Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 4.Внутренняя энергия тел и два способа ее изменения. Общая формулировка первого начала

4.Внутренняя энергия тел и два способа ее изменения. Общая формулировка первого начала термодинамики. Первое начало в живых организмах. Различие в превращениях энергии в технических двигателях и в живых организмах. КПД процессов в организме.

Энергию любой системы можно разделить на две части: 1) энергия, зависящая от положения и движения системы, как целого, и 2) энергия, определяемая состоянием и взаимодействием частей системы (вплоть до атомов и молекул). Вторую часть называют внутренней энергией тел U. Изменение внутренней энергии системы может происходить двумя способами. Во-первых, система может совершить работу (А) над окружающими телами; во-вторых, энергия может быть получена (или отдана) в результате столкновении молекул или испускания и поглощения излучения. В этом случае говорят о передаче тепла (Q). Положительным считается тепло, полученное телом. По закону сохранения энергии отсюда следует:

Эта формула называется первым началом термодинамики. 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 то первое начало можно записать в таком виде:

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 Тогда

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

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 одной буквой Ф)и переносе этой группы на какое-то другое вещество, чаще всего - на воду:

Реакция катализируется ферментом АТФ-азой (точнее, это группа ферментов с похожим действием).7

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 вьшшшяет не тепловая энергия, а химическая (энергия АТФ и других макроэргов). Сказанное можно пояснить такой схемой: