Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания

студентам по теме практического занятия

ТЕРМОДИНАМИКА

Воронеж 2009

УДК	536 (071)
ББК	22.317.1я73
	Д532

Рецензенты:	Зав. кафедрой нормальной физиологии ВГМА им. Н.Н. Бурденко, д.м.н., профессор Яковлев В.Н.
	Зав. кафедрой медико-биологических дисциплин ВГИФК, к.б.н. Попова И.Е.

Д532	Дмитриев Е.В. Термодинамика: метод. указания. – Воронеж: ВГМА, 2009. – 16 с.: ил.

Методические указания разработаны на основании примерных рабочих программ по медицинской и биологической физике (специальности: лечебное дело, педиатрия, медико-профилактическое дело), физике и биофизике (специальности: фармация, сестринское дело), физике (специальность стоматология), рекомендованных Центральным методическим советом ВГМА. Содержат основные теоретические вопросы по данной теме и дидактические единицы для подготовки к занятию и самоконтроля. Предназначены для студентов I и II курсов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, стоматологического, фармацевтического факультетов, МИМОС (лечебное дело, стоматология), ИСО.

Печатается по решению Центрального методического совета ВГМА

(протокол №6 от 16.04.2009 г.).

	УДК 536 (071)
	ББК 22.317.1я73
	© ВГМА, 2009

ТЕМА: Термодинамика

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:

1. Овладеть необходимыми теоретическими знаниями в области термодинамики.

2. Выработать умения применять полученные знания для анализа конкретных физических явлений, наблюдаемых в биологических системах.

После изучения темы студент должен знать:

а) основные термодинамические параметры систем;

б) закономерности обмена энергией с внешней средой и ее реализации в работу;

в) критерии определяющие направление термодинамических процессов;

г) приложение законов термодинамики к биологическим системам.

УМЕТЬ:

а) проводить расчет изменения энтальпии системы в ходе химической реакции;

б) давать оценку возможности самопроизвольного процесса в системе на основании энтальпийного и энтропийного факторов.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ

В основе функционирования биологических систем лежит непрерывный обмен веществом и энергией с внешней средой. При этом процессы жизнедеятельности в организме базируются на общих законах физики и химии. Основные положения термодинамики определяют энергетические эффекты биологических процессов, направление биохимических реакций, эффективность производимой работы, возможность повышения структурной и функциональной организации биологической системы. Поэтому тема "Термодинамика" в рамках дисциплины "Медицинская и биологическая физика" необходима студентам для формирования фундаментальных представлений о принципах организации и основах жизнедеятельности биосистем, полученные знания будут полезны при прохождении профессиональных дисциплин и дисциплин специальности.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендуемую литературу по следующей логической структуре учебного материала:

1. Понятие о термодинамической системе.

2. Первый закон термодинамики и его приложение к биологическим системам.

3. Закон Гесса и его значение для оценки тепловых эффектов биологических процессов.

4. Второй закон термодинамики. Понятие об энтропии.

5. Организм как открытая термодинамическая система, принцип Пригожина.

Задание 2.

Подготовить реферативные сообщения на темы, полученные у преподавателя на предыдущем занятии.

Средства для самоподготовки студентов

во внеаудиторное время

1. Учебная и методическая литература

а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 162-184.

– Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 374-405.

– Лекционный материал по теме "Термодинамика".

– Ремизов А.Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2001. – С. 74-79.

б) дополнительная

– Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов / Под. ред. Ю.А. Ершова. – М.: Высш. шк., 2003. – С. 10-42.

– Артюхов В.Г. Биофизика / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, В.П. Шмелев. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994. – С.56-87.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

Теоретический материал по теме занятия

Потоки вещества и сопряженные с ними потоки энергии являются неотъемлемой составляющей процессов жизнедеятельности на Земле.

В XIX–XX вв. в связи с развитием термодинамики – науки о закономерностях перехода энергии между системами стало возможным проведение количественных расчетов энергетического выхода химических реакций. Основным понятием термодинамики является система – совокупность объектов, взаимосвязь между которыми больше, чем с объектами внешней среды. Система может быть ограничена реальной или воображаемой границей раздела. Характеристикой системы является масса (совокупность масс молекул из которых она состоит) и внутренняя энергия (тепловая энергия молекул и энергия межмолекулярного взаимодействия). Различают системы:

– изолированные – не обмениваются с внешней средой ни веществом, ни энергией (∆m=0, ∆E=0), являются физической абстракцией;

– закрытые – обмениваются с внешней средой энергией, но не обмениваются веществом (∆m=0, ∆E≠0);

– открытые – обмениваются с внешней средой и веществом и энергией (∆m≠0, ∆E≠0). Все живые организмы являются открытыми термодинамическими системами.

В зависимости от агрегатного состояния компонентов системы различают:

– гомогенные – системы, в которых отсутствуют резкие изменения физико-химических свойств при переходе из одних областей системы к другим (например, плазма крови);

– гетерогенные – системы, состоящие из двух или более гомогенных (например, цельная кровь).

