17 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Применение первого начала термодинамики к биосистемам

Применение первого начала термодинамики к биосистемам

Частным случаем закона сохранения энергии в применении к процессам, сопровождающимся тепловыми явлениями, выступает первое начало (или первый закон) термодинамики, который можно сформулировать следующим образом: подведенное к системе тепло Q идет на увеличение ее внутренней энергии ΔU и на совершение системой работы А против внешних сил:

Q = Δ U + А

Система может переходить из одного состояния в другое различными путями. Но в соответствии с законом сохранения энергии изменение внутренней энергии ΔU системы не зависит от пути перехода: оно одинаково во всех случаях, если одинаковы начальное и конечное состояния системы. Количество же теплоты и количество работы зависят от этого пути. Однако, как бы не менялись значения Q и А при разных путях перехода системы из одного состояния в другое, их алгебраическая сумма будет всегда одинаковой, если только одинаковы начальное и конечное состояния системы.

На основании первого начала термодинамики можно сделать несколько важных выводов.1. В изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная.2. Невозможно создать вечный двигатель первого рода, который производил бы работу без подведения энергии извне, т.к. производимая системой работа будет всегда меньше, чем теплота, затраченная на ее производство.

в термодинамике используют новую величину – энтальпию или теплосодержание системы Н, определяемую соотношением:

Н = U + рV

Энтальпия больше внутренней энергии на величину работы расширения, совершенной при изменении объема системы от 0 до V. Как и внутренняя энергия, энтальпия является функцией состояния и определить ее абсолютное значение нельзя. Можно только измерить изменение ΔН при переходе системы из одного состояния в другое:

По первому закону во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия может только превращаться из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях. Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом человечества.

Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом.

Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O

Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

Таким образом, исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1 грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): углеводы — 4,1; белки — 4,1; жиры — 9,3.

С другой стороны, в конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая — рассеивается в форме тепла. При использовании энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую.

Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. Например, энергия, используемая мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла.

Другим примером является расход энергии, передаваемой сокращающимся сердцем крови. При течении крови по сосудам вся энергия превращается в тепло вследствие трения между слоями крови и между кровью и стенками сосудов.

Следовательно, по существу вся энергия, потраченная организмом, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Из этого принципа существует лишь единственное исключение: в случае, когда мышцы выполняют работу над внешними телами.

Если человек не выполняет внешней работы, то уровень высвобождения организмом энергии можно определить по величине общего количества теплоты, выделенной телом. Для этого применяют метод прямой калориметрии, для реализации которого используют большой, специально оборудованный калориметр. Организм помещают в специальную камеру, которая хорошо изолирована от среды, то есть не происходит обмена энергией с окружающей камеру средой. Количество теплоты, выделенной исследуемым организмом, можно точно измерить. Эксперименты, выполненные этим методом, показали, что количество энергии, поступающей в организм, равно энергии, выделяющейся при проведении калориметрии.

Прямая калориметрия в проведении трудоёмка, поэтому в настоящее время используют метод непрямой калориметрии, который основан на вычислении энергетического выхода организма по использованию им кислорода.

5. Стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Стандартная энтальпия реакции. Закон Гесса. Формулировка. Математическое выражение. Следствия из закона Гесса.

Стандартная энтальпия сгорания ΔH o сгор – тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества до образования высших оксидов. Для органических веществ –до CO2(г) и H2O(ж). Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю. Теплота сгорания топлива характеризует его теплотворную способность.

Стандартная энтальпия образования вещества (ΔfH 0 ) – увеличение или уменьшение энтальпии, сопровождающее образование 1 моль вещества из простых веществ, при условии, что все участники реакции находятся в стандартном состоянии

Стандартная энтальпия сгорания вещества (ΔсH 0 ) –уменьшение энтальпии при окислении в избытке кислорода 1 моль вещества, взятого в стандартном состоянии, до конечных продуктов окисления.

Читать еще:  Дают ли инвалидность при гепатите С

Закон Гесса – энергия не создаётся и не уничтожается, а лишь переходит из одного вида энергии в другой.

