Основные единицы измерения в системе СИ и их производные

  Основные единицы измерения физических параметров в системе СИ - международная система единиц (Systeme International d'Unites)   Единица длины: Метр (м). Распространенные производные: км, см, мм, мкм, нм Единица массы: Килограмм (кг). Распространенные производные: г, мг, мкг, нг, пг. Вспомогательная единица: 1 тонна (т) = 10³ кг. Единица времени: Секунда (с). Распространенные производные: мс, мкс, нс Вспомогательные единицы: минута (мин), час (ч), сутки (сут). Единица силы электричества: Ампер (А). Распространенные производные: мА, мкА. Единица температуры Кельвин (К).. Вспомогательная единица: градус Цельсия (°С), градус Фаренгейта (°F) Единица концентрации: Моль (моль). Распространенные производные: мМоль, мкМоль, нМоль, пМоль    

  Производные единиц образуются следующим образом: умножением на 10³ кратно

Префикс	Символ	Множитель
экза пета тера гига мега кило милли микро нано пико фемто атто	Э П Т Г М к м мк н п ф а	10^18 10^15 10^12 10^9 10^6 10^3 10^-3 10^-6 10^-9 10^-12 10^-15 10^-18
умножением на фактор 10
гекто дека деци санти	г да д с	10^2 10^1 10^-1 10^-2

Свободная энергия (F) есть та часть внутренней энергии, за счет которой система может совершать работу в обратимом изотермическом процессе F = U-TS. В равновесном состоянии свободная энергия системы минимальна, энтропия - максимальна.

Энтропия (S) - есть мера необратимого рассеяния энергии при термодинамическом процессе. В изотермическом процессе изменение энтропии (ΔS) равно отношению изменения количества теплоты к абсолютной температуре ΔS = ΔQ/Т. Изменение энтропии служит мерой изменения упорядоченности системы. Энтропия системы тем выше, чем выше степень беспорядка системы.

Cостояние системы, в котором параметры системы не изменяются во времени называют равновесным состоянием или термодинамическим равновесием. В равновесное состояние система самопроизвольно переходит через определенный промежуток времени, если эта система изолирована от окружающей среды. В этом состоянии прекращаются все необратимые процессы, связанные с рассеванием энергии (диффузия, теплопроводность, химические реакции и т.д.). Процесс установления равновесного состояния носит название релаксации. Уравнение, которое связывает между собой объем, давление и температуру в этом состоянии f(p,V,T) = 0 называют термическим уравнением состояния термодинамической системы. Изолированная система самопроизвольно не может выйти из состояния термодинамического равновесия. Параметры, которые характеризуют равновесное состояние называют функцией состояния. Значение этой функции в данном равновесном состоянии не зависит от способов и путей прихода этой системы в данное состояние. Так, функциями состояния являются внутренняя энергия, энтропия. А такие параметры, как теплота, работа, не могут быть функциями состояния, так как их значение определяется характером термодинамического процесса.

С точки зрения термодинамики, живые объекты представляют собой открытые системы или относительно изолированные системы (с точки зрения кибернетики). В обоих случаях это означает, что живые системы участвуют в обмене с окружающей средой. Этот обмен со средой осуществляется за счет поступления в живую систему и оттока из нее потоков вещества, энергии, информации. Информация заключается в химических соединениях или физических факторах, которые приходят в систему или уходят в окружающую среду из системы. Такого рода обмен со средой подчиняется в основном принципу Ле Шателье и приводит к стационарному состоянию системы. Оно может быть охарактеризовано, как динамическое состояние, при котором в каждый данный промежуток времени система получает от окружающей среды те же количества вещества и энергии, что и возвращает в нее, и, таким образом, их количество внутри системы остается неизменной. Это является одной из характерных черт живых объектов, которая отличает их от неживых изолированных систем, находящихся в независящем от времени равновесии. В таких неживых системах все количества вещества и энергии остаются неизменными и все процессы прекращаются.

Различия между равновесным и стационарным состоянием можно продемонстрировать на следующем примере. Пусть вода из сосуда А переливается в сосуд Б (рис. 1, а). В этом случае идет неравновесный процесс и объем воды в сосуде А уменьшается, в сосуде Б - увеличивается. Через некоторое время вода полностью перельется в нижний сосуд, и установиться на постоянном уровне. Процесс закончится, и система придет в равновесное состояние. Параметры системы (масса, объем воды, температура и т.д.) будут постоянными. Без внешнего воздействия такая система не сможет выйти из этого состояния.

