Закон Гесса

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Взаимосвязь термодинамических функций G, H и S отражается в законах термодинамики.

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики.

1.Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более теплому (М.В. Ломоносов)

2. При превращении одного вида энергии в другой неизбежны потери в виде тепла.

3. Невозможно создать вечный двигатель второго рода (к.п.д.<100%).

4. Самопроизвольно могут протекать только такие процессы, при которых система из менее вероятного состояния переходит в более вероятное (Л. Больцман).

5. При постоянных температуре и давлении самопроизвольно могут протекать только такие процессы, для которых изменение энергии Гиббса (DG) отрицательно.

Математическое выражение второго закона термодинамики – уравнение Гиббса-Гельмгольца:

ΔG = ΔH – TΔS,

где Т – температура по Кельвину.

ΔG является критерием самопроизвольности процесса и показателем направленности реакции. ΔG - это энергия системы для совершения полезной работы в изобарно-изотермических условиях. Знак ΔG определяет возможность протекания химической реакции в данных условиях. ЕслиΔG < 0, то реакция идет самопроизвольно, если ΔG > 0, то процесс не может идти самопроизвольно. Если ΔG = 0, то система находится в равновесии, т.е. скорости прямой и обратной реакций равны.

Для расчета теплового эффекта реакции используют закон Гесса:

Тепловой эффект реакции (изменение энтальпии ΔH) не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния веществ и их природы.

Но для расчетов используют следствие из закона Гесса:

Тепловой эффект реакции равен разности энтальпий образования продуктов и энтальпий образования реагентов.

Реагентами называют исходные вещества (субстраты).

– Q = ΔHº = Σ ν_i ΔHº_{обр. прод.} – Σ ν_iΔHº_{обр. реаг.}

ΔHº - стандартная энтальпия образования, полученная при стандартных условиях (ν = 1 моль, р = 1 атм, Т = 298^оК, т.е t = 25^оС),

ν_i – стехиометрические коэффициенты реакции. Стандартные энтальпии образования приведены в справочниках. Стандартные энтальпии образования простых веществ равны нулю, т.к. они существуют изначально, а не образуются с затратой энергии.

Термодинамика живого организма – это биоэнергетика.

Любое вещество может дать столько энергии при окислении, сколько содержится в его химических связях. Поскольку известно, что при нагревании 1 л воды на 1 градус расходуется 1 калория, можно вычислить, сколько калорий выделится при сжигании (окисление) данной массы вещества. Удельная калорийность – калорийность единицы массы (кал/г) или 1 моля вещества (кал/моль). В международной системе единиц СИ пользуются единицей энергии – джоулем (ньютон × метр).

1 кал = 4,184 Дж

Основные органические вещества, составляющие живого организма, в том числе человека, это белки, жиры и углеводы. Удельная калорийность углеводов, белков и жиров позволяет рассчитывать калорийность пищевых продуктов и калорийность рациона человека.

Удельная калорийность
углеводы	белки	жиры
4,1 ккал/г	4,1 ккал/г	9,2 ккал/г

Химические связи, при расщеплении которых выделяется много энергии, называются макроэргическими. Энергия макроэргических связей АТФ (аденозинтрифосфата) используется в процессах биосинтеза веществ с участием ферментов. При этом процесс гидролиза АТФ до АДФ (аденозиндифосфат) катализируется тем же ферментом, что и синтез самого вещества. Такие реакции называются сопряженными. При этом ΔG отдельно взятой реакции синтеза может быть и больше нуля, а ΔG, рассчитанная с учетом распада АТФ, будет обязательно меньше нуля. Поэтому тепло выделяется как в ходе реакций распада (катаболизм), так и синтеза веществ (анаболизм). Катаболизм и анаболизм определяют обмен веществ в организме – метаболизм.

Человек лежа натощак выделяет за сутки в виде тепла ~1600–1800 ккал, что достаточно для того, чтобы вскипятить 20 л воды. Эта величина характеризует основной обмен человека. Уровень основного обмена индивидуален и во многом определяет потребность человека в пище. Во время сна энергозатраты падают на 10-15%. На величину основного обмена влияют гормоны (регуляторы) щитовидной железы (тироксин и трийодтиронин), гормон роста (соматотропный гормон, СТГ), женские и мужские половые гормоны – эстрогены и андрогены. При повышении уровня этих гормонов основной обмен возрастает, а при снижении – падает. При большинстве заболеваний, сопровождающихся повышением температуры, лихорадочным состоянием, основной обменвозрастает.

Энергозатраты при обычном образе жизни почти в 2 раза больше основного обмена человека. Резко увеличивается теплопродукция при физической нагрузке. При тяжелой физической работе энергозатраты организма возрастают на 30-50%. У спортсменов при очень больших нагрузках энергозатраты могут возрастать в несколько раз, например, у тяжелоатлетов, лыжников. Умственная работа не оказывает заметного влияния на энергозатраты организма, но стрессы резко увеличивают теплопродукцию. Почему?

Постоянный уровень энтропии нашего организма поддерживается за счет окисления продуктов питания, т.е. за счет повышения энтропии окружающей среды. Напомню, что живой организм является открытой неравновесной стационарной системой. Способность организма поддерживать основные характеристики постоянными (масса тела, состав крови и тканей, температура тела, рН) называется гомеостазом. Концентрации многих веществ в организме также поддерживаются на постоянном уровне. Баланс по данному веществу – это разность между поступившим и выделенным из организма количеством данного вещества. Баланс будет положительным, если вещество накапливается в организме, и отрицательным, если выведение вещества больше его поступления. У детей баланс положителен практически для всех веществ. У пожилых людей и у больных он часто отрицателен. Можно ли что-то сказать о характере заболевания, зная баланс какого-либо вещества? В организме взрослых здоровых людей наблюдается равновесие – нулевой баланс почти по всем веществам.

ЛЕКЦИЯ № 2

Дата добавления: 2014-01-05