Функции состояния системы.

Термодинамика предлагает ряд параметров для оценки состояния систем. Независимые термодинамические параметры можно измерять. К ним относятся температура, давление, объем, масса, плотность и т.д. Зависимые термодинамические параметры нельзя замерить непосредственно, они зависят от независимых параметров. Зависимые параметры получили название функций состояния системы. Эти параметры могут изменяться, однако эти изменения зависят только от начального и конечного состояния системы. Они могут протекать при постоянном значении независимых термодинамических параметров, например, при постоянном объеме (изохорный процесс), постоянном давлении (изобарный процесс), постоянной температуре (изотермический процесс). Термодинамика процессов жизнедеятельности - это термодинамика открытых систем изменяющихся при постоянном давлении, температуре, объеме.

Количественной мерой движения материи является энергия. Внутренняя энергия биохимической системы (Е) включает любой вид энергии, которая может быть изменена при химической или биохимической реакции. Она представляет собой сумму кинетической энергии – энергии движения, колебания и вращения всех частиц (атомов, молекул, электронов) и потенциальной энергии – энергии, сохраняемой в химических связях между атомами и энергию не ковалентных взаимодействий между молекулами и ионами.

Табл.4-1. Некоторые употребительные физические параметры

Джоуль(Дж) -	1 Дж =1кг м2 с-2
Калория (кал)	1 кал тепло для нагревания 1 г воды от 14.5 до 15.5 0С. 1 кал = 4.184 Дж
Большая калория (Кал)	1Кал= 1 килокал
Число Авогадро	N= 6.0221* 1023 молекул /моль
Кулон (К)	1К=6.241*1018 электронных зарядов
Фарадей (F)	1 F =N электронных зарядов1 F= 96.494 К /моль=96.494 Дж/V*
Кельвина шкала (К)	0К= абсолютный ноль 273.15 =00С
Постоянная Больцмана	kb= 1.3807 * 10-23 Дж*К-1
Газовая постоянная	R= N* kb = 8.3145 Дж*К-1*моль-1=1.9872 кал*град-1*моль-1

Абсолютное значение внутренней энергии системы измерить нельзя, измеряется лишь ее изменение между начальным и конечным состояниями системы. Известны две основные формы передачи энергии:

Теплота(Q)- форма передачи в виде неупорядоченного движения материи по градиенту температуры.

Работа (А)- форма передачи в виде упорядоченного движения, связанная с перемещением тел в пространстве и преодолением сил трения.

Первый закон термодинамики утверждает энергия вселенной не исчезает

Первый закон термодинамики показывает, что энергия вселенной не исчезает и не возникает, она постоянна. Это закон постоянства энергии во вселенной. Однако это не означает, что формы энергии не могут изменяться. Действительно, химическая энергия молекулы может быть преобразована в тепловую, электрическую или механическую энергию. Если системе подвести определенное количество теплоты (Q), то часть ее будет использована на выполнение работы (А), а часть на изменение внутренней энергии системы:

Е=Екон. – Енач. =Q-А или Q=E+А (1)

Q соответствует теплу, поглощенному системой, а А – работе, выполненной системой над окружающей средой. Если Q отрицательно, тепло покидает систему, а если Q положительно - тепло поглощается системой. Наоборот, если А отрицательна - совершается работа над системой, если А положительно, система совершает работу над окружающей средой.

Энергия, теплота и работа измеряются в одних и тех же единицах –калории (кал) или килокалории (Кал), а в системе СИ – джоуль (Дж) или килоджоуль (кДж). Прямым способом измерения Е является измерение поглощаемой энергии при сжигании вещества в калориметре при постоянном объеме. В этих условиях Q = E. (см рис -2а. ). Большинство биохимических реакций протекают чаще при постоянном давлении. Для количественной оценки реакций в таких условиях более удобной оказалась другая функция состояния - энтальпия или теплосодержание (H).(греч enthaltpein –теплота в)

H=Е+PV где V- объем системы, Р – давление.

При постоянном давлении, H=E+PV. Тот же самый результат может быть получен из формулы (1):

E = Q-А, где

Q = E + А, ноА = PVеслиVизменяется при постоянномP, значит

Q = E + PV

Таким образом, когда теплота реакции измеряется при постоянном давлении, она соответствует реальному значению H. (см рис -2.б ). Сжигая пищевые продукты при постоянном давлении, рассчитывают их калорийность. Калорийностью пищевых продуктов называют скорректированную величину энтальпии сгорания, взятую с обратным знаком.

Рис.4-2. Изменения теплоты и работы в реакциях, протекающих при постоянном объеме (а) и постоянном давлении

Функции состояния, подобные H и E, не зависят от пути, по которому проходит реакция. Эти функции относятся к разности между начальными и конечными состояниями реакции. Однако, теплота (Q) и работа (А) - являются независимыми термодинамическими параметрами и их значения зависят от пути реакции.

Первый закон термодинамики дает возможность рассчитать изменения энергии при разных состояниях системы, позволяет оценить процессы перехода одного вида энергии в другой, но не дает ответа на вопрос о направлении процессов и возможности их спонтанного протекания.