Вопрос 1. Основные понятия термодинамики. Интенсивные и экстенсивные свойства системы. Внутренняя энергия. Работа и теплота – две формы передачи энергии. Типы термодинамических систем и процессов.

Основные понятия термодинамики:

Термодинамическая система – это отдельное тело или группа тел фактически или мысленно отделенных от окружающей среды.

Интенсивные и экстенсивные свойства системы:

1. Экстенсивное свойство системы прямо пропорционально массе системы и обладает аддитивностью (можно складывать): V, H, Uвн, S, G, F.

2. Интенсивное свойство системы не зависит от массы системы и не обладает свойством аддитивности: Q, A, T, P.

Термодинамический процесс – переход системы из одного состояния в другое, сопровождающееся изменением параметров.

Внутренняя энергия(U) – сумма всех кинетических и потенциальных составляющих системы. (мах)

Известны 2 формы передачи энергии:

1. Упорядоченную форму передачи энергии называют работой;

2. Неупорядоченную форму передачи энергии называют теплотой.

Типы термодинамических систем:

1. Изолированная – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни массой, ни энергией.

2. Закрытая – это система, которая не обменивается с определенной средой массой, но обменивается энергией (ампула с лекарством, термос).

3. Открытая – это система, которая обменивается массой и энергией с окружающей средой.

Типы термодинамических процессов:

1. Если Т=const, то ∆U=0 и ∆H=A – изотермический процесс. (внут.энергия не изменяется)

2. Если ∆H=0, ∆U=-А и -∆U=А – адиабатический процесс. (работа производится только за счет изменения внут.энергии системы)

3. Если А=0 (р∆V=0), то ∆H=∆U, Q_v=∆U – изохорный процесс. (все тепло идет на изменение внутренней энергии, работы нет)

4. Если p=const - изобарный процесс.

Вопрос 2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования, стандартная энтальпия сгорания. Закон Гесса. Термохимические процессы. Применение первого начала термодинамики к биосистемам. Примеры экзэргонических и эндэргонических процессов, протекающих в организме.

Первое начало термодинамики: (По своему существу первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии)

1. Энергия не создается и не уничтожается, возможно лишь превращение из одного вида в другой.

2. Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е невозможно создать такой двигатель, который совершил бы работу без затраты энергии.

3. Внутренняя энергия изолированной системы есть величина постоянная.

Уравнение: Q=∆U+W (Q=∆U+p∆V)

Энтальпия – это то количество тепловой энергии, которое выделяется или поглощается при протекании процесса в условиях постоянства t и p(изобара) или t и V(изохора).

∆Н⁰_хр= v_j∆H⁰_f(продуктов) - v_i∆H⁰_f(исх.вв)

Стандартная энтальпия образования вещества (∆H⁰_f) – изменение (уменьшение или увеличение) энтальпии, сопровождающее образование 1 моль вещества в стандартных условиях из простых веществ, взятых в устойчивых модификациях.

Стандартная энтальпия сгорания вещества (∆Н⁰_с) равна уменьшению энтальпии при окислении в избытке кислорода 1 моль вещества, взятого в стандартном состоянии, до конечных продуктов окисления: оксида углерода(IV), воды, азота, оксида серы(IV).

Закон Гесса:

Теплота химической реакции , протекающей при постоянном объеме (или постоянном давлении) определяется только природой исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от числа и последовательности промежуточных стадий, при условии, что теплоты измерены при одинаковой t.

Следствия из закона Гесса:

1. энтальпия образования любого соединения из простых веществ равна энтальпии его разложения на эти же вещества, но в обратным знаком ∆Н⁰_обр= -∆Н⁰_разл

2. энтальпия химической реакции равна разности сумм энтальпии образования продуктов реакции и исходных веществ ∆Н⁰_хр= v_i∆H⁰_f(продуктов) - v_j∆H⁰_f(исх.вв)

3. энтальпия химической реакции равна разности сумм энтальпии сгорания продуктов реакции и исходных веществ ∆Н⁰_хр= v_i∆H⁰_с(продуктов) - v_j∆H⁰_с(исх.вв)

4. свободная энергия реакции равна разности сумм свободной энергии продуктов и исходных веществ ∆G⁰_р= v_i∆G⁰_обр(продуктов) - v_j∆G⁰(исх.вв)

5.энтропия реакции ∆S⁰_р= v_iS⁰_обр(продуктов) - v_jS⁰(исх.вв)

Термохимические процессы – переход системы из одного состояния в другое, сопровождающееся изменением параметров.

Применение первого начала термодинамики к биосистемам.

В 19 столетии было доказано экспериментально, что первый закон термодинамики применим к процессам, которые происходят в биологических системах.

Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом. Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений - например, аденозинтрифосфорной кислоты (ATФ). ATФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке.

Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O

Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

Таким образом, исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): углеводы - 4,1; белки - 4,1; жиры - 9,3.

С другой стороны, в конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая - рассеивается в форме тепла. При использовании энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую.

Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. Например, энергия, используемая мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла.

Другим примером является расход энергии, передаваемой сокращающимся сердцем крови. При течении крови по сосудам вся энергия превращается в тепло вследствие трения между слоями крови и между кровью и стенками сосудов.

Следовательно, по существу вся энергия, потраченная организмом, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Из этого принципа существует лишь единственное исключение: в случае, когда мышцы выполняют работу над внешними телами.

Если человек не выполняет внешней работы, то уровень высвобождения организмом энергии можно определить по величине общего количества теплоты, выделенной телом. Для этого применяют метод прямой калориметрии, для реализации которого используют большой, специально оборудованный калориметр. Организм помещают в специальную камеру, которая хорошо изолирована от среды, то есть не происходит обмена энергией с окружающей камеру средой. Количество теплоты, выделенной исследуемым организмом, можно точно измерить. Эксперименты, выполненные этим методом, показали, что количество энергии, поступающей в организм, равно энергии, выделяющейся при проведении калориметрии.

Прямая калориметрия в проведении трудоёмка, поэтому в настоящее время используют метод непрямой калориметрии, который основан на вычислении энергетического выхода организма по использованию им кислорода.

Примеры экзэргонических и эндэргонических процессов, протекающих в организме.

Термические реакции, при протекании которых происходит уменьшение энергии Г(dG<0) и совершается работа называются ЭКЗЕРГОНИЧЕСКИМИ(окисление глюкозы дикислородом- C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O, dG=-2880 кДж/моль! Реакции в результате которых энергия Г возрастает (dG>0) и над системой совершается работа, наз-ся ЭНДЕРГОНИЧЕСКИМИ!