Термодинамические системы. Классификация термодинамических систем. Состояние системы. Стационарные состояния биологических систем. Первый закон ермодинамики.
ТДС - система, под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и веществом с этой средой, открытые системы, в которых такой обмен происходит. Закрытая система – не обменивается веществом с ОС, но обменивается энергией.
Состояния системы: Равновесное – это такое состояние системы, которое при постоянных внешних условиях характеризуется неизменностью параметров во времени и отсутствие в системе потоков. т.е. процесс, идущий с нулевой скоростью без заметного отклонения от равновесия, т.е. обратимо. Неравновесное – наоборот. Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Термодинамическим критерием (условием) стационарного состояния является равенство между продукцией энтропии организмом и потоком энтропии из него в окружающую среду:
(diS/dt)=-(deS/dt), а полное изменение энтропии равно нулю: dS/dt=0.
В обычных условиях жизни организм поддерживает стационарное состояние, которое характеризуется не отсутствием процессов, а таким их течением (обычно весьма активным и напряженным), при котором они сбалансированы настолько, что основные параметры системы сохраняются неизменными, создавая внешнее впечатление «покоя».
Первый закон термодинамики:
Оно было сформулировано независимо друг от друга Ю. Р. Майером (1842), Д. П. Джоулем (1843) и Г. Л. Гельмгольцем (1847).
Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами – посредством передачи тепла и путем совершения работы:
ΔU=Q – A или Q= ΔU+A.(*) - Эта формула и выражает первое начало термодинамики.
Механическая работа вычисляется по формуле dA=f·dl. это лишь частный случай. Формы совершения работы могут быть весьма разнообразными:
dA = p·dV – работа расширения газа;
dA = U·dq – работа переноса заряда при разности потенциалов U;
dА = pосм·dm/ρ – работа переноса вещества за счет осмотического давления;
dA = μx·dν – работа, совершаемая при химической реакции
Можно привести и другие аналогичные формулы. Все они имеют сходную структуру, так как отображают одно и то же – перемещение (перенос) какого-либо объекта под действием определенной причины (силы). Поэтому в общем виде можно написать
dA=X·dx или A=∫X·dx,
Если одновременно на систему действует несколько обобщенных сил (то есть процессы переноса ее компонентов происходят под влиянием нескольких причин), то формула примет вид
или
Используя принятые обозначения, формулу (*) можно записать в виде
то есть количество тепла, полученное системой, определяется изменением внутренней энергии системы, а также суммой всех видов работы, совершенных системой. Эту формулу можно считать наиболее общим выражением первого начала термодинамики.
Если обобщенные силы постоянны, то формула упрощается:
или
Стационарное состояние биологических систем. Организм как открытая термодинамическая система. Общие критерии устойчивости стационарных состояний. Стационарное состояние и условие минимума прироста энтропии. Уравнение Пригожина.
СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ БИОСИСТЕМ
Особенностью биосистем является то, что они не просто открытые системы, но системы, находящиеся в стационарном состоянии. При стационарном состоянии приток и отток энтропии происходят с постоянной скоростью, поэтому общая энтропия системы не меняется во времени (dS / dt = 0). Благодаря стационарному состоянию за счет непрерывного обмена энергией с внешней средой биосистемы не только находятся на удалении от термодинамического равновесия (низший возможный энергетический уровень, на котором энтропия системы максимальна) и сохраняют свою работоспособность, но и поддерживают во времени постоянство своих параметров. Немаловажно и то, что в стационарном состоянии биосистемы обладают способностью к авторегуляции. Другой интересной особенностью стационарного состояния является определенная степень его устойчивости. Если стационарное состояние достаточно устойчиво, то после не очень сильного отклонения от него, вызванного каким-либо возмущающим воздействием, система может вновь вернуться в исходное положение. Типичный пример такой устойчивости - содержание глюкозы в крови человека. Как известно, оно достаточно постоянно, но это постоянство поддерживается за счет непрерывного притока и оттока глюкозы. Если ввести в кровь какое-то количество этого углевода, то его содержание увеличится. Однако через некоторое время содержание глюкозы в крови вернется к исходному уровню.. И. Пригожин. Если обозначить dS / dt - скорость изменения энтропии открытой системы, diS / dt - скорость образования энтропии в системе за счет внутренних необратимых процессов, deS / dt - скорость обмена энтропией с внешней средой, то уравнение Пригожина имеет вид
причем член diS / dt, по определению, всегда положителен, а член deS / dt может быть как положительным, так и отрицательным
Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными.
В состоянии равновесия в системе прекращаются все процессы, кроме теплового движения молекул; соответственно, выравниваются все градиенты. В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и другие процессы, но они так сбалансированы, что состояние системы в целом не изменяется. В стационарном состоянии существуют градиенты между отдельными частями системы, но они сохраняют постоянные значения. Это возможно только при условии, что система из окружающей среды получает вещество и свободную энергию, а отдает продукты реакций и выделяющееся тепло.
Термодинамическим критерием (условием) стационарного состояния является равенство между продукцией энтропии организмом и потоком энтропии из него в окружающую среду:
(diS/dt)=-(deS/dt), а полное изменение энтропии равно нулю: dS/dt=0
Понятно, что термодинамическому равновесию свойственно отсутствие потока веществ между системой и средой, тогда как стационарное состояние открытой системы поддерживается благодаря обмену веществом и энергией со средой. Именно в окружающей среде открытая система черпает свободную энергию, необходимую для поддержания стационарного состояния. Для сохранения термодинамического равновесия затрачивать свободную энергию не нужно.
В биологической системе термодинамическое равновесие устанавливается только при наступлении смерти. В обычных условиях жизни организм поддерживает стационарное состояние, которое характеризуется не отсутствием процессов, а таким их течением (обычно весьма активным и напряженным), при котором они сбалансированы настолько, что основные параметры системы сохраняются неизменными, создавая внешнее впечатление «покоя».
ТЕОРЕМА ПРИГОЖИНА,
В стационарном состоянии продукция энтропии имеет постоянное и. минимальное из всех возможных значений:
Теорема Пригожина показывает, что в стационарном состоянии диссипация свободной энергии происходит с меньшей скоростью, чем в любых других состояниях. Стало быть, в стационарном состоянии свободная энергия системы расходуется наиболее экономно и поэтому требуется минимальная компенсация ее затрат. Другими словами, КПД системы в стационарном состоянии максимален.