Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 7.Обратимые и необратимые процессы. Свободная и связанная энергия

7.Обратимые и необратимые процессы. Свободная и связанная энергия. Энтропия. Вычисление изменения энтропии. Диссипация свободной энергии.

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 охранения энергии отсюда следует: Эта формула называется первым началом термодинамики. При взгляде на формулу можно подумать, что всю внутреннюю энергию системы можно превратить в работу (при этом Q = 0, то есть, нет ни получения, ни отдачи тепла). Оказывается, что это не так. Более внимательный анализ процессов в природе и технике показал, что внутренняя энергия любой системы состоит из 2 частей: Свободная энергия G - это та часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы. Связанная энергиякоторую в данных условиях вообще нельзя превратить в работу. В большинстве случаев связанная энергия - это часть энергии теплового движения составляющих систему частиц. Сказанное можно выразить в виде формулы: Ясно, что на практике в большинстве случаев интерес представляет именно свободная энергия, В частности, организму для поддержания жизнедеятельности нужна свободная энергия, которую он получает почти исключительно с пищей. Первое начало термодинамики даёт основу для расчёта энергетики всех процессов. Однако, оно ничего не говорит о направлении этих процессов. С точки зрения первого начала прямой и обратный процессы (например, синтез АТФ и её расщепление) одинаково возможны. На самом деле, в каких-то конкретных условиях процесс всегда идёт в одном направлении (например, в митохондриях происходит синтез АТФ, а во все. остальных участках клеток - расщепление). Правило, позволяющее определить, в каком именно направлении будет идти процесс при заданных условиях. Правило, позволяющее определить, в каком именно направлении будет идти процесс при заданных условиях, называется вторым началом термодинамики. Существует понятие связанной энергии, то есть той части внутренней энергии, которую нельзя использовать для совершения работы. Однако удобнее вместо связанной энергии ввести другую величину, которая называется энтропия и выражается формулой: Это есть энтропия S - это величина связанной энергии на единицу температуры (по шкале Кельвина). Размерность энтропии - Дж.К^-1. Очевидно, что Wcвяз = T.S, и откуда получаем связь между свободной энергией и энтропией:

Почти всегда при изучении конкретных процессов нас интересует не столько сама энергия, сколько её изменение. В биологической термодинамике мы чаще всего имеем дело с изотермическими процессами (температура тела постоянна). В этом случае :

Однако, надо учесть, что в некоторых случаях может меняться объём участвующих в процессе тел. Это особенно существенно, когда возникают или поглощаются газы (например, при окислении глюкозы возникает СО;). В этом случае внутренняя энергия будет меняться также за счёт работы расширения или сжатия газа, равной p-AV.

Величина Н = U + pV называется энтальпия . Используя это обозначение можно написать:

ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ.

Рассмотрим сначала изотермические процессы, наиболее характерные для организма. Ниже изменение энтропии при переходе из состояния 1 в состояние 2 обозначется где Q_1-2 - это количество тепла, полученного системой в ходе обратимого перехода из первого состояния, во второе.

Например, при плавлении 1 кг льда при 0°С в условиях, когда нет потерь тепла (и, значит, можно процесс считать обратимым), надо сообщить льду 335 кДж (эта величина называется удельной теплотой плавления). Поэтому в данном процессе изменение энтропии льда

энтропия 1 кг воды на 1,23 кДж/К больше, чем энтропия льда. Если температура в ходе процесса изменяется, то изменение энтропии находится по более сложной формуле (цифры 1 и 2 обозначают величины, характеризующие начальное и конечное состояния).