Несколько изменим опыт. Пусть в сосуд А вода наливается из крана, а из сосуда Б вытекает (рис. 1,б). Если скорости притока и вытекания воды будут одинаковыми, то уровни воды в сосудах будут постоянными. Такая система не будет равновесным, так как непрерывно происходит приток и отток вещества. Эта система будет стационарной, т.к. в течение определенного промежутка времени параметры системы (например, объем, масса воды) будут сохранять постоянное значение. Другим примером стационарной системы может служить металлический стержень, нагреваемый с одного конца постоянным источником тепла. Если потери тепла по длине стержня одинаковы, то вдоль стержня установиться постоянный градиент температуры.

Изменение внутренней энергии в замкнутой системе можно определить измерив поглощенную (или выделившуюся) теплоту и выполненную работу. Экспериментально установлено, что в замкнутой системе, изменение внутренней энергии (DU ) при переходе из одного состояния в другое определяется количеством переданной теплоты и величиной совершенной работы

DU = U₂ – U₁ = Q + W

В изолированной термодинамической системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой вид в эквивалентных соотношениях U = const, DU = 0. Эти два утверждения составляют сущность первого закона термодинамики, которое иначе называют законом сохранения энергии.

В дифференциальной форме первый закон термодинамики можно записать в следующем виде:

dU = dQ + dW

Теплота и работа не являются функциями состояния и не могут быть полными дифференциалами.

Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность теплоты и работы. Если система совершает цикл и возвращается в исходное состояние dU = 0, тогда Q = W. Работа может быть совершена системой только за счет переданного ей количества теплоты. Невозможно создать механизм, который совершал бы работу, превышающее полученное им количество теплоты. Таким образом, первый закон термодинамики утверждает невозможность создания “вечного двигателя 1 рода”.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики позволяет оценивать способность термодинамической системы изменяться в определенном направлении и определять эффективность преобразования энергии в работу. Согласно этому закону, в изолированной системе при обратимых процессах энтропия сохраняет постоянное значение (S = const, dS = 0 ), возрастает при необратимых процессах ( dS > 0) и достигает максимального значения при установлении термодинамического равновесия (S = max, dS = 0).

Таким образом, энтропия является количественным показателем способности термодинамической системы к самопроизвольным изменениям. Второй закон термодинамики свидетельствует о том, что теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии. Совершая работу, можно непосредственно увеличить энергию системы в любой ее форме. Теплота непосредственно, без промежуточного преобразования в другие виды энергии, может быть использована только для нагревания, т.е. для повышения внутренней энергии системы. Обратный процесс самопроизвольного перехода внутренней энергии системы, например, в механическую или электрическую энергии, невозможен. Поэтому все самопроизвольные процессы в природе могут протекать только в направлении перехода всех видов энергии в теплоту, во внутреннюю энергию системы, т.е. все реальные процессы необратимы. Иначе говоря, невозможно построить “вечный двигатель II рода”. Процесс выравнивания температур имеет одностороннюю направленность от положительных значений температур к отрицательным значениям и соответственно, энтропия должна возрастать до установления теплового равновесия.

Третий закон термодинамики утверждает, что невозможно охладить вещество до температуры абсолютного нуля (0 К или -273,15 °С) посредством конечного числа шагов.

Все жизненные процессы происходят при температуре около 300 К. Если уменьшить нормальную температуру на 1 порядок (30 К), то мы попадем в холодный мир, где все биохимические процессы и большинство химических процессов полностью прекращаются. Молекулы и состоящие из них соединения находятся в замороженном состоянии, тепловое движение молекул отсутствует, возможны только колебания молекул. При уменьшении температуры еще на 1 порядок (3 К), мы попадем в мир “теплового спокойствия”, где полностью прекращаются и колебания атомов и молекул. В таком состоянии у веществ проявляются новые свойства, которые при более высоких температурах затушевывались интенсивным тепловым движением атомов и молекул. В частности, обнаруживается явление сверхпроводимости - отсутствие сопротивления в проводниках электрического тока. Температура окружающего космического пространства составляет 3 К. Мировой (возможно, и Вселенский) рекорд холода составляет 2×10^-8 К, что на 10 порядков ниже нормальной температуры. Такая температура была достигнута французскими исследователями в 1984 году в лабораторных условиях. При такой температуре практически не соблюдаются никакие известные физические законы.

В соответствии с положениями термодинамики, биологическая система в процессе функционирования проходит через ряд неравновесных состояний, что сопровождается соответствующими изменениями термодинамических параметров этой системы. Поддержание неравновесных стационарных состояний в открытых системах возможно лишь за счет создания в них соответствующих потоков вещества и энергии. Таким образом, живым системам присущи неравновесные состояния, параметры которых есть функция времени

Полное изменение энтропии в живых системах (dS) складывается из изменения энтропии в результате протекания в системе необратимых процессов (d_iS) и изменения энтропии за счет процессов обмена системы с внешней средой (d_eS).

dS = d_iS + d_eS

Изменение энтропии d_iS, обусловленное необратимыми процессами, согласно второму закону термодинамики, может иметь только положительное значение (d_iS> 0). Величина d_eS может принимать любые значения. Рассмотрим все возможные случаи. Изменение энтропии системы dS будет определятся соотношением абсолютных значений d_iS и d_eS.

Если ú d_eSú = ú d_iSú, тогда энтропия открытой системы не изменяется dS = d_iS + d_eS = 0, т.е. d_iS = - d_eS. Это условие стационарного состояния открытой термодинамической системы. В этом случае, увеличение энтропии системы за счет протекающих в ней необратимых процессов компенсируется притоком отрицательной энтропии при взаимодействии системы с внешней средой. Таким образом, поток энтропии может быть положительным и отрицательным. Положительная энтропия есть мера превращения упорядоченной формы движения в неупорядоченную форму. Приток отрицательной энтропии свидетельствует о протекании синтетических процессов, повышающих уровень организации термодинамической системы.

В процессе функционирования открытых (биологических) систем значение энтропии изменяется в определенных пределах. Так, в процессе роста и развития организма, болезни, старении, изменяются количественные показатели термодинамических параметров, в т.ч. и энтропии. Универсальным показателем, характеризующим состояние открытой системы при ее функционировании, является скорость изменения суммарной энтропии. Скорость изменения энтропии в живых системах определяется суммой скорости возрастания энтропии за счет протекания необратимых процессов и скорости изменения энтропии за счет взаимодействия системы с внешней средой.

dS/dt = d_iS/dt + d_eS/dt

Это выражение есть формулировка второго закона термодинамики для живых систем. В стационарном состоянии энтропия не изменяется, т. е. dS/dt = 0. Отсюда следует, что условие стационарного состояния удовлетворяет следующему выражению: d_iS/dt = - d_eS/dt. В стационарном состоянии скорость повышения энтропии в системе равна скорости притока энтропии из внешней среды. Таким образом, в отличие от классической термодинамики, термодинамика неравновесных процессов рассматривает изменение энтропии во времени. В реальных условиях развития организмов, уменьшение энтропии или сохранение его постоянного значения происходит за счет того, что во внешней среде идут сопряженные процессы с образованием положительной энтропии.

Энергетический обмен живых организмов на Земле схематично можно представить как образование в процессе фотосинтеза молекул углеводов из углекислого газа и воды, с последующим окислением углеводов в процессе дыхания. Именно такая схема энергетического обмена обеспечивает существование всех форм жизни в биосфере: как отдельных организмов - звеньев в круговороте энергии, так и жизни на Земле в целом. С этой точки зрения, уменьшение энтропии живых систем в процессе жизнедеятельности обусловлено, в конечном счете, поглощением квантов света фотосинтезирующими организмами. Уменьшение энтропии в биосфере происходит за счет образования положительной энтропии при протекании ядерных реакций на Солнце. В целом, энтропия Солнечной системы непрерывно повышается. Этот принцип относится и к отдельным организмам, для которых поступление питательных веществ, несущих приток отрицательной энтропии, всегда сопряжено с продуцированием положительной энтропии в других участках внешней среды. Точно так же уменьшение энтропии в той части клетки, где идут синтетические процессы, происходит за счет повышения энтропии в других частях клетки или организма. Таким образом, суммарное изменение энтропии в системе “живой организм - внешняя среда” всегда положительно.

Дата добавления: 2014-01-11