Второй закон термодинамики

Направление химических процессов. Первый закон т.д. позволяет количест­венно оценить энергии химических процессов, но не- может определить, возможен или невозможен тот или иной процесс и в каком направлении он будет протека На этот вопрос отвечает второй закон термодинамики. Он утверждает, что самопроизвольно процессы могут протекать только в одном направлении, стремясь к состояние равновесия и наименьшему уровня энергии.

Например: теплота передается от горячего тела к холодному, растворён­ное вещество равномерно распределяется по всему объему раствора и т.п. - Существует несколько равнозначных формулировок 2 закона (начало) термодинамики:

1) Теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему, не оставляя изменений в окружающей среде,;

2)Различные виды энергии стремятся превратиться в теплоту, а теплота, в свою очередь, стремиться рассеяться, т.Е. Теплоту нельзя полностью превратить в работу.

Теплота обусловлена хаотическим движением частиц, а работа -направленным движением частиц. Хаотичность, беспорядок в системе характеризует энтропия. Следовательно, самопроизвольные процессы (испарения, диффузия и т.д.) сопровождается увеличением энтропии S>0. Возрастание энтропии происходит до наступления равновесия при этом S=0.

Т.о. для самопроизвольных процессов S>0 (произвольная реакция)

для не самопроизвольных процессов S< 0(обратные реакции)

для состояния равновесия S = 0.

Изменение энтропии любого процесса можно рассчитать на основе 1 закона термодинамики.

S0 различных веществ - это справочные данные.

Второй закон термодинамики по изменению энтропии позволяет судить о ве­роятности протекания того или иного процесса.

Т.о. направление самопроизвольно протекающих процессов зависит от двух факторов. Один из них отражает стремление химической системы к достижению минимума энергии за счет объединения атомов в молекулы, ионы и др. агрегаты под действием химических сил. Мерой этого стремления в химических процессах является либо изменение энтальпии Н ( если процесс протекает при const P) , либо изменение запаса внутренней энергии И (если процесс идет при const V). Другой фактор – стремление химической системы к наиболее неупорядоченному, хаотическому состоянию за счет распада сложных веществ на более простые, к образование большего числа частиц. Мерой этого стремления является воз­растание энтропии S .

Т. о., в химических системах энтропийному фактору S, действующему в направлении дезагрегации частиц и рассеяние вещества, противостоит энтальпийный фактор Н, действующий в направлении объединения, агрегации частиц и объединения запаса энергии системы к минимуму.

Разность между этими факторами называется свободной энергией Гиббса (G). Математически эта зависимость выражается уравнением:

G=S

1. Если G<0, то химический процесс принципиально возможен в прямом направлении.

2. Ecли G>0, то для протекания процесса в прямом направлении необходима дополнительная энергия, т.е. химический процесс протекает в обратном направлении.

3. Если G=О, то в системе устанавливается химическое равновесие.

Самопроизвольному процессу способствует уменьшение энтальпии (Н<О) и возрастание энтропии (S>0).

Расчет G0 производится на основании 1 закона термодинамики:

Величины G0 различных веществ содержатся в справочных таблицах.

ОСОБЕННОСТИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ КАК ОТКРЫТЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ ТД В БИОЭНЕРГЕТИКЕ

Всем живым организмам роста и функционирования необходима энергия. Растения и некоторые бактерии получает свои энергии от солнца при помоги про­цесса фотосинтеза. Человеческий организм является открытой Термодинамичес­кой системой. Основные источником энергии для него является химическая энергия, заключенная в пищевых проектах, часть которых распадается на:

1)совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением, перемещением метаболитов, секрецией соков и т.д.

2)нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи.

3) покрытие потерь теплоты в окружающую среду при непосредственной радиации и испарении влаги с поверхности тела и с выдыхаемым воздухом и с продук­тами жизнедеятельности.

4) совершение внешней работы, связанной со всеми перемещениями человека и его трудовой деятельностью

С пищей в организм поступает довольно сложные высокомолекулярные вещест­ва, совершащие многочисленные слабые химические связи (водородные, гидрофоб­ные и т. л.) и нереализованные запасы внутренней энергии. Такие вещества характеризуются небольшими значениями энтропии (S) и высокими значениями энергии Гиббса (G). В процессе усвоения пищи из относительно больших моле­кул углеродов, жиров, белков образуется низкомолекулярные молекулы СО2, Н2О, NH3 и т.п. с более простой структурой и более прочными химическими связями между атомами.

Процессы деструктурирования (диссилаляции) веществ, при которых из мень­шего числа частиц образуется большее число, сопровождается увеличением энт­ропии, S>0. А так как в ходе таких превращений упрочняются химические связи и реализуется запасы внутренней энергии, то энергия Гиббса системы убывает, G<0. Её значение у продуктов жизнедеятельности оказывается значи­тельно ниже, чем у исходных пищевых продуктов. Следовательно, процессы метаболизма, в целом, подчиняется законам, ТД. Недостатком термодинамических исследований, является отсутствие информации о скорости протекания процессов, Многие реакции протекающие с уменьшением энергии Гиббса (S<0), тем не менее идут с медленной скоростью.

НАПРИМЕР, окисление глюкозы:

Для протекания таких процессов необходимо либо повышение t, либо участие kat (фермента)