83. Термодинаміка біологічних систем (основні визначення термодинаміки, термодинамічні системи).

1.Термодинаміка, як наука

Термодинаміка – наука, котра вивчає загальні закономірності перетворення різних видів енергії у системі.

Вона дає макроскопічний опис енергетичних змін і перетворень, не розглядаючи молекулярної будови системи. Закони термодинаміки були виведені на основі життєвого досвіду, мають універсальний характер і виконуються як у живій, так і неживій матерії.

2. Термодинамічні системи

Термодинамічна система – частина простору з матеріальним вмістом, оточена оболонкою; ділянка поза оболонкою це зовнішнє середовище.

У залежності від того, як термодинамічна система зв'язана з зовнішнім середовищем розрізняють три типи систем:

• Ізольована – не обмінюється ні речовиною, ні енергією;

• Замкнута (закрита) - обмінюється енергією, однак обміну речовини в ній немає;

• Відкрита – відбувається обмін із зовнішнім середовищем і речовиною, і енергією.

Термодинамічна система характеризується певними термодинамічними величинами :

• екстенсивні параметри залежать від загальної кількості речовини у системі (наприклад, маса m, об'єм V);

• інтенсивні параметри навпаки не залежать від кількості речовини у системі (наприклад, тиск p, температура T, молярна концентрація n);

Зміни будь-якого з цих параметрів викликають зміни стану системи. Розрізняють :

• Зворотні зміни – якщо в циклічному процесі стан системи не змінюється;

• Незворотні зміни (усі реальні процеси належать до незворотніх процесів)

Класична термодинаміка визначає різниці енергій та напрям можливих змін. Використання класичної термодинаміки має великі обмеження оскільки вона описує рівноважні стани й нічого не говорить про кінетику процесів.

Основні завдання термодинаміки полягає в тому, щоб найти такі величини, які б однозначно визначали зміну стану термодинамічної системи, при переході із одного стану в інший.

Термодинаміка базується на основних принципах – законах термодинаміки.

84. Термодинаміка відкритих систем. Основні положення нерівноважної термодинаміки.

1.Стаціонарний стан

Класична термодинаміка, розроблена для закритих та ізольованих термодинамічних систем, розглядає рівноважні стани в них.

Тоді як у відкритих системах постійно відбувається обмін із зовнішнім середовищем енергією та речовиною й замість термодинамічної рівноваги встановлюється стаціонарний стан.

Подібність рівноваги та стаціонарний стану полягає в тому, що більшість параметрів системи не змінюється за часом.

ПРИНЦИПОВІ ВІДМІННОСТІ:

• за рівноваги не відбувається зміни вільної енергії (ΔG=0, ΔF=0), а ентропія прагне до максимального значення (S → max).

• у стаціонарному стані зміна вільної енергії підтримується на постійному рівні (ΔG=const, ΔF=const), а величина ентропії відрізняється від максимального значення.

2. Термодинаміка незворотніх процесів

У відкритих системах відбуваються необоротні процеси, які проходять за межами стану рівноваги, тобто маємо справу з реальними незворотними процесами. Такі процеси описує термодинаміка незворотних процесів.

Основи лінійної нерівноважної термодинаміки закладено Ларсом Онзагером і далі розвинув російський вчений Ілля Пригожин.

• Зміна ентропії у відкритій системі

З агальна ентропія у відкритій системі, яка обмінюється із зовнішнім середовищем енергією та речовиною, становитиме:

Внесок у продукцію ентропії роблять тільки незворотні процеси – теплопровідність, дифузія, хімічні реакції, тощо.

З агальна зміна ентропії у відкритій системі з урахуванням обміну енергією із зовнішнім середовищем і хімічним перетворенням в самій системі становитиме:

О тже, ІІ закон термодинаміки для відкритих систем:

• Швидкість продукції ентропії

Значними досягненнями термодинаміки незворотніх процесів на відміну від рівноважної термодинаміки, стало вивчення термодинамічних функцій у часі.

Ш видкість продукції ентропії – зміна в часі ентропії. Загальна швидкість продукції ентропії дорівнює сумі потоку ентропії через відкриту систему і швидкості продукції ентропії в самій системі завдяки незворотнім процесам:

• Дисипативна функція

При розгляді незворотного процесу в макроскопічній системі можна виділити два типи величин, що характеризують цей процес. Наприклад:

Теплопровідність=потік тепла+градієнт потенціалу.

Електропровідність=сила струму+градієнт потенціалу

Таким чином, у найбільш загальній феноменологічній формі будь-який процес характеризується добутком узагальненої сили Х (причина) на узагальнений потік J (швидкість процесу). Залежно від природу процесу узагальнена сила може бути різною:

• у хімічних реакціях – це спорідненість хімічної реакції А,

• в механічних процесах – механічна сила F,

• в електричних явищах – різниця потенціалів Δφ,

• для дифузії – градієнт концентрації,

• для теплопровідності – градієнт теплоти.