Свободная энергия

Внутренняя энергия тела в значительной мере связана с неупорядоченным тепловым движением молекул. В то же время совершение работы всегда требует переноса вещества, т.е. упорядоченного (направленного) движения. Поэтому невозможно всю внутреннюю энергию тела использовать для совершения работы. Та часть внутренней энергии системы, которую в принципе можно использовать для совершения работы, называется свободной энергией (G). Остальную часть внутренней энергии системы, которую даже в принципе нельзя превратить в работу называют связанной энергией (W_св)

U = G + W_св

Те процессы, в которых A=∆G, называются обратимыми; если направить такой процесс обратно, то, затратив работу А, можно полностью вернуть систему в исходное состояние. Таких процессов в природе не существует – все реальные процессы необратимы. Иными словами, свободная энергия системы не может быть полностью преобразована в работу. При таком преобразовании часть свободной энергии обязательно превратится в тепло. Характеризуя это явление, говорят о диссипации (рассеянии) свободной энергии. Следовательно А ≤ ∆G, т.е. работа не может быть больше свободной энергии.

В биологии нас интересует в первую очередь работа, совершенная системой. Поэтому важно знать не столько полную внутреннюю энергию системы, сколько её свободную энергию.

I-е начало термодинамики

Термодинамика базируется на первом и втором началах (законах).

Первое начало термодинамики представляет собой одну из форм записи закона сохранения энергии. Оно было сформулировано независимо друг от друга Ю.Р. Майером (1842г.), Д.П. Джоулем (1843г.) и Г.Л. Гельмгольцем (1847г.). Двое из них (Майер и Гельмгольц) были врачами и закладывали основы термодинамики, рассматривая преобразования энергии как в живой, так и в неживой природе.

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой.

Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами – посредством передачи тепла и путём совершения работы.

;

Этот вид формул и выражает I начало термодинамики.

Q – количество теплоты, переданное системе;

U – изменение внутренней энергии системы;

А – работа, совершаемая системой.

В живых организмах формы совершения работы очень разнообразны (А_i).

Остановимся на способах совершения работы:

• механическая работа dA_(l) =Fdl, где F – сила, l – перемещение;

• работа расширения газа dA_(V) =pdV, где p – давление, V – изменение объёма.

• работа переноса заряда, при разности потенциалов , dA_(A) = dq, где - потенциал, q – электрический заряд;

• работа переноса работа переноса вещества за счёт осмотического давления dA_(C) = p_осмdc, где p_осм -осмотическое давление, с – концентрация вещества;

• работа, совершаемая при химической реакции dA_{( )}= _xd , где _x –химический потенциал , - число молей вещества, вступающих в реакцию;

Все эти формулы имеют сходную структуру dA_(x)=Xdx A= , где х – величина, характеризующая перенос (V, q, c, ), а Х – сила, характеризующая причину переноса (F, p, , p_осм, _x).

Используя принятые обозначения, основной закон термодинамики можно записать в виде

То есть количество тепла (Q), полученное системой, определяется изменениями внутренней энергии (U), а также суммой всех видов работы ( ), совершаемой системой.

Эту формулу можно считать наиболее общим выражением первого начала термодинамики.