Максимальная работа процесса и химическое сродство

Свободная и связанная энергия

Уравнение (3.9) может быть написано следующим образом:

DH = DG + TDS,

или, для внутренней энергии и энергии Гельмгольца

DU = DА + TDS.

Такая форма записи показывает, что тепловой эффект процесса - при постоянном давлении DH или при постоянном объёме DU - складывается из двух составляющих. При взаимодействии рассматриваемой системы с другой системой часть энергии, обозначаемая DG или DА, может быть преобразована в работу. Этой части энергии системы Г.Гельмгольц дал название " свободная энергия ". Принято различать свободную энергию при постоянном объёме (DА) и свободную энергию при постоянном давлении или свободную энтальпию (DG). Другая часть энергии, обозначаемая ТDS, не может быть переведена в работу и в ходе процесса рассеивается в окружающей среде в виде теплоты. Эта часть энергии получила название " связанная энергия ".

Величина энергии Гиббса и, соответственно, при постоянном объёме - энергии Гельмгольца характеризует максимальное количество работы, которое может быть получено при обратимом равновесном процессе. Так как в других процессах рассеяние энергии будет намного бóльшим, то работу, получаемую от системы в обратимом равновесном изохорном процессе, называют максимальной работой:

w_max = - DА

При постоянном давлении часть работы будет расходоваться на расширение или сжатие системы (рDV), поэтому в изобарных условиях та же система сможет произвести полезной работы меньше, чем w_max на величину рDV. Работа, которая может быть совершена системой в обратимом равновесном изобарном процессе, называется максимальной полезной работой:

w’_max = w_max - pDV

Поскольку между энергией Гиббса и энергией Гельмгольца существует соотношение DG = DА + pDV, можно записать

w’_max = - DG.

Максимальная и, в особенности, максимальная полезная работа химического процесса может служить мерой способности веществ вступать между собой в химическую реакцию, т. е. мерой химического сродства.

В биохимии существует понятие о "макроэргических" соединениях, т. е. таких, при метаболизме которых выделяется значительное количество энергии и происходит соответствующее понижение энергии Гиббса. К числу таких соединений относится АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) - первичный источник энергии для многих биологических реакций, - от биосинтеза белка и ионного транспорта до сокращения мышц и электрической активности нервных клеток. Энергия, необходимая для проведения всех этих процессов, обеспечивается гидролизом АТФ:

АТФ + Н₂О ® АДФ + Ф_н

где Ф_н - неорганический фосфат.

Расчёты показывают, что величина DG для этой реакции равна -31 кДж/моль. Значит, при биохимическом превращении 1 моля АТФ высвобожда­ет­ся энергия, достаточная для производства 31 кДж полезной работы.

Дата добавления: 2014-01-06