Совокупность параметров системы (объем, давление, температура, плотность и т.д.) характеризуют состояние термодинамической системы. Различают:

– равновесное состояние, при котором свойства системы остаются неизменными в течении сколь угодно большого промежутка времени и отсутствуют потоки вещества и энергии (изолированная система);

– стационарное состояние, при котором свойства системы остаются постоянными во времени, но имеются потоки вещества и энергии. В разных частях системы параметры обычно различаются (например, концентрация глюкозы в организме человека);

– переходное состояние, при котором свойства системы изменяются во времени.

При изменении внешних условий возможен процесс перехода системы из одного состояния в другое.

Наряду с перечисленными термодинамическими параметрами – температура, давление, концентрация, объем, система характеризуется такими критериями как внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S), энергия Гиббса (G). Их изменения в ходе химических реакций характеризуют энергетику системы.

Энергия – количественная мера определенного вида движения материи при ее превращениях. Основной единицей измерения количества энергии в СИ является джоуль (Дж), на практике часто используют внесистемную единицу – калорию (кал). 1 кал = 4,184 Дж.

Под внутренней энергией системы понимают ее общий запас, обусловленный всеми видами движений и взаимодействий составляющих ее молекул, атомов, ионов, элементарных частиц. Кинетическая энергия – это энергия колебательного, вращательного, поступательного движение частиц; потенциальная энергия включает в себя силы притяжения и отталкивания. Абсолютная величина внутренней энергии не может быть определена, поэтому в термодинамике вычисляют разность между внутренней энергией системы в ее начальном и конечном состоянии.

Возможное изменение внутренней энергии (∆U) происходит в результате теплообмена с внешней средой (Q) и в процессе работы, совершаемой системой (A):

∆U = Q + A

Указанная зависимость лежит в основе 1-го закона термодинамики: количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы

Q = ∆U + A

1-ое начало термодинамики называют так же законом сохранения энергии: энергия в изолированной системе не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах.

1-е начало термодинамики является фундаментальным законом природы, который доказан многочисленными экспериментами и не может быть выведен из других законов. Его следствием является невозможность создания вечного двигателя 1-го рода – машины, которая бесконечно долго совершает внешнюю работу без подвода энергии из вне.

Если рассматривать первое начало термодинамики в приложении к идеальным газам, то следует учитывать только одну форму работы – расширение газа, в этом случае формула приобретает вид

Q = ∆U + pV,

где ∆V – изменение объема системы.

В зависимости от протекания все процессы в такой системе можно разделить на:

1. Изохорические процессы – протекают при постоянном объеме системы (V = const), следовательно Q = ∆U.

2. Изобарические процессы – протекают при постоянном давлении (p = const), следовательно Q = ∆U + pV.

3. Изотермические процессы – протекают при постоянной температуре (T = const). Используем для выражение давления через уравнение Менделеева–Клайперона: , где m – масса газа, M – молярная масса, Т – температура, R – универсальная газовая постоянная. При этом работа может быть определена как .

Выделяют также адиабатические процессы, при которых система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). К адиабатическим относят процессы в системе с идеальной теплоизоляцией или процессы, протекающие значительно быстрее, чем происходит теплоотдача (взрыв, спринтерский бег и т.д.). В этом случае ∆U = А, а в случае идеальных газов ∆U = ‑p∆V (при адиабатическом расширении газа его внутренняя энергия уменьшается, и газ охлаждается).

Поскольку многие системы (в том числе и живые) находятся в условиях постоянного внутреннего давления, совершаемую работу можно рассматривать как изобарный процесс:

Q = ∆U + p∆V

Q = (U₂ + pV₂) – (U₁ + pV₁)

Величина U + pV получила название – энтальпия (Н) – функция состояния системы, приращение которой равно теплоте, полученной в изобарном процессе.

В термодинамической системе выделяющуюся теплоту химической реакции (экзотермический процесс), следует рассматривать как уменьшение энтальпии системы (ΔH < 0), а поглощение системой энергии (эндотермический процесс) – как ее увеличение (ΔH > 0).

С₆Н₁₂О₆ + 6СО₂ → 6СО₂ + 6Н₂О, ∆Н⁰ = –2800 кДж;

Лей + Гли → Лей–Гли + Н₂О, ∆Н⁰ = 25 кДж

Следствием из 1-го начала термодинамики является закон, сформулированный русским химиком Г.И. Гессом (1840 г). Закон Гесса гласит: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее протекания и определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Например, диоксид углерода можно получить прямым синтезом из простых веществ (I) или в две стадии через промежуточный продукт (II):

	I.	С (г) + О2 (г)  СО2 (г), ΔH01 = –393,8 кДж
	II.	С (г) + 1/2О2 (г)  СО (г), ΔH02А = –110,6 кДж СО (г) + 1/2О2 (г)  СО2 (г), ΔH02Б = –283,2 кДж
ΔH01= ΔH02 = ΔH02А + ΔH02Б = –393,8 кДж,

то есть энтальпия первого пути равна сумме энтальпий отдельных стадий второго пути.

