Какова биологическая роль этих процессов?
  • •34. Каковы основные молекулярные механизмы сохранения биосистем? Что такое генный код? в чем заключается его универсальность? Укажите основные стадии биосинтеза белков.
  • •1. Дайте понятие биологической системы. Что такое объект, предмет, методы, задачи биологии?
  • •23. Опишите механизм транспорта органических веществ растениями. Что такое модель Мюнха?
  • •2. Опишите уровни иерархии в биологии. В чем заключается принцип эмерджентности свойств и его методологические следствия? Покажите в чем аналогичность и множественность биосистем.
  • •4. Дайте сущность понятия диссипативной структуры, понятия открытой системы. Перечислите основные постулаты Теоремы Пригожина. Напишите Ваше мнение по поводу энергетики живого: ”порядок из хаоса”.
  • •13. Какова сущность цикла Кребса? Покажите его основные молекулярные механизмы. Какова локализация процесса в клетке? Укажите энергетическую эффективность и эволюционный аспект процесса.
  • •7. Опишите основные группы фотосинтетических пигментов. Каковы спектры поглощения этих веществ?
  • •17. Какие виды активного трансмембранного переноса Вы знаете? Объясните процессы с точки зрения молекулярного уровня.
  • •36. Дайте понятие управляющей связи. Какие основные типы управляющих связей выделяют?
  • •Ферментативная (каталитическая). Ферменты являются белками.
  • •Типы структурной организации.

1.Живые организмы и первое начало термодинамики.

Термодинамикойназываютразделнауки и техники,исследующий процессы преобразования и использования энергии.

Так как всебез исключенияжизненные процессы связаны с преобразованиями энергии в живых организмах, термодинамика имеет большое значение и в биологических науках; в этом плане говорят о биологической термодинамике.

Первое начало термодинамики

Представляет собой закон сохранения энергии.

Он гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах.

Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

Вслучаезакрытыхсистемизменение внутренней энергиисистемы (ΔU)может происходить двумя способами:

  1. путем совершения работы (А) системой или над системой;

  2. посредством передачи тепла (Q).

ΔU=Q – A или Q = ΔU + A

(Тепло, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы.)

Правило знаков:

  • +Q – тепло, поступающее в систему;

  • -Q – тепло, отдаваемое системой;

  • +А – работа, совершаемая системой над окружающими телами;

  • -А – работа, совершаемая окружающими телами над системой.

Формулировка первого закона термодинамики для живых систем

Все виды работы, совершаемыев живом организме, совершаютсяза счет энергии АТФ.

АТФ – это универсальный источник энергии.

Первый закон термодинамики полностью применим к живым организмам.

Для живых систем он формулируется следующим образом:

Все виды работ в организме совершаются за счет эквивалентного количества энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ.

Организм теплокровных животных имеет постоянную температуру, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому ΔU=0.

Тогда уравнение имеет вид: Wпищи = Q + A

Опытная проверка применимости первого закона для живых систем проводилась в специальных биокалориметрах, где измерялась теплота, выделенная организмом в процессах метаболизма, при испарениях, а также вместе с продуктами выделения.

Оказалось, что выделенная организмом теплота полностью соответствует энергии, поглощенной вместе с питательными веществами.

Справедливость первого закона термодинамики для живых систем означает, что сам по себе организм не является независимым источником какой-либо новой энергии.

2.Историческая справка-работа Майера. Изменение внутренней энергии живого организма.

Работа Майера

В 1840-1841 годах Роберт Майер работал врачом на голландском судне, направлявшемуся к острову Ява. Во время пребывания в тропиках, он заметил изменение цвета венозной крови у своих пациентов по сравнению с цветом крови, какой она бывает в Европе… Размышляя, он пришёл к выводу, что в тропиках организму для поддержания температуры нужно «сжигать» меньше вещества, чем в Европе и существует некая связь между потреблением вещества и выделением тепла… (На современном языке это звучало бы примерно так: механическая работа и теплота в энергетическом смысле эквиваленты).

Энергия Е(U)– количественная мера определенного вида движения материи при ее превращении из одного вида в другой. Энергиявсегда определяет способность системы совершать работу.

Внутренняя энергия термодинамической системы.

Энергию любой системы можно разделить на две части:

  1. энергия, зависящая от положения и движения системы, как целого;

  2. энергия, определяемая движением и взаимодействием микрочастиц, образующих систему.

Вторую часть называют внутренней энергией системы U.

Внутренняя энергия U включает в себя:

  1. кинетическую энергию теплового движения частиц;

  2. потенциальную энергию, заключенную в химических связях;

  3. внутриядерную энергию.

В системах,химический составкоторыхв ходеэнергетическихпреобразованийостаетсянеизменным, при вычислении внутренней энергии можноучитыватьтолько энергию теплового движения частиц.

Примером такой системы является идеальный газ.

Внутренняя энергия идеального газа:

, где:

  • i – число степеней свободы молекулы,

  • m – масса,

  • μ – молекулярная масса,

  • R = 8,32.103 Дж•К-1•кмоль-1 – универсальная газовая постоянная,

  • Т – абсолютная температура.

Одноатомный газ – i=3

Двухатомный газ – i=5

Трёх- и многоатомный газ – i=6

Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии молекул,

а значит – и внутренней энергии.

Организм теплокровных животных имеет постоянную температуру, ихимический составего в среднемне изменяется, поэтомуΔU=0.

Применение первого закона термодинамики к биологическим системам

⇐ Предыдущая12345

Для определения тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции, применяются специальные приборы, называемые калориметрами. Калориметрическое определение ведется так, чтобы вся химическая энергия выделялась в виде теплоты или могла быть учтена в виде работы расширения газа. Такой способ называют прямой калориметрией.

Всем живым организмам для роста и функционирования нужна энергия. Растения могут использовать энергию солнца (фотосинтез), а животные и человек получают энергию только за счет окисления пищевых продуктов.

Чтобы доказать применимость первого закона термодинамики для живых организмов, еще в 18 веке Лавуазье и Лаплас изучали теплообмен морской свинки. Было установлено, что количество теплоты, выделяемое свинкой равно количеству теплоты, выделяющейся при сжигании продуктов питания свинки в калориметре.

Для человека это сделать конечно сложнее. Поэтому в настоящее время энергетический баланс изучается не только методами измерения тепловых эффектов, но и с помощью термохимических расчетов. Такие расчеты называют непрямой калориметрией. Данные прямой калориметрии используют в расчетах непрямой калориметрии, где на основании установленных дыхательных коэффициентов и калориметрического эквивалента определяются энергетические затраты организма.

Исследования показывают: организм человека не продуцирует новую энергию, все работы в организме совершаются за счет энергии выделяющейся при окислении питательных веществ. Основная часть этой энергии задерживается в организме в виде химической энергии, а не выделяется в виде теплоты. В процессе эволюции живых организмов выработалась определенная последовательность и скорость биологического окисления. За счет энергии, которая выделяется при окислении глюкозы, карбоновых кислот и других продуктов распада питательных веществ, образуются АТФ, АДФ, креатинфосфат, ацетилфосфат и другие соединения, которые накапливаются в клетке. Т.е. можно сказать, что выделяющаяся энергия накапливается в связях некоторых Р-содержащих веществ. По мере необходимости эти вещества, в свою очередь, легко распадаются (подвергаются гидролизу), и при этом энергия, которая потратилась на их образование, выделяется. Она расходуется на синтез белка и других веществ, мышечную работу, работу нервной системы, работу внутренних органов и высшую нервную деятельность. Вещества, при распаде которых выделяется много энергии, называют макроэргическими. Главным из них является аденозинтрифосфат (АТФ) — энергетическая валюта организма. А закон сохранения энергии утверждает, что организм человека должен тратить энергии столько, сколько ее получает. Что произойдет, если тратить больше? Или меньше? Что означает, если человек, питается нормально и образ жизни обычный, но резко худеет?

Применение калориметрии в медицине: Сравнение энергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний, например, ожирения. На основании данных о калорийности продуктов составляются нормы потребностей в пищевых веществах для разных групп населения, с учетом возраста, пола, характера труда, заболевания, климата и т.д.

3. Признак протекания химического или физического процесса – изменение параметров системы и функций состояния. Если они меняются, значит, в системе происходит какой-то термодинамический процесс. Если параметры самопроизвольно не меняются – значит, система находится в состоянии равновесия. Состояние термодинамического равновесия динамическое, т.е. в системе продолжают протекать процессы, но в противоположном направлении и скорости этих процессов равны.

Термодинамически обратимым называется процесс, который при определенных условиях можно реализовать в прямом и обратном направлении, при этом никаких изменений в окружающей среде остается. Необратимыми называют процессы, при которых в системе или окружающей среде возникают какие-то неисчезающие изменения. Все реально протекающие самопроизвольные процессы – необратимы. В том числе и в живых организмах. Обратимый процесс – абстракция, идеал. Он может протекать только в изолированной системе. Но, несколько упрощая реальность, можно рассчитывать термодинамические свойства системы, если представить себе реальный процесс протекающим бесконечно медленно и обратимо.

2-й закон термодинамики. Он определяет возможность протекания процесса в системе и его направление. У него тоже имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок.

1 — Постулат Клаузиуса. Процесс является необратимым, если не происходит никаких других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, или теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе.

2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

В реальных системах только часть энергии превращается в полезную работу, другая часть является «связанной». Для характеристики этой «связанной» энергии Клаузиус ввел новую функцию состояния – энтропию (S). Эта формула — аналитическое выражение второго закона термодинамики. Поэтому энтропию ( ) называют приведенной теплотой, а — связанной энергией вещества. Величину энтропии, как и любого другого термодинамического потенциала измерить нельзя. Можно говорить только об изменении этой величины, т.е. ΔS. Можно сказать, что энтропия – мера упорядоченности вещества. Чем больше неупорядоченность, тем больше энтропия. Где больше «порядка»: в кристаллическом веществе или жидкости? В воде при 200С или при 800С? Абсолютное значение энтропии можно вычислить теоретически, пользуясь постулатом Планка: энтропия кристаллического вещества при абсолютном нуле равна нулю. Этот постулат иногда называют третьим законом термодинамики. Это означает, что и энтропия, и температура ограничены снизу, т.е. не могут быть меньше некоторых предельных значений. Отсюда появляется понятие абсолютного нуля температурной шкалы Кельвина. Т.е. это теоретически рассчитанная температура при которой прекратится всякое тепловое движение…

Самопроизвольно обычно протекают процессы, идущие с увеличением энтропии ( ), т.е. с выделением тепла или увеличением числа частиц и скорости их движения… — так тоже можно сформулировать 2 закон термодинамики.

Умение предсказать, будет ли проходить и в каком направлении химическая реакция или биологический процесс – это очень важно. Но если ориентироваться только на энтропию – можно ошибиться. Ведь растения и животные – это сложные структуры, они самопроизвольно развиваются, казалось бы, в противоречие второму закону термодинамики, т.е. из множества маленьких и простых частиц образуется одна большая и сложная, а не наоборот. Поэтому были предложены другие термодинамические функции, которые могут служить критерием возможности самопроизвольного протекания процесса. Чаще всего пользуются изобарно-изотермическим потенциалом, т.н.свободной энергией Гиббса (G). Оставив в стороне математические выкладки, просто запомним, что изменение свободной энергии Гиббса зависит не только от энтропии (а значит и внутренней энергии) и от энтальпии: .

если =0 , система находиться в равновесии, G имеет минимальное значение для данной системы при данных условиях

если >0 , самопроизвольные процессы невозможны, они могут протекать только под действием окружающей среды («энергетический пинок»)

⇐ Предыдущая12345

Дата добавления: 2015-11-23; просмотров: 2167 | Нарушение авторских прав

Рекомендуемый контект:

Похожая информация:

Поиск на сайте:

Законы термодинамики в биологии

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *