- •Раздел I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика 16 глава 1. Законы динамики ньютона. Законы сохранения 16
- •Вопросы и задачи к главе I. 33 глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе 52
- •Глава 4. Реальные газы 74
- •Вопросы и задачи и вопросы к главе 4. 82 глава 5. Поверхностное натяжение жидкости 82
- •Вопросы и задачи к главе 5 102
- •Вопросы задачи к главе 4 180
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны 181
- •Вопросы задачи к главе 5 201 глава 6. Оптика 201
- •Вопросы задачи к главе 6 251
- •Раздел III. Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1.Тепловое излучение тел 253
- •Глава 2. Рентгеновское излучение 261
- •Глава 3. Радиоактивность 272
- •Раздел IV. Биофизика 337 глава1 молекулярная биофизика 337
- •Глава 2. Биологические мембраны. 358
- •Введение
- •Раздел I механика. Молекулярная физика. Термодинамика.
- •Глава 1 законы динамики ньютона. Законы сохранения.
- •1.1. Законы ньютона. Основные дифференциальные уравнения движения.
- •Здесь аx , аy , аz - проекции вектора ускорения на оси координат X , y и z;
- •1.4 Физические основы центрифугирования
- •Глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Примечание 2
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе.
- •3.1. Особенности термодинамического метода. Первое начало термодинамики.
- •3.2. Применение первого начала термодинамики к равновесным изопроцессам идеального газа
- •Глава 4. Реальные газы
- •Глава 5. Поверхностное натяжение жидкости
- •5.5 Методы определения коэффициента поверхностного натяжения
- •Глава 6. Вязкость жидкости
- •1. Метод капиллярного вискозиметра (оствальда).
- •2. Метод падающего шарика (стокса)
- •Глава 7 твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры.
- •7.1. Фазовые переходы. Плавление, кристаллизация, сублимация.
- •7.2.Кинетические превращения. Стеклование и размягчение
- •7.3. Жидкие кристаллы
- •7.4. Кристаллические модификации твёрдых кристаллов.
- •7.5 Механические свойства твёрдых тел. Закон гука. Упругость и пластичность
- •7.6 Полимеры. Их кристаллическое, стеклообразное, высокоэластическое, вязкотекучее состояние.
- •Глава 8. Процессы переноса
- •8.1. Диффузия
- •8.2. Теплопроводность
- •8.3. Вязкость
- •Раздел II
- •Глава 1. Механические колебания
- •1.3 Смещение, скорость и ускорение гармонически колеблющегося тела
- •1.7. Автоколебания
- •1.8. Сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой. Теорема фурье. Гармонический спектр сложного колебания
- •Вопросы и задачи к главе 1
- •Глава 2. Механические волны
- •2.1 Механические волны, продольные и поперечные волны
- •2.2. Уравнение и график плоской незатухающей гармонической волны
- •Вопросы и задачи к главе 2
- •Глава 3. Звук
- •3.1. Субъективные (физиологические) характеритики восприятия звука и их связь с объективными, физическими характеристиками звуковой волны
- •3.2 Область слышимости
- •3.3. Закон вебера-фехнера
- •3.4. Уровень интенсивности
- •Вопросы и задачи к главе 3
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине инфразвук
- •4.1. Физические свойства ультразвука
- •1. Частотный диапазон ультразвука
- •4.4.Источники и приёмники ультразвука
- •1. Пьезоэлектрические излучатели-приёмники
- •2. Магнитострикционные излучатели ультразвука
- •Вопросы и задачи к главе 4
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны
- •5.1. Некоторые необходимые сведения об основах электричества и магнетизма.
- •Глава 6. Оптика
- •Раздел III . Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел
- •1.2 Спектр теплового излучения абсолютно чёрного тела.Закон вина. Закон стефана-больцмана.
- •Глава 2. Рентгеновское излучение
- •Глава 3. Радиоактивность
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений
- •Глава 5. Элементы квантовой механики.
- •5.4. Решение уравнения шрёдингера для частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками
- •Глава 6. Люминесценция
- •Глава 7. Лазер
- •7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни
- •Глава 8. Оптическая спектроскопия. Ик- спектроскопия. Радиоспектроскопия.
- •8.4. Спектры комбинационного рассеяния
- •Раздел IV. Биофизика
- •Глава 1. Молекулярная биофизика
- •1.Ионная связь
- •2.Ковалентная связь
- •3.Межатомное отталкивание
- •4. Донорно- акцепторная связь
- •5. Водородная связь
- •1. Ориентационная связь
- •3. Индукционная связь
- •3. Дисперсионная связь
- •4. Межмолекулярное отталкивание
- •5. Гидрофобные взаимодействия
- •Глава 2. Биологические мембраны
- •2.3. Жидкостно-мозаичная модель биомембран
- •2.4. Модельные липидные мембраны.
- •2.5. Физические свойства мембран и методы их исследования.
- •2.6. Физическое состояние и фазовые переходы фосфолипидного бислоя
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем.
- •3.1 Применение первого начала термодинамики к биологическим системам. Прямая и непрямая калориметрия. Энергетический баланс организма.
- •3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.
- •3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения
- •3.4 Стационарное состояние. Теорема пригожина. Аутостабилизация. Адаптация.
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны.
