Лекція 6 Основи біоенергетики

1.Загальні відомості

Процеси життєдіяльності пов’язані з постійними витратами енергії. Енергія необхідна для механічної роботи при скороченні м’язів, для електричної роботи – при генерації та передачі нервових імпульсів, для хімічної роботи – при утворенні нових хімічних зв’язків між атомами в процесах біосинтезу.

Вивченням закономірностей перетворення енергії в живих організмах займається біоенергетика. Біоенергетика э одним з розділів термодинаміки ‒ науки про взаємні перетворення різноманітних видів енергії. Енергія – це здатність виконувати роботу. Процеси перетворення енергії в живих організмах підкоряються законам термодинаміки. Термодинаміка встановлює закони цих перетворень, а також напрямок самовільного перебігу різноманітних процесів за даних умов. Розділ термодинаміки, який вивчає теплові ефекти хімічних реакцій, називається термохімією.

Термодинамічна система  сукупність тіл, умовно або реально відокремлена від оточуючого простору. Розрізняють три типи систем. Ізольованою системою називається система, яка не обмінюється з оточуючим простором енергією та масою – Δm=0, ΔE=0. Закритою називається система, яка обмінюється енергією – Δm=0, ΔE0, відкритою називається система, яка обмінюється з оточуючим середовищем масою і енергією – Δm0, ΔE0. Живий організм є відкритою системою, тому що він постійно обмінюється з зовнішнім середовищем речовиною і енергією.

Термодинамічні параметри  тиск (Р), температура (Т), обєм (V), кількість речовини (). Стан системи описується рівнянням стану f(V,Р,Т) = 0. На цей час таке рівняння відомо тільки для стану ідеального газу РV = mRT/M (рівняння Менделєєва  Клапейрона).

Для енергетичної характеристики більшості систем використовують функції стану, які однозначно визначаються параметрами. Значення цих функцій не залежать від характеру процесу, який приводить систему в даний стан.

Одна з функцій ‒ внутрішня енергія (U) системи – загальний запас енергії, який включає енергію поступального і обертального руху молекул, енергію коливань атомів і атомних груп, енергію руху електронів, ядерну енергію тощо.

Внутрішня енергія – це повна енергія системи без потенційної і кінетичної енергії системи в цілому.

2. Перший закон термодинаміки в біоенергетиці

Згідно першого закону термодинаміки енергія не виникає і не зникає, а може переходити з одного виду в інший. Живі організми тільки перетворюють її. Цей закон дозволяє визначити загальний баланс енергетичних перетворень, які супроводжують біологічний процес.

Математичне формулювання закону залежіть від типу системи:

для ізольованої системи: загальний запас внутрішньої енергії системи залишається сталим (U = 0); для неізольованої системи: внесена при сталій температурі теплота Q витрачається на прирощення внутрішньої енергії та виконання роботи А проти зовнішніх сил: Q = U + A.

Теплота ‒ форма передачі енергії від однієї системи до іншої внаслідок неупорядкованого руху молекул. Якщо система приймає теплоту Q > 0, якщо віддає − Q < 0.

Робота ‒ це упорядкована форма передачі енергії, внаслідок чого система має можливість виконувати спрямовану дію над іншою системою. А > 0, якщо система виконує роботу над іншою системою, А < 0, якщо інша система виконує роботу над даною системою.

Якщо хімічні реакції проводяться при сталому об’ємі (ізохорні процеси), то їх теплота витрачається на зміну внутрішньої енергії системи, тобто

Q_V = U.

Якщо реакції проводяться при сталому тиску (ізобарні процеси), то теплота дорівнює ентальпії системи:

Q_P = U + pV = H.

Ентальпія (H) – енергетична функція стану, що дорівнює сумі змін внутрішньої енергії та енергії, здатної перетворитися на роботу при сталому тиску. Частіше зустрічаються ізобарні процеси, тому теплові ефекти виражаються через зміну ентальпії Н.