Термодинамика в существовании биологических систем - ABCD42.RU

Термодинамика в существовании биологических систем

Термодинамика в существовании биологических систем

Термодинамика – наука, изучающая наиболее общие законы превращения различных видов энергии в системе. Различают:

  • термодинамику равновесных систем (классическую, равновесную)
  • термодинамику неравновесных систем (линейную и нелинейную).

Под термодинамической системой понимают часть пространства, ограниченную (условно) поверхностью (оболочкой). При этом размеры частиц, составляющих систему (m), должны быть существенно меньше самой системы (М): m 23 Дж·К -1 , а W = N! / N1!·N2!·Nn! – термодинамическая вероятность, причем N = N1 + N2 + ..+ Nn – число вероятных состояний системы.

Таким образом, первый закон термодинамики определяет энергетический баланс в закрытой системе, а второй – дает возможность установить направленность термодинамического процесса.

Термодинамические потенциалы

По изменению δU и δS нельзя оценить величину производимой работы, их начальных и конечных значений. Для этого и вводят термодинамические потенциалы, которые выводятся из объединенной записи первого и второго законов термодинамики.

Объединённая запись первого и второго законов термодинамики:

δQ = TdS ,
TdS = dU + δW ,
dU = δW — TdS.

Видно, что изменение внутренней энергии складывается из двух компонентов:

  • δW – совершаемая работа – это свободная энергия,
  • TdS – рассеянная в виде тепла – связанная энергия.

Для количественной оценки свободной энергии необходимо наложить ограничения:

    При постоянном давлении (P) работа по изменению объёма будет равна PdV , а количество теплоты, согласно первому закону термодинамики:

Q = ΔU + PΔV = Δ(U + PV ) = ΔH

будет отражать изменение энтальпии – теплосодержание системы.

dH = dU + PdV
H = U + PV

Т.е. энтальпия равна количеству теплоты, выделяемой системой.

Зная энтальпию исходных веществ и продуктов реакции и основываясь на законе Гесса, можно определить её тепловой эффект (см. выше).
При постоянных V и T рассчитывается свободная энергия Гельмгольца.

Совершаемая работа условно состоит из 2 компонент:

W = WΠ + PΔV
TdS = dU + δWΠ + PdV
-δWΠ = dU + PdV — TdS

WΠ– полезная работа, так как PΔV = 0: -δWΠ = dU — TdS = dF – свободная энергия Гельмгольца.

F = U — TS
dF = dU — TdS
При постоянных P и T рассчитывается свободная энергия Гиббса: -δWΠ = dU + PdV — TdS = dH — TdS = dG – свободная энергия Гиббса, и она равна:

G = H — TS ,
dG = dH — TdS ,

Так как в биологических системах p=const., чаще используют энергию Гиббса.

Следствия первого и второго законов термодинамики

  1. Необратимый процесс всегда сопровождается рассеянием энергии в тепло TdS .
  2. Если dF 0 и dG > 0 , то процесс несамопроизвольный и обратимый.
  3. При достижении равновесия F и G —> min., а dF и dG = 0

Закон Вант–Гоффа

Для идеального газа с учетом того, что свободная энергия Гиббса при полном дифференцировании: dG = dU + pdV + VdP – TdS – SdT = VdP-SdT, где: dG = VdP-SdT
и постоянной температуре, получим:

Если первое состояние – в стандартных условиях и имеет стандартную величину G 0 , то итоговое значение свободной энергии Гиббса будет равно:

Для разбавленных растворов P ≈ C (концентрация) и тогда:

Для простого процесса A↔B в состоянии равновесия ΔG = 0 , тогда,

а так как B/A = KP (константа равновесия), получаем:

ΔG 0 = -RT lnKP – закон Вант – Гоффа

(ΔG 0 – изменение ΔG при протекании процесса в стандартных условиях).

В биологических системах процессы обычно сопровождаются еще изменением количества вещества и в таком случае:

dU = TdS — pdV + μdN , где

dN – изменение числа частиц,
μ – химический потенциал (градиент).

dG = -SdT + Vdp + μdN

Химический потенциал равен изменению термодинамического потенциала, приходящегося на одну частицу вещества в соответствующем процессе. Он не является термодинамическим потенциалом и служит параметром системы.

Все вышеизложенное разработано для закрытых и изолированных систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. При этомсостоянии, когда S = max., F = 0, G = 0, ΔS = 0, ΔF = 0, ΔG = 0 , процессы не протекают, материя мертва, так как система не может самопроизвольно выйти из этого состояния.

Живые системы находятся в стационарном состоянии. При этом скорость протекания процессов остается постоянной, то есть ΔS , ΔF, ΔG ≈ 0, но F и G > 0, а S 0.

В стационарном состоянии, если dS = 0, то deS = -diS .

Если изменение энтропии за счет необратимых процессов всегда больше нуля, то свободная энергия Гиббса связана с выражением:

diS / dt = 1/T = -dG / dt > 0

В результате возможно осуществление нескольких вариантов:

  1. если deS >0 , то и dS >0 ;
  2. если deS 0,
  3. если deS |diS| , то dS 0 ).

Неравновесная линейная термодинамика необратимых процессов

Основы неравновесной линейной термодинамики заложены Онзагером и развиты Пригожиным. Согласно ее положениям, допускается, что, даже если система в целом не равновесна, каждая из подсистем может находиться в состоянии равновесия (принцип локального равновесия).

