Основы химической термодинамики и биоэнергетики.

Обмен веществ (метаболизм) в живом организме неразрывно связан с сопроводительным процессом – обменом энергии. Обмен веществ и энергии – самый характерный признак жизни; с его прекращением останавливается и жизнь. Организмы усваивают вещества, которые поступают к ним из окружающей среды (главным образом с едой), изменяют их химический состав, синтезируют новые соединения, которые расходуются на создание и обновление элементов тканей и аккумуляции больших запасов химической энергии. Совокупность этих процессов называют ассимиляцией, или анаболизмом.

На протяжении всей жизни, одновременно с ассимиляцией, непрерывно происходит противоположный процесс – диссимиляция, или катаболизм, который заключается в разложении сложных химических соединений и выделении энергии. Во время старения организма процессы диссимиляции начинают доминировать и запас потенциальной энергии в организме постепенно уменьшается.

Химическая термодинамика – это раздел физической химии, в котором изучаются превращение энергии в химических процессах и энергетические характеристики веществ. Химическая термодинамика дает возможность предварительно предусмотреть вероятность, направленность и границы хода химической реакции, условия химического равновесия, определить тепловой эффект химической реакции, энергию образования связей и тому подобное.

В наше время термодинамический метод исследования является одним из наиболее надежных и эффективных методов изучения обмена веществ и энергии, который происходит в живых организмах.

Основные понятия и определение термодинамики.

В химической термодинамике используют такие понятия.

Термодинамическая система – это тело или совокупность тел, которые находятся во взаимодействии и отделены от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью деления. В зависимости от способности системы обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Различают такие типы систем:

• изолированная – это такая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;

• закрытая – это система, которая обменивается с окружающей средой энергией, и не обменивается веществом;

• открытая – это система, которая обменивается с окружающей средой, как энергией, так и веществом.

Система может быть гомогенной и гетерогенной. Гомогенная система состоит из одной фазы, а гетерогенная – из нескольких фаз (например: лед – вода, вода – масло и тому подобное).

Фаза – это часть гетерогенной системы, которая отделена поверхностями деления и имеет в любом макроскопическом объеме одинаковые физические и химические свойства.

Состояние системы определяется совокупностью свойств, или параметрами.

Все параметры системы разделяют на две группы. Первые – экстенсивные свойства – зависят от размеров системы (объем V, масса m, теплоемкость C). Вторая группа – интенсивные свойства - не зависит от размеров системы (температура Т, давление Р., концентрация С, потенциал µ).

Совокупность термодинамических параметров определяет термодинамическое состояние системы. Если термодинамические параметры со временем самостоятельно не изменяются, то система находится в состоянии равновесия, а параметры, при которых наблюдается такое состояние, называют равновесными.

Переход системы из одного состояния в другой называют процессом. В термодинамике различают такие виды процессов:

• круговой – это процесс, в результате хода которого система возвращается к исходному состоянию. После его изменения любой функции состояния системы равняются нулю;

- изотермический – это процесс, которой происходит при постоянной температуре (Т = const);

- изобарный – это процесс, которой происходит при постоянном давлении (Р = const);

- изохорный – это процесс, во время хода которого объем системы остается постоянным (V =const);

- адиабатный – это процесс, который происходит без обмена тепла с окружающей средой, то есть система не получает тепла извне и не отдает его окружающей среде (ΔQ = 0).

Кроме того, различают обратимые и необратимые процессы. Процессы, которые можно осуществить в обратном направлении, называют обратимыми.

Если во время хода процесса происходят изменения, такой процесс называют необратимым.

Мерой движения и взаимодействия материальных систем является энергия. Полная энергия системы складывается из кинетической и потенциальной энергий как целого и ее внутренней энергии.

Внутренняя энергия системы U – это общий запас энергии, который состоит из кинетической энергии движения ее составных частей (молекул, атомов, ионов, элементарных частиц и тому подобное) и потенциальной энергии их взаимодействия без учета кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения. Величина внутренней энергии зависит от природы тела, его массы, химического состава и параметров, которые обуславливают состояние системы – давления, объема, температуры.

Внутреннюю энергию, отнесенную к одному молю вещества называют молярной внутренней энергией и измеряют в джоулях на моль (Дж/моль)

В термодинамике вместе с внутренней энергией широко используют такую термодинамическую функцию, как энтальпия Н.

Энтальпия – это энергия, которой обладает система при постоянном давлении; она численно равняется сумме внутренней энергии U и произведения объема вещества на внешнее давление рV:

Н = U + рV.

Передача энергии от системы к окружающей среде и наоборот происходит в виде работы А и теплоты Q.

Работа (А) – это упорядоченная форма передачи энергии, в результате чего система развивает направленную силу и выполняет работу над другой системой, к которой эта сила прилагаемая.

Форму передачи энергии от одной системы к другим в результате неупорядоченного движения молекул, называют теплотой. Ее помечают символом Q и так же, как работу, измеряют в джоулях (Дж).

Анализируя направление обмена энергии между системой и окружающей средой, выделим:

• реакции экзогенные, то есть реакции, во время хода которых система отдает энергию. Они проходят самостоятельно, поскольку после их завершения энергия системы уменьшается;

- реакции эндогенные, то есть реакции, во время хода которых система приобретает энергию. Они проходят до тех пор, пока поступает энергия из окружающей среды.