13. Изменение энтропии в открытых системах. Определение скорости продукции энтропии в открытых системах.

dS=diS+deS.

diS>=0 (никогда не бывает отрицательной).

deS=0только в изолированной системе(стационарное состояние); в закрытых и открытых системахdeS ≠ 0.

Энтропия возрастает во всех реальных термодинамических процессах.

(Неравенство dS≥ 0 выражает второе начало ТД)

В живых системах S возрастает или уменьшается. Всякое уменьшение энтропии требует участия внешних сил, => энтропия внешней системы (взаимодействующей) будет возрастать. Возрастание энтропии самопроизвольно и необратимо.

*каждой системе свойственна тенденция к самопроизвольному переходу в состояние maxмолекулярного беспорядка, т.е. каждая система стремится к разупорядоченности.

Второе начало ТД для открытых систем:

• deS/dt ˃ 0 показывает увеличение энтропии системы в результате того, что в организм постоянно поступает поток вещества и энергии.

• deS/dt ˂ 0 означает, что отток энтропии из организма превышает ее приток.

• Величина diS/dt , обусловленная процессами происходящими внутри организма и выделением теплоты в окружающую среду,может принимать любое положительное значение.

При условии, что diS/dt ˃ 0 , возможны следующие три случая:

1. dS/dt ˃ 0:

1.1. deS/dt ˃ 0

1.2. deS/dt ˂ 0, но diS/dt ˃ deS/dt: скорость производства энтропии внутри организма будет превышать скорость обмена энтропией с окружающей средой

2. dS/dt ˂ 0

deS/dt ˂ 0

deS/dt ˃ diS/dt

Общее изменение энтропии в системе становится отрицательным, т.е. скорость обмена энтропией с окружающей средой превышает скорость производства энтропии внутри организма.

Отток из организма положительной энтропии или приток из окружающей среды отрицательной энтропии.

Только при ЭТОМ условии обмена энтропией с внешней средой возможно существование и усложнение живых организмов в процессе эволюции.

3. dS/dt = 0

deS/dt ˂ 0

Скорость обмена энтропией с окружающей средой равна скорости производства энтропии за счет внутренних биофизических и биохимических процессов.

Установление в системе стационарного состояния.

Увеличение энтропии системы за счет происходящих в ней необратимых процессов компенсируется притоком отрицательной энтропии при взаимодействии системы с внешней средой.

Баланс S при росте и развитии организмов:рост и развитие – непрерывное снижение скорости продуцирования S, отнесенной к единице массы объекта: dS = diS + deS< 0.Снижается и достигает минимальных значений в конечном стационарном состоянии (при ТД равновесии).

Уменьшение скорости теплопродукции (dβ/dt) = уменьшение скорости продуцирования энтропии (dS/dt).

Благодаря более интенсивным процессам обмена веществ отток энтропии превышает ее продукцию:deS/dt ˃ diS/dt.

Старение сопровождается возрастанием энтропии! dS = diS + deS> 0; diS/dt>deS/dt.

Жизнь – это постоянная борьба против тенденции к возрастанию энтропии.

14. Работоспособность биологических систем. Градиенты.

Работоспособность биологических систем, обусловленная наличием свободной энергии, определяется градиентами, которые являются результатом неравновесного распределения вещества в биологической системе и непрерывного переноса его молекул из одной части системы в другую.

Работа биологической системы происходит за счет реализации энергии каких-либо градиентов. Поэтому отсутствие градиентов означает смерть организма.

Биологические системы обладают разнообразными градиентами:

• концентрационный - возникает при условии наличия значительной разницы в концентрации ионов во внутренней и внешней среде;

• осмотический - характеризует разницу в величине осмотического давления в системе растворитель - раствор, разделенных полупроницаемой мембраной, т. е. проницаемой для молекул растворителя, но непроницаемой для растворенного вещества;

• электрический - характеризует движение ионов в сторону их противоположного заряда.

Термодинамические потоки

Процесс жизнедеятельности определяют потоки: осмотический, электрический, тепловой, диффузионный…которые характеризуются градиентами соответствующих величин.

Н-р: интенсивность диффузионного потока пропорциональна градиенту концентрации вещества:

В живых организмах градиенты определяют потоки. Градиенты, вызывающие в системе потоки веществ, теплоты, зарядов, называются термодинамическими силами.