Таким образом, неравновесная линейная термодинамика рассматривает процессы вблизи термодинамического равновесия, когда между потоками и силами существует линейная зависимость.

Изменение энтропии в открытых системах

Для анализа изменений энтропии в открытых системах вводится понятие локальная скорость энтропии (σ) в элементарном объёме (dV).

На основании этого допущения в неравновесной термодинамике можно использовать основные положения равновесной, и тогда изменение энтропии можно считать равным:

dSi / dt = ∫V σ · dV, а так как dSi / dt ≥, то и σ ≥ 0.

Эта функция универсальна для всех термодинамических процессов. Например, для химической реакции она равна: T · dSi / dt = A · υ , где
A – сродство химической реакции,
а υ – скорость реакции.

Таким образом, эта функция, отражающая в общем случае произведение силы (Х) на поток (J) получила название «диссипативная функция»:

JX = T · dSi / dt = T · σ

Если в открытой системе протекает К — процессов, она равна:

Таким образом, и в открытой системе протекание термодинамических процессов всегда сопровождается диссипацией (рассеянием энергии).

Принцип Онзагера

Поток ( J ) всегда зависит от силы ( Х ).

Отражая функциональную зависимость, предположим, что:

Функцию всегда можно разложить в ряд Маклорена вблизи равновесия (когда х=0),

J(x) = J(0) + J'(0)/1! · х + J»(0)/2! · х 2 + . + J N (0)/N! · х N

Ограничиваясь вторым слагаемым ряда (членами высшего порядка можно пренебречь) и считая, что x=0 отражает точку равновесия в ней с учетом того, что вблизи равновесия J(0)=0 и, обозначив J1(0)=L, получим:

Таким образом, вблизи равновесия возможна линейная связь между потоком и силой (поэтому эту термодинамику называют линейной), а коэффициент L – феноменологическим коэффициентом.

В любой биологической системе постоянно протекают множество процессов, каждый под действием своей силы Х. Для простоты рассмотрим два процесса: J1 = L11X1 , и J2 = L22X2 .

Онзагер применил принцип взаимности, который в линейной термодинамике гласит, что L12 = L21 , а так как Jk = ∑ Lkn Xn, тогда и Lkn = Lnk .

Если подставить это уравнение в формулу диссипативной функции, получим основное феноменологическое уравнение линейной неравновесной термодинамики.

Теорема Пригожина

В теореме рассматривается основное свойство стационарного состояния, основной критерий его установления, связанный с состоянием энтропии.

Пусть в системе протекают два необратимых процесса: J1 и J2 .

Локальная скорость продукция энтропии для этих процессов складывается из:

Два сопряженных потока (пусть теплоты и вещества) взаимодействуют через коэффициенты:

Тогда с учетом принципа Онзагера /L12 = L21 /:

Исследуем на экстремум величину σ в стационарном состоянии (поток вещества J2=0). Для этого находим частную производную от σ по Х2 при X1 = const:

Так как в стационарном состоянии все потоки равны нулю, то исследуемая функция имеет экстремум.

Для определения знака экстремума берем вторую производную от σ по Х2, и при X1 = const она равна:

а с учетом того, что все коэффициенты L больше нуля, то это минимум. Таким образом, функция, которая всегда dSi /dt ≥ 0 , имеет минимум.

Теорема Пригожина утверждает, что скорость продукции энтропии внутри открытой системы в стационарном состоянии положительна и минимальна.

Она характеризует эволюцию открытой системы вблизи равновесия.

Следствие теоремы Пригожина

Принцип Ле-Шателье. Если термодинамическую систему вывести из состояния равновесия, в ней возникнут силы и потоки, стремящиеся вернуть систему в исходное состояние равновесия.

Нелинейная термодинамика необратимых процессов

Многие процессы протекают вдали от состояния равновесия, когда отсутствуют линейные связи между скоростями и силами.

Пригожин и Виам создали общую термодинамическую теорию роста и развития организмов. Основное её положение заключается в следующем.

Развитие и рост организмов всегда происходят в направлении достижения стационарного состояния, что сопровождаются уменьшением скорости продукции энтропии. То есть в линейной термодинамике основным всё же является утверждение: σ —> min, что определяет состояние системы.

В нелинейной термодинамике продукция энтропии состоит из двух составляющих:

при постоянстве потоков dJk / dt = 0 и dσ / dt = dxσ / dt.

Таким образом, основное неравенство нелинейной термодинамики: dxσ / dt ≤ 0 отражает универсальный эволюционный критерий открытой системы вдали от равновесия. Условие устойчивости отражает флуктуации системы.

Флуктуации ∂xσ могут быть как положительными, так и отрицательными ∂xσ > 0

В стационарном состоянии положительные флуктуации быстро исчезают за счет стремления скорости продукции энтропии к минимуму.

Отрицательные флуктуации являются следствием неустойчивости стационарного состояния системы и приводят к стационарному состоянию с уменьшенной энтропией (это эволюция).

В индивидуальном развитии организма есть три такие стадии:

  • оогенез;
  • регенерация;
  • злокачественный рост.

Авторские программы учителей

Термодинамика биологических систем.

