9. До яких термодинамічних систем належать живі організми? Чи можна застосувати закони термодинаміки до біологічних процесів?

Відкриті системи, до яких належать живі організми, перебувають у нерівноважному стані, тому що до них безперервно надходить енергія із середовища у вигляді енергоємних речовин і виділяється тепло. Нерівноважний стан системи пояснюється тим, що різні градієнти, які виникають в організмі, є силами, що спричиняють різні потоки – потік речовин, потік іонів, електронів тощо. Живим організмам властива сталість водневого показника рН, іонних градієнтів, осмотичного тиску тощо. Така сталість різних показників усередині організму є стаціонарним станом. Він характеризується не відсутністю змін, як при термодинамічній рівновазі, а сталою швидкістю хім. реакцій і фіз. процесів в організмі. У термодинаміці відкритих систем ентропію різних реакцій в орг. можна розглядати як потік додатної ентропії, а вільну енергію, що надходить іззовні у вигляді енергоємних речовин,- як потік від҆ємної ентропії.Кожна клітина й живий організм в цілому є відкритими системами. Процеси, які відбуваються в біосистемах, незворотні (нерівноважні).

Фундаментальним поняттям класичної термодинаміки є рівноважний стан системи, в якому термодинамічні параметри (об’єм, тиск, температура, тощо) мають однакове значення в усіх точках системи й не здатні змінюватися в часі. Рівноважний стан для живого організму неприпустимий, тому в термодинаміці біологічних процесів основним поняттям є стаціонарний стан системи – стан, в якому параметри також не змінюються в часі, але можуть відрізнятися в різних частинах системи. Це можливе лише за рахунок надходження енергії або речовини з оточуючого середовища.

Стаціонарний стан системи на прикладі іонного балансу клітини: концентрація іонів К+ в середині клітини теплокровних в 15-50 разів більше, ніж назовні, а концентрація іонів Nа+ - в 10-15 разів менша. Різниця концентрацій іонів К+ підтримується наявністю від’ємного потенціалу на внутрішній стороні мембрани, який перешкоджає виходу катіонів з клітини. Це, а також градієнт концентрацій сприяють проходженню іонів Nа+ в клітину, незважаючи на низьку проникність для них цитоплазматичної мембрани. Підтримання різниці концентрацій Nа+ потребує витрат енергії. Іони Nа+ викачуються з клітини Nа-К-насосами, які працюють за рахунок енергії, що виділяється під час гідролізу АТФ. Енергії однієї молекули АТФ достатньо для виводу з клітини 3Nа+ й вводу 2К+.

10. Дайте визначення поняттю «термодинамічний процес». Термодинамічні параметри. Який процес називається рівноважним, нерівноважним?

Термодинамі́чний проце́с — це сукупність послідовних станів, через які проходить термодинамічна система при взаємодії її з навколишнім середовищем. При цьому усі чи частина параметрів зазнають змін. Ці зміни параметрів відбуваються таким чином, щоб система прямувала до стану рівноваги.

Система характеризується деякими фізичними і хімічними властивостями, а саме, тиском (Р), об’ємом (V), температурою (Т), енергією (Е), кількістю молів речовини та ін. Ці властивості часто називають параметри системи.

Процес зміни станів системи може бути рівноважним і нерівноважним, круговим оборотним і круговим необоротним.

• рівноважний (квазістатичний) процес — процес, при якому тіло (система тіл) проходить неперервний ряд рівноважних станів. При рівноважному процесі стани тіла повинні змінюватися нескінченно повільно. Це значить, що тіло проходить через ряд нескінченно близьких станів рівноваги із зовнішнім середовищем;

• нерівноважний термодинамічний процес — термодинамічний процес, за якого система знаходиться не в рівновазі з оточенням;

• круговий процес або термодинамічний цикл — процес, при якому фізична система (наприклад, пара), зазнавши ряд змін, повертається у вихідний стан.

• оборотний/необоротний круговий процес — процес, за якого система може/не може повернутись у початковий стан без того, аби у навколишньому середовищі відбулись які-небудь зміни. Такі кругові процеси, при яких система повертається у початковий стан, а в навколишньому середовищі відбуваються необоротні зміни є необоротним.

Термодинаміка у першу чергу розглядає рівноважні стани і рівноважні процеси зміни стану термодинамічної системи, котрі можуть бути описані кількісно за допомогою рівнянь стану. Найпростішими рівняннями стану є рівняння Менделєєва-Клапейрона, Ван дер Ваальса тощо.

Рівноважний процес можливо здійснити лише при нескінченно повільній зміні зовнішніх умов. Отже, реальні процеси, що зазвичай є нерівноважними, можуть лише з певними допущеннями наближатись до рівноважних, ніколи з ними не збігаючись. Нерівноважність реальних процесів обумовлюється у першу чергу тим, що під впливом зовнішніх умов їх перебіг відбувається з певними швидкостями і у робочому тілі не встигає наступити рівноважний стан.