02.05.09

Термодинамика и ее применение для биологических систем

Термодинамика (наука о движении теплоты) – наука о движении и превращении энергии, изучает процессы, не учитывая атомно-молекулярное строение материи.

Принципы или начала термодинамики:

1. закон сохранения материи и энергии;

2. закон вероятности и направленности термодинамического процесса.

Термодинамика живых организмов – биоэнергетика.

Термодинамика изучает системы, обладающие тепловой энергией, которая может переноситься, проводя при этом какую-либо работу. Определяется количество затраченной системой теплоты и количество произведенной системой работы. Термодинамика исследует возможности распространения тепловой энергии, и если это возможно, то направление распространения.

Движение и превращение энергии является общим свойством энергии, происходит как в биологических, так и в небиологических системах. Однако в биологичеких системах эти процессы имеют свои особенности.

Биоэнергетика сосредотачивается на изучении термодинамики биологических процессов и миграции энергии в биологических системах

Для описания явлений, происходящих в термодинамических системах, используется ряд понятий:

1. термодинамическая система – тело или совокупность тел, обособленных физическими или воображаемыми границами от окружающей среды;

2. фаза – часть системы, обладающая одинаковым составом, физическими и химическими свойствами, имеющая поверхность раздела, отделяющую ее от других частей;

3. термодинамический процесс – изменения в термодинамической системе.

Классификация терм систем:

1. гомогенные - одна фаза;

2. гетерогенная - несколько фаз, разделенных поверхностью;

3. изолированные - не обменивающиеся энергией и веществом;

4. закрытие - обменивающиеся только энергией;

5. открытые - обменивающиеся и тем, и тем.

Изменения в термодинамических системах описываются термодинамическими функциями:

1. экстенсивные или факторы емкости, которые зависят от массы или количества микрочастиц в системе (объем, энергия, энтропия);

2. интенсивные или факторы потенциала, которые не зависят от массы или частиц в системе (давление, температура, скорость энергии).

Энергия – мера определенной формы движения материи при ее превращении из одной формы в другую.

Энергию определяют как произведение фактора интенсивности на фактор экстенсивности. Например, механическая работа равна pV (p - давление, V - объем), электрическая работа равна EI (E - напряжение, I - сила тока).

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия – сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц системы и кинетической энергии беспорядочного теплового движения частиц. Кинетическая энергия беспорядочного теплового движения пропорциональна температуре, а потенциальная энергия зависит от взаимодействия частиц, от расстояния между ними, то есть от объема. Поэтому в классической термодинамике внутреннюю энергию может выразить как произведение температуры на величину объема.

Свободная энергия – часть внутренней энергии тела, которая способна совершать работу.

Связанная энергия – та часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в одну из форм полезной работы.

Закрытые термодинамические системы стремятся перейти в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется прекращением в системе всех макроскопических процессов, а также в таком состоянии система может оставаться сколь долго угодно без внешних воздействий.