Первый закон термодинамики. Основные понятия термодинамики

Основные понятия термодинамики

Теоретические основы биоэнергетики

Обмен веществ (метаболизм), происходящий в живом организме, неразделим с сопутствующим его процессом обмена энергии. Обмен веществ и обмен энергии является самым характерным признаком жизни. Превращения энергии, происходящие в живых организмах, являются предметом биоэнергетики (биотермодинамики).

Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии в химических процессах, связанных с переходом энергии в форме теплоты и работы.

Тело или совокупность тел материального мира, обособленных границами раздела от окружающей среды, называется системой. Различают системы гомогенные и гетерогенные. Гомогенная система состоит из одной фазы. Гетерогенная система состоит из двух и более фаз. Фаза – совокупность однородных частей системы, имеющая одинаковый состав во всем объеме, одинаковые химические и физические свойства.

Система, которая не обменивается с окружающей средой массой (веществом) и теплотой, называется изолированной. Если система обменивается и веществом и энергией, то она называется открытой. Если система обменивается с окружающей средой энергией, но не веществом, то она называется закрытой. Живой организм относится к открытому типу систем. Состояние системы определяется совокупностью физико-химических свойств, которыми она обладает в данный момент. Такие свойства называются параметрами состояния (температура, давление, плотность).

Термодинамические функции, значения которых зависят только от состояния системы, называются функциями состояния (S - энтропия, H - энтальпия, G – свободная энергия или энергия Гиббса).

На систему воздействуют внешние параметры: температура, давление, объем, теплота. Процессы, происходящие при постоянной температуре, называются изотермическими. Процессы, происходящие при постоянном давлении, называются изобарными. Процессы, происходящие при постоянном объеме, называются изохорными. Процессы, при которых система не принимает и не отдает теплоты, называются адиабатическими.

Энергия может существовать в различных видах.

Кинетическая энергия – это энергия движения.

Потенциальная энергия – это запасенная энергия.

Внутренняя энергия U – это общий запас энергии (кинетической, кроме энергии движения самой системы, и потенциальной энергии) системы.

Первый закон термодинамики связан с законом сохранения энергии: энергия не появляется и не исчезает, а переходит из одного вида в другой.

I закон термодинамики гласит: В любом процессе теплота, поступающая в систему расходуется на пополнение запаса внутренней энергии и на совершение работы.

Q = Δ U+ А (1)

ΔU – изменение внутренней энергии, которое не зависит от способа проведения процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Большинство химических реакций, протекающих в организме, проходят при постоянном давлении и температуре. В этом случае пользуются функцией, называемой энтальпией. При постоянной температуре и давлении работа будет равна

А= рΔV

Подставляя это выражение в формулу (1), получим Q = Δ U+ рΔV или

Q = (U₂-U₁) + р(V₂ –V₁)= (U₂+pV₂) –(U₁+pV₁).

Заменяя Н = U + рV, получим

Q = Н₂ – Н₁ = ΔН.

ΔН - характеризует теплосодержание системы и зависит только от начального и конечного состояния системы:

Δ Н = Н конеч. – Н нач.

Внутренняя энергия и энтальпия взаимно дополняют друг друга, т.к. обе служат мерой переноса теплоты процесса при определенных условиях:

Е при V = соnst; H при Р = соnst.

Дата добавления: 2014-01-04