33. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Это легко проиллюстрировать на примере заряженного плоского конденсатора.

Напряженность однородного поля в плоском конденсаторе равна E = U/d, а его емкостьПоэтому 

где V = Sd – объем пространства между обкладками, занятый электрическим полем. Из этого соотношения следует, что физическая величина  является электрической (потенциальной) энергией единицы объема пространства, в котором создано электрическое поле. Ее называют объемной плотностью электрической энергии. Энергия поля, созданного любым распределением электрических зарядов в пространстве, может быть найдена путем интегрирования объемной плотности wе по всему объему, в котором создано электрическое поле.

36 Электрический ток и законы постоянного тока

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц ( свободных электронов или ионов). При этом через поперечное сечение проводника перносится эл. заряд ( при тепловом движении заряженных частиц суммарный перенесенный эл. зпряд = 0, т.к. положительные и отрицательные заряды компенсируются). Направление эл. тока - условно принято считать направление движения положительно заряженных частиц ( от + к - ).

Действия эл. тока ( в проводнике): тепловое действие тока - нагревание проводника ( кроме сверхпроводников); химическое действие тока - проявляется только у электролитов, На электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита; магнитное действие тока ( основное ) - наблюдается у всех проводников (отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током и силовое действие тока на соседние проводники посредством магнитного поля). Количественная характеристика эл. тока. Сила тока - это отношение заряда q, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени t к этому интервалу. Постоянный ток - эл. ток, у которого сила тока со временем не меняется. Сила тока зависит от заряда частицы, концентрации частиц, скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника. где S - площадь поперечного сечения проводника, qo - эл. заряд частицы,n - концентрация частиц, v - скорость упорядоченного движения электронов. Единица измерения силы тока:

Условия, необходимые для существования электрического тока: - наличие свободных электрически заряженных частиц; - наличие внутри проводника эл.поля действующего с силой на заряженные частицы для их упорядоченного движения ( свободные электроны по инерции , без действия силы, перемещаться не могут из-за тормозящего воздействия на них кристаллической решетки). Если в проводнике существует эл. поле, то между концами проводника есть разность потенциалов. Если разность потенциалов постоянна во времени , в проводнике течет постоянный ток. ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ

где U - напряжение на концах участка цепи, R - сопротивление участка цепи. (сам проводник тоже можно считать участком цепи).

СОПРОТИВЛЕНИЕ - основная электрическая характеристика проводника. - по закону Ома эта величина постоянна для данного проводника.

1 Ом - это сопротивление проводника с разностью потенциалов на его концах в 1 В и силой тока в нем 1 А. Сопротивление зависит только от свойств проводника:где S - площадь поперечного сечения проводника, l - длина проводника, ро - удельное сопротивление, характеризующее свойства вещества проводника. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ - состоят из источника, потребителя электрического тока, проводов, выключателя. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме: IR = U12 = φ1 – φ2 +δ = Δφ12+δ

По закону Ома для неоднородного участка, Ir = Δφab + δ.

Сложив оба равенства, получим: I (R + r) = Δφcd + Δφab + δ

Но Δφcd = Δφba = – Δφab. Поэтому 

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

37 Электрический ток в биологических жидкостях

Биологические ткани и органы довольно разнородны по электрическим свойствам.  Органические вещества (белки, жиры, углеводы и др.), из которых состоят плотные ткани организма, являются диэлектриками. Но все ткани и клетки в организме содержат жидкости или омываются ими (кровь, лимфа, различные тканевые жидкости). В состав этих жидкостей кроме органических коллоидов входят также растворы электролитов и поэтому они являются довольно хорошими проводниками.

         Наилучшую электропроводимость (L =) имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови, несколько меньшую - цельная кровь и мышечная ткань. Значительно меньше электропроводимость тканей внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками, то есть диэлектриками, являются роговой слой кожи, связки и сухожилия и особенно костная ткань без надкостницы.

         Электропроводимость отдельных участков организма, находящихся между электродами, наложенными непосредственно на поверхность тела, существенно зависит от сопротивления кожи и подкожных слоев.

         Внутри организма ток распространяется, в основном,  по кровеносным сосудам и лимфатическим сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов. Сопротивление кожи, в свою очередь, определяется её состоянием: толщиной, возрастом, влажностью и т.п.

         Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель.