Министерство общего и профессионального образования
Челябинский государственный педагогический университет

Учебное пособие по биофизике для учащихся 11 класса

Челябинск 1997
Старченко С.А.
Термодинамика биологических систем.Учебное пособие по биофизике для учащихся 11 класса.-Челябинск : Изд-во ЧГПУ «Факел», 1997.-45 с.

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Термодинамика — это наука о законах превращения энергии из одного вида в другой. Существование живого организма, все процессы жизнедеятельности в нем, неразрывно связаны с превращением энергии, с изменением энергетического баланса в системе: организм — окружающая среда. Раздел биофизики термодинамика биологических систем в теоретическом аспекте базируется на первом и втором законах термодинамики. Прежде чем приступать к рассмотрению этих законов на живых организмах, следует напомнить некоторые основные понятия термодинамики.

В пособии излагаются вопросы курса биофизики для учащихся общеобразовательных учебных заведений, углубленно изучающих естественно-научные дисциплины, а так же для сельских школ, рассматривающих курс биологии общеобразовательного заведения расширенного.

Рецензенты: Кузнецов А. И., доктор биологических наук, профессор Уральского государственного института ветеринар­ной медицины, Белоусов Д. Л., учитель биологии Троицкого естественно-научного лицея.

© С. А. Старченко
© Издательство ЧГПУ Факел», 1997.

§1. Основные физические понятия термодинамики.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Термодинамикой называется раздел физики, в котором изу­чаются закономерности тепловой формы движения материи. Термодинамика рассматривает свойства систем, в которые входят материальные объекты, объединенные по определенным признакам. Система — это совокупность материальных объектов, ограниченных каким-либо образом от окружающей среды. В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на три типа.

Если система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, то это изолированная система. Замкнутая система — система, которая может обмениваться с окружающей средой лишь энергией и не может обмениваться веществом. Открытой системой называется система, которая обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом. Живой организм является открытой термодинамической системой.

ПОНЯТИЕ ЭНЕРГИЯ.
Энергия — это количественная мера определенного вида движения и взаимодействия материи при ее пре вращении из одного вида в другой. Будучи характеристикой движения материи, энергия всегда определяет способность системы совершать работ у. Различают несколько видов энергии.

Механическая энергия — форма энергии, характеризующая движение макротел и способность совершать механическую работу по перемещению макротел. Механическая энергия разделяется на кинетическую, определяемую скоростью движения тел, и потенциальную, определяемую расположением макротел друг относительно друга.

Тепловая энергия представляет собой сумму кинетической энергии хаотического теплового движения всех атомов и молекул вещества. Показателем теплового движения частиц является температура. Тепловая энергия является самым обесцененным видом энергии, так как определяется хаотическим движением частиц. Все остальные виды энергии определяются более упорядоченным видом движения частиц.

Химическая энергия — энергия взаимодействия атомов в молекуле. По существу, всякая химическая энергия — это энергия электронов, движущихся по внешним орбитам атомов и молекул.

Электрическая энергия — энергия взаимодействия электрически заряженных частиц, вызывающая движение этих частиц в электрическом поле.

Энергетические превращения в организме происходят, в основном, в пределах описанных видов энергий. Для энергии справедлив закон ее сохранения. Закон сохранения энергии реализуется в изолированных системах. Однако, следует иметь ввиду, если система замкнутая или открытая, то энергия в системе может изменяться.

ПОНЯТИЕ РАБОТЫ В ТЕРМОДИНАМИКЕ.
Работа — это мера превращения энергии из одной формы в другую. Численно работы равна изменению энергии.

В живых организмах совершаются различные виды работы. Основными видами работ в организме являются химическая, механическая, осмотическая и электрическая.

Химическая работа — работа, совершаемая при синтезе высокомолекулярных соединений из низ­комолекулярных, а также при протекании химических реакций. Синтез высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) обычно требует затраты энергии, поэтому данные процессы протекают с изменением энергии и совершением работы.

Механическая работа — работа по перемещению частей и органов тела против механических сил. Механическая работа также совершается мышцами при их сокращении.

Осмотическая работа — работа по переносу различных веществ через мембраны или мембранную оболочку из области низкой концентрации этих веществ в область более высокой концентрации. Перенос осуществляется ме­ханизмами активного транспорта против сил диффузии и требует затраты энергии. Эти процессы будут рассмотрены в следующих разделах.

Электрическая работа — это работа по переносу заряженных частиц (ионов) в электрическом поле. В организме электрическая работа совершается при генерировании клетками биопотенциалов и проведении возбуждения по клеткам. Особенно большой величины этот вид работы достигает у животных, имеющих электрический орган, с помощью которого они могут поражать свою жертву. Электрический угорь например, генерирует ток 0,2 А при напряже­нии 10000 В.

Некоторые животные могут светиться в темноте. Все ткани живых организмов также испускают сверхслабое электромагнитное излучение, которое можно зарегистрировать чувствительными приборами. Свечение биологических объектов происходит за счет химической энергии клеток, поэтому данный процесс можно назвать работой по высвечиванию.

ВОПРОСЫ:
1. Что изучает термодинамика?
2. Что такое энергия?
3. Для каких систем справедлив закон сохранения энергии?
4. Почему живой организм является открытой термодинамической системой?
5. Какие виды энергий реализуются в живом организме?
6. Почему в живом организме совершаются различные виды работы?
7. Какие превращения энергии происходят в живом организме?

