12) Бірінші жылу және алмасу процестерінің қарқындылығы мен биопроцестердің пәк-і арасындағы байланысты сипаттаңыз.

ПӘК- пайдалы әсер коэффициенті

ПӘК= ПӘК 100% төмен болады. Ешқашан 100% тең болмайды.

ПӘК 100% тең болса, ол тек оқшауланған жүйеде. Барлық қуат 1% болса да жылу болып шығып кетеді. Әр процесстің өзінің ПӘК-і болады.

ПӘК	%		Қуаттың жұмсалуы
Гидролиз	36	64	Ең көп қуат жұмсайды. Жылу болып шығып кетеді.
Қышқылдан.фосфат	56	44
Фотосинтез	75	25
Бұлшықеттерд.қысқару	40	60
Сәуле шығарушы бактерия	96 дейін	4

Термодинамиканың екінші заңы берілген қуаттың барлығын пайдалы жұмысқа айналдыруға қабілетті құрылғы жасап шығару мүмкін емес, яғни екінші бір мәңгілік қозғалтқыш түрі болуы мүмкін емес деп тұжырымдайды. Бұл Корно қағидаты. Жылу машиналарының пайдалы әрекет коэффициенті мынадай теңдікпен анықталады:

Ƞ= термодинамиканың екінші алғышарты сыртқы ортадан алынған қуаттың барлығын пайдалы жұмысқа айналдыруға қабілетті қозғалтқыштың болуы мүмкін емес деп тұжырымдайды. Жылу машиналарына қатысты Корно қағидаты бойынша - алынған жылудың бір бөлігі жылу түрінде таралған, пайдаланылмаған қалпында қалуы тиіс. Былайша айтқанда, қуат шашырауы немесе таралуы кез келген қайтымсыз,яғни нақты процестер барысында бәрібір жүзеге асады. Анықтама бойынша, қуат диссипациясы-бұл реттелген процесс қуатының бір бөлігінің ретсіз процесс қуатына және еің соңында жылу қуатына көшуі. Сондықтан жылу машиналарына көңіл бөлместен, жалпы жағдайда А пайдалы жұмыстың барлық алынған бос қуат жүйесіне қатнасы бірліктен кем болуы тиіс:

Ƞ_{= ≤1}

Мұндағы - жүйеге берілген қуаттың шашырауы кезінде жоғалатын бөлігі. Q1- орнына мұнда тұр, ол жұмылдырылған, яғни бағытталған жұмысты іске асыруға қабілетті қуаттың кез-келген түрін білдіреді. Биологиялық жүйелер үшін қуаттың мұндай жұмылдырылған түрі болып АТФ және басқа да макроэргиялық қосылыстар қуаты болып саналады. А шамасы пайдалы жұмыс деп аталады. ПӘК көмегімен жұмыстың бір түрін өндіретін түрлі жүйелерді салыстыруға болады. ПӘК әсері қуаттың кез келген формасы мобилизацияланған түрде болуы керек. Бұл үшін градиенттердің (температураның, қысымның т.с.с) термодинамикалық интенсивті айналымының болуы. Термодинамикалық градиенттердің болуы жұмысты іске асыруға септігін тигізеді.

13.Қайтымды және қайтымсыз процестердің табиғатын түсіндір.Термодинамикалық процестер қайтымды және қайтымсыз болып 2-ге бөлінеді.Қайтымды, қайтымсыз процесстерге ғылыми түсініктемені термодинамика береді. Егерде А-дан Б-ға, Б-дан А-ға келу үшін қосымша күш жұмсалса, ол қайтымсыз процесс. Қозғалу, машина, адам, күш жұмсалса. Термодинамиканың бұл қайтымсыз процесіне барлық ашық жүйелер кіреді. Айтар болсақ, жәй қарапайым мысал ретінде, ашық жүйелер- олар тірі организмдер. Олар өседі, өнеді, модификацияланады, өзгереді, басқа жүйеге ауыса алады. Табиғат заңдылықтарын пайдалана біледі.Қайтымды дегеніміз – 100%-бен келіп, ешбір қуат жұмсамай қайта орнына келсе. Табиғатта қайтымды процесс болмайды, сырттан ешқандай қуат алмасақ, жәрдем болмаса, ол оқшауланған жүйеде ғана бар. Модель өсіп – өнбейтін , ішіндегі қуат өздігінен ауысады. Бір-біріне пайда келтірмейді. Табиғатта еш жерде кездеспейді. Жалпы қайтымды процестер тұйық жүйедегі тепе-теңдік процестер болып табылады. Қайтымды процестер дегеніміз не? Бұл-нәтижесінде қоршаған ортада ешқандай өзгерістер болмайтын процестер. Шындығында, егер процесс тепе- тең түрде өтсе, яғни тепе-тең күйлердің үздіксіз бірізділігі болып табылса, онда бұл бірізділіктің әрбір нүктесінде жүйедеде, қоршаған ортада да ешқандай өзгеріс болмайды. Сондай-ақ бұл процесті кері бағытта да жүзеге асыруға болады,мұның барысында да қоршаған ортада ешбір өзгеріс орын алмайды.Классикалық термодинамика қайтымды процестерге толық сипаттама береді, ал қайтымсыз процестер үшін белгілі бір теңсіздіктерді ғана анықтайды және тепе-теңдікке қозғалыстың бағытын көрсетеді. Термодинамикалық теңдеулерге уақыт факторын енгізу оларда нақты термодинамикалық процестердің қайтымсыз дамуын ескеруге қабілетті өлшемнің пайда болуын білдіреді. Күй- қалыптың қандай да бір функцияларының соңғы ұлғаю жағдайынан олардың уақыт бойынша өзгеру жылдамдығына көшуі, сондай-ақ қарастырылып отырған жүйенің қоршаған ортамен қатнасына классикалық термодинамиканы шектеуді тежейді.

14. Термодинамиканың екінші заңын түсіндіріп беріңіз және оның биопроцесстерге қолданылуын көрсетіңіз. Термод-ң екінші заңы өмірде болатын процестердін бағыты жөнінде мағұлмат береді. Негізін салған Карно. Карно теориясының маңызды бөлігі идеалды жылу машинасы туралы және кейінірек жүргізілген төрт үдерістен екі изотермикалық және екі адиабатикалық үдерістен тұратын идеалдандырылған айналмалы үдеріс туралы ұғымдарды енгізуі болады. Казіргі танда Карноның идеалды циклі ретінде белгілі бұл цикл пайдалы әрекеттін айналмалы үдерісті жүзеге асырушы жұмыс истеп тұрған дененің табиғатына емес жылытқыштың температурасы (Т₁) мен тоңазытқыштың температурасына (Т₂) ғана тәуелді жоғарғы коэффицентінің талабын қанағаттандырды. _max= Т₁ – Т₂ /Т₁ Термодинамиканың екінші алғы шартының энтропия ұғымына негізделген ең алғашқы түсіндірмелі бірі Клаузиус тиесілі Карноның ПӘК идеалды машинасы мен үдерістер қайтымсыз өтетін кез-келген басқа машина арасындағы арақатынасты қолданайық: Q₁-Q₂/Q₁≤ T₁-T₂/T₁ бұдан Q₂/T₂ –Q₁/T₁≥ 0 арақатынасы шығады. Термодинамиканың екінші алғышартына сәйкес, жүйе ішіндегі өзгерістерге негізделген d_iS ешқашан теріс мәнге ие болмайды. Егер жүйе оқшауландырылған жүйе болса, онда dS=d_iS>0 болады; d_iS=0 қайтымды үдерістер жағдайында; d_iS>0 қайтымсыз үдерістер жағдайында. Тұйық және ашық жүйелер үшін жапы жағдайда d_iS=0 теңсіздігі орындалады. D_eS белгісі нақты жағдайда байланысты. dS=d_iS+d_eS теңдеуінің манызды сәті оқшауландырылмаған жүйенің теңсіздік күйі емес, стационарлы күйі мүмкін екендігі болып табылады

15.Энтропия түсінігіне анықтама беріңіз, мысалдар келтіріңіз. Жүйедегі ретсіздік өлшемін энропия деп атайды. Сонда энтропия :

• ретсіздіктің өлшемі;

• қайтымсыздықты өлшейді;

• сапасы бар қуаттың мөлшерін есептейді.

Егер жүйеде толық тәртіп орнаса, онда энтропия минимум болады. Ретсіздік артқан сайын энтропия да өсе түседі. Жүйеде толық хаос орнаса, онда энтропия ең жоғарғы мәнге (максимумға) ие болады.

Қатты дене, сұйық және газ алайық. Осы үшеуінің атомдарының қозғалысын қарастырайық. Қайсысының атомдары ең жоғары энтропияға ие болады деген сұрақ қойсақ, онда сұйық атомдарының қатты дене атомдарына қарағанда ретсіз, жүйесіз қозғалыста болатынын білеміз.

Қатты дене < сұйық дене < газ

Олай болса сұйықтағы энтропия қатты денеге қарағанда көп болады, энтропия S-пен белгіленеді. Біз жоғарыда екенін тапқан едік. Осыдан немесе табамыз. Бұл жерде Q₂ жұмысшы дененің тоңазытқышқа берген жылуы. Сондықтан да ол теріс. Олай болса (1) деп жазуға болады. Жалпы алғанда шамасы жылудың келтірілген мөлшері деп аталады. Процестің өте аз бөлігінде денеге берілген жылудың келтірілген мөлшері мынаған тең: .

Кез келген қайтымсыз процесс үшін жылудың келтірілген мөлшерінің қосындысы нольге тең болады. Сонда (1) теңдеу жалпы түрде былайша жазылады:

Интеграл астында тұрған дегеніміз қайсібір функцияның толық дифференциалы болып есептеледі. Ол функция тек қана жүйенің күйімен анықталады. Бұл функция мынаған тең:

Осы функцияны энтропия деп те атайды да, оны S әрпімен белгілейді. Бұл функцияны енгізген Клаузиус болатынды.

Жоғарыда жүйедегі ретсіздік өлшемі энтропия деп аталады дедік. Осы сөйлемді формула түрінде сөйлетсек, былайша өрнектелер еді:

S=klnW

Мұндағы k — Больцман тұрақтысы;

W — жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдығы.

Бұл Больцман формуласы деп аталады. Жүйе белгілі бір макро күйге түсу үшін бірнеше микро күйден өтеді. Жүйені мпкро күйге түсіру қанша микро күйден өткенін көрсететін санды жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдығы деп атайды.

16) Негэнтропия терминіне анықтама беріңіз. Негэнтропияға сипаттама беріңіз және мысалдар келтіріңіз. Энтропияға қарама- Негэнтропия – кері энтропия (-dS). Негэнтропияны біз қоршаған ортадан аламыз. Негэнтропияны бос қуат деп те атайды. Бұл биожүйелерде жұмысқа жұмсалатын, пайдалы қуат. Негэнтропияға байланысты экология ғылымы пайда болған. Мысалы: адамның жолдасы. Негэнтропия қоршаған ортада болады. Өмірімізді жалғастырып тұрған негэнтропия. Негэнтропия – тағам, биожүйелер, өсімдіктер, жануарлар, күн сәулесі, желдер, өзен, көлдер, таулар. Табиғаттан үлкен ұғым жоқ. Теріс энтропия, реттілік, күші, сапасы бар.Бос қуат болмаса, реттік болмайды. Реттік болмаса, бос қуат болмайды. Екеуі бір мағына береді.Теріс энтропия, реттілік, күші, сапасы бар.Ең алғаш рет бұл ұғымды Өмір деген кітабында автриялық ғалым Э. Шредингер ұсынды. Оның түсінігі бойынша энторпия – хаус,өзін өзі жою.энергияның қайтымсыз шашырауының өлшем бірлігі,ал негэнтропия -реттілікке қарай қозғалу,жүйенің организациясына бағытталу. Тірі жүйе өмір сүру үшін хаус пен күреседі,яғни ол күресу барысында ұйымдастырылған және ретті негэнтропия жолымен күреседі.

dS- энтропия. Сапасы бар қуат, бос қуаттың құнсыздығын, құнсыздығының мөлшерін, биожүйелердің ретсіздік күйіне баға беретін түсініктеме. Энтропия көп болса, ретсіздік болады. Биожүйелердің ретсіздігіне баға береді. Энтропия –негативті құбылыс. Күш аз болса, энтропия жоғары болады. Біз табиғат арқасында өсіп – өне аламыз. « адамды адам еткен- еңбек» демекші осындай мақалдар мысал бола алады.dU=dQ+dA бұл термодинамиканың бірінші заңы.S= экстенсивті энтропия формулаdS=dQ/T-интенсивті энтропияdQ=TdS кинетикалық қуатты басқа формуламен айтуға боладыdU=TdS+dAdA=dF

dU=TdS+dF , бұдан шығатын нәтиже былай

ішкі қуат= байланыстық қуат +бос қуат

Байланыстық қуат (TdS) жүйедегі жұмысқа жұмсалмайтын қуат.

Бос қуат (dF)жұмысқа жұмсалатын қуат.

17. Л.Больцман коэффициенті және жүйе күйінің математикалық ықтималдылығы арасындағы байланысты көрсетіңіз.Барлық жүйенің күйіне объективті көзқарасты қуат береді. Термодинамикалық мүмкіншілік – қуаттық мүмкіншілік. Қуаттық мүмкіншілікті Больцман коэффициенті сипаттайды. Л. Больцман энтропия мен термодинамикалық ықтималдылық арасындағы байланысты тауып, оны мына формуламен өрнектеді: Мұндағы: S – Больцман коэффициенті, -Больцман тұрақтысы, -жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдылығы немесе термодинамикалық мүмкіншілік.Бұл Больцман формуласы деп аталады. жүйе белгілі бір макро күйге түсу үшін бірнеше микро күйден өтеді. Жүйені макрокүйге түсіру қанша микро күйден өткенін көрсететін санды жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдылығы де атайды.

мұндағы: Р- математикалық ықтималдық немесе математикалық мүмкіншілік; - термодинамикалық мүмкіншілік, - жүйе ішіндегі микробөлшектер саны. Әр микробөлшекте қуат болу керек.Неғұрлым микробөлшектер қуатпен тола берсе, мүмкіншілігі, күштілігі артады. Шексіз болмайтұғын процесс. Абсолютті шексіз емес. Биожүйе – ашық, жарылмайды. Барлық микробөлшектерді қуатпен толтыруға болмайды, 4-5 микробөлшек бос болады, нәтижесінде алмасу жүреді. Биожүйелер жаттыққан сайын математикалық мүмкіншілік жоғарылайды, жоғары болады.

Жылу қуатының түрлі жылдамдыққа ие молекулалардың қозғалысынан қалыптасатындығы белгілі. Белгілі бір берілген температурада жылдамдықтар мен қуат бойынша молекулалардың статистикалық түрде таралуын статистикалық физика негізін салған Л. Больцман . 1872 жылы ол энтропияның статистикалық аналогы немесе кері таңбалы болып табылатын функцияны енгізді. 1906 жылы М. Планк Болцманның негізгі ойын көрсететін формуланы - жүйе күйінің термодинамикалық мүмкіндігінің логарифмі ретінде энтропия интерпретациясын жазған. Больцман бойынша, қайтымсыз үдерістердегі энтропияның үдеуі молекулалар барынша мүмкін емес күйден барынша мүмкін күйге өтуге тырысатын молекулярлық үдерістердің қайтымсыздығының салдары болып табылады. Бұл үдеріс оқшауланған жүйе үшін бүкіл жүйенің энтропия ең жоғарғы мәніне жететін барынша мүмкін таралу күйіне өтуімен аяқталады. Больцман ойын жинақтай көрсететін ыңғайлы моделб оқшауландырылған газ көлемі болып табылады. Газ молекулаларын ыдыстың бір жарты бөлігінде жинасақ, мұндай операция жүйені айқын теңсіздік күйіне көшіре отырып, белгілі бір деңгейде қуат шығындауды қажет етеді. Егерде ыдыстың жарты бөліктері арасындағы кедергіні алып тастап, жүйені өз бетінше қалдырсақ, біршама уақыттан кейіннен газ молекулалары бүкіл көлем бойынша біркелкі тарайды және жүйе барынша мүмкін күйге келеді.

18 ағзаның тұрақты стационар күйін сипаттаңыз мысал келтіріңіз. Егер де қарап отырған процесстің t уақытта параметр өзгермесі стационарлық жағдайда осы жүйе қоршаған ортамен қуатпен, затпен алмасса, тұрақты тепе-теңдік емес стационарлық күй деп атайды. Тұрақты жағдайда Пригожин принципі орындалады. Биожүеде энтропия бағасы оң және минимальді. Тұрақты емес жағдайда Пригожин принципі орындалады. Тепе-теңдік емес термодинамикасында стационар күй ерекше орын алады. Термодинамикалық тепе-теңдіктің жоқ болуына қарамастан жүйенің ұзақ уақыт бойына өзінің кейбір физикалық және химиялық қасиеттерін сақтап тұру қасиеті стационар күй деп аталады. Стационарлық күй ашық жүйеге тән болады. Жүйе стационарлық күйге ие болу үшін ол жүйеге сырттан зат және энергия келіп түсуі керек те, сонан кейін жүйеден сыртқа зат пен энергия шығып отыруы керек. Олай болса, биологиялық организм стационар күйде болады. Өйткені, биологиялық организм үнемі өзін қоршаған ортадан зат пен энергия алады және оларды қоршаған ортаға шығарып отырады. Стационар күйде қайтымсыз процестер жүреді. Бұл қайтымсыз процестер энтропияның өсуіне әкеліп соқтырады. Осыған қарамастан биологиялық организмнің жалпы энтропиясы өзгеріссіз қалады. Стационарлы күйдегі ішкі жүйенің энтропиясы қоршаған ортадағы энтропиямен теңеледі (орны толады). Сондықтанда жүйедегі жалпы энтропия өзгеріссіз қалады:dS= d_іS+ d_еS=0