Закон Гесса

Тепловой эффект реакции зависит только от природы и состояния исходных вещ-в и не зависит от пути, по которому реакция протекает

Следствие 1. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования (ΔHf) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):

ΔH o f,i — стандартная энтальпия образование веществ

vi – стехиометрические коэффициенты

Следствие 2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔHc) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):

ΔH o с,i— стандартная энтальпия сгорания веществ

vi – стехиометрические коэффициенты

Следствие 3. Энтальпия реакции равна разности сумм энергий связей Eсв исходных и конечных реагентов с учетом их стехиометрических коэффициентов.

В ходе химической реакции энергия затрачивается на разрушение связей в исходных веществах (ΣEисх) и выделяется при образовании продуктов реакции (–ΣEпрод). Отсюда

Следовательно, экзотермический эффект реакции свидетельствует о том, что образуются соединения с более прочными связями, чем исходные. В случае эндотермической реакции, наоборот, прочнее исходные вещества.

При определении энтальпии реакции по энергиям связей уравнение реакции пишут с помощью структурных формул для удобства определения числа и характера связей.

Следствие 4. Энтальпия реакции образования вещества равна энтальпии реакции разложения его до исходных веществ с обратным знаком.

Следствие 5. Энтальпия гидратации равна разности энтальпий растворения безводной соли (ΔH o раств.б/с)и кристаллогидрата (ΔH o раств.крист)

Первое начало термодинамики —закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Стандартная энтальпия реакции. Применение первого начала термодинамики к биосистемам.

Первое начало термодинамики —закон сохранения энергии для термодинамических систем.

количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами:

В изохорном процессе газ работы не совершает, и ΔU = Q. В изобарном процессе A = p (V2 – V1). В изотермическом процессе ΔU = 0, и A = Q; вся теплота, переданная телу, идет на работу над внешними телами. Графически работа равна площади под кривой процесса на плоскости p, V.

— первое начало термодинамики для изохорного процесса
— первое начало термодинамики для изобарного проце — первое начало термодинамики для изотермического процесса

энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении

стандартной теплотой образования -тепловой эффект реакции образования одного моль вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивых стандартных состояниях.

Например, стандартная энтальпия образования 1 моль метана из углерода и водорода равна тепловому эффекту реакции:

С(тв) + 2H2(г) = CH4(г) + 74.9 кДж/моль.

Стандартная энтальпия образования обозначается ΔHf O . перечеркнутый кружок, то, что величина относится к стандартному состоянию вещества.

Стандартная энтальпия сгорания — ΔHгор о , тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в кислороде до образования оксидов в высшей степени окисления. Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю.

Первое начало термодинамики для биологических систем:
Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом.
Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений — например, аденозинтрифосфорной кислоты (ATФ). ATФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке.
Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре:
C6H12O6+ 6O2= 6CO2+ 6H2O
Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.
Таким образом, исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): углеводы — 4,1; белки — 4,1; жиры — 9,3.
С другой стороны, в конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая — рассеивается в форме тепла. При использовании энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую.
Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. Например, энергия, используемая мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла.

Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированной и закрытой системах. Примеры экзегронических и эндергонических процессов, протекающих в организме. Принцип энергетического сопряжения.

Второе начало гласит- невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, ктелу, более нагретому. Более строго, невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Читать еще:  Что делать если сыпятся волосы

Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение общего количества тепла к величине абсолютной температуры :

критерий самопроизвольности процессов в открытых и закрытых системах вводится– энергия Гиббса

Энергия Гиббса определяется через энтальпию Н и энтропию S с помощью соотношений:

Экзергонический процесс — самопроизвольно протекающий процесс, сопровождающийся уменьшением свободной энергии системы.

Процесс окисления глюкозы дикислородом, сопровождается уменьшением энергии Гиббса и является ярким примером экзергонической реакции в организме человека. Так как он (этот процесс) происходит при физической нагрузке (различной работе совершаемой человеком).

Эндергонический процесс — процесс, протекающий в системе только при поступлении свободной энергии извне.