Термодинамика и ее применение для биологических систем

Термодинамика (наука о движении теплоты) – наука о движении и превращении энергии, изучает процессы, не учитывая атомно-молекулярное строение материи.

Принципы или начала термодинамики:

1. закон сохранения материи и энергии;

2. закон вероятности и направленности термодинамического процесса.

Термодинамика живых организмов – биоэнергетика.

Термодинамика изучает системы, обладающие тепловой энергией, которая может переноситься, проводя при этом какую-либо работу. Определяется количество затраченной системой теплоты и количество произведенной системой работы. Термодинамика исследует возможности распространения тепловой энергии, и если это возможно, то направление распространения.

Движение и превращение энергии является общим свойством энергии, происходит как в биологических, так и в небиологических системах. Однако в биологичеких системах эти процессы имеют свои особенности.

Биоэнергетика сосредотачивается на изучении термодинамики биологических процессов и миграции энергии в биологических системах

Для описания явлений, происходящих в термодинамических системах, используется ряд понятий:

  1. термодинамическая система – тело или совокупность тел, обособленных физическими или воображаемыми границами от окружающей среды;
  2. фаза – часть системы, обладающая одинаковым составом, физическими и химическими свойствами, имеющая поверхность раздела, отделяющую ее от других частей;
  3. термодинамический процесс – изменения в термодинамической системе.

Классификация терм систем:

  1. гомогенные — одна фаза;
  2. гетерогенная — несколько фаз, разделенных поверхностью;
  3. изолированные — не обменивающиеся энергией и веществом;
  4. закрытие — обменивающиеся только энергией;
  5. открытые — обменивающиеся и тем, и тем.

Изменения в термодинамических системах описываются термодинамическими функциями:

  1. экстенсивные или факторы емкости, которые зависят от массы или количества микрочастиц в системе (объем, энергия, энтропия);
  2. интенсивные или факторы потенциала, которые не зависят от массы или частиц в системе (давление, температура, скорость энергии).

Энергия – мера определенной формы движения материи при ее превращении из одной формы в другую.

Энергию определяют как произведение фактора интенсивности на фактор экстенсивности. Например, механическая работа равна pV (p — давление, V — объем), электрическая работа равна EI (E — напряжение, I — сила тока).

Внутренняя энергия – сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц системы и кинетической энергии беспорядочного теплового движения частиц. Кинетическая энергия беспорядочного теплового движения пропорциональна температуре, а потенциальная энергия зависит от взаимодействия частиц, от расстояния между ними, то есть от объема. Поэтому в классической термодинамике внутреннюю энергию может выразить как произведение температуры на величину объема.

Свободная энергия – часть внутренней энергии тела, которая способна совершать работу.

Связанная энергия – та часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в одну из форм полезной работы.

Закрытые термодинамические системы стремятся перейти в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется прекращением в системе всех макроскопических процессов, а также в таком состоянии система может оставаться сколь долго угодно без внешних воздействий.

В термодинамических системах происходят термодинамические процессы – переход системы из одного состояния в другое, причем различают термодинамические процессы:

1. квазистатические — обратимые;

2. нестатические — необратимые.

Обратимые процессы допускают возвращение термодинамической системы в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде, такие процессы встречаются только в изолированных термодинамических системах (термос). Однако это идеализированная система, ибо в природе не встречается.

Необратимые характерны для закрытых и открытых систем, все процессы протекают с конечной скоростью, они необратимы. Поэтому какой-либо процессы не протекал бы, он всегда имеет окончание.

Термодинамические процессы, протекающие в системах, подчиняются двум законам (началам) термодинамики

Первый закон был установлен в 1848 году немецким врачом Робертом Майером: «Энергия в изолированных системах не может увеличиваться или уменьшаться, а может переходить из одного вида в другой».

Возникновение первого закона связано с началом изучения физиологических процессов, аналогичен закону сохранения энергии Ломоносова, однако Михаил Васильевич не опирался столь на физиологию.

В путешествии на шхуне Майер отметил, изучая работы Лавуазье, что при жарких температурах происходит меньшее потребление энергии. По прибытии на сушу у членов экипажа началась лихорадка, с лечебными целями делали кровопускания. Майер обнаружил, что во время осуществления кровопускания венозная кровь очень яркая, насыщенная, похожа на артериальную. Сделал заключение, что в условиях жаркого климата кислорода из крови на окислительные процессы тратится меньше. Далее пришел к выводу, что энергия, которая поступает в организм, равна тому количеству энергии, которое выделяется. Изучение чисто физиологических явлений легли в основу фундаментального закона сохранения и превращения энергии.

В неизолированных термодинамических системах изменение внутренней энергии равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой A, совершаемой самой системой: ∆U=Q-A.

Внутренняя энергия является суммой кинетической и потенциальной энергии, изменяется в процессе совершения работы и теплопередачи.

Следствие первого закона термодинамики — правило Гесса 1836 год: «Термодинамический процесс, развивающийся через ряд промежуточных реакций, не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы».

∆U = U1-U2, где U1 — энергия начального состояния, U2 — энергия конечного состояния, ∆U- изменение внутренней энергии.

