Первый закон термодинамики применение к биологическим системам

Применение первого закона термодинамики к биологическим системам

Для определения тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции, применяются специальные приборы, называемые калориметрами. Калориметрическое определение ведется так, чтобы вся химическая энергия выделялась в виде теплоты или могла быть учтена в виде работы расширения газа. Такой способ называют прямой калориметрией.

Всем живым организмам для роста и функционирования нужна энергия. Растения могут использовать энергию солнца (фотосинтез), а животные и человек получают энергию только за счет окисления пищевых продуктов.

Чтобы доказать применимость первого закона термодинамики для живых организмов, еще в 18 веке Лавуазье и Лаплас изучали теплообмен морской свинки. Было установлено, что количество теплоты, выделяемое свинкой равно количеству теплоты, выделяющейся при сжигании продуктов питания свинки в калориметре.

Для человека это сделать конечно сложнее. Поэтому в настоящее время энергетический баланс изучается не только методами измерения тепловых эффектов, но и с помощью термохимических расчетов. Такие расчеты называют непрямой калориметрией. Данные прямой калориметрии используют в расчетах непрямой калориметрии, где на основании установленных дыхательных коэффициентов и калориметрического эквивалента определяются энергетические затраты организма.

Исследования показывают: организм человека не продуцирует новую энергию, все работы в организме совершаются за счет энергии выделяющейся при окислении питательных веществ. Основная часть этой энергии задерживается в организме в виде химической энергии, а не выделяется в виде теплоты. В процессе эволюции живых организмов выработалась определенная последовательность и скорость биологического окисления. За счет энергии, которая выделяется при окислении глюкозы, карбоновых кислот и других продуктов распада питательных веществ, образуются АТФ, АДФ, креатинфосфат, ацетилфосфат и другие соединения, которые накапливаются в клетке. Т.е. можно сказать, что выделяющаяся энергия накапливается в связях некоторых Р-содержащих веществ. По мере необходимости эти вещества, в свою очередь, легко распадаются (подвергаются гидролизу), и при этом энергия, которая потратилась на их образование, выделяется. Она расходуется на синтез белка и других веществ, мышечную работу, работу нервной системы, работу внутренних органов и высшую нервную деятельность. Вещества, при распаде которых выделяется много энергии, называют макроэргическими. Главным из них является аденозинтрифосфат (АТФ) — энергетическая валюта организма. А закон сохранения энергии утверждает, что организм человека должен тратить энергии столько, сколько ее получает. Что произойдет, если тратить больше? Или меньше? Что означает, если человек, питается нормально и образ жизни обычный, но резко худеет?

Применение калориметрии в медицине: Сравнение энергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний, например, ожирения. На основании данных о калорийности продуктов составляются нормы потребностей в пищевых веществах для разных групп населения, с учетом возраста, пола, характера труда, заболевания, климата и т.д.

3. Признак протекания химического или физического процесса – изменение параметров системы и функций состояния. Если они меняются, значит, в системе происходит какой-то термодинамический процесс. Если параметры самопроизвольно не меняются – значит, система находится в состоянии равновесия. Состояние термодинамического равновесия динамическое, т.е. в системе продолжают протекать процессы, но в противоположном направлении и скорости этих процессов равны.

Термодинамически обратимым называется процесс, который при определенных условиях можно реализовать в прямом и обратном направлении, при этом никаких изменений в окружающей среде остается. Необратимыми называют процессы, при которых в системе или окружающей среде возникают какие-то неисчезающие изменения. Все реально протекающие самопроизвольные процессы – необратимы. В том числе и в живых организмах. Обратимый процесс – абстракция, идеал. Он может протекать только в изолированной системе. Но, несколько упрощая реальность, можно рассчитывать термодинамические свойства системы, если представить себе реальный процесс протекающим бесконечно медленно и обратимо.

2-й закон термодинамики. Он определяет возможность протекания процесса в системе и его направление. У него тоже имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок.

1 — Постулат Клаузиуса. Процесс является необратимым, если не происходит никаких других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, или теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе.

2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

В реальных системах только часть энергии превращается в полезную работу, другая часть является «связанной». Для характеристики этой «связанной» энергии Клаузиус ввел новую функцию состояния – энтропию (S). Эта формула — аналитическое выражение второго закона термодинамики. Поэтому энтропию ( ) называют приведенной теплотой, а — связанной энергией вещества. Величину энтропии, как и любого другого термодинамического потенциала измерить нельзя. Можно говорить только об изменении этой величины, т.е. ΔS. Можно сказать, что энтропия – мера упорядоченности вещества. Чем больше неупорядоченность, тем больше энтропия. Где больше «порядка»: в кристаллическом веществе или жидкости? В воде при 20 0 С или при 80 0 С? Абсолютное значение энтропии можно вычислить теоретически, пользуясь постулатом Планка: энтропия кристаллического вещества при абсолютном нуле равна нулю. Этот постулат иногда называют третьим законом термодинамики. Это означает, что и энтропия, и температура ограничены снизу, т.е. не могут быть меньше некоторых предельных значений. Отсюда появляется понятие абсолютного нуля температурной шкалы Кельвина. Т.е. это теоретически рассчитанная температура при которой прекратится всякое тепловое движение…

