Состояния термодинамических систем

Как уже отмечалось, в изолированной термодинамической системе внут-ренняя энергия не изменяется. Это значит, что при протекании любых процессов в такой системе ее величина U остается постоянной. Так как она равна сумме свободной F и связанной ST энергии, в ходе термодинамических процессов уменьшается F и увеличивается связанная энергия ST (возрастает энтропии системы). В предельном случае, когда F = 0, энтропия достигает максимума S_max. Если в системе отсутствует свободная энергия F= 0, в ней не могут протекать никакие процессы. Такое состояние термодинамической системы, для которого выполняются условия F = 0, S = S_max, V = 0, называется тепловым равновесием. Равенство V = 0 утверждает, что скорости любых процессов равны нулю, т.к. отсутствует свободная энергия для совершения работы, в результате которой могут измениться свойства системы.

Открытая термодинамическая система - это такая, которая обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Несомненно, что к таким системам относятся все живые организмы, которые не могут существовать без обмена веществ. На рисунке приведена схема, иллюстрирующая взаимодействия организма высших животных с окружающей средой и потоки вещества, которые обеспечивают его жизнедеятельность.

Рис. 5

В пищеварительной системе происходит механическая (при пережевывании) и химическая (при воздействии пищеварительных ферментов) переработка пищи , в ходе которой образуются молекулы питательных веществ (углеводов, белков и жиров) в водной среде. В кишечнике эти питательные вещества транспортируются в кровь а затем разносятся по всему организму.

В легких в результате периодического поступления воздуха из атмосферы осуществляется газообмен - кислород поступает в кровь, углекислый газ - удаляется в атмосферу. В сердечно-сосудистой системе в результате периодического изменения объема сердца обеспечивается непрерывный поток крови в сосудистой системе. В данном случае выявляется центральная роль крови, как переносчика питательных веществ и газов. В тканях происходит обмен питательных веществ, продуктов распада образующихся в результате их химического превращения (метаболизма) и газов с окружающими тканями. При длительном воздействии продукты метаболизма оказывают токсическое воздействие на ткани и поэтому их необходимо вывести за пределы организма. Этот эффект обеспечивает мочевыделительная и дыхательная системы с помощью почек и легких.

Рассмотрение этой схемы позволяет заключить, что жизнедеятельность организма обеспечивается сопряженными потоками химических соединений - питательными веществами, продуктами метаболизма, кислородом, углекислым газом.

Из этой схемы также видно, что обмен веществом обеспечивается совокупностью физических процессов и химических реакций: изменением объема легких и сердца, движением крови, перемещением растворенных веществ через биологические ткани, расщеплением пищи до молекулярного уровня, использование этих молекул в тканях. Развитие заболеваний организма может быть связано с нарушением любого звена этого сложно организованного процесса.

Понятно, что количество (концентрации) этих соединений в крови должно быть таково, чтобы обеспечивать протекание всех процессов жизнедеятельности. Оптимальные условия создаются в том случае когда эти концентрации в крови сохраняются на постоянном уровне. Это возможно при условии сопряжения потоков химических соединений - скорости поступления должны быть равны скоростям выведения из организма.

В открытой термодинамической системе, обменивающейся с окружающей средой веществом и энергией, может устанавливаться стационарное состояние. Рассмотрим случай, когда в систему с массой М и внутренней энергией U_о поступает вещество с массой m₁, а в среду выводится масса m₂. Нетрудно усмотреть в этом примере иллюстрацию взаимодействия живых организмов с окружающей средой. В организме поступающие питательные вещества с массой m₁ окисляются, и продукты метаболизма обмена с массой m₂ выводятся в окружающую среду. Разность внутренней энергии питательных веществ и продуктов обмена U = U₁ - U₂ определяют энергетический эффект - изменение исходной внутренней энергии организма U_o. Поскольку питательные вещества обладают большей внутренней

Рис. 6 энергией U₁ > U₂ , то из объединенного закона термодинамики, внутреннюю энергию можно представить в виде свободной и связанной, т.е. U = F₁ + + G_1. Свободная энергия расходуется на выполнение всех видов биологической работы, а выделение связанной энергии способствует нагреву системы. Для того, чтобы температура организма оставалась неизменной, необходимо, чтобы тепло отдавалось в окружающую среду. Из рассмотренного примера ясно, что постоянство температуры открытой термодинамической системы обеспечивается сопряжением противоположно направленных процессов: выделением связанной энергии, нагревом системы и отдачей тепла в окружающую среду. Состояния открытых систем, свойства которых сохраняются постоянными в результате протекания противоположно направленных процессов называются стационарными. Стационарное состояние характеризуется набором термодинамических параметров: F 0, S S_max, V 0.

В рассматриваемом примере стационарное состояние сохраняется и по массе. Ее постоянство М = const обеспечивается условием m₁ = m₂, т.е. сопряжением потоков вещества, направленных в систему и в среду. Рассмотренные примеры показывают, что в открытых системах, к которым относятся все живые организмы, могут устанавливаться такие состояния, при которых свойства систем сохраняются неизменными на фоне непрерывно протекающих процессов. сохранение постоянства параметров организма называется гомеостазом.