dS= d_іS+ d_еS

dt dt dt

Бұл формуланы Пригожин формуласы деп атайды. Бұл өрнек организм мен сыртқы ортаның энтропия алмасуының теңдігін көрсетеді. Ал стационар күй үшін S-const, dS/Δt=0 екенін ескерсек, онда

d_іS=- d_еS

dt dt

Пригожин формуласынан көріп отырғанымыздай стационар күй үшін энтропия өзгерісі нөлге тең болмайды. Бұдан стационар күйде (яғни биологиялық жүйеде) заттар алмасуы үздіксіз болып тұрады. Ашық жүйелердің стационар күйін тұрақты және тұрақты емес деп бөлуге болады. Тұрақты стационар күй энтропия өзгерісі жылдамдығының ең аз мәніне ие болады. Тірі организм тұрақты стационар күйдің бір дәлелі бола алады. Егер сыртқы ортаның өзгеруіне (айталық қысымның, температураның) байланысты организм стационарлық күйде тұра алатын болса, онда организм осы ортаға үйренеді де (адаптацияланады) өмір сүре береді. Ал қоршаған ортаның өзгеруіне байланысты организм стационарлық күйден ауытқып кететін болса, онда организм өмір сүруін тоқтатады.

19. И.Пригожин принципін сипаттаңыз және мысал келтіріңіз.Тепе-теңдік емес термодинамикасында стационар күй ерекше орын алады. Термодинамикалық тепе-теңдіктің жоқ болуына қарамастан жүйенің ұзақ уақыт бойына өзінің кейбір физикалық және химиялық қасиеттерін сақтап тұру қасиеті стационар күй деп аталады. Пригожин өрнегі организм мен сыртқы ортаның энтропия алмасуының теңдігін көрсетеді.Ал стационар күй үшін S=conct, =0 екенін еске алсақ = бұдан көріп отырғанымыздай стационар күй үшін энтропия өзгерісі нөлге тең болмайды,стационар күйде заттар алмасуы үздіксіз жүріп отырады. Сыртқы өлшемдер анық болған кездегі стационарлық куйдегі жүйедегі энтропияның өну жылдамдығын уақыт бойынша тұрақты және көлем боййынша кіші. Егер жүйе қандайда бір себеппен стационарлық күйден шығарылған болса энтропия өсуінің үлестік жылдамдығы ең кіші мәнге ие болмайынша өзгере береді. Тұрақты жағдайда Пригожин принципі орындалады. Биожүйеде энтропия бағасы оң және минимальді. Тек қана тұрақты жағдайда орындалады. Пригожин қағидаты немесе теоремасы : Басқаша айтсақ, ашық жүйенің стационарлы немесе тепе-теңдік күйінедейін дамуы жоғары көрсетілген теңсіздік арқылы өрнектеледі.қ Стационарлы күйдің кенеттен өзін өзі ұйымдастыру құбылысына әкелетін тұрақсызыдығын тағы бір айқын мысалы Бенар тұрақсыздығы болып табылады. Ол тік градиентті температураға ие сұйықтықтың көлденең қабатында туындайды. Сұйықтықтың конвективті қозғалысы жүйенің күрделі кеңістік түрде ұйымдастырылуын туғызады. Сызықтық емес термодинамиканы құрушылардың бірі Пригожин мұндай ұйымдасу түрін диссипативті құрылым деп атаған. Пригожин формуласынан көріп отырғанымыздай стационар күй үшін энтропия өзгерісі нөлге тең болмайды. Бұдан стационар күйде (яғни биологиялық жүйеде) заттар алмасуы үздіксіз болып тұрады. Ашық жүйелердің стационар күйін тұрақты және тұрақты емес деп бөлуге болады. Тұрақты стационар күй энтропия өзгерісі жылдамдығының ең аз мәніне ие болады. Тірі организм тұрақты стационар күйдің бір дәлелі бола алады. Егер сыртқы ортаның өзгеруіне (айталық қысымның, температураның) байланысты организм стационарлық күйде тұра алатын болса, онда организм осы ортаға үйренеді де (адаптацияланады) өмір сүре береді. Ал қоршаған ортаның өзгеруіне байланысты организм стационарлық күйден ауытқып кететін болса, онда организм өмір сүруін тоқтатады. Пригожин теоремасы : “Біршама жартылай теңдестірілген ашық жүйелерде өзгермейтін орта жағдайларында термодинамикалық тепе теңдікке жақын стационарлық күйде энтропияның ішкі қайтымсыз процестер нәтижесінде өсу жылдамдығының мәні нөлден өзге тұрақты минималдық оң шамаға тең болады. Энтропияның өсуінің минимум принципы немесе Пригожин теоремасы ашық жүйеде өздігінен жүретін өзгерістердің жалпы бағытын көрсететін сандық критерий немесе басқаша айтқанда жүйенің эволюциясының критерийі болып табылады.Әр секундтағы энтропия өсімінің мәнінің өзгеруі бойынша жүйенің соңғы стационарлық күйге өтуін болжауға болады.

