Физические основы охлаждения.

«Сущности не следует умножать без необходимости»

(научный принцип Уильяма Оккама)

Понимание реакций организма на его охлаждение невозможно без усвоения основных законов термодинамики. Для того чтобы понять возможности использования холодовых процедур по рационализации основных функций организма рассмотрим вначале некоторые основы этого раздела физики. Он основан на нескольких утверждениях или законах. Их четыре. Попытаемся представить их в доступно упрощенном варианте.

Нулевое начало термодинамики представляет собой логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Оно определяет, что температура есть уточнение и количественное выражение степени теплосодержания.

Первое начало, согласно П. Эткинсу (1984) формулируется словами «Энергия сохраняется». Вместе с тем дать точную формулировку понятию энергия, первое начало термодинамики «не берется». Подразумевается, что энергия - это способность совершать работу.

Второе начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, одно направленности происходящих в ней процессов. При этом горячие тела охлаждаются, а холодные не становятся сами по себе теплыми. Так, прыгающий мяч останавливается, но остановившийся мяч не начинает прыгать сам по себе. Следовательно, хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимым образом. При этом направление распределения энергии не зависит от ее общего количества.

Третье начало термодинамики отражает свойства веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. На его основе предполагается атомное строение вещества.

Наука термодинамика имеет тесную связь с математикой, а в историческом плане она обусловливала развитие человеческой цивилизации, старавшейся постоянно противопоставлять свои жизненные интересы внутренней асимметрии, т.е. одно направленности процессов, присущих природе.

Первобытным племенам было невдомек, что, используя костры для противодействия холоду, они освобождали энергию, ранее подобранную растительным миром от Солнца. Да и современный человек редко задумывается над тем, что многое из того, что он делает - от сбора урожая и приема пищи до получения электроэнергии посредством управления реакциями деления урана - «это не более чем «пепел» давно сгоревших звезд» и поиск энергии, завещанной нам прошлым. (Здесь и далее в этой главе на последующих страницах цитируется П. Эткинс, 1987).

Энергия необходима человеку для производства работы. На основе второго начала термодинамики установлена невозможность полного преобразования теплоты в работу. Примером этому, могут служить рассуждения о цикле Карно по работе обычного двигателя. Природная асимметрия состоит и в том, что природа позволяет свободно преобразовывать работу в теплоту, однако на обратное преобразование она «накладывает существенный энергетический налог».

Область явлений, на которые распространяется второе начало термодинамики, охватывает все, что связано с распадом и деградацией, то есть явления, в которых хаос «заставляет» порядок освободить ему свое место.

Понятно, что нагревание означает подведение к предмету соответствующей порции энергии, а охлаждение означает лишение его энергии. Ведь теплота - это не одна из форм энергии, а «название одного из способов передачи энергии». Работа также не является формой энергии. Это тоже один из способов передачи энергии, поскольку» работа - это то, что мы совершаем, когда нам необходимо тем или иным способом изменить энергию объекта, не используя при этом разность температур».

С учетом сказанного Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики в следующей формулировке: «невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от более холодного тела к более горячему». Из этой формулировки вытекает, что при наличии перепада температур энергия может самопроизвольно переходить лишь от более нагретого тела к более холодному, но не наоборот.

Системы, в которых действуют начала термодинамики, обладают еще одним важным свойством - энтропией. Это свойство указывает на возможность самопроизвольного достижения системой того или иного конечного состояния.

Рассмотрим это несколько подробнее.

Представим существование изолированной системы, на которую нельзя повлиять извне ни посредством теплоты, ни посредством работы (пример - Вселенная). Об энергии этой системы, свободной от внешних воздействий говорит первое начало термодинамики. Понятие энтропии относится также к изолированной системе - Вселенной. Оно характеризует качество накопленной в изолированной системе энергии. Высококачественная энергия содержится в такой системе в ее обычном состоянии. Нагретая Вселенная обладает высокой энтропией. Упрощенно, изменение энтропии прямо пропорционально зависит от сообщенной теплоты и обратно пропорционально изменению температуры. Если у системы теплота отбирается - энтропия понижается. Если к другой охлаждающей системе (холодильнику) теплота подводится, ее энтропия возрастает.

