Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Обратимые и необратимые процессы




Те процессы, в которых A=ΔG., называются обратимыми, так как, пустив такой процесс в обратном направлении и затратив работу A, можно полностью вернуть систему в исходное состоя­ние. Таких процессов в природе не существует — все реальные процессы необратимы. Иными словами, свободная энергия си­стемы не может быть полностью преобразована в работу. При таком преобразовании часть свободной энергии обязательно превращается в тепло. Характеризуя это явление, гово­рят о диссипации (рассеянии) свободной энергии. Чтобы достичь максимальной степени обратимости термодинамиче­ских процессов, нужно добиться минимальной разности (ΔG-A.), то есть уменьшить диссипацию свободной энергии. Конкретным способом уменьшения диссипации служит сниже­ние электрического сопротивления в электрических цепях, тре­ния — в механических системах и т. п.

В технике, и в биологии нас интересует в первую очередь работа, совершаемая системой. Поэтому важно знать не столько полную внутреннюю энергию системы, сколько ее свободную энергию. В большинстве случаев направление протекания процесса и его основные характеристики определяются именно сво­бодной энергией.

Свободная энергия, как и полная, есть функция состояния, то есть функция тех условий, в которых находится система. Практически наиболее важными параметрами, определяющими состояние системы, являются температура, давление, число мо­лей вещества, а при существовании внешнего поля (например, электромагнитного) — его напряженность. С учетом первых трех можно написать

 

G = f(T, p, v). (13)

Во многих системах, в частности в живых организмах, наи­более важным видом свободной энергии является химическая энергия молекул, входящих в систему. Для отображения этого обстоятельства введено понятие химического потенциалаμx:

 

(14)

 

где v — число молей данного вещества. Следовательно, химичес­кий потенциал системы по отношению к некоторому веществу равен приросту свободной энергии системы при возрастании ко­личества этого вещества на 1 моль:

ΔG = μx Δν (15)

В общем случае присутствия в системе к веществ:

ΔG =Σ μx Δν (16)

Учитывая существование химического потенциала и внешнего электрического поля, формулу (13) можно дополнить:

G = f(T, p, v, е), (17)

где vi — число молей i-ro вещества.

 

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ К ЖИВЫМ ОРГАНИЗМАМ

Применимость первого начала термодинамики к биологи­ческим системам никогда не вызывала сомнений. Более того, как уже говорилось, оно сразу было сформулировано именно для живых организмов (Майер, Гельмгольц). Однако классиче­ская форма этого закона, отображенная в формуле (2), была создана в связи с запросами теплотехники. Поэтому она не вполне удобна для биологии, так как не отображает сути тер­модинамических процессов, происходящих в живых системах. В отличие от тепловых машин, живые организмы произво­дят работу не за счет тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Поэтому положение, согласно которому изменение внут­ренней энергии системы равно ее обмену энергией с окружаю­щей средой, удобнее записать так:

 

ΔU=Wпищи-Q-A (18)

Перед Q в данном случае стоит знак «—», так как биологиче­ские системы отдают тепло окружающей среде.

Организм гомойотермных животных имеет постоянную тем­пературу, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому и внутренняя энергия такого организма приблизитель­но постоянна. Следовательно, ΔU = 0. В этом случае

 

Wпищи = Q+ А (19)

Учитывая разные формы совершения работы и теплообмена, следует это выражение записать так:

Wпищи = ΣQ+ ΣА (20)

Последняя формула наиболее точно отображает суще­ство первого начала термодинамики для биологических систем, особенно для гомойотермных животных.

Чтобы глубже проникнуть в особенности первого начала тер­модинамики для биологических систем, полезно сопоставить термодинамические процессы в тепловой машине и организме гомойотермных животных. Предварительно заметим, что пер­вичным источником энергии в обоих случаях служит Солнце. Мощность солнечного излучения примерно 1026 Вт. Небольшая ее часть (2 1017 Вт) достигает поверхности Земли, а из этой величины только 0,02% поглощается зелеными растениями и запасается ими в процессе фотосинтеза. Поток энергии, извлекаемый зелеными растениями из солнечного све­та, имеет порядок 4 1013 Вт. За счет этой энергии работают тепловые машины и осуществляются все процессы жизнедея­тельности. Однако способы преобразования в работу солнечной энер­гии, аккумулированной зелеными растениями в форме химиче­ской энергии, принципиально неодинаковы в тепловой машине и биологической системе. В тепловой машине топливо сжигают, преобразуя химическую энергию в тепловую, а затем уже по­следнюю превращают в работу. Заметим, что преобразование тепловой энергии в работу происходит при большом перепаде температур.

Принципиальным отличием термодинамических процессов в биологической системе является отсутствие промежуточного звена (в форме тепловой энергии) между химической энергией, запасенной в пище, и работой, совершаемой организмом. Энергия химических связей пищевых продуктов непосредственно преобразуется во все формы работы биологической системы. При этом образуется и тепловая энергия, но она представляет собой неизбежные энергетические потери. КПД для различных биологических процессов лежит в диапазоне от 20% до 60%. Различия термодинамических процессов в тепловой машине и биологической системе поясняет схема:

тепловая машина биологическая система
фотосинтез сжигание (02, Т) Wc →W топлива ------------- Q→ΔU + А;   фотосинтез биол окисление (O2) Wс →Wпищи ---------- -------------------- ΔU+A+Q.  

 

 

Напомним, что у гомойотермных животных ΔU = 0. Кроме того, учтем разные формы теплообмена и работы в организме, опус­тим левую часть схемы и тогда придем к выражению (20):

Wпищи = ΣQ+ ΣА




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-15; Просмотров: 579; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.011 сек.