Отношение работы к количеству тепла, сообщенного системе, есть величина постоянная:

Количество способов комбинации элементов системы, с помощью которых может быть реализовано данное состояние – термодинамическая вероятность W, следует отличать ее от математической вероятности — среднее значение частоты появлений событий при испытании P.

Термодинамическая вероятность показывает возможность расположения частиц в системе, которое может реализовать данное состояние. Например, в системе 6 молекул: 6 слева и ни одной справа, далее справа может быть 1 молекула, может быть справа 2 молекулы, а остальные слева, что показывает, в каком состоянии находится термодинамическая система. Число размещений молекул 2 6 = 64– термодинамическая вероятность. Положение молекул 6 слева, 0 справа — единственное состояние системы, 5 слева и 1 справа – шесть возможностей, 4 слева и 2 справа -15 размещений, 3 слева и 3 справа -20 размещений, далее изменяется все в такой же последовательности.

Математическая вероятность этих состояний 1/64 = 0,016. Такое состояние с математической точки зрения маловероятно, самой большой вероятностью будет обладать распределение 3 и 3.

Если в какой-то части термодинамической системы сконцентрировано много свободной энергии, такая система – неравновесная, энтропия такой системы буде мала, энергия будет перемещаться из области большей концентрации в область меньшей, то есть движение энергии будет упорядочено. Вероятность существования такой системы очень мала, ибо система стремится к беспорядку, стремится стать равновесной. То есть система стремится к тому, чтобы в двух ее частях энергия распределилась равномерно. Вероятность существования такой системы будет значительно больше, а энтропия равновесной системы будет велика, ибо перемещение частиц в такой системе подчиняется лишь тепловому Броуновскому движению. При этом нет определенного направления движения частиц, исходя из этого, система будет беспорядочной.

Второй закон показывает ограниченность превращения энергии в работу, ибо не вся внутренняя энергия может быть превращена в работу, КПД T2.

Если возьмем температуру тела внутри человека 310 К, а снаружи 303 К, возможность совершения работы за счет тепловой энергий 2 %, но мы используем для совершения работы химическую энергию, что позволяется увеличить КПД = A/∆F ≤ 1.

Соотношение биологического процесса и КПД в %: гликолиз 36, окислительное фосфорилирование 55, фотосинтез 75, сокращение мышц 40, свечение бактерий до 96.

Живые организмы, совершая работу, не приходят в состояние термодинамического равновесия. Закрытые системы подчиняются закону увеличения энтропии, а живые организмы – открытые термодинамические системы, стремятся к минимуму энтропии. Совершая непрерывную работу, они постоянно расходуют энергию, но при этом живой организм удерживает разницу энергетических уровней. Наша деятельность направлена на поддержание градиента, что возможно благодаря поступлению в нашу систему веществ из окружающей среды, которые имеют большой запас свободной энергии. Поэтому понятие энтропии для живых организмов было заменено понятием потока энтропии.

Поступление питательных веществ в организм рассматривается как поток отрицательной энтропии, ибо в ходе обмена веществ происходит уменьшение свободной энергии и запасании энергии в живом организме (продукты, которые мы получаем, являются строго упорядоченными, а то, что выделяем – продукты беспорядочные). Энергия, которая уходит в ходе совершения работы, представляет собой поток положительной энтропии. Поток отрицательной энтропии возникает в процессе ассимиляции, а положительной — в процесс диссимиляции, что позволяет нам поддерживать стационарное равновесие.

Наш организм стремится к созданию постоянной величины энтропии, но эмоциональная нагрузка и заболевания приводят к нарушению потоков энтропии, что выводит нас из состояния равновесия. Организм работает на то, чтобы при выходе из стационарного состояния вернутся к нормальному состоянию, при этом переходы могут быть различными.

Экспоненциальное приближение отображает кривая А – оптимальное состояние, здесь происходит медленное возвращение к стационарному состоянию, но реакции в организме могут быть разнообразными. Кривая Б показывает возможность с избыточным отклонением, а кривая В переход к сложному старту, когда энергетические ресурсы уменьшены.

Второй закон затрагивает и состояние информации в живых объектах, ибо согласно второму закону в системе есть стремление переходить к беспорядку – универсальный закон. В организме происходят сложные реакции синтеза и восстановление структур, которые погибают. Информация на восстановление заложена в азотистых основаниях, что позволяет заменить структуры, заменить отмершие клетки и продолжить жизнь. Если способность утратится, то организм погибнет, ибо неумолимо будет действовать второй закон термодинамики, а именно будет осуществляться переход к беспорядку.

Законы термодинамики имеют приложение к биологическим объектам.

Физика лекции / Термодинамика биологических систем

Термодинамика биологических систем.

Термодинамика – наука о превращениях энергии при её переносе в макроскопических системах.

Макроскопические системы (макросистемы) – материальные объекты, состоящие из большого числа частиц.

Биологические системы – макроскопические. Обмен энергией с окружающей средой – обязательное условие их существования.

Особенности термодинамического подхода:

Описание макросистем в целом (без учёта составляющих)

Ограниченность – с помощью термодинамики нельзя исследовать природу или механизм биологического явления.

Универсальность – приложимость к процессам самого разного рода от транспорта веществ через мембрану клетки до биологической эволюции.

«Теряя в частностях, мы приобретаем, в общем».

