Термодинамика.

Основные понятия термодинамики.

Под термо-динамической системой понимают часть пространства, содержащую большое количество атомов или молекул. Все живые организмы соответствуют понятию термодинамической системы.

Различают открытые, закрытые и изолированные системы. Под изолированной понимают такую, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Под закрытой системой понимают такую, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией, но не веществом. К примеру, любое материальное тело, температура которого выше окружаю-щей среды, является закрытой системой, участвующей только в теплообмене.

К открытым термодинамическим системам относятся такие, которые обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией.

Любая термодинамическая система характеризуется свойствами, количественное выражение которых назы-вают термодинамическими параметрами. К числу важнейших параметров относятся: температура Т, давление Р, объем V, количество вещества nСовокупность термодинамических параметров определяет состояние термодинамической системы в каждый момент времени.. Между макропараметрами существует функциональ-ная взаимосвязь, которая не нарушается при осуществлении термодинамического процесса. Количественное вы-ражение этой зависимости называется уравнением состояния. Одной из наиболее важных таких функций является уравнение состояния идеального газа:

РV = n RT,

где R - универсальная газовая постоянная.

Состояния термодинамических систем однозначно описывает внутренняя энергия - сумма кинетических и потенциальных энергий взаимодействия всех частиц системы.

2.Первое начало термодинамики и особенности его применения для живых систем.Энергия неравновесных состояний.

Способы изменения внутренней энергии системы описывает первый закон термодинамики: увеличение внутренней энергии системы равно коли-честву полученного тепла и работы, совершенной окружающей средой: ΔU = Q + A ( ΔU - увеличение внутренней энергии, Q - количество тепла, полученное системой, А - работа, которую среда выполняет над системой). Если же система отдает тепло в среду или совершает работу, то знак перед Q и А изменяется на противоположный: ΔU = - Q - A ΔU < 0 Отрицательное значение изменения внутренней энергии - ΔU = U₂ - U₁ показывает, что после совершения про-цесса внутренняя энергия U₁ уменьшилась до U₂. Первый закон термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Если отсутствует теплообмен и не совершается работа, как это имеет место для изолированной системы, величина внутренней энергии остается постоянной. переход термодинамической системы из одного состояния в другое характеризуют не абсолютными значения-ми, а изменением внутренней энергии ΔU = U₂ - U₁ (U₁ - внутренняя энергия в первом, U₂ - во втором состоя-нии). Как показывают наблюдения, процесс перехода системы из одного состояния с внутренней энергией U₁ во второе (c U₂) сопровождается регистрируемыми изменениями в окружающей среде: перемещением материальных тел, изменением их объемов, температуры, электрического сопротивления и др.

3.Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики и его сущность для живых обьектов.

Под обратимым процессом понимают такой, после совершения которого термодинамическая система воз-вращается в свое исходное состояние без всяких изменений в окружающей среде. к приме-ру,падение стального шарика массой m с некоторой высоты h на стальную плиту (рис.3). В результате упругого удара шарик снова поднимается на исходную высоту. Следовательно, до падения и после совершения процесса шарик обладает одной и той же потенциальной энергией Еп = mgh, т.е. система (шарик и плита) возвратилась в исходное состояние. Необратимым называют такой процесс, после совершения которого термодина-мическая система не возвращается в исходное состояние без изменений в окружающей среде. Например, нагретое тело отдает тепло до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие. Никогда не бывает так, чтобы материальное тело, находящееся в тепловом равновесии со средой, самопроизвольно нагревалось. В качестве меры необратимости процессов в термодина-мике используется понятие энтропии: количество тепла, потерянное на один градус абсолютной температуры: S = Q/T.

Из определения этого понятия следует, что в ходе любого термодинамического процесса энтропия увеличива-ется тем больше, чем менее он приближается к обратимому. Второй закон термодинамики: теплота не может са-мопроизвольно переходить от тела с низкой температурой к телу с высокой. вать для совершения работы - этот процесс обязательно сопровождается потерей энергии в виде тепла. Поэтому внутреннюю энергию можно представить в виде суммы связанной G и свободной F энергии: U = G + F. По-скольку связанная энергия не используется для совершения работы, а теряется в виде тепла, ее можно выразить через энтропию G = Q = ST. Для работы может быть использована только свободная энергия F = A.

4.Обьединенный первый и второй закон термодинамики.

внутреннюю энергию можно представить в виде суммы связанной G и свободной F энергии: U = G + F. По-скольку связанная энергия не используется для совершения работы, а теряется в виде тепла, ее можно выразить через энтропию G = Q = ST. Для работы может быть использована только свободная энергия F = A. Поэтому

U = F + ST

Последнее выражение носит название объединенного первого и второго закона термодинамики.

5.Состояние термодинамических систем. Стационарное состояние в открытых термодинамических систем.Теорема Пригожина.Понятие гомеостаза.

в изолированной термодинамической системе внут-ренняя энергия не изменяется. Это значит, что при протекании любых процессов в такой системе ее величина U остается постоянной. Открытая термодинамическая система - это такая, которая обменивается с окружающей средой и вещест-вом и энергией. В пищеварительной системе происходит механическая (при пережевывании) и химическая (при воздейст-вии пищеварительных ферментов) переработка пищи , в ходе которой образуются молекулы питательных веществ (углеводов, белков и жиров) в водной среде. В кишечнике эти питательные вещества транспортируются в кровь а затем разносятся по всему организму. В открытой термодинамической системе, обменивающейся с окружающей средой веществом и энер-гией, может устанавливаться стационарное состояние. Стационарное состояние характеризуется набором термодинамических параметров: F ≠ 0, S ≠ Smax, V 0. В зависимости от условий жизнедеятельности (выполнения физической работы или покоя, возраста, внешних воздействий, развития заболеваний) организм переходит на другой стационарный уровень с иными биологиче-скими показателями. Наиболее часто переход между уровнями описывается зависимостью: y = Yo + Y(1 - e - α t ),

Занятие 2

3 Вопрос .Механизмы теплопродукции в организме.Основной обмен.

Наиболее часто в качестве энергетического субстра-та используются углеводы. Например, при окислении одного моля глюкозы в присутствии кислорода выделяет-ся около 680 ккал, или 2.7×106 Дж.

С6Н12О6 + 6О2 → 6Н2О + 6СО2 + 680 ккал/моль

Освобожденная энергия запасается в химических связях молекулы АТФ в результате присоединения тре-тичного остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кисло-ты (АДФ). в этом процессе выделяется тепло Q₁ = ST, которое получило название первичной теп-лопродукции. Энергия, запасенная в АТФ, в дальнейшем используется для совершения всех видов физиологиче-ской работы: сокращения мышц, синтеза белков, деления клеток, совершение мышечной работы также долж-но сопровождаться увеличением энтропии и соответственно выделением тепла. Это тепло получило название вторичной теплопродукции. что тепловыделение в организме будет тем сильнее, чем больше интенсивность энергетического обменаи чем меньше эффективность полезного использования энергии (чем меньше КПД). Как показывает более детальный анализ энергетического обмена, Q₁ = 0,5Ео и А = 0,5ЕАТФ. Поэтому коэффициент полезного действия большинства биологических процессов (например, мышеч-ного сокращения) не превосходит 25%.