         Например, при воспалении происходит набухание клеток, объем межклеточных пространств уменьшается и в результате увеличивается электрическое сопротивление. Физиологические явления, вызывающие потоотделение, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи и др. 

Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах.

Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным.

         Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов, их разделением, и изменением их концентрации в разных элементах тканей и возникновением встречного поляризационного поля. Закон Ома для биологического объекта следует записать:

где P(t) - э.д.с. поляризации, являющейся функцией времени.

         Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенно электрическое сопротивление тканей и прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать значительный ток через организм.

38 Магнитное поле и его характеристики

Наличие магнитного поля определяется по силовому действию на помещенные в него проводники с током или постоянные магниты. Магнитная индукция - интенсивность магнитного поля, т. е.способность его производить работу. Чем сильнее магнитное поле, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукциюВ можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м².  Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность. Следовательно, в однородном магнитном поле:            Ф = BS, где  S — площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна: B = Ф/S . Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость μ_а (1 Гн/м = 1 Ом*с/м). Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов, имеет примерно то же значение, – что и магнитная проницаемость вакуума. Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной,  μ_о= 4π * 10^-7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ. Относительная  магнитная проницаемость μ_r = μ_a/ μ_о . Напряженность магнитного поля H (э) не зависит от магнитных свойств  среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением: Н = В/μ_о μ_r

39 Электромагнитная индукция

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

М. Фарадей - 1831 г. Явление электромагнитной индукции- возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше индукционный ток. МАГНИТНЫЙ ПОТОК ( или поток магнитной индукции)

Магнитным потоком через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами В и n.

НАПРАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ТОКА

Направление индукционного тока определяется по правилу правой руки:

Если поставить правую руку так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, отставленный на 90 градусов большой палец указывал направление вектора скорости, то выпрямленные 4 пальца покажут направление индукционного тока в проводнике.

Замкнутый контур

Направление индукционного тока в замкнутом контуре определяется по правилу Ленца.

Правило Ленца

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, которым он вызван.

Применение правила Ленца 1. показать направление вектора В внешнего магнитного поля;  2. определить увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур;  3. показать направление вектора Вi магнитного поля индукционного тока ( при уменьшении магнитного потока вектора В внешнего м.поля и Вi магнитного поля индукционного тока должны быть направлены одинаково, а при увеличениии магнитного потока В и Вi должны быть направлены противоположно );  4. по правилу буравчика определить направление индукционного тока в контуре.

40 Первое начало термодинамики и его применение к термодинамическим процессам

Первое начало термодинамики: количество теплоты Q, сообщенное системе, идёт на увеличение внутренней энергии системы∆U и на совершение системой внешней работы A:

Q=∆U+A

Например, если газу под поршнем сообщить некоторое количество теплоты, он нагреется (увеличится внутренняя энергия газа) и переместит поршень (газ совершит работу). Чем выше температура тела, тем быстрее движутся его молекулы, а, значит, больше внутренняя энергия тела. Если система получает тепло, Q>0, если отдает, Q<0;если работает система, A>0, если работа над системой, A>0.

Первое начало термодинамики, по существу, является законом сохранения энергии: полная энергия, переданная системе Q, превращается в тепловую энергию молекул система ∆U и в механическую энергию А. Он справедлив не только для газов, но и для жидкостей и для твёрдых тел.

Для характеристики процессов теплообмена введем понятия молярная и удельная теплоемкость вещества (не обязательно газа).

Молярная теплоемкость – это отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного молем вещества, к соответствующему приращению его температуры:

С=1/v(δQ/dT)

Удельная теплоемкость – это отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного килограммом вещества, к соответствующему приращению его температуры: С=1/m(δQ/dT)

Эти теплоемкости связаны между собой простым соотношением C=μc и измеряются соответственно в Дж/(моль*К) и в Дж/(кг*К).

Чем больше теплоемкость, тем медленнее вещество нагревается и медленнее остывает.

Для газов, как правило, пользуются молярной теплоемкостью, а для жидкостей и твёрдых тел – удельной.

В термодинамике особо рассматриваются следующие молярные теплоёмкости: молярная теплоемкость при постоянном объёме Cv=1/v(δQ/dT)= 1/v(δU/dT) и молярная теплоемкость при постоянном давлении Cp=1/v(δQ/dT).

