Процессы в живых организмах

В человеческом организме идут многочисленные химические превращения (под общим названием «обмен веществ» или «метаболизм»), каждое из кото-рых сопровождается изменениями внутренней энергии и энтальпии организма.

Основные источники энергии для человека – пища и вода (напитки). По сравнению с этим энергия, поступающая в тело человека в виде тепла (например, когда греемся у печки, костра) – ничтожно мала.

Энергию организму дают, как известно, основные компоненты любой пищи: жиры (38 ккал/г), белки (17 ккал/г), углеводы (16 ккал/г). Организмом расходуется большая часть этой энергии, причем точное ее значе-ние зависит от возраста, пола, роста, веса и вида деяте-льности человека. Мужчины расходуют ежедневно от 9200 до 12100 кДж, женщины – от 6700 до 8800 кДж.

Если поглощается энергии больше, чем тратится, то ее избыток запасается в теле в виде жира. Каж-дый 1 г жира образуется за счет избыточной энер-гии, равной ≈ 35000 кДж.

(см.: Коровин. Химия – с.128-130. Калорийность пищи)

Теплоемкость

- количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы (в граммах) или количества вещества (моль) на единицу температуры (на 1 градус Цельсия , 1 Кельвин).

Различают удельную, мольную (молярную), истинную, среднюю теплоемкости.

Удельная теплоемкость определяется количеством теплоты, необходимым для нагрева 1 г вещества на 1 К.

Мольная теплоемкость определяется количеством теплоты, необходимым для нагрева 1 моля вещества на 1 К.

Средняя теплоемкость – количество теплоты, необходимое для нагрева единицы количества вещества от Т₁ до Т₂:

Истинная теплоемкость определяется выражением: ,

где dQ и dТ – бесконечно малые приращения теплоты и температуры.

Связь между средней и истинной теплоемкостью определяется выражением:

Различают теплоемкости при постоянном давлении С_р (изобарная)и при постоянном объеме С_V (изохорная).

Поскольку Q_p = ∆H при р = const, а Q_V = ∆U при V = const, то

, .

Связь между С_р и С_V определяется выражением: С_р - С_V = R,

где R - универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/моль∙К.

Правило Дюлонга-Пти

Атомная теплоемкость химических элементов (С_ат) в твердом состоянии, т.е. произведение атомной массы (А) элемента на его удельную теплоемкость (С_уд) приблизительно одинакова для всех элементов и равна ≈ 25 Дж/моль ^.К: С_ат = А_r ^.С_уд ≈ 25,1 Дж/моль ^.К,

При этом С_p(ат) = А_r ^.С_p = 25,1 Дж/моль ^.К,

С_V (ат) =А_r ^.С_V = 24,85 Дж/моль ^.К

Правило Неймана - Коппа (аддитивности)

Молярная теплоемкость (С_мол) химических сое-динений в твердом состоянии, т.е. произведение их молекулярной массы (М_r) на удельную теплоем-кость, равна сумме атомных теплоемкостей химических элементов, входящих в данное соединение: С_мол = М_r^.С_уд = ∑С_ат (N_атомов), т.е.

С_мол = С_ат (1) + С_ат(2) + …+ С_ат (N), Дж/моль ^.К

Зависимость теплового эффекта реакции от темпе-ратуры (при постоянном давлении или объеме) определяется уравнением (законом) Кирхгоффа:

где

- тепловой эффект реакции при данной температуре,

- тепловой эффект при Т = 298 К (стандартной).

∆С_р для условного уравнения реакции: аА + bВ = сС + dD определяется так: где

С_р(А),, С_р(В), С_р(С), С_р(D) – мольные теплоемкости веществ А, В, С, D при р = const;

∆С_р - общее изменение в реакции мольных теплоемкостей веществ А, В, С, D; a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты для этих веществ в уравнении данной химической реакции.