Еще одна цитата: «В промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов (в том числе запасов топлива) стремительно ускоряется, энтропия Вселенной неуклонно возрастает и соответственно характеризуемое ей качество энергии падает. Мы находимся скорее не на стадии энергетического кризиса или дефицита энергии, а на пороге энтропийного «кризиса перепроизводства». Современная цивилизация «проматывает» запасы энергии, накопившиеся во Вселенной в результате рассеяния. Следует стремиться не к сохранению энергии, ибо природа делает это автоматически; наша задача научиться экономно распоряжаться качеством энергии. Иными словами, необходимо направить развитие нашей цивилизации по пути снижения уровня энтропии».

Следует отметить, что данная цитата несет важную смысловую нагрузку не только для нашего общества, но и для отдельного человека.

Человек и внешняя для него среда являются двумя взаимодействующими системами. Естественным следствием рассеяния энергии при взаимодействии двух систем является нагревание одной системы второй. Обычно перенос энергии продолжается до тех пор, пока в среднем энергия не распределится равномерно по всем доступным атомам, и, возможно, произойдет повышение температуры.

Понятие температуры тесно связано с количеством энергии полученной одной системой от другой. Получение энергии сопровождается возбуждением атомов в получающей системе. Показателями температуры могут быть определения типа «холодное», «горячее». Из этих определений вытекает показатель температуры, являющийся отношением числа возбужденных атомов в системе к числу невозбужденных. Таким образом, температура является мерой неупорядоченного движения этих частиц и, очевидно, нелепо говорить о температуре только одной частицы. Отличие между температурой и энергией в том, что система может иметь большую энергию, но низкую температуру, поскольку будет содержать малое количество возбужденных атомов, то есть, будет холодной. Энергия системы зависит от ее размеров, а температура - не зависит. Различие между работой и теплотой в том, что работа предполагает упорядоченное движение, а теплота - неупорядоченное.

Формула температуры, связывающая температуру, энергию и энтропию следующая: энтропия связана с величиной отношения сообщенной системе теплоты к температуре системы:

Температура = А / ln(Число невозбужденных атомов/Число возбужденных атомов);

Здесь А - некая постоянная, зависящая от энергии возбуждения атома.

Возбужденные атомы, сталкиваясь случайным образом способны передавать друг другу энергию. Отсюда формулировка второго начала термодинамики, основанная на поведении атомов может звучать так: «энергия стремится рассеяться». Максимуму энтропии соответствует тепловое равновесие, а тепловому равновесию соответствует наиболее вероятному состоянию системы (Вселенной). Эта идея позволяет объяснить многие явления этого мира. Так, если «теплая система» с упорядоченным движением атомов сталкивается с «прохладной» системой с менее упорядоченным движением импульс смещения части атомов во второй системе характеризуется, энергия передается по случайным направлениям и со временем рассеивается, преобразуясь в тепловое движение.

Физические процессы в природе обусловлены естественным стремлением энергии к рассеянию (диссипации). В пространстве они определяют рассеяние частиц, обладающих упорядоченностью, потерю упорядоченности. Энергия никогда не может сама по себе локализоваться в избытке в какой-либо части Вселенной.

В соответствии с формулой энтропии Больцмана: S = k log W (S- энтропия системы, k- фундаментальная мировая постоянная Больцмана, W- хаос, мера неупорядоченности системы, число различных распределений в системе возбужденных атомов), события везде в мире происходят так, что запасы энергии переходят к хаосу, к самопроизвольному возрастанию энтропии. Следовательно, высокое качество энергии, отражающее отсутствие хаоса, требует ее строгой локализации (в куске угля, в макроэргических соединениях клеток животного организма и т.п.). Очевидно, высоким качеством обладает энергия, запасенная в упорядоченном движении атомов, молекул и других частиц, например, в потоке воды в реках, в потоке крови в сосудистом русле человека и животных. Следует помнить, однако, что спад к всеобщему хаосу не монотонен. В некоторых локальных участках системы хаос может уменьшиться, но это случится за счет возникновения еще большего хаоса где-то в другом месте.

В природе, чтобы получить источник теплоты (упорядочить движение атомов) используют топливо, то есть энергию, освобождаемую в ходе определенных химических реакций. Таким образом, в процессе перехода к хаосу могут происходить превращения различных веществ, и, не исключена вероятность даже возникновения живых организмов.