Читать еще:  Болезни глаз у хомяков и их лечение

Самопроизвольно обычно протекают процессы, идущие с увеличением энтропии ( ), т.е. с выделением тепла или увеличением числа частиц и скорости их движения… — так тоже можно сформулировать 2 закон термодинамики.

Умение предсказать, будет ли проходить и в каком направлении химическая реакция или биологический процесс – это очень важно. Но если ориентироваться только на энтропию – можно ошибиться. Ведь растения и животные – это сложные структуры, они самопроизвольно развиваются, казалось бы, в противоречие второму закону термодинамики, т.е. из множества маленьких и простых частиц образуется одна большая и сложная, а не наоборот. Поэтому были предложены другие термодинамические функции, которые могут служить критерием возможности самопроизвольного протекания процесса. Чаще всего пользуются изобарно-изотермическим потенциалом, т.н.свободной энергией Гиббса (G). Оставив в стороне математические выкладки, просто запомним, что изменение свободной энергии Гиббса зависит не только от энтропии (а значит и внутренней энергии) и от энтальпии: .

если =0 , система находиться в равновесии, G имеет минимальное значение для данной системы при данных условиях

если >0 , самопроизвольные процессы невозможны, они могут протекать только под действием окружающей среды («энергетический пинок»)

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.

Билет 3. Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированной и закрытой системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов.

Второе начало термодинамики

· Невозможен самопроизвольный переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому.

· Невозможно превратить теплоту в работу, не производя никакого другого действия, кроме охлаждения источника теплоты

· Вечный двигатель второго рода невозможен – двигатель, единственным результатом действия которого было бы получение работы за счёт тепла окружающей среды

  • Все самопроизвольные процессы в макроскопических системах протекают в направлении от менее вероятного к более вероятному состоянию системы.

Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы

Обратимые – такие термодинамические процессы, при которых возвращение системы в первоначальное состояние не требует затраты энергии извне и связанных с этим изменений в окружающей среде. Обратимый процесс — двусторонний

Необратимые – термодинамические процессы, при которых возвращение системы в исходное состояние возможно лишь при условии затрат внешней энергии, что влечет за собой определенные изменения в окружающей среде. Необратимый процесс – односторонний.

Читать еще:  Кот чешется и лижется до болячек Ростов — кожный зуд у кошки причины

В любой системе 2 произвольно выбранных состояния различаются тем, что процесс, переходя из первого во второй, идёт самопроизвольно, а обратный процесс самопроизвольно не идёт.

Энтропия

Энтропия – это термодинамическая функция, которая характеризует меру неупорядоченности системы, то есть неоднородность расположения и движения её частиц.

[Дж/моль*K]

(для изобарного процесса) ; (для изохорного процесса)

(для обратимого процесса) ; (для необратимого)

, где k – константа Больцмана (1,38*10 -23 Дж/К), w – вероятность микросостояний.

Так как в самопроизвольном процессе w2>w1, то

энтропийный фактор

В изолированных системах S>0, при достижении равновесия в изолированных системах энтропия максимальна, изменение энтропии при этом равно нулю.

Дополнительное следствие закона Гесса:

Факторы энтропии:

1) Агрегатное состояние вещества и природа вещества (энтропия газа выше энтропии жидкости того же вещества, энтропия жидкости выше твёрдого состояния)

2) С увеличение температуры энтропия возрастает

3) При повышении давления энтропия уменьшается

4) С увеличением числа частиц в системе энтропия увеличивается.

Энергия Гиббса

Это изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия системы.

или

– это часть внутренней энергии системы, которая может быть переведена в работу.

— связанная энергия. Часть внутренней энергии, которая не может быть превращена ни в работу, ни в теплоту.

— часть внутренней энергии, затрачиваемая системой на совершение работы против сил внешнего давления.

Первое начало термодинамики: связь с ЗСЭ, формулировки, применение к биосистемам

Первый закон термодинамики установлен Р.Майером (1842 г.), Д.Джоулем (1842 г.) и Л. Гельмгольцем (1847 г.) и по своему существу является законом сохранения и превращения энергии. Он гласит:

«Если к системе подводится определенное количество энергии в форме теплоты Q, то часть этой энергии расходуется на изменение внутренней энергии системы ΔU, а часть – на совершение работы А. Энергия может превращаться из одного вида в другой, но не может возникать или исчезать».