Основной вопрос, на который отвечает термодинамика – принципиальная возможность и направление протекания данного процесса.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают 3 типа систем:

Изолированные системы – не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, так как внешняя среда на них не влияет.

Замкнутые системы – обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом.

Совместно замкнутые и изолированные системы называют закрытыми. Закрытые системы – это те, которые не могут обмениваться с окружающей средой веществом.

Открытые системы – обмениваются с внешней средой и энергией, и веществом.

Все биологические системы – открытые.

Физико-химические свойства системы (m, V, p, T) – её термодинамические параметры. Совокупность этих параметров определяет термодинамическое состояние системы. Изменение хотя бы одного из этих параметров ведёт к изменению термодинамического состояния в целом.

Любая функция, которая однозначно определяется термодинамическими параметрами – термодинамическая функция или функция состояния (при данных значениях параметра функции имеют одну и ту же величину, независимо от способа перехода к данному состоянию).

Состояние системы, при котором её способность совершить работу равна 0 и из которого она не может выйти самостоятельно (без притока энергии из вне) называется термодинамическим равновесием.

Процессы, протекающие в системе и изменяющие её состояние, могут быть:

Обратимые – такие процессы, которые могут идти в обратном направлении без дополнительных изменений в окружающей среде. Они возможны лишь в изолированных системах в состоянии термодинамического равновесия.

Необратимые – процессы, которые могут быть обращены только при условии дополнительных изменений во внешней среде.

1ое начало термодинамики характеризует количественную сторону превращения энергии.

2ое начало термодинамики характеризует качественную сторону, т.е. направленность процесса.

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай закона сохранения и превращения энергии в применении к процессам преобразования тепла.

При всех процессах, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает, а лишь превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах (Ломоносов).

Первый закон термодинамики постулирует существование функции состояния системы – «внутренняя энергия».

Внутренняя энергия (U) – сумма энергий всех видов движения и взаимодействия составляющих её частиц (сумма кинетической энергии движущихся частиц и потенциальной энергии взаимодействия их друг с другом).

В замкнутой системе: dU = dQ – dA. Изменение внутренней энергии замкнутой системы в итоге какого-либо процесса определяется разностью между полученным системой теплом и совершённой на её границе работой (химической, механической). От того, через какие промежуточные этапы совершается процесс, внутренняя энергия не зависит, поэтому и является функцией состояния системы. Если система термоизолированная, то dU = -dA.

В изолированной системе: dU = 0. Внутренняя энергия изолированной системы остаётся постоянной, независимо от характера протекающих в ней процессов.

В открытой системе: dU = d — dA, где d — суммарный поток тепла и вещества через границу системы. Изменение внутренней энергии открытой системы равно разности между суммарным потоком тепла и вещества и работы на границе системы с окружающей средой.

Экспериментальная проверка закона методами непрямой и прямой калориметрии подтвердила его справедливость, как для неживой, так и для живой природы.

Калориметрия – способ оценки теплового эффекта процесса.

Прямая калориметрия – непосредственное прямое измерение теплового эффекта.

Непрямая калориметрия – с расчётом по закону Гессе.

Закон Гессе: тепловой эффект химической реакции не зависит от ей промежуточных стадий, а определяется только исходным и конечными состояниями.

Этот закон используется для определения теплового эффекта превращения питательных веществ в углекислый газ и воду методом непрямой калориметрии: вещества сжигаются в калориметрической бомбе; при этом тепловой эффект получается такой же, как и при полном окислении этих веществ в организме.

Биологическая система, как и любая другая, не является источником какой-либо другой энергии.

Внутренняя энергия всех систем изменяется только в результате взаимодействия с окружающей средой.

Второй закон термодинамики постулирует существование особой функции состояния системы – энтропии (S).

Для обратимого изотермического процесса изменение энтропии равно количеству приведённого тепла, полученного системой.

, где dQ – количество тепла, полученного системой при температуре T.

— приведённое тепло.

Очевидно, что речь идёт о замкнутой системе, на её границе имеет место теплопередача.

Физический смысл энтропии – формула Больцмана: , где

k – постоянная Больцмана

W – термодинамическая вероятность

Таким образом, энтропия – величина статистическая, она тем больше, чем больше термодинамическая вероятность данного макросостояния.

Энтропия – мера неупорядоченности системы.

В изолированных системах: энтропия изолированной системы возрастает, если протекающие в ней процессы необратимы (dS>0) и остаётся неизменной в обратимых процессах (dS=0). Необратимые процессы в изолированной системе приводят её в состояние термодинамического равновесия.

Свободная энергия – энергия Гельмгольца.

Термодинамический потенциал — энергия Гиббса.

Энтальпия. .

Свободная энергия и термодинамический потенциал убывают в ходе необратимых процессов и достигают минимума в состоянии термодинамического равновесия. Они характеризуют способность системы совершать работу.

Если V и T постоянны, то (изменение свободной энергии системы в обратимых процессах при условии постоянства температуры и объёма равно полезной работе).

Физический смысл свободной энергии: это та часть (U — TS) внутренней энергии системы, которая может быть использована на совершение работы.

TS – связанная энергия – она может только рассеиваться в тепло. Она тем больше, чем больше энтропия.

Изменение термодинамического потенциала = полезной работе для обратимых процессов при условии постоянства давления и температуры.

