- •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.
3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения
Итак, уравнение Пригожина объяснило, как живой организм сохраняет определенную степень упорядоченности, избегает перехода в состояние с максимальной энтропией. Но ведь живые организмы способны не только сохранять порядок, но и создавать его, совершенствоваться, созидать, понижать энтропию.
Например, почти все белки в живом организме меньше, чем за год заменяются новыми, синтезированными в организме, а это сопровождается понижением энтропии.
Другой важный пример – активный транспорт веществ, при котором частицы вещества переносятся из мест с меньшей в места с большей их концентрацией. Так ионы натрия и калия активно переносятся через клеточную мембрану, что играет решающую роль в создании биопотенциалов, в работе нервной системы. Активный транспорт также приводит к увеличению упорядоченности системы, к уменьшению ее энтропии.
А ведь в жизненных неравновесных, необратимых процессах согласно второму началу термодинамики энтропия может только возрастать.
Каким же образом внутри системы могут идти процессы с уменьшением энтропии?
А дело в том, что в тех же макроскопических участках системы, где идут процессы упорядочения с уменьшением энтропии ∆ Sί' < 0, идут сопряженные с ними процессы разупорядочения с увеличением энтропии ∆Sί'' > 0 - так, что суммарное изменение энтропии положительно:
∆ Sί' + ∆Sί'' > 0 (3.10)
Для этого надо, чтобы:
∆ Sί'' > - ∆Sί', ∆Sί'' > |∆Sί'|
Всякий процесс упорядочения окупается процессом еще большего разупорядочения. Энтропия, произведенная при этом, выбрасывается в окружающую среду, а в системе остаются продукты упорядочения, созидания, совершенствования. Таким образом, тенденция живого к совершенствованию никак не противоречит термодинамике!
Напишем уравнение Пригожина с использованием функции состояния – энергии Гиббса G=U-TS+pV (U – внутренняя энергия системы, Т – температура системы, S – энтропия системы, р – давление в системе, V –объем системы).
ΔG= ΔGi+ ΔGe(3.11)
ΔG– изменение энергии Гиббса открытой системы, ΔGi - изменение энергии Гиббса этой системы в процессах, протекающих внутри системы, ΔGe - изменение энергии Гиббса системы, обусловленное процессами обмена системы с окружающей средой.
При постоянных температуре T=constи давленииp=constв неравновесных, необратимых процессах энергия Гиббса уменьшается:
ΔGi < 0
И чтобы удержать систему в неравновесном, упорядоченном состоянии, надо подводить к ней энергию Гиббса из окружающей среды:
ΔGe > 0
Энергия Гиббса вводится в организм с пищей. После ее сложных биохимических превращений в организме синтезируется универсальное горючее клетки – аденозинтрифосфорная кислота – АТФ. Процессы упорядочения в организме сопровождаются увеличеним энергии Гиббса системы ΔG'i > 0, но в этих же макроскопических участках системы идут процессы гидролиза АТФ, превращения ее в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту, при которых энергия Гиббса уменьшаетсяΔG'i < 0.
И в сумме энергия Гиббса уменьшается.
ΔG'i +ΔG''i < 0,ΔG''i < -ΔG'i (3.12)
Так что процессы созидания, совершенствования, синтеза, упорядочения идут в организме в сопряжении с химической реакцией гидролиза АТФ и окупаются выделяющейся при этом энергией Гиббса.
Подводя итог, можно заметить: живой организм расходует энергию Гиббса окружающей среды и увеличивает ее энтропию. Поэтому перед всем живым встают две важнейшие экологические проблемы:
откуда брать энергию Гиббса?
куда девать энтропию?
Идеальный ответ на первый вопрос – от Солнца при помощи процессов фотосинтеза. На второй – в бесконечное мировое пространство в процессах теплопередачи. Несколько более подробно об этом – в следующем параграфе.