1.Термодинамика биологических процессов.

1.1.Основные понятия термодинамики.

Важнейшим свойством живых организмов является их способность улавливать, преобразовывать и запасать энергию в различных формах. Общие законы, которые определяют превращения энергии, изучаются термодинамикой. Законы термодинамики универсальны для неживой и живой природы. Но, формулируя их, мы не исследуем конкретной сущности процессов, происходящих при нагревании воды или при развитии эмбриона.

Термодинамика – наука, изучающая наиболее общие законы превращения различных видов энергии в системе. Термодинамика – наука феноменологическая (от слова «феномен» – явление). Феноменологические теории, в отличие от атомно–молекулярных теорий, изучают закономерности, не связанные с конкретной структурой вещества.

Различают термодинамику равновесных систем (классическую равновесную) и термодинамику неравновесных систем (линейную и нелинейную).

Под термодинамической системой понимают часть пространства, условно ограниченную поверхностью (оболочкой). При этом размеры частиц, составляющих систему (m), должны быть существенно меньше самой системы (М): m << M.

Различают 3 типа систем:

Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Замкнутая система (закрытая) обменивается с окружающей средой только энергией.

Открытая система обменивается с окружающей средой энергией и веществом.

Открытая система, которая функционирует вдали от термодинамического равновесия, называется диссипативной системой (или диссипативной структурой). Это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой. Диссипативная система характеризуется спонтанным появлением сложной, зачастую хаотичной структуры.

Термодинамическая система характеризуется определенными параметрами (функциями). Количественные параметры описывают их состояние и подразделяются на следующие группы.

Экстенсивные – зависят от общего количества вещества в системе (масса, объем).

Интенсивные – не зависят от общего количества вещества в системе (давление, температура).

Термодинамические процессы – это процессы обмена энергией и веществом или переход энергии из одной формы в другую. Они бывают обратимые и необратимые.

При обратимом процессе переход от начального состояния к конечному состоянию, и наоборот, не требует дополнительных затрат энергии. Энергия переходит из одного вида в другой без потерь. Это характерно для идеальных процессов.

При необратимом процессе переход от конечного состояния к начальному состоянию требует дополнительных затрат энергии, так как процессы идут с частичными потерями энергии в виде тепла. Это характерно для реальных процессов.

Основная задача термодинамики – однозначное описание изменений в термодинамической системе при её переходе из одного состояния в другое. Различают равновесное и неравновесное состояния термодинамической системы.

Равновесным называется такое состояние системы, когда ее параметры не меняются с течением времени. Интенсивные параметры одинаковы во всех точках системы, т.е. градиенты этих параметров отсутствуют.

Неравновесным называется такое состояние системы, когда ее параметры с течением времени изменяются. Интенсивные параметры различны в разных точках системы, т.е. имеются градиенты этих параметров.

Градиент – изменение параметра в пространстве. Существуют градиенты: температуры – ΔТ/Δх, концентрации – ΔС/Δх, давления – ΔР/Δх и т.д.

Связи между параметрами системы называют уравнениями состояния. Изменение любого из параметров приводит к изменению состояния системы. Переход системы от одного состояния к другому происходит в результате различных процессов, которые подчиняются законам термодинамики.