5. Обратимые и необратимые процессы.
Равновесные (обратимые) процессы - это процессы, протекающие в системе таким образом, что вызванные ими изменения в состоянии системы могут произойти в обратной последовательности без дополнительных изменений в окружающей среде.
Необходимым и достаточным условием обратимости термодинамического процесса является его равновесность. ТД равновесие - это полностью стабильное состояние, в котором система может находиться в течение неограниченного периода времени.
Неравновесные (необратимая) процессы – их протекания в обратном направлении сопровождаются остаточными изменениями в окружающей среде.
Все реальные процессы неравновесны и необратимы. Всякий необратимый процесс в одном направлений (прямом) протекает самопроизвольно, а для осуществления его в обратном направлении так, чтобы система вернулась в первоначальное состояние, требуется компенсирующий процесс во внешних телах, в результате которого состояния этих тел оказываются отличными от первоначальных. Например, процесс выравнивания температур двух соприкасающихся различно нагретых тел идет самопроизвольно, т. е. не связан с необходимостью одновременного существования каких-либо процессов в других (внешних), телах. Однако для осуществления обратного процесса увеличения разности температур тел до первоначальной нужны компенсирующие процессы во внешних телах, обусловливающие, например, работу холодильной машины.
6. Понятие термодинамического равновесия. Равновесные и неравновесные системы.
Термодинамическое равновесие – это полностью стабильное состояние, в котором система может находиться в течение неограниченного периода времени. При выведении изолированной системы из равновесия, она стремится возвратиться к этому состоянию самопроизвольно (термос с горячей водой и кусочек льда).
В состоянии термодинамического равновесия в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников.
Для открытых и закрытых систем характерное стационарное состояние (параметры системы с течением времени не изменяются).
Равновесная система – параметры в разных частях системы одинаковы. Движущие силы отсутствуют. Если такая система изолирована, то она может находиться в состоянии равновесия неограниченно долго.
Неравновесная система– их параметры различны в разных точках объема, что приводит к наличию постоянных градиентов и сил, и создаваемых ими потоков вещества и энергии за счет поступления энергии из внешней среды. Если такая система изолирована, то она необратимо эволюционирует к состоянию ТД равновесия.
7. Первый закон термодинамики. История открытия. Формулировка, физический и биологический смысл.
Открытие первого закона термодинамики исторически связано с установлением эквивалентности теплоты и механической работы. Это открытие связано с имена Р. Майера и Д. Джоуля. Основная работа Майера, в которой он подробно и систематически развил свои идеи, была опубликована в 1845 г. и называлась «Органическое движение в его связи с обменом веществ». Майер сразу же сформулировал первое начало термодинамики как принцип, которому подчиняются любые формы движения в природе. Он указывал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме является не жизненная сила, как утверждали виталисты, а те химические процессы, которые протекают в нем в результате поглощения кислорода и пищи.
Джоуль пришел к установлению эквивалентности тепла и механической работы индуктивным путем, т.е. непосредственно экспериментальным измерением превращения механического движения в теплоту.
Первый закон термодинамики формулируется следующим образом: «Общая энергия в изолированной системе – величина постоянная и не изменяется во времени, а лишь переходит из одной формы в другую.
Теплота σQ, поглощенная системой из внешней среды идет на увеличение внутренней энергии dU системы и совершение работы σА против внешних сил.
Если теплота передается в систему, то ΔQ > 0.
Если теплота передается системой, то ΔQ < 0.
Работа, совершенная системой считается положительной.
Работа, совершенная над системой – отрицательна.
Первое начало термодинамики объясняет невозможность существования вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затрат энергии.
В 19 веке было доказано, что первый закон термодинамики применим для живых систем. Это доказательство отражено в работе «О теплоте», 1873г. Лавуазье, Лаплас – ледяной калориметр, для определения количества выделенной теплоты. Смысл осуществления эксперимента заключался в том, что дыхание аналогично медленному горению (многоступенчатый процесс). Процесс дыхания служит источником тепла для живых организмов. Так же в опытах использовалась пневматическая установка, которая позволяла вычислить количество выделенного углекислого газа.
При сжигании углеводов в калориметре
C6H12O6 + 6O2= 6CO2+ 6H2O – углеводы окисляются до углекислого газа и воды.
Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляется 4,1 кКал.
Пути превращения продуктов питания в метаболических процессах в живых организмах и в химических реакциях вне живой клетки являются эквивалентными с точки зрения суммарных тепловых эффектов.
(Отсюда следствие из первого закона ТД – закон Гесса: тепловой эффект не зависит от его промежуточных этапов, определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.)