Охлаждение является простейшим примером физического превращения. Оно легко объясняется на основе столкновений, происходящих при случайном блуждании атомов и квантов, то есть при распространении энергии. При охлаждении атомы хаотически делятся своей энергией с окружающими атомами, не испытывая при этом более никаких превращений. При химических превращениях, атомы, делящиеся своей энергией, кроме того, «меняют и выбирают своих новых соседей». В результате возникают новые вещества. По П. Эткинсу: «химические реакции (в том числе и те, что питают энергией мышцы и мозг человека) - это процессы, аналогичные обычному охлаждению. Если так, то и разум человека можно рассматривать как следствие постепенного охлаждения отдельных участков Вселенной».

Для оценки связи превращения вещества с процессом охлаждения и роли в этих превращениях энтропии рассмотрим одно из наиболее характерных химических взаимодействий, свойственных как неживой, так и живой природе. Это реакция сгорания железа (ржавления, биологического окисления и др.). Для лучшего понимания обсуждаемого предмета приведем наглядные выдержки из книги «Порядок и беспорядок в природе».

«Сгорание железа - это первая стадия в последовательности процессов, которые обеспечили человечеству возможность существовать, развиваться и преобразовывать окружающий мир. Дело в том, что процесс дыхания тоже начинается с реакции, которая аналогична процессу сгорания железа. На этой стадии кислород воздуха соединяется с атомами железа, содержащегося в молекулах гемоглобина, входящих в состав красных кровяных телец (эритроцитов) крови. То, что наша кровь окрашена в цвет ржавчины не простое совпадение - это один из видов ржавления... На подобный способ обеспечения энергией природа обрекла нас самих - ряд процессов в организме человека (по крайней мере, частично) протекает за счет окисления железа.

Чтобы понять, в какой форме происходит охлаждение... при...соединении железа с кислородом, необходимо иметь представление о химических связях. Химическая связь - это результат взаимодействия между атомами, который выражается в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. Основную причину существования связи между двумя атомами следует усматривать в том, что при ее формировании полная энергия атомов понижается, т.е. энергия молекулы меньше, чем суммарная энергия изолированных атомов, входящих в ее состав. В этом случае связь устойчива и молекула может существовать. В полную энергию молекулы вносят вклад многочисленные и подчас весьма тонкие процессы, так что устойчивость химических связей является следствием многих квантовомеханических эффектов... Для простоты достаточно объяснить устойчивость связи просто понижением энергии при ее образовании. При этом отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра атомов перемещаются относительно друг друга, располагаясь в итоге на таких расстояниях, которые выгодны с энергетической точки зрения... Каждое вещество состоит из молекул, атомы которых сгруппированы в характерном именно для данного вещества порядке. Простейшая...молекула водорода... двухатомна, т.е. состоит из двух связанных между собой атомов водорода, ядра которых при этом находятся на расстоянии 7,5.10-11 м. Это расстояние называется длиной связи молекулы. Молекула кислорода имеет аналогичную структуру: она тоже двухатомна, но ядра кислорода разделены расстоянием 1,2.10-10 м.

...Молекула кислорода (О2) больше, чем молекула водорода (Н2), так как содержит 16 электронов, а молекула водорода - только два. Если молекула водорода состоит только из двух ядер и двух электронов, связанных между собой электростатическим взаимодействием, то кусок железа состоит из мириадов взаимодействующих атомов. Кусок железа (или любого другого металла) можно представить как совокупность ядер, между которыми мигрируют некоторые из множества электронов, играющего роль всепроникающего электростатического «клея». Свободно мигрирует сравнительно малое количество электронов; большая часть их удерживается вблизи своих ядер электростатическим притяжением имеющих большой заряд ядер атомов железа - эти электроны не могут покинуть атом. Образец железа можно представить в виде штабеля ионов железа (имеющих почти сферическую форму), окруженного «морем» электронов, которым удалось покинуть свои атомы. Это море электронов называется «морем Ферми». Каждый атом отдает совсем немного электронов, однако, килограмм железа содержит более 1025 атомов, и поэтому число электронов в «море» в любом случае огромно.

Кислород - это газ, состоящий из отдельных молекул О2 и представляющий собой ряд мельчайших частиц, каждая из которых окружена своими электронами. Железо - металл, состоящий из «штабеля» ионов, погруженных в электронное море. Электроны в этом море подвижны и могут легко перемещаться. Этим обусловлен ряд характерных свойств железа и других металлов: их электропроводность и характерный металлический блеск... Ковкость... объясняется тем, что группы ионов могут сдвигаться относительно друг друга в море электронов...

Оксид железа, обычно называемый ржавчиной,...представляет собой «пепел», образующийся в результате сгорания железа в кислороде. «Пепел» состоит из множества ионов железа и ионов кислорода; последние представляют собой атомы кислорода, которые, приобретя пару электронов, стали отрицательно заряженными. (Уточним, что мы рассматриваем продукт окисления, так называемую окись железа, которая является ионным кристаллом», образованным ионами Fe3+ и O2-. Обсуждаемая здесь и далее реакция может быть записана в виде 4 Fe (т -твердое тело) + 3О2 (г -газ) = 2 Fe 2О3). Ионы железа и кислорода «прочно удерживаются вместе благодаря электростатическому притяжению между противоположными зарядами. Из сказанного следует, что при объединении атомов в группы и образовании различных веществ выделяется определенное количество энергии. Количества энергии, заключенные в совокупности молекул кислорода, в куске железа и щепотке ржавчины, различны, подобно тому, как количество энергии, запасенное в нагретом куске железа, отличается от количества энергии, содержащейся в том же самом, но охлажденном куске железа. Именно по этой причине химические реакции аналогичны процессу охлаждения». Отсюда следует, что если путем некоторого охлаждения биосистемы мы уменьшим интенсивность биохимических реакций, то мы будем тем самым противодействовать процессу охлаждения.

Процессы дыхания и окисления в организме сопровождаются интенсификацией выработки энергии в различных формах. Особый интерес при этом представляет процесс взаимодействия кислорода с железом (которого много в гемоглобине и некоторых других железосодержащих белках). На упрощенной модели можно представить, что ионы образца железа сильно колеблются, в результате чего расстояния между ними непрерывно меняются. В какой-то момент времени ядро одного из ионов может оказаться на слишком большом расстоянии от своих соседей, не характерном для образца в среднем. По модели Эткинса, возможно и обратное состояние. Отклонение ионов от своих соседей повышается при возрастании температуры. Хаотично движущиеся молекулы газа кислорода также колеблются. Два атома в молекуле то сближаются, то удаляются друг от друга, соответственно, длина связи между ними то уменьшается, то увеличивается. Это колебательное движение - один из способов накопления энергии - так же возрастает с увеличением температуры. При достаточной энергетике некоторые из атомов могут одновременно оказаться в таком положении, что кислородные связи окажутся длинными, а расстояние между атомами кислорода и железа малыми, при этом атом железа удален от своих соседей на большое расстояние. В такой ситуации начинают формироваться связи между железом и кислородом, а связи железо - железо и кислород-кислород, наоборот, начинают разрушаться. Такое перераспределение атомов сопровождается выделением энергии, выделившаяся энергия усиливает атомарные колебания и ситуация многократно повторяется. Поскольку энергия рассеивается из узла решетки, где произошло взаимодействие, атомы задерживаются в новом расположении. В результате появляется зародыш нового вещества - оксида железа. В нем ионы железа вытеснены из прежнего окружения, а молекула кислорода распалась пополам. Атомы в этой конфигурации не могут вернуться к первоначальному состоянию, поскольку для этого необходимы дополнительные затраты энергии. «Железо «сгорело» (окислилось), и оно останется в этом состоянии навсегда». Следует отметить еще одну важную деталь.

Получившиеся в результате реакции вещества обладают меньшей энергией, чем исходные реагенты. Излишек энергии как бы безвозвратно отобран, ибо он не принял вид энергии теплового движения. В ходе реакции как бы произошло снижение энергии реагирующих веществ. Здесь произошло рассеяние некоторого количества первоначально локализованной энергии.

Известно, что в физике и химии фактором, вызывающим естественные изменения (например, химические реакции) является случайное ненаправленное рассеяние энергии.

В реакции окисления железа, однако, не все так просто. При сгорании в нормальных условиях килограмма железа расходуется около 300 л кислорода. Продукта реакции - оксида железа образуется значительно меньше - «всего лишь щепотка».