Для идеального газа эти теплоемкости связаны между собой уравнением Cp= Cv+R

Первое начало термодинамики для изохорного процесса:

Q=∆U= Cv∆T

Объем не меняется, газ работы не совершает.

Первое начало термодинамики для изобарного процесса:

Q=Cp∆T

В изотермическом процессе температура постоянна, поэтому внутренняя энергия не меняется, и первое начало термодинамики для этого процесса можно получить следующим образом:

Q=A=νRTln(V2/V1)

Адиабатический процесс. Газ не обменивается теплом с окружающей средой. Первое начало термодинамики для адиабатического процесса: Q=0

В адиабатическом процессе ∆U=-A

Отсюда следует вывод, что при адиабатическом расширении (A>0) газ охлаждается (∆U<0), а при адиабатическом сжатии(A<0) – нагревается (∆U>0).

Первое начало термодинамики для любого квазистатического процесса с идеальным газом имеет вид: Q=vCv∆T+A

41. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики (формулировка Клаузиуса): в природных процессах «теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому». Под теплотой здесь понимается внутренняя энергия.

Второе начало термодинамики (формулировка Томсона): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара. Под тепловым резервуаром понимают тело или систему тел, обладающую запасом внутренней энергии. А круговой процесс (цикл) – это процесс, в результате которого система, пройдя ряд состояний, каждый раз возвращается в исходное.

Этот закон утверждает, что невозможно построить вечный двигатель. Невозможно всё тепло, взятое у нагревателя Q1, перевести в полезную работу А, - неизбежно будут тепловые потери Q2, то есть тепло, отданное холодильнику.

Принцип работы тепловой машины:

Нагревательотдает тепло Q1Машина совершает работу A=Q1-|Q2| Q2Холодильник

КПД: η=A/Q1

Любой живой организм можно рассматривать как тепловую машину. В качестве «нагревателя» (источника энергии) здесь будут питательные вещества, молекулы которых содержат энергию Q1, выделяющуюся при их расщеплении. Полезная энергия А, полученная при расщеплении молекул питательных веществ, идёт на рост и деление клеток, на их движение, и в конечном итоге на рост и движение всего организма, если организм многоклеточный. Часть энергии Q2 превращается в тепло. Так, в процессе теплообмена теплокровные животные постоянно отдают тепло в окружающую среду («холодильник») с более низкой температурой.

42. Системы с переменным числом частиц

Отвлекаясь от флуктуаций, под термодинамическими величинами следует понимать по определению( по физическому смыслу):

Из соотношения для энтропии следует, что

Но из определения свободной энергии следует, что

,

и

,

поэтому получаем, что:

Аналогичная добавка появляется в термодинамические выражения для дифференциалов других потенциалов.

.

Из последней строчки следует уже известная нам формула, поскольку

43 Энтропия

Энтропия – мера хаоса в системе. Изменение энтропии при равновесном (квазистатическом) переходе термодинамической системы из состояния 1 в состояние 2 ∆S=S2-S1=∫δQ/T

Энтропию ещё называют приведенной теплотой и измеряют в Дж/К.

С помощью этой формулы можно найти изменение энтропии для процессов с идеальным газом. Например, в равновесном адиабатическом процессе энтропия не меняется, так как δQ=0.

Второе начало термодинамики можно сформулировать через энтропию: энтропия замкнутой системы при протекании необратимых процессов возрастает. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна. ∆S≥0

Замкнутая система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

Все процессы в термодинамике можно разделить на обратимые и необратимые.

Обратимый процесс можно провести как в прямом, так и в обратном направлениях, причем после проведения прямого и обратного процесса система и окружающие тела каждый раз возвращаются в исходное состояние. А необратимый – нельзя.

Практически все природные процессы необратимы.

44. Биологические объекты как открытые термодинамические системы

Существует три вида термодинамических систем в зависимости от их взаимодействия с окружающей средой: Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом. Таких систем в реальных условиях не существует, но понятие изолированной системы используют для понимания главных термодинамических принципов. Закрытые системы обмениваются со средой энергией, но не веществом. Примером такой системы может служить закрытый термос с налитым в него чаем. Открытые системы обмениваются с внешней средой как энергией, так и веществом. Все живые существа относятся к открытым термодинамическим системам.

Биологические объекты являются открытыми термодинамическими системами. Они обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

Поддерживая внутренний порядок за счет энергии питательных веществ, любой организм всегда «выбрасывает» неупорядоченную энергию в окружающую среду в виде тепла или неусвоенных остатков пищи. Энтропия организма уменьшается, а Энтропия окружающей среды увеличивается. При этом оказывается, что полная энтропия системы животное + окружающая среда увеличивается (внешний беспорядок превышает внутренний порядок). ∆S=∆So+∆Sc>0

В сложных биохимических реакциях, протекающих в клетке, законы термодинамики не выполняются. Пример. С молекулы ДНК постоянно списывается часть информации на и-РНК (транскрипция) для синтеза того или иного белка (трансляция). Этот белок синтезируется на рибосомах методом ускоренной конвейерной сборки, так, что скорость соединения аминокислот в белковую цепочку в десять раз превышает скорость пулементной ленты. Любые ошибки синтеза белка почти мгновенно исправляются контролирующими ферментами – тоже белками, которые синтезируются в той же клетке и тоже под контролем.

На этом «конвейере» нет ни одного лишнего движения. Всё это происходит при комнатных температурах, когда молекулы жидкостей и твердых тел колеблются с амплитудами, превышающими их размеры. При таких колебаниях биосинтез невозможен (всё равно, что попасть в игольное ушко трясущимися руками). Ученые установили, что в момент образования пептидной связи тепловые движения атомов прекращаются («замораживаются»), что и обеспечивает стопроцентную точность сборки. Это относится и ко всем внутриклеточным реакциям подобной сложности.

Строжайший и точнейший порядок частиц в организме рождается не от беспорядка, а от прежде установленного порядка, то есть все молекулярные процессы живого организма изначально запрограммированы.

45. Основные типы транспорта вещества через биологические мембраны

Большинство процессов жизнедеятельности, таких, как всасывание, выделение, проведение нервного импульса, мышечное сокращение, синтез АТФ, поддержание постоянства ионного состава и содержания воды связано с переносом веществ через мембраны. Этот процесс в биологических системах получил название транспорта.  Если перенос вещества происходит с уменьшением электрохимического потенциала, то есть не требует затрат энергии, то такой транспорт называется пассивным. Его разновидностями являются диффузия(перемещение веществ в сторону меньшей концентрации) и фильтрация (просачивание веществ поры в сторону меньших значений давления). С помощью диффузии в клетку проникают растворенные молекулы кислорода и углекислого газа, а также яды и лекарственные препараты. Примером фильтрации в организме является перенос воды через стенки кровеносных сосудов, выдавливание плазмы крови в почечные канальцы.  Транспорт веществ через липидный бислой с помощью простой диффузии совершается с малой скоростью, особенно в случае заряженных частиц, и почти не контролируется. Поэтому в процессе эволюции для некоторых веществ появились специфические мембранные каналы и мембранные переносчики, которые способствуют повышению скорости переноса и, кроме того, осуществляют селективный транспорт. Пассивный транспорт веществ с помощью переносчиков называется облегченной диффузией. 

Иногда требуется перенести вещество из области с меньшим значением электрохимического потенциала в область с большим его значением. Этот процесс не может протекать самопроизвольно и требует затрат энергии. Такой вид транспорта называется активным. Например, в сторону увеличения электрохимического потенциала осуществляется трансмембранный перенос натрия. Если энергия, необходимая для осуществления активного транспорта, берется за счет гидролиза АТФ или окислительно-восстановительных реакций, то такой транспорт называется первично-активным; если – за счет градиента концентраций других ионов, то – вторично-активным или сопряженным.  Через мембрану могут переноситься не только отдельные молекулы, но и твердые тела (фагоцитоз), растворы (пиноцитоз). Если вещество транспортируется внутрь клетки, то такой вид транспорта называется эндоцитозом, если наружу, то – экзоцитозом. В первом случае на наружной стороне мембраны образуется впячивание, которое постепенно превращается в пузырек. Пузырек отрывается от мембраны внутри клетки. Такой пузырек содержит в себе транспортируемое вещество, окруженное билипидной оболочкой (везикулой). В дальнейшем везикула сливается с какой-нибудь клеточной органеллой и выпускает в неё своё содержимое. В случае экзоцитоза процесс происходит в обратной последовательности: везикула подходит к мембране с внутренней стороны клетки, сливается с ней и выбрасывает своё содержимое в межклеточное пространство.