2.2. Поняття ентальпії. Закон Гесса

За фіксованого значення тиску р замість внутрішньої енергії U вво-дять нову функцію стану, яка добре описує поведінку термодинамічної системи. При цьому роботу, що виконується у разі зміни об’єму V (за умов p = const), можна подати таким чином:

А_p = p V.

Тоді перший закон термодинаміки набуде вигляду Q = U + p V = (U + pV) = H.

Таку нову функцію стану, що визначає тепловий вміст системи, на-зивають ентальпією Н (Дж/моль) і визначають так:

76

8. = U + p^.V,

або у диференціальній формі: ∂H = ∂U + p^.∂V, якщо р = const.

• XIX ст. було доведено експериментально, що перший закон тер-модинаміки можна застосовувати до процесів, які відбуваються в біоло-гічних системах.

Надходження їжі забезпечує енергію, яка використовується для ви-конання різних функцій організму або зберігається для подальшого ви-користання. Енергія вивільняється з харчових продуктів у процесі їх бі-ологічного окиснення, яке є багатоступеневим процесом.

Енергія харчових продуктів використовується в клітинах спочатку для синтезу макроергичних сполук, наприклад, аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), яка, у свою чергу, може використовуватися як джерело енергії майже для всіх процесів у клітині незалежно від послідовності та проміжних етапів перетворення енергії. Це показано на принципі Гесса, який є наслідком першого закону термодинаміки.

Закон Гесса: тепловий ефект Q багатоступеневої хімічної реакції не залежить від ходу реакції та її проміжних ета пів,

• визначається лише різницею ентальпій вихідних речовин та продуктів реакції:

Q= H.

Приклад 2.2. Визначте кількість теплоти, яка виділяється у процесі окис-нення (за умови р = const) 1 моль/л глюкози:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ → 6 СО₂ + 6 Н₂О – H(Q).

Розв’язання:

За законом Гесса знаходимо виділену в цій реакції енергію:

17. = 6(H_СО2 +H_Н2O) – (H_С6Н12О6 + 6H_О2) = –2810 кДж/моль.

Така ж кількість теплоти виділяється під час окиснення глюкози в організмі тварин [12], коли внаслідок складних хімічних перетворень утворюється багато проміжних продуктів, незважаючи на те, що процес окиснення в них є багатоступеневим процесом.

77

Теплота Q згоряння, яка виділяється у процесі окиснення речовин, зокрема харчових продуктів, визначається в калориметричних бомбах – приладах, призначених для дослідного спалювання речовин і визначення їх теп-лотвірної здатності (рис. 2.1). Калоримет-ричну бомбу застосовують для дослід-жень разом з калориметром. Вона являє собою циліндричну посудину з кислотот-ривкої сталі місткістю 0,3 л з нагвинче-ною кришкою, на якій розміщено чашки для спалюваного речовини, трубка для підведення кисню, отвори для виходу га-зу та клеми для підведення електричного струму до тигля, в якому спалюється ре-

	човина під час досліду.
	Калориметрична бомба складається з
	металевого стакана, кришки, гайки та кіль-
Рис. 2.1. Схема калориметричної	ця ущільнювача [18]. Із підвищенням
бомби:	тиску в бомбі кільце ущільнювача при-
1 – ковпачок для скидання продук-
тів згоряння; 2 – золотник;	тискається до стакана і гайки, чим забез-
3 – штуцер; 4 – ізолятор;	печується герметизація за мінімального
5 – втулка; 6 – кришка; 7 – кільце
	тиску 0,3…0,4 МПа.
ущільнювача; 8 – гайка
спеціальна; 9 – гайка;	Із зовнішнього боку на кришці бомби
10 – стрижень; 11 – тримач тигля;	розміщено штуцер, призначений для на-
12 – запалювальний дріт;
13 – втулка; 14 – тигель;	повнення бомби киснем і відведення про-
15 – гайка; 16 – стакан	дуктів згоряння після вибуху. Він же є

електродом, ізольованим від бомби; призначений для підведення елект-ричного струму до запального дроту. Роль іншого електрода виконує корпус бомби.

На внутрішньому боці кришки бомби є два стрижні-утримувачі, на одному з яких кріпиться утримувач тигля і запальний дріт. Другий

78

стрижень призначений для кріплення іншого кінця запального дроту і підведення струму до нього.

Якщо система переходить зі стану 1 у стан 2, змінюючи свій об’єм V за умови р = const, то при цьому виконується робота W_p. Загальна робота W = W_p + W₀, де W₀ – корисна робота, яка виконується для м’язового скорочення або перенесення зарядів через мембрану. Тобто

U + p^. V = Q – W₀; H = Q – W₀.

Оскільки H містить «некорисну» роботу р V, а всі процеси в клі-тинах відбуваються за постійного тиску, ентальпію найчастіше викори-стовують для опису теплових ефектів у біологічних системах. Якщо людина не виконує зовнішньої роботи, то рівень вивільнення організ-мом енергії можна визначити за загальною кількістю теплоти, виділеної тілом. Для цього застосовують метод прямої калориметрії, для реаліза-ції якого використовують великий, спеціально обладнаний калориметр. Досліджують організм людини у спеціальній камері, яка добре ізольо-вана від середовища (не відбувається обміну енергією камери з навко-лишнім середовищем). Кількість теплоти, яка виділилася досліджува-ним організмом, можна точно виміряти. Експерименти, виконані цим методом, показали, що кількість енергії, що потрапляє в організм, дорів-нює енергії, яка виділяється у процесі калориметрії. Проведення досить прямої калориметрії трудомістке, тому частіше використовують метод непрямої калориметрії, який ґрунтується на обчисленні витрати енергії організмом за кількістю використаного ним кисню.

Будь-який процес окиснення поживної речовини в організмі відбу-вається зі споживанням цим організмом кисню та вуглекислого газу.

Кількість теплоти, яка виділяється у процесі окиснення поживної

речовини, оцінюють дихальним коефіцієнтом δ: ^{ CO2 ,} де [CO2] – ^_^O2 ^_

кількість виділеного вуглекислого газу; [O₂] – кількість поглинутого кисню. Кожному δ відповідає свій енергетичний еквівалент Q₀ – кіль-

79

кість енергії, яка виділяється у разі поглинання одного літра О₂ (табл. 2.1, 2.2).

Таблиця 2.1

Об’єм споживаного кисню О₂ та виділеного вуглекислого газу СО₂