Биоэнергетика и термодинамика биологических систем.

Литература:

2. Раздел VII ; 3. с.8-19; 5, Глава I; 6. с.54-66; 7. Глава 10, с. 163-184; 8. Глава 11; 9. с.74-78; 10. с.13-57; 11. Лекция 6; 12. с. 14- 21.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ.

1.Понятия: работа, энергия, теплоемкость. Виды энергии в организме. Энергия химических связей.

2.Термодинамическая система. Типы термодинамических систем. Внутренняя энергия системы.

3. Первое начало термодинамики.

4.Свободная и связанная энергии. Обратимые и необратимые процессы.

5.Второе начало термодинамики (качественные формулировки).

6.Энтропия. Физический смысл энтропии (термодинамический и статистический). Второе начало термодинамики (количественная формулировка).

7.Термодинамические функции. Уравнение Гельмгольца. Уравнение Гиббса.

8.Применение первого начала термодинамики в биологии. Тепловой баланс организма. Химическая и физическая терморегуляции. Эффективность основных биологических процессов.

9.Применение второго начала термодинамики в биологии. Уравнение Пригожина. Негэнтропия.

10.Стационарное состояние биологической системы. Отличие стационарного состояния от равновесного. Теорема Пригожина.

11. Расширенный принцип Ле-Шателье. Адаптация и аутостабилизация живых систем. Типы перехода из одного стационарного состояния в другое.

Мотивация цели.

Процессы энергообеспечения организма за счет внешних энергетических ресурсов составляет предмет исследования биоэнергетики. Разработкой биоэнергетических проблем занимаются статистическая физика и термодинамика. Статистическая физика изучает механизмы энергетических процессов, протекающих в организме на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Биологическая термодинамика исследует биологические процессы на основе общих законов превращения энергии без детального изучения их молекулярных механизмов (на макроскопическом уровне).

Применение термодинамики в биологии позволяет рассчитать энергетические превращения в живом организме и в отдельных системах и органах. Например: при мышечном сокращении, проведении нервных импульсов, осмотических процессах, при изучении активного и пассивного транспорта веществ через биологические мембраны, возникновении и распространении биопотенциалов и др..

Цель занятия: изучить основные понятия и положения термодинамики; научиться применять термодинамический метод к изучению биологических объектов (систем).

Подготовка к практическому занятию.

Изучить по рекомендованной литературе, уметь объяснять и пояснять примерами следующие вопросы:

I. Основные понятия.

Термодинамика, предмет и метод. Термодинамические системы (изолированные, замкнутые, открытые). Параметры системы: интенсивные (давление, температура и т.д.) и экстенсивные (объем, энергия, энтропия, энтальпия и др.)

II. Основные законы термодинамики.

1.Первое начало термодинамики.

2.Второе начало термодинамики. Качественные формулировки (Клаузиуса и Томсона). Количественная формулировка. Энтропия и ее физический смысл (термодинамический и статистический).

3.Термодинамические функции (потенциалы): свободная и связанная энергии, внутренняя энергия, свободные энергии по Гельмгольцу и по Гиббсу, энтальпия.

III. Применение первого и второго начал термодинамики в биологии.

1.Тепловой баланс организма. Температурный гомеостазис. Энерготраты организма.

2.Эффективность основных биоэнергетических процессов.

3.Физиологическая калориметрия (прямая и непрямая).

IV. Стационарное состояние и его применение к биологическим системам.

1. Производство энтропии при необратимых процессах. Уравнение Пригожина для открытых систем. Сопряжение процессов. Негэнтропия.

2. Стационарное и равновесное состояния, их отличия. Энтропия, свободная энергия, производство энтропии в стационарном и равновесном состояниях. Теорема Пригожина.

3. Расширенный принцип Ле-Шателье. Адаптация и аутостабилизация живых систем. Типы перехода из одного стационарного состояния в другое.

Теоретические сведения.

I. Основные понятия.

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

Предмет термодинамики – макросистемы (термодинамические системы) – системы, состоящие из большого числа частиц любой природы (молекул, атомов, электронов и др.).

Метод термодинамики – феноменологический, т.е. изучает внешние стороны явления, не вскрывая его механизм на микроскопическом уровне; дедуктивный – применение к частным случаям общих положений (законов), полученных в результате обобщения огромного экспериментального материала.

Термодинамическая система – совокупность материальных объектов (тел), ограниченная в той или иной степени от окружающих тел.

Открытая система – система, обменивающаяся с окружающей средой веществом и энергией.

Закрытая система – система, обменивающаяся с окружающей средой только энергией.

Изолированная система– система, не обменивающаяся с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Параметры системы – величины, характеризующие состояние системы. Интенсивные параметры – те, которые зависят от массы или числа частиц в системе (иначе говоря от размеров системы). Например: температура, давление и др.. Экстенсивные параметры – параметры пропорциональные интенсивным (например, объем, энергия, энтропия и др.).

Работа – мера изменения энергии.

Энергия – физическая величина, характеризующая способность тела или системы тел совершать работу.

Количество теплоты – изменение энергии в процессе теплопередачи.

Теплоемкость – количество теплоты (энергии), которое нужно подвести к телу или отнять от него для изменения температуры на 1 К.

Температура (в термодинамике) – физическая величина, характеризующая тепловое равновесие термодинамических систем. Статистическая физика утверждает, что температура является мерой средней кинетической энергии теплового движения молекул.
Температурный гомеостазис – поддержание постоянства температуры.

Удельная теплоемкость – теплоемкость единицы массы тела или количество теплоты (энергии), которое нужно подвести к единице массы тела или отнять от него для изменения температуры на 1 К.

Внутренняя энергия системы – совокупность энергий теплового движения и взаимодействия частиц, химической и ядерной.

Свободная энергия – та часть внутренней энергии системы, которая может в принципе использована для совершения работы.

Связанная энергия - та часть внутренней энергии системы, которая даже в принципе не может быть использована для совершения работы.

Диссипация (рассеяние) свободной энергии – та часть свободной энергии, которая преобразована не в работу, а превращается в тепло.