Энергия Гельмгольца – изохорно-изотермический потенциал

Энергия Гиббса – изобарно-изотермический потенциал

Термодинамика и ее применение для биологических систем

Термодинамика (наука о движении теплоты) – наука о движении и превращении энергии, изучает процессы, не учитывая атомно-молекулярное строение материи.

Принципы или начала термодинамики:

1. закон сохранения материи и энергии;

2. закон вероятности и направленности термодинамического процесса.

Термодинамика живых организмов – биоэнергетика.

Термодинамика изучает системы, обладающие тепловой энергией, которая может переноситься, проводя при этом какую-либо работу. Определяется количество затраченной системой теплоты и количество произведенной системой работы. Термодинамика исследует возможности распространения тепловой энергии, и если это возможно, то направление распространения.

Движение и превращение энергии является общим свойством энергии, происходит как в биологических, так и в небиологических системах. Однако в биологичеких системах эти процессы имеют свои особенности.

Биоэнергетика сосредотачивается на изучении термодинамики биологических процессов и миграции энергии в биологических системах

Для описания явлений, происходящих в термодинамических системах, используется ряд понятий:

1. термодинамическая система – тело или совокупность тел, обособленных физическими или воображаемыми границами от окружающей среды;

2. фаза – часть системы, обладающая одинаковым составом, физическими и химическими свойствами, имеющая поверхность раздела, отделяющую ее от других частей;

3. термодинамический процесс – изменения в термодинамической системе.

Классификация терм систем:

  1. гомогенные — одна фаза;
  2. гетерогенная — несколько фаз, разделенных поверхностью;
  3. изолированные — не обменивающиеся энергией и веществом;
  4. закрытие — обменивающиеся только энергией;
  5. открытые — обменивающиеся и тем, и тем.

Изменения в термодинамических системах описываются термодинамическими функциями:

  1. экстенсивные или факторы емкости, которые зависят от массы или количества микрочастиц в системе (объем, энергия, энтропия);
  2. интенсивные или факторы потенциала, которые не зависят от массы или частиц в системе (давление, температура, скорость энергии).

Энергия – мера определенной формы движения материи при ее превращении из одной формы в другую.

Энергию определяют как произведение фактора интенсивности на фактор экстенсивности. Например, механическая работа равна pV (p — давление, V — объем), электрическая работа равна EI (E — напряжение, I — сила тока).

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия – сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц системы и кинетической энергии беспорядочного теплового движения частиц. Кинетическая энергия беспорядочного теплового движения пропорциональна температуре, а потенциальная энергия зависит от взаимодействия частиц, от расстояния между ними, то есть от объема. Поэтому в классической термодинамике внутреннюю энергию может выразить как произведение температуры на величину объема.

Свободная энергия – часть внутренней энергии тела, которая способна совершать работу.

Связанная энергия – та часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в одну из форм полезной работы.

Закрытые термодинамические системы стремятся перейти в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется прекращением в системе всех макроскопических процессов, а также в таком состоянии система может оставаться сколь долго угодно без внешних воздействий.

Термодинамические процессы

В термодинамических системах происходят термодинамические процессы – переход системы из одного состояния в другое, причем различают термодинамические процессы:

1. квазистатические — обратимые;

2. нестатические — необратимые.

Обратимые процессы допускают возвращение термодинамической системы в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде, такие процессы встречаются только в изолированных термодинамических системах (термос). Однако это идеализированная система, ибо в природе не встречается.

Необратимые характерны для закрытых и открытых систем, все процессы протекают с конечной скоростью, они необратимы. Поэтому какой-либо процессы не протекал бы, он всегда имеет окончание.

Термодинамические процессы, протекающие в системах, подчиняются двум законам (началам) термодинамики

Первый закон был установлен в 1848 году немецким врачом Робертом Майером: «Энергия в изолированных системах не может увеличиваться или уменьшаться, а может переходить из одного вида в другой».

Возникновение первого закона связано с началом изучения физиологических процессов, аналогичен закону сохранения энергии Ломоносова, однако Михаил Васильевич не опирался столь на физиологию.

В путешествии на шхуне Майер отметил, изучая работы Лавуазье, что при жарких температурах происходит меньшее потребление энергии. По прибытии на сушу у членов экипажа началась лихорадка, с лечебными целями делали кровопускания. Майер обнаружил, что во время осуществления кровопускания венозная кровь очень яркая, насыщенная, похожа на артериальную. Сделал заключение, что в условиях жаркого климата кислорода из крови на окислительные процессы тратится меньше. Далее пришел к выводу, что энергия, которая поступает в организм, равна тому количеству энергии, которое выделяется. Изучение чисто физиологических явлений легли в основу фундаментального закона сохранения и превращения энергии.

В неизолированных термодинамических системах изменение внутренней энергии равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой A, совершаемой самой системой: ∆U=Q-A.

Внутренняя энергия является суммой кинетической и потенциальной энергии, изменяется в процессе совершения работы и теплопередачи.

Следствие первого закона термодинамики — правило Гесса 1836 год: «Термодинамический процесс, развивающийся через ряд промежуточных реакций, не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы».

∆U = U1-U2, где U1 — энергия начального состояния, U2 — энергия конечного состояния, ∆U- изменение внутренней энергии.

Отношение работы к количеству тепла, сообщенного системе, есть величина постоянная:

Количество способов комбинации элементов системы, с помощью которых может быть реализовано данное состояние – термодинамическая вероятность W, следует отличать ее от математической вероятности — среднее значение частоты появлений событий при испытании P.

Термодинамическая вероятность показывает возможность расположения частиц в системе, которое может реализовать данное состояние. Например, в системе 6 молекул: 6 слева и ни одной справа, далее справа может быть 1 молекула, может быть справа 2 молекулы, а остальные слева, что показывает, в каком состоянии находится термодинамическая система. Число размещений молекул 2 6 = 64– термодинамическая вероятность. Положение молекул 6 слева, 0 справа — единственное состояние системы, 5 слева и 1 справа – шесть возможностей, 4 слева и 2 справа -15 размещений, 3 слева и 3 справа -20 размещений, далее изменяется все в такой же последовательности.

Математическая вероятность этих состояний 1/64 = 0,016. Такое состояние с математической точки зрения маловероятно, самой большой вероятностью будет обладать распределение 3 и 3.

Если в какой-то части термодинамической системы сконцентрировано много свободной энергии, такая система – неравновесная, энтропия такой системы буде мала, энергия будет перемещаться из области большей концентрации в область меньшей, то есть движение энергии будет упорядочено. Вероятность существования такой системы очень мала, ибо система стремится к беспорядку, стремится стать равновесной. То есть система стремится к тому, чтобы в двух ее частях энергия распределилась равномерно. Вероятность существования такой системы будет значительно больше, а энтропия равновесной системы будет велика, ибо перемещение частиц в такой системе подчиняется лишь тепловому Броуновскому движению. При этом нет определенного направления движения частиц, исходя из этого, система будет беспорядочной.

Второй закон показывает ограниченность превращения энергии в работу, ибо не вся внутренняя энергия может быть превращена в работу, КПД T2.

Если возьмем температуру тела внутри человека 310 К, а снаружи 303 К, возможность совершения работы за счет тепловой энергий 2 %, но мы используем для совершения работы химическую энергию, что позволяется увеличить КПД = A/∆F ≤ 1.

Соотношение биологического процесса и КПД в %: гликолиз 36, окислительное фосфорилирование 55, фотосинтез 75, сокращение мышц 40, свечение бактерий до 96.

Живые организмы, совершая работу, не приходят в состояние термодинамического равновесия. Закрытые системы подчиняются закону увеличения энтропии, а живые организмы – открытые термодинамические системы, стремятся к минимуму энтропии. Совершая непрерывную работу, они постоянно расходуют энергию, но при этом живой организм удерживает разницу энергетических уровней. Наша деятельность направлена на поддержание градиента, что возможно благодаря поступлению в нашу систему веществ из окружающей среды, которые имеют большой запас свободной энергии. Поэтому понятие энтропии для живых организмов было заменено понятием потока энтропии.

Поступление питательных веществ в организм рассматривается как поток отрицательной энтропии, ибо в ходе обмена веществ происходит уменьшение свободной энергии и запасании энергии в живом организме (продукты, которые мы получаем, являются строго упорядоченными, а то, что выделяем – продукты беспорядочные). Энергия, которая уходит в ходе совершения работы, представляет собой поток положительной энтропии. Поток отрицательной энтропии возникает в процессе ассимиляции, а положительной — в процесс диссимиляции, что позволяет нам поддерживать стационарное равновесие.

Термодинамическое равновесие Стационарное равновесие
1. Пример: закрытый сосуд, часть объема которого занимает жидкость, а часть пар 2. Отсутствие потока веществ в систему и из среды 3. Не нужна трата свободной энергии для поддержания равновесия 4. Свободная энергия и работоспособность системы = 0 5. Энтропия в системе равна максимальному значению 6. Отсутствие градиента в системе 1. Пример: горящая свеча, горящая керосинка, живой организм 2. Постоянный приток веществ в систему и удаление продуктов реакции 3. Нужна постоянная трата свободной энергии для поддержания равновесия 4. Свободная энергия и работоспособность системы постоянны и неравны 0 5. Энтропия постоянна и неравна максимальному значению 6. Наличие постоянного градиента в системе

Наш организм стремится к созданию постоянной величины энтропии, но эмоциональная нагрузка и заболевания приводят к нарушению потоков энтропии, что выводит нас из состояния равновесия. Организм работает на то, чтобы при выходе из стационарного состояния вернутся к нормальному состоянию, при этом переходы могут быть различными.

Экспоненциальное приближение отображает кривая А – оптимальное состояние, здесь происходит медленное возвращение к стационарному состоянию, но реакции в организме могут быть разнообразными. Кривая Б показывает возможность с избыточным отклонением, а кривая В переход к сложному старту, когда энергетические ресурсы уменьшены.

Второй закон затрагивает и состояние информации в живых объектах, ибо согласно второму закону в системе есть стремление переходить к беспорядку – универсальный закон. В организме происходят сложные реакции синтеза и восстановление структур, которые погибают. Информация на восстановление заложена в азотистых основаниях, что позволяет заменить структуры, заменить отмершие клетки и продолжить жизнь. Если способность утратится, то организм погибнет, ибо неумолимо будет действовать второй закон термодинамики, а именно будет осуществляться переход к беспорядку.

Законы термодинамики имеют приложение к биологическим объектам.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: