11

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биофизики, информатики и медицинской аппаратуры

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕДАЦИИ

на тему:

Термодинамика биосистем

для студентов медицинского университета.

Утверждено

на методическом совете кафедры

«___»_______________2010 года

Зав.кафедрой

Профессор __________ Годлевский Л.С.

Одесса 2010

Термодинамика- раздел физики, рассматривающий системы (термодинамические), между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему.

Основные понятия термодинамики. Первое начало термодинамки

Открытые, закрытые и изолированные системы.

Мерой передачи энергии в процессе теплообмена яявляется количество теплоты, а мерой передачи энергии в процессе работы является сама работа

Закон сохранения энергии для теплового процесса формулируется как первое начало термодинамики. Количество теплоты передаваемое системе идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы.

Второе начало термодинамики. Энтропия.

Есть несколько определений второго закона

Клаузиса: теплота сама собой не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Томсон- невозможен вечный двигатель второго рода.

Отношение количества теплоты полученного или отданного рабочим веществом к температуре, при которой происходит теплообмен, называют приведенным количеством теплоты.

Энтропия- функция состояния системы, разность значений которой для двух состояний равна сумме приведенных количеств теплоты при обратимом переходе системы из одного состояния в другое.

Если процес происходит в изолированной системе, то в обратимом процессе энтропия не изменяется, а в необратимом возрастает.

Молекулярно- кинетическая теория показывает, что энтропия наиболее удачно может характеризоваться как мера неупорядоченности частиц системы.

Когда газ конденсируется или происходит кристаллизация при постоянной температуре, то выделяется теплота и энотропия убывает. При этом увеличивается упорядоченность структуры.

Неуопрядоченность системы количественно характеоризуется термодинамической вероятностью - числом способов размещения частиц или числом микросостояний реализующих данное макросостояние.

Больцман установил, что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности

S= k ln W

Основная задача термодинамики заключается в том, чтобы найти такие характеристики, которые бы однозначно определеляли измнение состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое. На основании опыта такой величиной была определена внутренняя энергия U. Она является функцией состояния системы и зависит от термодинамических параметров:

U= f(m, p, V, T).

Внутренняя энерегия прпедставляет собой сумму кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул термодинамичсекой системы.

Измерение внутренней энергии дельта U в замкнутой системе возможно осуществить путем измерения поглощенной (выделившейся) теплоты Q и выполненную работу W. Эксперментально установлено, что изменение внутренней энергии равно

Дельта U= U2-U1+ Q-W.

В замкнутой системе внутренняя энергия представляет собой постоянную величину.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что в изолированой термодинамческой системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой в эквивалтентных соотношениях.

1.2. Энтальпия. Закон Гесса.

При фиксированном давлении р можно ввести вместо внутренней энергии иную функцию состояния, которая будет хорошо описывать термодинамическую систему; она важна для изучения химических реакций в клетке, протекающих при р= const.

При этом работа по изменению объема при постоянном давлении запишется как

Wp= p дельта V.

Тогда запись первого закона термодинамики будет иметь вид:

Q= U +дельта pV= дельта (U+ pV)= дельтаH.

Новая функция будет представлять собой функцию сосотояния - энтальпию (Н) (от греч.- энтальпия- "нагреваю").

Энтальпию называют теплосодержанием системы.

Данная функция лежит в основе закона Гесса:

Эффект химической реакции Q не зависит от пути реакции от исходных веществ к продуктам реакции, а определяетрся лишь разностью энтальпий конечных и исходных веществ.

Закон Гесса- прямое следствие первого закона термодинамики. Следует отметить важное свойство этой новой функции состояния: поскольку изменение энтальпии (содержания тепла) системы соответствует величине поглощенной или выделенной теплоты, то ее можно точно определить калориметром.

Энтальпия при изменении состояния системы представляет собой разность между количеством выделившегося тепла и величиной полезной работы.

Калориметрия.

Впервые измерения энергетического баланса организма были проведены в конце XVIII го века Лавуазье и Лапласом.

Следует подчеркнуть, что достаточную точность калориметрии возможно иметь только в том случае, когда организм не накопляет биомассы и не выполняет работу.

В термодинамике объектом исследования является система, под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и веществом с этой средой, и открытые системы, в которых такой обмен происходит. Живые организмы представляют собой открытые системы.

Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одни из этих параметров зависят от массы или числа частиц в системе (иначе говоря, от размеров системы), другие пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров. К ним относится давление, температура и т.п. Параметры второй группы называются экстенсивными- объем, энергия, энтропия и др.

Поэтому энергию системы также можно определить как сумму данных составляющих, т.е. как результирующую компонентов, которые зависят от движения и положения системы как целого (W) и не зависящих от этого факторов (U). Вторая составляющая называется внутренней энергией. Она включает в себя энергию теплового движения частиц, химическую энергию и ядерную энергию.

Из полной энергии системы выделяют так называемую энтальпию Н=U+ pV. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, полученному системой. Поэтому энтальпию называют также теплосодержанием.

Первое начало термодинамики.

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами- посредством передачи тепла и путем совершения работы:

дельтаU= Q- A Q= дельтаU+ A.

Эта формула и выражает первое начало термодинамики.

Адиабатический процесс- в системе отсутствует теплообмен из- за идеальной тепловой изоляции системы.

Свободная и связанная энергия.

Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным или неупорядоченным

Обратимые и необратимые процессы

Применение первого начала термодинамики к живым организмам

В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счет тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Поэтому положение, согласно которому изменение внутренней энергии равно ее обмену энергией с окружающей средой удобнее записать как

ДельтаU= Wпищи- Q- A

Поскольку организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, поэтому внутренняя энергия такого организма приблизительно постоянна. Слепдовательно дельта У= 0.

Поэтому Wпищи= Q+ A.

Данная формула вполне соответствует приложению первого начала термодинамики к биологическим системам

Следует подчеркнуть ту особенность преобразования энергии пищи в энергию (работу) является тот момент, что нет промежуточного момента в виде образования свободной тепловой энергии.

Источники свободной энергии живого организма в виде совершаемых работ.

Температура и теплота