1.6. Использование термохимических расчетов для энергетической характеристики биохимических процессов
Для протекания биохимических процессов живой организм получает энергию с пищей в виде энергии химических связей высокомолекулярных соединений. При окислении этих веществ высвобождается энергия, которая превращается в теплоту, используемую для поддержания постоянной температуры тела, а также в работу для проведения трудовой и умственной деятельности. Кроме того, часть энергии расходуется на восстановление и рост организма, образование запасов (отложение жира).
Поддержание постоянного энергетического баланса организма регулируется необходимой энергетической ценностью пищевого рациона. Для этого существуют специальные таблицы, которые характеризуют калорийность определенного вида продуктов. Приведенные величины определяют калориметрическим методом, сжигая продукты в калориметрической бомбе. Фактически определенные таким образом энтальпии сгорания идентичны тому количеству энергии, которое образуется в результате протекания биохимических и термохимических процессов в организме, так как эти процессы идут в конечном счете, как при сгорании в бомбе, до образования СО2 (г) и Н2О (ж).
Таким образом, используя данные этих таблиц, диетологи составляют суточные рационы питания для людей, занимающихся различным видом трудовой деятельности, так как в каждом случае необходимы свои энергозатраты.
Кроме того, для многих реакций изменение энтальпии можно рассчитать с помощью справочных таблиц стандартных энтальпий образования реагентов и продуктов реакции. Результаты расчета позволяют определить количество выделяемой или поглощаемой теплоты без проведения эксперимента, что важно для получения информации об энергетике и жизнедеятельности живых организмов.
1.7. Второй закон термодинамики
Все процессы, протекающие в окружающем нас мире, делятся на самопроизвольные (не требующие затраты энергии извне) и несамопроизвольные. Следовательно, важно знать критерии, позволяющие предвидеть направление протекания процесса. Особенностью второго закона термодинамики является как раз то, что он вводит новую функцию – энтропию (S), которая может служить критерием направленности процессов в изолированной системе.
Второй закон термодинамики, как и первый, является постулатом, но в отличие от первого, он имеет статистический характер, т. е. его можно применять только к системе в целом и нельзя применять к отдельным частям системы.
Второй закон имеет несколько формулировок:
1) Теплота самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
2) Невозможно всю теплоту превратить в работу, часть ее рассеивается в окружающую среду.
3) Невозможно построить вечный двигатель II рода, то есть такую периодически действующую машину, которая всю теплоту превращала бы в работу. Коэффициент полезного действия как раз и характеризует долю теплоты, которая может быть превращена в работу.
4) Все самопроизвольные процессы в изолированных системах идут с увеличением энтропии.
Математическое выражение второго закона термодинамики можно представить в интегральной форме:
|
|
(1.32) |
а также в дифференциальной:
|
|
(1.33) |
Знак “>” относится к необратимым процессам, а знак “=” – к обратимым.
В случае изолированной
системы, когда
,
второй закон термодинамики можно
записать в следующем виде:
|
|
(1.34) |
Таким образом,
изменение энтропии может служить
критерием направленности процесса в
изолированной системе (при условии
).
Если ΔS
> 0, то процесс
самопроизвольный, а при ΔS
= 0 – процесс
термодинамически равновесный, т. е. в
этом случае энтропия постоянна и имеет
максимальное значение (
,
вторая производная меньше нуля – условие
максимума).
Энтропия является функцией состояния системы, характеризует степень неоднородности, хаотичности в системе и имеет наименование Дж/(моль·К).
Для химической реакции обычно рассчитывают изменение энтропии при 298 К по формуле:
|
|
(1.35) |
где S° – абсолютные стандартные энтропии участников реакции, которые берут в справочных таблицах.