Первый и второй законы термодинамики и их приложимость к биосистемам

Формулировка первого закона термодинамики: в изолированной термодинамической системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой в эквивалентных соотношениях. U=const. ∆U=0.

Формулировка первого начала термодинамики для закрытых систем: теплота, подведённая к системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы против внешних сил. ᵟQ=dU+ᵟA.

Q и A не являются функциями состояния системы.

U является функцией состояния системы (полностью определяется параметрами системы данной точки и не зависит от пути перехода).

Доказательство, что энергетический баланс живого организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии (первым законом термодинамики).

Лавуазье и Лаплас доказали применимость к живым организмам. Колориметр – прибор, измеряющий теплоту, которую выделяет живой организм. В камеру помещали морскую свинку, вокруг камеры находился изолятор – лёд. По количеству растаявшего льда определяли сколько теплоты выделило животное. Потом жгли объём пищи, потребляемый животным. Определили теплоту при сжигании. Обе теплоты были примерно равны. Потом это доказали и на человеке в колориметрических комнатах.

Следствие первого закона т/д: тепловой эффект химической реакции, которая протекает в стадии, не зависит от теплового эффекта стадий, а зависит от разницы теплосодержания продуктов реакции и начальных веществ. Расхождение в том, что теплота не свойство функции. При выполнении ряда условий функции не состояния системы могут выполнять свойства функции состояний системы.

Второй закон термодинамики: в изолированной системе самопроизвольно протекающие процессы могут происходить только в направлении перехода энергии от более высокого к более низкому уровню.

Энтропия S=Q/T. Характеризует то количество энергии, которое необратимо переходит в тепловую форму при протекании процессов. Мера упорядоченности системы. S=klnW, k – константа Больцмана, W – термодинамическая вероятность. Т/д вероятность характеризует число микро состояний системы, в которых может быть реализовано данное макросостояние. Чем выше S, тем более неупорядоченная система.

Во всех осуществляющихся в природе замкнутых системах энтропия никогда не убывает — она увеличивается или, в предельном случае, остается постоянной — все процессы, происходящие с макроскопическими телами, можно разделить на необратимые и обратимые.

Под необратимыми подразумеваются процессы, сопровождающиеся возрастанием энтропии всей замкнутой системы. Процессы, которые были бы их повторениями в обратном порядке — не могут происходить, так как при этом энтропия должна была бы уменьшиться.

Обратимыми же называют процессы, при которых термодинамическая энтропия замкнутой системы остается постоянной. (Энтропия отдельных частей системы при этом не обязательно будет постоянной.) Противоречия:

Дыхание и брожение – в качестве примеров приложимости второго закона. Фотосинтез – в качестве примера неприложимости. В биосистемах протекают процессы, при которых энергия в соответствии с этим принципом переходит с более высокого на более низкий уровень. Это, например, процесс дыхания. В ходе его богатые энергией соединения (углеводы) распадаются до простых низкоэнергетических веществ - воды и углекислоты, а выделившаяся свободная энергия используется для протекания других процессов (например, синтеза АТФ). Однако хорошо известно, что в живых системах осуществляются и такие процессы, в ходе которых энергия переходит с более низкого на более высокий уровень. Так, например, происходит при фотосинтезе. Здесь, как известно, из простых бедных энергией соединений углекислоты и воды при участии квантов света синтезируются вещества (например, углеводы), содержащие значительный запас свободной энергии.

Дата добавления: 2015-08-03