20. Ле-Шателье-Браун принципін сипаттаңыз және мысал келтіріңіз. Гомеостаз арқылы ішкі процесстер тұрақты. Егер тұрақты емес тепе-теңдік күйден шығып кетсек, тек өзіміздің ішкі қуат арқылы тепе-теңдік күйді қалыпты күйге әкелсек, Ле-Шателье – Браун принципі орындалады. Себебі, оң қайтымды байланыс арқылы болады. Теріс байланыс – қалпына келмейді. Ол көтеріле береді. Оның 2 жолы бар: сырттан үнемі көмек келіп тұру керек. 2. Өлу. Ле-Шателье-Браун принципі, егер орнықты тепе теңдік күйде тұрған жүйеге сырттан қандай да бір параметрін (температура, қысым, концентрация) өзгерте отырып әсер етсе, онда жүйеде сыртқы әсерлерді компенсациялайтын процестер арта бастайды. Бұл автостабилизация стационарлық теп-теңдік күйде тұрақты. Аутостабилизация бұл өзін өзі реттеу принципіі. Мысалы адам қатты ыстықтағанда суды көп ішеді сол кезде стационарлық күй өзгереді. Өйткені ол сырттан келген жұмысты жақсарту үшін. Егер стресс көп әсет етсе стационарлық күй тұрақсыз болады. Тұрақты емес стационарлық күйде Ле Шателье Браун принципі жұмыс жасамайды. Яғни қайтымды оң байланыс болмайды. Бұл жүйе орындалмағаннан кейін қайтымды теріс байланыс пайда болады. Өзгерісті асқындырады, ішкі қуаты жетпейді орнына келу үшін сырттан көмек керек. Тұрақты стационарлық күйден шығуға болмайды. Ле-Шателье-Браун принципі теріс қайтымды процесс. Биожүйеде осы процестер энтропияның оң көрсеткіші, минимальды көрсеткіші болады. Ле Шателье — Браун принципі, тепе-теңдіктің ығысу принципі — жүйені термодинамикалықтепе-теңдік күйден ауытқытатын сыртқы әсердің салдарынан сол жүйедегі тепе-теңдік осы әсерді әлсірететін (немесе оған қарсы әсер ететін) реакция бағытына қарай ығысатындығын тұжырымдайтын принцип. Жүйедегі тепе-теңдіктің ығысуына реагенттермен өнімдердің концентрацияларының, қысымның (газдар үшін) және температураның өзгеруі әсер етеді. Мысалы, аммиактысинтездеу реакциясы: N2+3H22NH3, HӘ=–46кДж/моль. Тепе-теңдік күйге келген жүйеде тура және кері реакциялардың жылдамдықтары бірдей болады. Жүйедегі азот немесе сутектіңконцентрациясын арттырғанда Ле Шателье принципі бойынша тепе-теңдік олардың концентрациясын кемітетін, яғни аммиак түзілетін бағытқа қарай ығысады. Керісінше, жүйедегі аммиак концентрациясын арттырғанда тепе-теңдік аммиактың концентрациясын азайтатын, яғни сутек пен азот түзілетін реакция бағытына қарай ығысады. Тура реакция жылу бөле жүретін болғандықтан жүйенің температурасын жоғарылатқанда тепе-теңдік Ле Шателье принципі бойынша сол әсерді бәсеңдететін, яғни жылу сіңіре жүретін реакция бағытына, яғни сутек пен азоттың түзілу реакциясы бағытына қарай ығысады. Керісінше жүйенің температурасын төмендеткенде тепе-теңдік жылу бөле жүретін реакция бағытына қарай ығысады.Қысымның тепе-теңдікке әсерін болжау үшін реакция теңдеуінің сол және оң жақтарындағы молекулалар сандарын салыстыру керек. Қысымды ұлғайтқанда Ле Шателье принципі бойынша тепе-теңдік молекулалар саны азаятын, яғни аммиак түзілу реакциясы бағытына қарай ығысады. Керісінше қысымды кеміткенде тепе-теңдік молекулалар саны көбейетін жаққа ығысады. Егер қайтымды реакция теңдеуінің оң және сол жақтарындағы молекулалар саны бірдей болса, онда қысымның өзгеруі тепе-теңдіктің ығысуына әсер етпейді. Ле Шателье принциін 1885 ж. А. Ле Шателье (1850 — 1936) тұжырымдап, ал теорилық тұрғыдан1887 ж. К.Ф. Браун (1850 — 1918) негіздеген.

21. Ағзаның тұрақсыз стационар күйінің табиғатын түсіндіріңіз және мысал келтіріңіз. Тұрақты емес стационарлы күй. Бұл жағдайда Пригожин принципі орындалмайды. Энтропия өсіп кетеді, күш болмайды, деңгей болмайды. Оң қайтымды байланыс болады. Теріс эффектіні күшейтеді. Ал, тұрақты жағдайда Пригожин принципі орындалады. Биожүйеде осы процестер энтропияның оң көрсеткіші, минимальды көрсеткіші болады. Қалыпты жағдайда Пригожин принципі орындалады. Теріс қайтымды процесс орын алады. Стационарлық күйдің спонтанды өз өзін ұйымдастыру құрылысына әкелетін тұрақсыздығының тағы бір айқын мысалы Бенар тұрақсыздығы болып табылады. Ол тік градиентті температураға ие сұйықтықтың көлденең қабатында туындайды. Тұрақты емес стационарлық күйде қайтымды оң байланыс болмайды. Бұл күй орындалмағаннан кейін қайтымды теріс байланыс пайда болады. Сұйықтық қабатының төменгі беті жоғары бет температурасы деп қарағанда анғұрлым жоғары берілген температураға дейін ысыйды. Температураларадыңқоса берілген градиентті біршама ауысу тұсындағы мәнге жеткен стационарлық күй тұрақсыз болып кетеді. Молекулалар тобының когарентті яғни үйлескен қозғалысына сәйкес келетін конвекция туындайды. Осының барысында жылу тасымы ұлғайады. Жүйедегі энтропияның өнуі өсе түседі. Сұйықтықтың конвективті қозғалысы жүйенің күрделі кеңістіктік түрде ұйымдастырылуын туғызады.

22. Э.С.Бауэрдің термодинамикалық концепциясын түсіндіріп беріңіз. Тұрақты тепе-теңдік емес күй. Тұрақтылықты сақтау үшін қуат жұмсалынады. Тұрақты емес жағдай арқылы біз эволюцияланамыз. Биожүйеде тұрақты теп-тең емес жағдайлардан тұрады-деді Бауэр. Тірі жүйелер қалыпты жағдайда термодинамикалық тепе- теңдікке қарама- қарсы жұмыс жасайды. Ол дегеніміз – 1-ші тірі жүйе қоршап тұрған ортамен затымен де алмаспайды. Осы термоиднамикалық тепе – теңдікке сырттан ешкандай көмек алмайды. Осы жағдайда бұл жүйенің бос қуаты, жұмыс жасайтын қабілеті 0 ге тең болады. Энторпиясы максимум , градиенті болмайды, тұрақты стационарлық күйде тірі жануар сырттан dF алу керек . Мысалы керосинкалы шырак ол жағдайда затпен алмасады. . Венгер ғалымы Э. Бауер 1935 жылы өзінің «категориялық биология» атты еңбегінде тірі жүйелер термодинамикалық жағдайдан алшақта болады деген тұжырымға келген. Ол тірі жүйелердің тұрақты теңгерілмелі емес принципін жасады. Бұл принцип бойынша барлық және тек тірі жүйелер ешқашанда теңгерілмелі жағдайда болмайды және өзінің бос знергиясы есебінен тұрақтылыққа қарсы әсер көрсетеді. Егер біз теңгермелік кездегі тірі жүйенің бос энергиясын F белгілесек, потенциалдар айырмашылығының жиынтығын электрлік айырмашылықтар ретінде Х белгілесек, аталған факторлар тудыратын өзгерістерді <X және осы өзгерістердің жүрген уақытын <t, ал өлі жүйелердегі бұл шамаларды сол белгілермен белгілесек, онда тұрақты теңгерілмелігі жоқ мәнді алуға болады: бұл формуладан барлық бос энергияның теңгерілмелі жұмысқа қарсы жұмсайтынын көруге болады. Тұрақты теңгерілмелі емес принципін қолдану арқылы тарихи даму заңдылығының бер екендігі жөніндегі принципін дәлелдеген. Табиғи заңдылық мынаған тең: шығармайды. Принциптерін теңгермелі емес обьектілерге ғана қолдануға болады. Эрвин Бауэр принципі: тұрақты тепе теңдік емес күй. Қуат жұмсалады, қуат арқылы тұрақтылық сақталады. Тірі жүйелер қалыпты жағдайда термодинамикалық тепе- теңдікке қарама- қарсы жұмыс жасайды. Ол дегеніміз – 1-ші тірі жүйе қоршап тұрған ортамен затымен де алмаспайды. Осы термоиднамикалық тепе – теңдікке сырттан ешкандай көмек алмайды. Осы жағдайда бұл жүйенің бос қуаты, жұмыс жасайтын қабілеті 0 ге тең болады. Энторпиясы максимум, градиенті болмайды, тұрақты стационарлық күйде тірі жануар сырттан dF алу керек . Мысалы керосинкалы шырак ол жағдайда затпен алмасады.

23. Мәселе: Термодинамика көзқарасымен түсіндіріп беріңіз, неге ұсақ сүтқоректілер тұрақты азықтануға мәжбүр болады және мұны қандай физикалық факторлар анықтайды.Өйткені, оларда зат алмасу процесі тез жүреді. Себебі, көп қозғалады. Көп қозғалу барысында ішкі қуат, яғни ішкі бос қуат жұмысқа жұмсалып организмге энергия қажет болады. Сол себептен де олар тұрақты түрде қоректеніп отырады.

24. Табиғаттағы жабық термодинамикалық жүйеге мысалдар келтіріңіздер. Жүйе дегеніміз –көп микробөлшек заттар, осы форманы алып жинайды. Бұл жүйе болмайды . осы микробөлшектерді алып, осы жиынтық қоршаған ортадан шектелсе онда бұны жүйе дейміз. термодинамика биожүйеде қуатты процестерді алуын, жиналуын, сақтауын қамтамасыз етеді. Термодинамика унверсалды жүйе. жабық термодинамикалық жүйе ол затын да қуат та бермейді де алмайды да. Жабық жүйе ол дүниеде кездеспейді яғни ол модел түрінде қарастырылады. Бұл мәңгілік жүйе болып есептеледі. Ол шекті. Бұндай жүйе өспейді, өлмейді өзіне ұқсас жүйе туғызбайды, модифицерленбейді, эволюция процесіне түспейді. космос уақыты бой-ша ол өте аз уақыт. Бұл жүе салыстырмалы эталон ретінде болады.Сонымен тұйыцқ термодинам-қ жүйеге Жер, тас, жұмыртқа, дернәсіл, личинка, анабиоз жағдайындағы дән, циста мысал бола алады. Бұлар мәңгі тіршілік етпейді, бірақ ұзақ өмір сүреді. Тұйық жүйе мәңгілік болмайды. Ол затын бермейді,алмайды. Қуатын береді, алады. Бұл жүйе табиғатта кездеседі. Мысалы, жұмыртқа, ұйқыдағы аю, тас, т.б жатады. Тұйық жүйе мәңгілік болмайды.

Термодинамикалық жүйе – кеңістікте белгілі бір көлемге ие макроскопиялық денені айтады. Ал макроскопиялық дене деп көптеген бөлшектерден ( молекулалар мен атомдардан ) тұратын денені айтады. Жүйе түсініктемесіне ғылыми түсінікті тек термодинамика береді. Жүйе дегеніміз бір микроматериалдардың, бөлшектердің жиынтығы. Сол жинақ қоршаған ортадан шектелген. Мысалы, аралар жүйе емес, себебі, қоршалмаған. Органоидтар – мембрана болмаса жүйе емес. Өмірде барлық нәрсе жүйе болуға тырысады. Жүйе болмаған нәрсе жойылады. Термодинамиканың 2 жолы бар: қуат және зат. Ең биік деңгейде тұрған ашық жүйе. Қуатын беріп, алады. Затын береді, алады. Бұл жүйе өседі, өнеді, эволюцияланады, модификацияланады, өзіне ұқсас жүйені туғызады, тек қана ашық болып, алмасып жатып, осы қасиеттерді орындай алады. Онтогенезде – шекті, филогенезде шексіз. Ашық жүйеге барлық тірі организмдер жатады. Ашық жүйе мәңгілік емес. Өте ұзақ уақыт тұра алмайды. Өзіне ұқсас жүйені туғызады. Біз ашық жүйе принципін ұстануымыз керек.