Необходимо отметить, что ΔU не зависит от пути перехода системы из на-чального состояния в конечное, т.е. внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Первое начало термодинамики может быть выражено также следующим образом:

1.Изменение внутренней энергии системы равно количеству сообщенной системе теплоты минус количество работы, совершенной системой против внешних сил.

2.Невозможно построить вечный двигатель 1-го рода, совершающий работу без затраты эквивалентного количества другого вида энергии.

3.Внутренняя энергия изолированной системы постоянна

4.Энергия неуничтожаема и несотворяема; она может только переходить из одной формы в другую в эквивалентных соотношениях.

5.Первый закон термодинамики полностью применим к живым организмам и может быть сформулирован для живых систем следующим образом:

Все виды работ в организме совершаются за счет эквивалентного количества энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ.

Первичным источником энергии в организме для производства всех видов работ является химическая энергия пищевых веществ (белков, жиров, углеводов), выделяющихся при их окислении. Для растений первичным источником энергии является энергия солнечного излучения, запасаемая в процессе фотосинтеза. Эта же энергия переходит к животным, питающимся растениями. Основной источник энергии для всех процессов жизнедеятельности – энергия, запасенная в высокоэнергетических соединениях, прежде всего в молекулах АТФ. При отщеплении одной фосфатной группы в процессе гидролиза АТФ выделяется от 30 – 38 кДж/моль.

В живом организме все виды энергии в конечном итоге переходят в тепло – тепловую энергию. Она бывает первичной (пассивная) – т.е. непосредственно сразу переход в тепло необратимо, и вторичная (активная) – энергия сначала идет на совершение работы с последующим переходом опять-таки в тепло. Большая часть энергии – это мышечная деятельность, т.е. на совершение механической работы.

Доказательством того, что первый закон термодинамики работает в живом организме, является равенство количества поглощаемой и выделяемой теплоты, свидетельствующее, что живой организм не производит дополнительной энергии при своей жизнедеятельности. Эти выводы сделаны на основании опытов по измерению количества тепла и углекислого газа, выделяемых живым организмом. Результаты таких измерений показывают, что, во-первых, живой организм не является источником новой энергии и, во-вторых, окисление поступающих продуктов питания освобождает в организме количество энергии, равное производимой организмом работе.

При химических превращениях следствием первого закона термодинамики является закон Гесса: Тепловой эффект химического процесса, проходящего ряд промежуточных стадий, не зависит от пути превращения, а определяется лишь начальным и конечным состояниями химической системы. Биохимические реакции в организме очень сложные и имеют много промежуточных стадий, которые не всегда известны. Однако на основании закона Гесса, зная начальные и конечные продукты реакции, можно рассчитать тепловой эффект сложной биохимической реакции. Закон Гесса используется также для вычисления калорийности пищевых продуктов. Хотя питательные вещества претерпевают в организме сложные превращения, энергетический эффект их равен тепловому эффекту непосредственного сжигания в калориметрической бомбе, поскольку в обоих случаях начальное и конечное состояния реагирующих веществ одинаковы.

9. Значение и сущность 2 начала термодинамики. Необратимость самопроизвольных процессов. Свободная и связанная энергия.

Первый закон термодинамики позволяет составить энергетический баланс протекающего в системе процесса, но не указывает, в каком направлении и до какого предела будет протекать этот процесс. С точки зрения первого закона термодинамики все процессы, происходящие без нарушения закона сохранения энергии, возможны. Однако опыт показывает, что самопроизвольные процессы в природе протекают только в определенном направлении и до определенного предела. Первый закон термодинамики дополняет второй закон, позволяющий судить о направлении самопроизвольных процессов и пределах их протекания и тесно связанный с существованием необратимых процессов. Второе начало термодинамики дает возможность определить, какой из процессов будет протекать самопроизвольно, какое количество работы может быть при этом получено, каков предел самопроизвольного течения процесса. Далее, второе начало термодинамики дает возможность определить, какими должны быть условия, чтобы нужный процесс протекал в необходимом направлении и в требуемой степени, что особенно важно для решения различных задач прикладного характера.

Читать еще:  Кто такой трутень в пчелиной семье, зачем нужны трутни?

В любой системе два произвольно выбранные состояния различаются тем, что процесс перехода из состояния 1 в состояние 2 протекает самопроизвольно, а обратный процесс перехода из состояния 2 в состояние 1 самопроизвольно не идет. Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым(постулат Клаузиуса, 1850 г.).
Любая форма энергии может полностью перейти в теплоту, но теплота преобразуется в другие формы энергии лишь частично.