В результате подобных химических реакций кислород в оксиде «крепко» соединился с железом. Продукты реакций содержат несколько меньшие количества энергии, но они и менее рассеяны в пространстве, чем исходные вещества. Таким образом, продукты реакции оказываются менее неупорядоченными и, следовательно, обладают меньшей энтропией. Неупорядоченность же окружающей среды при этом возрастает, поскольку при образовании связи железа с кислородом выделяется много энергии, повышающей степень неупорядоченности внешней среды. Конечный же продукт обладает новой, более выраженной структурой и, соответственно, более низкой энтропией.

Для нас интересен еще и следующий момент - это возможность химического охлаждения играть роль нагревания, сопровождаясь притоком теплоты. Обычно это можно наблюдать в реакциях распада молекулы на 2 фрагмента. Так, чтобы разорвать молекулу из двух атомов, и образовать из нее две одноатомных молекулы к ней необходимо подвести определенное количество энергии. Если энергии достаточно, чтобы разорвать внутримолекулярную связь, то в конечных одноатомарных молекулах энергии будет больше, чем в исходном веществе. В подобных реакциях происходит не уменьшение энергии, но ее рассеяние (происходит не уменьшение количества, а понижение качества). Это может касаться и более сложных веществ: пример распад двуокиси азота N2O4 на 2NO2. Поглощенная энергия в подобных реакциях становится более рассеянной. Охлаждение, как известно, сопровождается рассеянием. Поэтому накопление энергии в подобных реакциях может соответствовать охлаждению.

Таким образом, если химическая реакция допускает утечку энергии в окружающую среду (экзотермические реакции), то они порождают хаос. Если же идут реакции, отбирающие энергию извне (эндотермические) - неупорядоченность в окружающей систему среде понижается, а взятая извне энергия приводит к повышению хаоса внутри самой системы.

Энергия, которую частица должна накопить для того, чтобы вступить в реакцию называется энергией активации. Этот процесс зависит от температуры. Накопление энергии активации определяется выражением, которое получило название «вероятность или распределение Больцмана», предполагается, что с увеличением температуры скорость химических реакций возрастает.

Второе начало термодинамики не запрещает перехода теплоты в направлении противоположном перепаду - (градиенту) температур, т.е. от холодного к теплому. Хотя, чтобы жить, организм должен питаться, а значит разрушать упорядоченные формы энергии высокого качества, запасенные в пищи.

Противоестественное «для физики» может возникать в ходе естественных процессов. В последовательных «цепочечных» процессах, происходящих в живых организмах, нередко возникают локальные уменьшения хаоса в виде возникновения определенных структур.

Поэтому прав П. Эткинс, утверждающий, что «только хаос решает, какой процесс должен происходить, так, что иногда кажущееся отсутствие рассеяния как раз и служит его замаскированным проявлением».

Особенно наглядно это положение проявляется в «устройстве» молекул белка.

Основной строительный материал живого - белок имеет первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры, построенные одновременно по «законам» хаоса и упорядоченности.

Первичная структура определяется последовательностью содержащихся в молекуле сотен аминокислот. Эта пептидная цепочка свернута в цилиндрическую альфа-спираль (вторичная структура или конформация). Однако большинство белков имеют альфа-спираль изогнутую, перекрученную, как «смятую соломинку для коктейля». Эти вмятины и перекручивания имеют строгий алгоритм и безусловную упорядоченность, нередко образуя «шарики» - глобулы (третичная структура). Комбинации глобул составляют четвертичную структуру белка. Такое «перекручивание» белков позволяет им противостоять водно-температурной агрессии окружающей среды.

Если живое вещество образует спиралевидные молекулы, то мир в целом становится менее упорядоченным, если бы этого не происходило. Однако сам организм становится упорядоченным более. Так, на первый взгляд цепочки молекул переносчика кислорода в крови гемоглобина могут показаться беспорядочным нагромождением атомов, однако точное повторение их формы в миллиардах молекул указывает на наличие упорядоченности. К созидательной роли энтропии можно отнести то, что четыре изогнутые белковые нити образуют полную молекулу гемоглобина (его четвертичную структуру), хотя третичная и четвертичная структуры (высшие конформации) различных белков организма возникают как стремление мира к хаосу.

Дата добавления: 2015-10-16