25. Қайтымды және қайтымсыз термодинамикалық процестер.Термодинамикалық процестер қайтымды және қайтымсыз болып 2-ге бөлінеді.Қайтымды, қайтымсыз процесстерге ғылыми түсініктемені термодинамика береді.

Б

А

60% жолға кетті

Х

0%

таусылды

100%бензин 0 40% бензин

Егерде А-дан Б-ға, Б-дан А-ға келу үшін қосымша күш жұмсалса, ол қайтымсыз процесс. Қозғалу, машина, адам, күш жұмсалса. Термодинамиканың бұл қайтымсыз процесіне барлық ашық жүйелер кіреді. Айтар болсақ, жәй қарапайым мысал ретінде, ашық жүйелер- олар тірі организмдер. Олар өседі, өнеді, модификацияланады, өзгереді, басқа жүйеге ауыса алады. Табиғат заңдылықтарын пайдалана біледі.Табиғатта қайтымды процесс болмайды, қуат жасалмаса, жәрдем болмаса, қуат алмаса, ол оқшауланған жүйе, модель өсіп – өнбейтін , ішіндегі қуат өздігінен ауысады. Бір-біріне пайда келтірмейді. Табиғатта кездеспейді. Яғни, бұл процеске оқшауланған жүйені нақты жатқызуымызға болады. Қуат алмайды, қуат бермейді, ешқандай процестер жүрмейді деген сияқты. Тіршілік тек ғарыштан деген ұстаныммен жүру.Жалпы қайтымды процестер тұйық жүйедегі тепе-теңдік процестер болып табылады. Қайтымды процестер дегеніміз не? Бұл-нәтижесінде қоршаған ортада ешқандай өзгерістер болмайтын процестер. Шындығында, егер процесс тепе- тең түрде өтсе, яғни тепе-тең күйлердің үздіксіз бірізділігі болып табылса, онда бұл бірізділіктің әрбір нүктесінде жүйедеде, қоршаған ортада да ешқандай өзгеріс болмайды. Сондай-ақ бұл процесті кері бағытта да жүзеге асыруға болады,мұның барысында да қоршаған ортада ешбір өзгеріс орын алмайды.Классикалық термодинамика қайтымды процестерге толық сипаттама береді, ал қайтымсыз процестер үшін белгілі бір теңсіздіктерді ғана анықтайды және тепе-теңдікке қозғалыстың бағытын көрсетеді. Термодинамикалық теңдеулерге уақыт факторын енгізу оларда нақты термодинамикалық процестердің қайтымсыз дамуын ескеруге қабілетті өлшемнің пайда болуын білдіреді. Күй- қалыптың қандай да бір функцияларының соңғы ұлғаю жағдайынан олардың уақыт бойынша өзгеру жылдамдығына көшуі, сондай-ақ қарастырылып отырған жүйенің қоршаған ортамен қатнасына классикалық термодинамиканы шектеуді тежейді.

26 табиғаттағы ашық термоденамикалық жүйеге мысал келтіріңіз. Жүйе дегеніміз –бір микроматериалдарды бөлшектердің жинағы.Сол жинақ қоршаған ортадан бір нарселер арқылы шектелелген. Ашық термодинамикалық жүйе – затын береді, алады, қуатын береді, алады. Ең биік деңгейде тұрған ашық жүйе. Онтогенезде шекті, филогенезде шексіз. Ашық термодинамикалық жүйелерге барлық тірі организмдер жатады.Қаншама сан алуан түрлі болса да барлық биологиялық жүйелердің барлығы ашық термодинамикалық жүйе болғаннан кейін барлығына тән ортақ белгілері мен қасиеттері бар. . Ашық жүйе мәңгілік емес, өте ұзақ уақыт тұра алмайды, өседі, өледі, өзіне ұқсас жүйені туғызады, эволюция процесіне түседі, модифицерленеді.Ашық жүйе мәңгілік емес, өте ұзақ уақыт тұра алмайды, өседі өледі, өзіне ұқсас жүйені туғызады, эволюция процесіне түседі, модифицерленеді. Тек қана ашық болып, алмасып жатып, осы қасиеттерді орындалады. Біз ашық жүйе принципін ұстануымыз керек. . Ашық жүйелер теориясы 20ғасырдың 30- жылдарында пайда болдыБіз ашық жүйе принципін ұстануымыз керек. Алған затты шығарып отыру принципі орындалу керек. Ашық жүйе: 1) Жүйенің жүмыс қабылеттілігі өз мұқтажына жұмсалуы қажет; 2) Жүйенің жүмысы тепе - теңдікке қарсы бағытталған, өйткені ол сыртқы орта өзгерістерінің нәтижесінде туындап отырады. 3) Сыртқы түрткілер әсер еткенде жүйе олардың күшін өзгертуге бағытталған жұмыс өндіреді. Ашық жүйелер теориясы 20ғасырдың 30- жылдарында пайда болды