- •4.1 Пассивный и активный транспорт веществ
- •Глава 5. Биоэлектрические потенциалы
- •5.1Виды биопотенциалов. Их виды: покоя, действия. Природа биопотенциалов
- •5.2. Методы регистрации биопотенциалов. Микроэлектроды.
- •5.3 Биопотенциалы покоя. Уравнение Гольдмана, уравнение Нернста. Роль ионных насосов в создании биопотенциала покоя
- •Глава 6. Биофизика нервого импульса
- •6.1. Потенциал действия и его свойства
- •6.3.Метод фиксации мембранного потенциала. Ионные токи. Ионные каналы
- •Глава 7. Моделирование биофизических процессов
- •7.1 Моделирование биологических процессов. Моделирование физическое, аналоговое, математическое. Основные требования к моделям.
3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.
Уже более ста лет тому назад была доказана применимость к живым организмам первого начала термодинамики. Но применимость к биологическим объектам второго начала вплоть до середины прошлого века ставилась под сомнение, пока не появились работы И.Р.Пригожина. А в свое время даже великий Макс Планк, непререкаемый авторитет в области термодинамики, считал, что нет никакого смысла говорить о применимости второго начала к биологическим системам, потому что жизнь стремится к упорядочению, созиданию, совершенствованию. А второе начало термодинамики говорит о разупорядочении, деградации, дегенерации. Великие люди тоже могут ошибаться!
Согласно второму началу термодинамики – закону энтропии, как его иногда называют, элементарное изменение энтропии системы больше или равно элементарному количеству теплоты обмененному системой с окружающей средой, деленному на абсолютную температуру системы Т:
dS ≥ (3.5)
› - для необратимых, неравновесных процессов
= - для обратимых, равновесных процессов.
В замкнутой системе, не обменивающейся с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией, энтропия может только расти при неравновесных процессах и устанавливаться постоянной при достижении равновесия:
dS>0 (3.6)
Согласно знаменитой формуле Больцмана-Планка:
S = k ln W(3.7)
Здесь S- энтропия состояния системы,k= 1,38 10-23 Дж/К - константа Больцмана, W - термодинамическая вероятность состояния системы - число микросостояний, определяющих макросостояние, число способов его осуществления. Чем большеW, тем более разупорядочена система.
Например, если лекарства в аптеке разложены по одному раз и навсегда заведенному правилу – это полный порядок:
W= 1,S= 0.
Если это не так, и лекарства могут быть разложены разными способами, что заставляет их долго искать, это уже беспорядок:
W> 1,S> 0.
Энтропия S- параметр неупорядоченности системы.
Согласно второму началу термодинамики, замкнутая система стремится к состоянию с максимальной энтропией, максимальной термодинамической вероятностью, максимальной неупорядоченностью – к равновесному состоянию:
S → S max, W → Wmax (3.8)
При равновесии все макроскопические параметры системы не меняются во времени и в системе прекращаются все макроскопические процессы.
В биологической системе, оказавшейся в условиях, исключающих обмен с окружающей средой, рано или поздно неизбежно наступит равновесие, прекратятся все жизненные процессы. Равновесие – это смерть!
Поэтому в замкнутой системе жизнь невозможна! Жизнь возможна только в открытой системе!
Пригожин для открытой системы написал уравнение баланса энтропии – уравнение Пригожина:
∆ S= ∆Sί+ ∆Se(3.9)
∆ S- это изменение энтропии открытой системы,
∆ Sί- (i-inside) - изменение энтропии этой системы, сопровождающее внутренние процессы, происходящие в системе,
∆ Se- (e-exchange)- изменение энтропии в процессах обмена системы с окружающей средой.
Жизненные процессы – неравновесные, необратимые, поэтому они сопровождаются производством энтропии, беспорядка:
∆ Sί> 0 (3.10)
Если бы не было процессов обмена с окружающей средой, энтропия, беспорядок накапливались бы в системе, что неизбежно привело бы к смерти – равновесному состоянию с максимальной энтропией:
S=Smax
Чтобы сохранить свое неравновесное упорядоченное состояние с энтропией, меньшей максимальной S<Smax, живая система должна выбрасывать всю произведенную ей энтропию в окружающую среду: ∆Se< 0
Во взрослом здоровом организме энтропия в среднем остается постоянной: S=const
Поэтому: ∆Se = - ∆Sί
Организм выбрасывает из себя энтропию, в основном, в процессах теплообмена и процессах обмена веществом с окружающей средой (рис.3.2).
Рис.3.2. Способы выведения энтропии из организма.
Чтобы выжить, организм должен в конечном итоге отдавать теплоту в окружающую среду Q< 0. Поэтому так важны потогонные, жаропонижающие лекарства, способствующие усилению теплоотдачи при лечении некоторых заболеваний.
Вместе с теплотой отдается и энтропия:
∆ Se< 0
Другой способ отдачи организмом энтропии в окружающую среду – процессы питания, включающие в себя:
введение в организм пищи и
выделения из организма продуктов ее переваривания.
Дело в том, что энтропия пищи Sпищименьше энтропии продуктов ее окисленияSпродуктов.
Поэтому процессы питания тоже, в конечном итоге, сопровождаются уменьшением энтропии организма:
Sпищи –Sпродуктов< 0
(Кстати, достаточно забавно выглядят вывески на некоторых магазинах «Продукты питания». Ведь по смыслу продукты питания – это конечные продукты химических реакций окисления пищи в организме).