Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции / Тексты лекций физика / Лекция 11-Термодинамика..doc
Скачиваний:
337
Добавлен:
18.06.2017
Размер:
183.81 Кб
Скачать

2. Обратимые и необратимые процессы. Диссипация свободной энергии.

Ранее было сказано, что свободную энергию на практике удаётся использовать для получения работы только частично, что можно выразить простым соотношением: А ≤ ΔG (4), то есть полученная работа обычно меньше, чем изменение свободной энергии. Процессы, при которых А = ΔG, называются обратимыми, потому что затратив работу А мы можем вернуть систему в исходное состояние. Все процессы, в которых А < ΔG являются необратимыми; чтобы в этом случае вернуть систему в исходное состояние надо затратить работы больше, чем было получено. В любом реальном процессе часть свободной энергии обязательно превращается в тепло, то есть в связанную энергию. Переход свободной энергии в тепло называют диссипацией свободной энергии (слово „диссипация “ по-русски значит „рассеяние“). Однако, в некоторых случаях, когда диссипация незначительна, можно условно считать процесс обратимым (как, например, мы считаем воздух идеальным газом).

3. Приложение первого начала термодинамики к живым организмам. Различие в преобразованиях энергии в технике и в живом организме.

Справедливость первого начала для живых организмов никогда не вызывала сомнений, но в биологической термодинамике его удобнее записывать несколько в другой форме. Для животных и человека практически единственным источником свободной энергии являются пищевые продукты. Если свободную энергию, получаемую при их усвоении, обозначить GПИЩИ, то первое начало можно записать в таком виде:

GПИЩИ = ΔU + A + Q (3)

то есть энергия пищи идёт:

а) на повышение внутренней энергии организма;

б) на совершение работы и

в) на теплоотдачу в окружающую среду (организм всегда должен отдавать тепло, иначе он перегреется, что несовместимо с жизнью).

Если рассматривать состояние здорового организма за достаточно большой промежуток времени, то легко убедиться, что внутренняя энергия организма в большинстве случаев лишь колеблется в некоторых пределах, но в среднем остаётся постоянной (ΔU = 0). Тогда

GПИЩИ = A + Q (4)

Эта формула называется уравнением энергетического баланса. Она многократно была проверена на животных и людях. В частности, она служит основой для разработки самых разнообразных норм питания. Однако, надо помнить, что для больного человека или для человека, находящегося в необычных (экстремальных) условиях, формула (4) может быть неприменима, так как в этих случаях внутренняя энергия организма может существенно меняться (ΔU ≠ 0).

Различия в преобразованиях энергии в технике и в живых организмах.

В технике основным источником энергии является сжигание топлива или преобразование ядерной энергии в тепловую. Часть полученного тепла в различного рода двигателях используется для получения работы, а другая часть отдаётся в окружающую среду.

В живых организмах свободная энергия, получаемая при усвоении пищи, почти целиком выделяется в ходе биологического окисления, происходящего на внутренних мембранах митохондрий. Примерно 50% этой энергии диссипирует (выделяется в виде тепла, которое целиком уходит в окружающую среду). Остальные 50% тратятся на синтез так называемых макроэргов – веществ, обеспечивающих энергией все клетки организма. Важнейшим из таких веществ является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Работа в живом организме производится за счёт энергии, выделяющейся при отщеплении от АТФ концевой фосфатной группы НРО3 (обычно обозначаемой одно буквой Ф) и переносе этой группы на какое-то другое вещество, чаще всего – на воду:

АТФ-аза

А-Ф-Ф~Ф + Н2О → А-Ф-Ф + Н3 РО4 + энергия (около30 кДж/моль)

(АТФ) (АДФ)

Реакция катализируется ферментом АТФ-азой. Количество энергии, выделяющееся при переносе фосфатной группы, может колебаться (в зависимости от условий реакции) от 26 до 38 килоджоулей на моль; обычно принимают среднюю цифру 30 кДж на моль. Другими словами, изменение химического потенциала при отщеплении фосфатной группы примерно равно 30 кДж/моль.

На совершение работы используется около 40% этой энергии, или 20% от исходной энергии пищи. Остальная энергия опять-таки превращается в тепло и уходит из организма. Таким образом, КПД организма составляет около 20%. Разумеется, эти цифры, (как и многие дальнейшие) справедливы только в среднем; в разных организмах и в различных условиях они могут заметно различаться.

Резюмируя, можно сказать, что живые организмы отличаются прежде всего тем, что роль промежуточного звена между источником свободной энергии и работой в них выполняет не тепловая энергия, а химическая (энергия АТФ и других макроэргов). Сказанное можно пояснить такой схемой:

В технике В организме

Топливо Пища