2.4. Медико-биологическое значение первого начала термодинамики

Закон сохранения энергии для живых организмов можно сформулиро­вать так:

Живой организм не является источником, генератором энергии. Всю энергию он получает с пищей. Энергия выделяется при окислении пищи.

Энергия, которая выделяется при полном окислении (сгорании) 1г про­дукта, называется его калорийностью, ΔН° сг, кДж/г. Следует подчеркнуть, что из-за сложного состава пищи ее калорийность рассчитывается на 1грамм, а не на моль.

Калорийность продуктов можно измерить экспериментально или рас­считать, используя закон Гесса. Потому что при сгорании питательных веществ, со­стоящих из белков жиров и углеводов, образуются углекислый газ, вода, азот и оксид серы (IV). Эти же вещества образуются при полном окислении продуктов питания в организме в результате многостадий­ных биохимиче­ских реакций.

ΔН

CO₂, H₂O,

SO₂, N₂

Продукт питания

(белки, жиры, углеводы)

Σ ΔН_i = ΔН

Согласно закону Гесса энтальпии этих переходов одинаковы.

Педантичные и экономные немцы перед Первой мировой войной, эки­пируя свою армию, составляли дневной рацион солдата в соответствии с законом Гесса, с учётом потребностей организма. Для этого они определяли кало­рийность всех продуктов рациона, сжигая их в кало­риметрической бомбе и определяя, сколько тепла при этом выделяется.

Зная состав продуктов питания (белки, жиры, углеводы) и их калорий­ность, можно рассчитать калорийность продукта.

Калорийность основных компонентов пищи

ΔН° сг, кДж/г ΔН° сг, ккал/г

Белки ~ 17 ~ 4

Жиры ~ 38 ~ 9 1 ккал = 4,18 кДж

Углеводы ~ 17 ~ 4

Пример 3. Рассчитать калорийность 350г пищевого продукта, имеющего со­став: 30% белков, 15% жиров, 5% углеводов.

Решение.

ΔН° сгор продукта = ΔН° сгор белков + ΔН° сгор жиров + ΔН° сгор углеводов

ΔН° сгор = 350∙0,3∙17 + 350∙0,15∙38 + 350∙0,05∙17 = 1785 + 1995 + 297,5 =

= 4077,5 кДж

Переведем полученное значение в килокалории

ΔН° сгор = 4077,5 : 4,18 = 975 ккал

1 Начало термодинамики

Сущность:

Математическое выражение

в общем виде:

В химических реакциях

для разных систем:

Для различных процессов:

Основной закон термодинамики

как следствие 1 начала ТД:

Следствия закона Гесса:

Практическое использование

1 начала термодинамики

Характер реакции:

Критерий:

Энергетическая ценность

пищевых продуктов Н⁰

Глава 3 Второе начало термодинамики.

3.1. Самопроизвольные процессы

Понятие «второе начало термодинамики» было введено в 1850г. Ру­дольфом Клаузиусом в связи с необходимостью решения вопросов, на ко­торые не давало ответ первое начало термодинамики. Эти вопросы воз­никли из анализа работы тепловых двигателей, в которых необходимо было превратить теп­лоту в меха­ническую энергию (максимальную ра­боту).

Согласно закону сохранения энергии – первому началу термодинамики – энергия должна превращаться из одного вида в другой в эквивалентных коли­чествах. Однако опыт показывает, что в то время как все формы энергии (меха­ническая, электрическая, лучистая, химическая) могут полностью превращаться

в тепловую энергию, тепло нельзя полностью превратить в энергию меха­ническую, электрическую, химическую и т.д. Всегда остаётся часть тепла, которая не может превратиться в другие виды энергии (Уильям Томсон)

Приведена одна из нескольких формулировок второго начала термодинамики.

Проиллюстрируем на примере работы двигателя внутреннего сгорания. В цилиндр впры­скивается топливная смесь, которая сжимается поршнем до вы­сокого давле­ния, после чего она воспламеняется. При сгора­нии смеси выде­ля­ется зна­чительное количество теплоты в виде раскален­ных и расширяю­щихся продук­тов, давление которых толкает поршень. В идеальном случае вся эта теп­лота потратилась бы на соверше­ние работы по движению поршня вверх и вниз. На самом деле такого не происходит. Во-первых, стенки цилиндра всегда на­грева­ются в ре­зультате горения рабочей смеси. Во-вто­рых, часть работы неиз­бежно ухо­дит на преодоление силы трения. В-третьих, цилиндру нужно вер­нуться к исходной точке сжатия. В ходе всех перечислен­ных процессов часть вы­делившегося тепла никак не связано с превраще­нием в «полезную» ра­боту поршня, т.е. оно тра­тится «вхолостую.

Ещё один пример. Согласно первому началу термодинамики возможны лю­бые процессы, идущие без нарушения закона сохранения энергии. На­пример, тепло может самопроизвольно переходит как от горячего тела к холодному, так и от холодного к горячему (сколько одно тело отдаст те­пла, столько получит другое). Однако из жизненного опыта мы знаем, что

самопроизвольно тепло передается только от горячего тела к холод­ному, а не наоборот.

Эта формулировка второго начала термодинамики принадлежит Р. Клау­зиусу.

Таким образом, приведённые примеры показывают, что второе начало тер­модинамики изучает возможность превращения энергии из одного вида в дру­гой, т.е. возможность осуществления самопроизвольных процессов и глу­бину их протекания. Для химических реакций второе начало термодинамики изучает возможность ее самопроиз­вольного про­текания.

Самопроизвольными называют процессы, протекающие без постоянного подвода энергии извне

Из двух взаимообратных процессов, если прямой протекает самопроиз­вольно, то обратный самопроизвольно протекать не может; для него требу­ется затрата энергии извне. Т.о. самопроизвольные процессы необратимы. Второе начало термодинамики утверждает, что природные и технологические про­цессы самопроизвольно могут протекать только в одном направлении, стремясь к состоянию равновесия. Приме­рами самопроизвольных процессов являются:

а) горение топлива, в) испарение,

б) расширение газа, г) растворение и др.

Каков же критерий само­произвольного протекания процессов и химиче­ских ре­акций, что является их движущей силой? На первый взгляд ка­жется, что само­произвольно про­текают процессы, идущие с выделением большого количества тепла, т.е. экзотермические, ΔН < 0 (пример а)). Од­нако другие примеры пока­зывают, что самопроизвольные процессы могут протекать и без тепловых эф­фектов ΔН = 0 (пример б)) или даже с погло­щением тепла, ΔН > 0 (пример в)). В поисках критерия самопроизвольно­сти протекания процесса появилась необхо­димость введения новой термо­динамической функции, называемой энтропией.