Применение первого начала термодинамики к живым системам (организмам) (Различие термодинамических процессов в живой и неживой системах)

Классическая форма первого начала термодинамики отображает запросы теплотехники, интенсивно развивающиеся в эпоху открытия этого основного закона. Поэтому эта форма не вполне удобна для биологии, т.к. не отображает сути термодинамических процессов, происходящих в живых системах. В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счёт тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими (W_пищи).

Поэтому для живой системы U = W_пища – Q – A (перед Q стоит знак «–», т.к. биологическая система отдаёт тепло окружающей среде).

Организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, химический состав его в среднем не изменяется, поэтому U=const и U=0. Учитывая это, предыдущую формулу можно записать так: 0 = W_пищи – Q – A или W_пищи = Q + A, если при этом помнить, что совершаемая работа (А_С) и теплообмен (Q) могут иметь разнообразные формы, то получаем, что W_пищи = Q + A

Эта форма наиболее точно отображает первое начало термодинамики для биологических систем.

Итак, термодинамические процессы в тепловой машине можно представить схемой (источник энергии на Земле – Солнце)

(неживая система) W_c W_{топлива} Q  U+A,

где в биологической системе

(живая система) W_c W_пищи U+A+Q

W_c – энергия солнца W_t – энергия топлива W_n– энергия пищи.

В живой системе между W_c и последним значением A отсутствует промежуточное звено в форме тепловой энергии, следовательно, КПД живой системы выше, чем у неживой и достигает значения 20-60 %.

Таким образом, обмен веществ в организме сопровождается процессами превращения энергии. Обмен энергии и вещества представляет собой единый процесс, лежащий в основе жизнедеятельности. Живой организм расходует химическую энергию всех рабочих процессов, выполняемых в организме, и выделяет избыточное количество тепла (тепловой эффект).

Закон гесса

Следствием I закона термодинамики является з-н Гесса. Тепловой эффект химического процесса не зависит от промежуточных стадий и определяется лишь начальным и конечным состояниями термодинамической системы.

Иллюстрацией к закону Гесса является рис.

Q₁ Q₂

Q

Q= Q₁+Q₂

1. исходные продукты реакции;

2. конечные продукты реакции;

3. промежуточные продукты реакции.

Q  C + O₂ = CO₂ + 97

Q₂  CO +1/2 O₂ = CO₂ + 68

Произведём вычисления Q – Q₂ = Q₁ , Q₁ = (97- 68)=29 ,

то есть C + 1/2Q₂ = CO + 29 , то есть величина теплового эффекта этой реакции равна 29 .

Закон Гесса позволяет вычислить тепловые эффекты таких реакций, которые совсем не протекают в условиях опыта, а также таких, для которых невозможно измерить тепловой эффект.

Например, неизвестен тепловой эффект реакции окисления углерода, т.к. при реакции всегда образуется некоторое количество СО₂, но известны тепловые эффекты окисления С до СО₂ и СО до СО₂.

Биохимические реакции организма очень сложные и имеют много промежуточных стадий, которые не всегда известны. Однако, на основании закона Гесса, зная начальный и конечный продукты реакции, можно рассчитать тепловой эффект сложной биохимической реакции. Закон Гесса используется также для вычисления калорийности пищевых продуктов. Хотя питательные вещества претерпевают в организме сложные превращения, энергетический эффект их равен тепловому эффекту непосредственного сжигания этого продукта в калориметрической бомбе, поскольку в обоих случаях начальные и конечные состояния реагирующих веществ одинаковы (т.е., грубо говоря, можно определить калориметрическую стоимость пищи). Энергозатраты организма определяются с помощью прямой или непрямой калориметрии.