8.Законы термодинамики в биологии, доказательства их применимости к живым системам.

1ый ЗТД. Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает А (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения А сопровождаются изменением ΔU системы. 1 ЗТД является обобщением закона сохранения и превращения Е для ТДС. Он формулируется следующим образом: Изменение ΔU неизолированной ТДС = разности м/у кол-ом теплоты Q, переданной системе, и общей A, кот. вкл. А против сил внешнего давления P по изменению объема dV системы и максимальную полезную работу dAmax , сопровождающую хим. превращения: dQ = dU + dA, где работа: dА = p dV + dAmax → dQ = dU + p dV + dAmax. Кол-во теплоты, полученное системой, идет на изменение ее U и совершение А над внешними телами. Опытная проверка первого закона проводилась в специальных калориметрах, где измерялась теплота, выделенная организмом в процессах метаболизма, при испарениях, а также вместе с продуктами выделения. Оказалось, что выделенная организмом теплота полностью соответствует Е, поглощенной вместе с пит. в-ми. Справедливость 1 ЗТД означает, что сам по себе организм не является независимым источником какой-либо новой Е.

2ой ЗТД. "теплота сама собой переходит лишь от тела с > температурой к телу с < температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении".

Другая формулировка: все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии. (Энтропия - мера хаотичности, неупорядоченности системы).

Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с > температурой к телу с <, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от 1 тела к др/ будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела ↓ на меньшую величину, чем она ↑ у второго тела, кот/ принимает теплоту, т. к., по-определению, dS=dQ/T (температура в знаменателе!). То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет >суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с ↑Т к телу с более ↓ Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась!

Заметим, что, рассматривая эту систему из двух тел, мы подразумевали, что внешнего теплопритока в нее / теплооттока из нее нет, то есть, считали ее изолированной (/ замкнутой). Отсюда еще одна формулировка 2 ЗТД: "При прохождении в изолированной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает" / "Энтропия изолированной системы → к максимуму" – т. к. самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур. А что будет, если наша система из двух тел будет неизолирована (незамкнута) и, допустим, в нее поступает тепло? Ее энтропия будет ↑ еще >, т. к. при получении телом тепла энтропия его ↑ (dS=dQ/T).

В самом деле, усложнение и увеличение упорядоченности организмов в период их роста сопровождаются кажущимся уменьшением, а не увеличением энтропии, как должно было бы следовать из второго закона. Но биологические системы являются открытыми. Поэтому нужно учитывать изменение всех ТД величин во времени непоср. в ходе процессов в открытой системе. Постулат И.Р. Пригожина состоит в том, что общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой (deS ), либо вследствие внутр. необрат. процессов (diS ): dS = deS + diS. Во всех реальных случаях diS > 0, и только если внутр. пр-сы идут обратимо и равновесно, то diS = 0. Для изолированных систем deS = 0, и мы приходим к классической формулировке второго закона: dS = diS = 0. В ф/с приток свободной Е света приводит к ↓ энтропии кл. deS < 0, а процессы дыхания, диссимиляции в кл. ↑ ее энтропию diS > 0. В зависимости от соотношения скоростей изменения deS и diS общая энтропия dS открытой системы может либо ↑, либо ↓ со временем.

3ий ЗТД. Теоремой Нернста, кот. часто наз. 3 ЗТД: энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.