Закон Гесса часто используют для определения тепловых эффектов, которые трудно или невозможно измерить непосредственно.

Важным следствием закона Гесса является правило, согласно которому тепловой эффект реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ. На основании этого правила появляется возможность рассчитать тепловые эффекты любых процессов (независимо от количества промежуточных стадий) имея данные только о начальных и конечных продуктах реакции. Например, энергетический эффект окисления глюкозы при постоянном давлении равен:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂  6СО₂ + 6Н₂О

ΔH⁰ = (6H_CO2 + 6H_H2O) – (H_C6H12O6 + 6H_O2) = –2810 кДж/моль.

Любая работа требует переноса вещества, т.е. упорядоченного (направленного) движения частиц. Принципиально невозможно использовать всю внутреннюю энергию тела на совершение работы, поскольку в любых системах значительная часть энергии связана с хаотическим тепловым движением молекул. Та часть энергии, которая может быть преобразована в работу, называется свободной энергией (G), остальная часть – связанная:

U = G + E_связ.

Те процессы, для которых А = G, являются обратимыми, поскольку пустив процесс в обратном направлении и совершив работу А, можно вернуть систему в исходное состояние. Однако все реальные процессы в природе являются необратимыми, поскольку всегда происходит диссипация – рассеивание части свободной энергии в виде тепла (за счет электрического сопротивления, механического трения и т.д.).

Для обратимых процессов:
	А1 = А2
Для необратимых процессов:
	А1  А2

Организм человека, как и любая живая система, способен совершать работу (синтез, транспорт веществ, мышечное сокращение и т.д.) используя энергию химических связей органических веществ поступающих с пищей. Поэтому

U = E_пищи – Q – A

Гомойтермные организмы имеют относительно постоянную температуру тела и химический состав и можно считать, что их внутренняя энергия не изменяется (U = 0). В этом случае

E_пищи = Q + A

Образующаяся тепловая энергия составляет неизбежные энергетические потери. Для различных биологических процессов КПД лежит в диапазоне от 20 до 60%. Работа, которую осуществляет организм, включает внешнюю работу и внутреннюю – процессы, направленные на поддержание жизнедеятельности. К ним относятся:

1. Биосинтез – химическая работа (у человека массой 70 кг каждый час обновляется ≈ 100 г белка).

2. Поддержание электрохимических градиентов на биомембранах - осмотическая работа.

3. Биоэлектрогенез – электрическая работа.

4. Мышечное сокращение – механическая работа.

Соотношение количества энергии поступающей с пищей и расходуемой организмом называется энергетическим балансом. Методы определения энергетического обмена:

1. Прямая калориметрия – измерение тепла, выделяемого организмом.

2. Непрямая респираторная калориметрия – измерение количества вдыхаемого кислорода и выделяемого углекислого газа.

3. Непрямая алиментарная калориметрия – расчет калорийности веществ, поступающих с пищей.

Комплекс механизмов направленных на поддержание постоянной температуры тела (баланс между теплообразованием и теплоотдачей), называется терморегуляция. Терморегуляция обеспечивает постоянную высокую интенсивность обменных реакций у гомойтермных организмов. В теплокровном организме различают внутреннюю зону – ядро, которая характеризуется стабильной температурой (мозг, внутренние органы) и наружную зону – оболочку (кожа, скелетные мышцы). Теплообразование (для человека в среднем – 10048-11723 кДж или 2400-2800 ккал) происходит в результате экзотермических реакций (химические реакции, протекающие с выделением тепла). Их интенсивность в разных отделах тела неодинакова (высокая в мышцах, печени, почках, низкая в костной ткани, хрящах). Теплоотдача более выражена для поверхностных органов (кожа, скелетные мышцы). Постоянство температуры тела возможно только при равенстве теплопродукции и теплоотдачи в организме, что достигается механизмами терморегуляции.

1. Химическая терморегуляция – усиление обмена веществ и, соответственно, теплопродукции при температуре окружающей среды ниже 15С, и его ослабление при температуре 25-30С. Наибольшее теплообразование происходит при сокращении мускулатуры. Дрожь – беспорядочные, непроизвольные рефлекторные сокращения скелетных мышц, теплообразование в этом состоянии увеличивается примерно на 200%. Велика роль печени – температура крови в печеночной вене выше, чем в артерии.

Удельная теплопродукция уменьшается с увеличением массы животного (рис. 1). Эта зависимость объясняется тем, что при увеличении размера животного уменьшается отношение его поверхности к объему. Мелким животным для компенсации больших потерь теплоты требуется более высокая интенсивность метаболизма и, соответственно потребление большего количества пищи.

	1. землеройка; 2. мышь-малютка; 3. мышь; 4. крыса; 5. кошка; 6. кролик; 7. собака; 8. овца; 9. человек; 10. свинья; 11. корова; 12. слон.
Рис. 1. Зависимость удельной теплопродукции от массы животного.