В 1882 г. Г.Гельмгольц ввел деление внутренней энергии системы на свободную энергию и связанную энергию. Свободная энергия – это работоспособная часть внутренней энергии системы. А связанная энергия – это неработоспособная часть внутренней энергии системы, связанная с хаотическим движением составляющих систему частиц, или так называемая “обесцененная” энергия системы.
Мерой связанной энергии является новая термодинамическая функция состояния, называемая энтропией S. Протекание самопроизвольного процесса в изолированной системе в общем случае связано с возрастанием энтропии. Это отражает следующая формулировка второго закона термодинамики : «Если в изолированной системе протекают самопроизвольные процессы, то ее энтропия возрастает» (закон возрастания энтропии)

10. Энтропия с точки зрения классической термодинамики (энтропия как мера связанной энергии). Определение энтропии, расчет энтропии веществ в различных процессах (изотермический, изобарный, изохорный), стандартная энтропия, расчет ΔS химической реакции.

Согласно I закону термодинамики самопроизвольные процессы идут в сторону уменьшения запаса внутренней энергии или энтальпии системы. Однако известны такие процессы, которые протекают самопроизвольно без изменения внутренней энергии системы. Движущей силой таких процессов является энтропия системы. Энтропия (связанная энергия) S – это мера необратимости процесса, мера перехода энергии в такую форму, из которой она не может самостоятельно перейти в другую энергию. Энтропия характеризует беспорядок в системе, чем выше беспорядок, тем выше энтропия. В изолированных системах самопроизвольно протекают процессы в направлении увеличения энтропии ( ), что является II законом термодинамики. Процессы, для которых энтропия уменьшается ( ) неосуществимы в изолированных системах. Энтропия простых веществ не равна нулю. В отличие от энтальпии можно измерить абсолютное значение энтропии. Энтропия любого фиксированного количества вещества увеличивается в последовательности: твердое вещество→ жидкость→ газ

Изменение энтропии измеряется приведенной теплотой обратимого процесса:

Если в процессе теплота поглощается системой (δQобр > 0), то dS > 0 — энергетический беспорядок в системе возрастает; если же система отдает теплоту (δQобр -1 *моль -1 . Изменение энтропии химического процесса определяется балансовым уравнением:

.

11. Энергия Гиббса. Уравнение Гиббса. ΔG как критерий самопроизвольного протекания изобарно-изотермических процессов. Экзергонические и эндергонические процессы.

Свободная энергия Гиббса (или просто энергия Гиббса, или потенциал Гиббса) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции. Классическим определением энергии Гиббса является выражение

ΔG = ΔH – T ΔS (1)

Для определения термодинамических «возможностей» изобарно-изотермического процесса в закрытой системе опираются на изменение энергии Гиббса (уравнение 1):

По знаку ΔG изотермо-изобарные процессы подразделяются на три группы:

экзергонические — ΔG 0, сами проходить не могут, процесс термодинамически запрещен.

В живых системах эндергонические процессы сопряжены с экзергоническими. В частности, процессы катаболизма (распад или окисление молекул) обычно являются экзергоническими процессами, а процессы анаболизма — эндергоническими процессами. Таким образом метаболизм есть совокупность взаимодействующих экзергонических и эндергонических процессов. Экзергонические процессы передают свободную энергию для осуществления эндергонических процессов (синтез,активный транспорт, неспецифические эффекты возбуждения, специфические эффекты возбуждения и др.) посредством общего высокоэнергетического соединения. В живых клетках главным таким высокоэнергетическим продуктом являетсяаденозинтрифосфат (АТФ).

Самопроизвольное протекание изобарно-изотермического процесса определяется двумя факторами: энтальпийным, связанным с уменьшением энтальпии системы (ΔH), и энтропийным T ΔS, обусловленным увеличением беспорядка в системе вследствие роста ее энтропии. Анализ уравнения (1) позволяет установить, какой из факторов, составляющих энергию Гиббса, ответственен за направление протекания химической реакции, энтальпийный (ΔH) или энтропийный (ΔS · T).

Если ΔH 0, то всегда ΔG 0 и ΔS 0, и реакция с поглощением теплоты и уменьшением энтропии невозможна ни при каких условиях.

В остальных случаях (ΔH 0, ΔS > 0) знак ΔG зависит от соотношения ΔH и TΔS. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением изобарного потенциала; при комнатной температуре, когда значение T невелико, значение TΔS также невелико, и обычно изменение энтальпии больше TΔS. Поэтому большинство реакций, протекающих при комнатной температуре, экзотермичны. Чем выше температура, тем больше TΔS, и даже эндотермические реакции становятся осуществляемыми.

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 2207 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источники:

http://lektsii.org/4-786.html

http://megalektsii.ru/s4355t7.html

http://studopedia.net/2_2730_pervoe-nachalo-termodinamiki-svyaz-s-zse-formulirovki-primenenie-k-biosistemam.html

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector