Понятие термодинамического равновесия. Равновесные и неравновесные системы.

Термодинамическое равновесие – это полностью стабильное состояние, в котором система может находиться в течение неограниченного периода времени. При выведении изолированной системы из равновесия, она стремится возвратиться к этому состоянию самопроизвольно (термос с горячей водой и кусочек льда).

В состоянии термодинамического равновесия в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников.

Для открытых и закрытых систем характерное стационарное состояние (параметры системы с течением времени не изменяются).

Равновесная система – параметры в разных частях системы одинаковы. Движущие силы отсутствуют. Если такая система изолирована, то она может находиться в состоянии равновесия неограниченно долго.

Неравновесная система– их параметры различны в разных точках объема, что приводит к наличию постоянных градиентов и сил, и создаваемых ими потоков вещества и энергии за счет поступления энергии из внешней среды. Если такая система изолирована, то она необратимо эволюционирует к состоянию ТД равновесия.

7. Первый закон термодинамики. История открытия. Формулировка, физический и биологический смысл.

Открытие первого закона термодинамики исторически связано с установлением эквивалентности теплоты и механической работы. Это открытие связано с имена Р. Майера и Д. Джоуля. Основная работа Майера, в которой он подробно и систематически развил свои идеи, была опубликована в 1845 г. и называлась «Органическое движение в его связи с обменом веществ». Майер сразу же сформулировал первое начало термодинамики как принцип, которому подчиняются любые формы движения в природе. Он указывал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме является не жизненная сила, как утверждали виталисты, а те химические процессы, которые протекают в нем в результате поглощения кислорода и пищи.

Джоуль пришел к установлению эквивалентности тепла и механической работы индуктивным путем, т.е. непосредственно экспериментальным измерением превращения механического движения в теплоту.

Первый закон термодинамики формулируется следующим образом: «Общая энергия в изолированной системе – величина постоянная и не изменяется во времени, а лишь переходит из одной формы в другую.

Теплота σQ, поглощенная системой из внешней среды идет на увеличение внутренней энергии dU системы и совершение работы σА против внешних сил.

Если теплота передается в систему, то ΔQ > 0.

Если теплота передается системой, то ΔQ < 0.

Работа, совершенная системой считается положительной.

Работа, совершенная над системой – отрицательна.

Первое начало термодинамики объясняет невозможность существования вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затрат энергии.

В 19 веке было доказано, что первый закон термодинамики применим для живых систем. Это доказательство отражено в работе «О теплоте», 1873г. Лавуазье, Лаплас – ледяной калориметр, для определения количества выделенной теплоты. Смысл осуществления эксперимента заключался в том, что дыхание аналогично медленному горению (многоступенчатый процесс). Процесс дыхания служит источником тепла для живых организмов. Так же в опытах использовалась пневматическая установка, которая позволяла вычислить количество выделенного углекислого газа.

При сжигании углеводов в калориметре

C₆H₁₂O₆ + 6O₂= 6CO₂+ 6H₂O – углеводы окисляются до углекислого газа и воды.

Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляется 4,1 кКал.

Пути превращения продуктов питания в метаболических процессах в живых организмах и в химических реакциях вне живой клетки являются эквивалентными с точки зрения суммарных тепловых эффектов.

(Отсюда следствие из первого закона ТД – закон Гесса: тепловой эффект не зависит от его промежуточных этапов, определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.)

Термодинамические функции состояния (термодинамический потенциал). Свободная энергия Гиббса. Примеры использования термодинамических представлений.

Цель введения термодинамических потенциалов — использование такого набора естественных независимых переменных, описывающих состояние термодинамической системы, который наиболее удобен в конкретной ситуации, с сохранением тех преимуществ, которые даёт применение характеристических функций с размерностью энергии. В частности, убыль термодинамических потенциалов в равновесных процессах, протекающих при постоянстве значений соответствующих естественных переменных, равна полезной внешней работе.

Термодинамические потенциалы были введены У. Гиббсом.

Выделяют следующие термодинамические потенциалы:

внутренняя энергия

энтальпия

свободная энергия Гельмгольца

потенциал Гиббса

большой термодинамический потенциал

Свободная энергия (Гиббса G) биологической системы определяется наличием и величиной градиента:

G = RT ln Ф1/Ф2

• R – универсальная газовая постоянная,

• Т – термодинамическая температура по Кельвину

• Ф1 и Ф2 – значения параметра, определяющего градиенты.

Примеры: Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии: Энергия не создается и не исчезает. Для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Экология изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света. Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованная зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qконц < Qсол). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему и биосферу.

Второй закон термодинамикигласит: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует).Этот закон называютзаконом энтропии. Теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает). В природе масса примеров однонаправленных процессов. Например, газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются, кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска. Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия (от греч. внутрь и превращение). Т.е. энтропия является мерой беспорядка, мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (ΔS) равно нулю при обратимых процессах или больше нуля при необратимых процессах. Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности). Таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Второй закон термодинамики можно сформулировать также следующим образом: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100%. Существует еще одна формулировка закона: любой вид энергии в конечном счете переходит форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Отношения между растениями продуцентами и животными консументами управляются потоком аккумулированной растениями энергии, которая используется затем животными. Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных растениями и, в меньшей мере, хемосинтезирующими организмами. Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.

Энтальпия. Закон Гесса. Примеры использования в биологических системах.

Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Является функцией состояния. Обозначается как ΔH, измеряется в Дж/кг. Внесистемной единицей измерения является ккал/кг.

Закон Гесса: Тепловой эффект многоступенчатого процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы. Следовательно, тепловой эффект химической реакции зависит только от вида и состояния исходных веществ и не зависит от пути ее протекания.

Калория – внесистемная единица количества теплоты. Средняя величина физиологически доступной энергии в 1 грамме (в ккал): белков – 4,1; углеводов – 4,1; жиров – 9,3.

Количество энергии, поглощенной живыми организмами вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте. Следовательно, сами по себе организмы не являются источником какой-либо новой формы энергии.

Виды теплоты, теплопродукция. Удельная теплопродукция. Примеры.

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, (т. е количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.)

Теплопродукция, теплообразование, выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; связана с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и др. органических соединений, с осмотической работой (перенос ионов против градиента концентраций), с механической работой мышц (сердечная мышца, гладкие мышцы различных органов, скелетная мускулатура). Даже при полном мышечном покое такая работа в сумме достаточно велика, и человек среднего веса и возраста при оптимальной температуре среды освобождает около 1 ккал (4,19 кДж) на кг массы тела в 1 ч.

У гомойотермных животных в покое:

50% всей теплоты образуется в органах брюшной полости,

20% - в скелетных мышцах,

10% - при работе органов дыхания и кровообращения.

(В покое около 50% всей теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), по 20% в скелетных мышцах и центральной нервной системе и около 10% при работе органов дыхания и кровообращения. Т. называется также химической терморегуляцией.)

Все реальные процессы, сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту. Теплота - деградированная форма энергии. Теплота – это особый вид энергии (низкого качества) не может переходить без потери в другие виды энергии. Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул, остальные виды энергии базируются на упорядоченном движении молекул.

Существует классификация видов энергии по способности вида энергии превращаться в другие виды энергии.

A. – max эффективная, превращается во все другие виды энергии. Гравитационная, ядерная, световая, электрическая,

B. – химическая,

C. – тепловая.

Выделяют первичную и вторичную теплоту, а также удельную теплопродукцию.

Первичная теплота - это результат неизбежного рассеивания энергии в ходе реакций диссимиляции из-за необратимо протекающих биохимических реакций. Первичная теплота выделяется сразу же после поглощения организмом кислорода и продуктов питания независимо от того, совершает он работу или нет. Она идет на нагревание организма и рассеивается в окружающем пространстве.

Выделение вторичной теплоты наблюдается лишь при реализации энергии макроэргических соединений (АТФ, ГТФ). Идет на совершение полезной работы.

Удельная теплопродукция – это количество теплоты, выделяемое единицей массы животного в единицу времени:

q = QT / μT, ,где :

QT - количество теплоты, выделенное в единицу времени,

μT - единица массы,

q - удельная теплопродукция.

Теплопродукция пропорциональна массе животного :

q = a + b/M ^2/3,где :

а – количество клеток,

b – площадь поверхности,

М – масса тела животного.

(Удельная теплопродукция уменьшается с увеличением массы животного).