27. Тірі жүйелерде қайтымды термодинамикалық процестерге орын бар ма? Термодинамикалық процестер қайтымды және қайтымсыз болып 2-ге бөлінеді.Қайтымды, қайтымсыз процесстерге ғылыми түсініктемені термодинамика береді. Егерде А-дан Б-ға, Б-дан А-ға келу үшін қосымша күш жұмсалса, ол қайтымсыз процесс. Қозғалу, машина, адам, күш жұмсалса. Термодинамиканың бұл қайтымсыз процесіне барлық ашық жүйелер кіреді. Айтар болсақ, жәй қарапайым мысал ретінде, ашық жүйелер- олар тірі организмдер. Олар өседі, өнеді, модификацияланады, өзгереді, басқа жүйеге ауыса алады. Табиғат заңдылықтарын пайдалана біледі. Қайтымды дегеніміз – 100%-бен келіп, ешбір қуат жұмсамай қайта орнына келсе. Табиғатта қайтымды процесс болмайды, сырттан ешқандай қуат алмасақ, жәрдем болмаса, ол оқшауланған жүйеде ғана бар. Модель өсіп – өнбейтін , ішіндегі қуат өздігінен ауысады. Бір-біріне пайда келтірмейді. Табиғатта еш жерде кездеспейді. Жалпы қайтымды процестер тұйық жүйедегі тепе-теңдік процестер болып табылады. Қайтымды процестер дегеніміз не? Бұл-нәтижесінде қоршаған ортада ешқандай өзгерістер болмайтын процестер. Шындығында, егер процесс тепе- тең түрде өтсе, яғни тепе-тең күйлердің үздіксіз бірізділігі болып табылса, онда бұл бірізділіктің әрбір нүктесінде жүйедеде, қоршаған ортада да ешқандай өзгеріс болмайды. Сондай-ақ бұл процесті кері бағытта да жүзеге асыруға болады,мұның барысында да қоршаған ортада ешбір өзгеріс орын алмайды.Классикалық термодинамика қайтымды процестерге толық сипаттама береді, ал қайтымсыз процестер үшін белгілі бір теңсіздіктерді ғана анықтайды және тепе-теңдікке қозғалыстың бағытын көрсетеді. Термодинамикалық теңдеулерге уақыт факторын енгізу оларда нақты термодинамикалық процестердің қайтымсыз дамуын ескеруге қабілетті өлшемнің пайда болуын білдіреді. Күй- қалыптың қандай да бір функцияларының соңғы ұлғаю жағдайынан олардың уақыт бойынша өзгеру жылдамдығына көшуі, сондай-ақ қарастырылып отырған жүйенің қоршаған ортамен қатнасына классикалық термодинамиканы шектеуді тежейді.

28. Тірі жүйелерде жұмысты аяқтау үшін байланысқан энергияны пайдалануға бола ма? TdS – байланысты қуат, сапасы болмайды, жұмысқа жұмсалмайды, ретсіздіктен туады, сондықтан жұмысты аяқтау үшін пайдаланылмайды.

dU=dQ+dA бұл термодинамиканың бірінші заңы.

S= экстенсивті энтропия формула

dQ=TdS кинетикалық қуатты басқа формуламен айтуға болады

dU=TdS+dA

dA=dF

dU=TdS+dF , бұдан шығатын нәтиже былай

ішкі қуат= байланыстық қуат +бос қуат

Байланыстық қуат (TdS) жүйедегі жұмысқа жұмсалмайтын қуат.

Бос қуат (dF)жұмысқа жұмсалатын қуат.

Күйіміздің өзгерісі арқылы қуатты сақтауға болады. Тірі жүйеде ішкі қуат сақталады. Күйін өзгерту арқылы қуатты сақтайды.

29. Биожүйелерге арналған термодинамиканың бірінші заңының қолданылуын қалай тексеруге болады? Термодинамиканың 1заңы: қуаттың сақталу заңы. дене бір күйден екінші күйге өткенде оның ішкі энергиясының өзгеруі денеге жасалған жұмыс пен дененің қабылдаған жылу мөлшерінің қосындысына тең. du=dA+dQ егер сыртқы күштердің денеге жасаған жұмысын dA¹ дененің сыртқы күштерге қарсы жасаған жұмысымен dA ауыстырсақ, онда ол dA=-dA¹ осыны ескерсек 1ші формула былай жазылады. dU=-dA+dQ осыдан dQ=dU+dA бұл формуланы былай түсіндіруге болады: денеге берілген жылу мөлшері сол дененің ішкі энергиясын өзгертуге және сыртқы күштерге қарсы жұмыс істеуге жұмсалады. Термодинамиканың бірінші заңың энергияның сақталу және айналу заңының жылу құбылысына байланысты айтылған түрі деп қарастырамыз. Бұл заң тірі жүйелерде қолданылуына Гесс заң жауап береді «көптеген сатыдан өткен химиялық реакцияның жылу эффектісі рекацияның жүріп өткен жолына байланысты болмайды, ол тек қана химиялық жүйенің бастапқы күйдегі энергиясы мен соңғы күйдегі энергиясының айырмасына байланысты болады». Гесс заңы тамақтың калориялығын анықтау үшін мал дәрігерлігі мен медицинады тамақты өртейді. Ол құралды калориметриялық бомба д.а. сонда бөлініп шыққан жылуды өлшеп алады. Ал осы тамақты адам жесе онда тамақ организмде биохимиялық реакцияға түсіп жылу бөліп шығарады. Гесс заңы бойынша осы екі жылу біріне бірі тең болуға тиіс. Глюкозаның тотығуы биохимиялық реакцияның мысалы бола алады.

30. Қандай термодинамикалық жүйелерде ПӘК нольге тең болады? Пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) – жүйенің (механизмнің) энергияны түрлендіру немесе басқа денеге беру тиімділігін сипаттайтын шама. Ол көбінесе грек әрпі η -мен (этта) белгіленіп, мына өрнек арқылы анықталады: η =Wпайд./Wтол, мұндағы Wпайд., Wтол. жүйенің жұмыс істеуі кезінде жұмсаған пайдалы және толық энергиялары. Орнықты режимде жұмыс істейтін механизмдерде сырттан келтірілген энергияның (Wтол.) бір бөлігі (Wпайд.) пайдалы кедергілерді (металл кесу, жүк көтеру, затты бөлшектеу, т.б.) жеңуге, ал қалған бөлігі (Wшығ.) зиянды кедергілерді (үйкеліс, денені қыздыру, гистерезис тұзағы, құйынды токтар) жеңуге жұмсалады. Бұл жағдайда η =Wпайд./Wтол. Немесе η =1–Wшығ./Wтол.арқылы анықталады. Кез келген механизмнің жұмыс істеуі кезінде міндетті түрде энергия шығындары болатындықтан барлық уақытта η <1 болады. Ол ондық бөлшекпен немесе пайызбен (%) өрнектеледі. Мысалы, фотосинтез процесінің Пайдалы әсер коэффициенті 12 – 15% шамасында.

Тірі жүйелерде ПӘК нольге тең болмайды, бірден кіші болады. Егер қуат жұмысқа емес тек жылуға жұмсалса ПӘК нолге тең болады.