В живых системах эндергонические процессы сопряжены с экзергоническими. В частности, процессы катаболизма (распад или окисление молекул) обычно являются экзергоническими процессами, а процессы анаболизма — эндергоническими процессами. Таким образом метаболизм есть совокупность взаимодействующих экзергонических и эндергонических процессов. Экзергонические процессы передают свободную энергию для осуществления эндергонических процессов (синтез, активный транспорт, неспецифические эффекты возбуждения, специфические эффекты возбуждения и др.) посредством общего высокоэнергетического соединения. В живых клетках главным таким высокоэнергетическим продуктом является аденозинтрифосфат (АТФ).

В биологической химии важную роль играет принцип энергетического сопряжения, заключающийся в том, что энергия, необходимая для протекания эндергонической реакции, поступает за счет осуществления экзергонической реакции, причем в этих двух реакциях присутствует общее вещество, называемое интермедиатом.

Наиболее распространенной экзергонической реакцией, вступающей в энергетическое сопряжение в условиях организма, является гидролиз АТФ, сопровождающийся переносом остатка фосфорной кислоты на другой субстрат. Например, при образовании сложного эфира глюкозы и фосфорной кислоты одновременно протекают 2 реакции:

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4; D = -29,2 кДж

Суммарное уравнение данного процесса можно представить следующим образом:

Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ

Изменение энергии Гиббса будет равно DG 0 = –29,2 + 13,1 = –16,1 кДж.Образование глюкозо-6-фосфата из глюкозы возможно, следовательно, только в результате энергетического сопряжения с экзергонической реакцией, сопровождающейся уменьшением энергии Гиббса. Интермедиатом в этой реакции является фосфорная кислота.

Зависимость скорости реакции от концентрации. Молекулярность элементарного акта реакции. Порядок реакции. Кинетические уравнения реакций первого и второго порядков. Зависимость скорости реакции от температуры. Температурный коэффициент скорости реакции и его особенности для биохимических процессов. Энергия активации.

При повышении концентрации хотя бы одного из реагирующих веществ, скорость химической реакции возрастает в соответствии с кинетическим уравнением.
Рассмотрим общее уравнение реакции: aA +bB = cC + dD.Для данной реакции кинетическое уравнение принимает вид:

Молекулярность элементарной реакции — число частиц, которые, согласно экспериментально установленному механизму реакции, участвуют в элементарном акте химического взаимодействия.

Мономолекулярные реакции — реакции, в которых происходит химическое превращение одной молекулы (изомеризация, диссоциация и т. д.):

Бимолекулярные реакции — реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или различных):

Тримолекулярные реакции — реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении трех частиц:

Порядок реакции по данному веществу— показатель степени при концентрации этого вещества в кинетическом уравнении реакции.

Реакции нулевого порядка

Для реакций нулевого порядка кинетическое уравнение имеет следующий вид:

Скорость реакции нулевого порядка постоянна во времени и не зависит от концентраций реагирующих веществ.

Кинетическое уравнение реакции первого порядка:

Реакции второго порядка:

С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и число активных частиц возрастает, следовательно, химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант — Гоффа :

Правило Вант — Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции.

Энергия активации — минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе (джмоль), чтобы произошла реакция.

В химической модели, известной как Теория активных соударений (ТАС), есть три условия, необходимых для того, чтобы произошла реакция:

— Молекулы должны столкнуться. Это важное условие, однако его не достаточно, так как при столкновении не обязательно произойдёт реакция.

— Молекулы должны обладать необходимой энергией (энергией активации). В процессе химической реакции взаимодействующие молекулы должны пройти через промежуточное состояние, которое может обладать большей энергией. То есть молекулы должны преодолеть энергетический барьер; если этого не произойдёт, реакция не начнётся.

— Молекулы должны быть правильно ориентированы относительно друг друга.

109.201.137.29 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Термодинамика биосистем

для студентов медицинского университета.

на методическом совете кафедры

Профессор __________ Годлевский Л.С.

Термодинамика- раздел физики, рассматривающий системы (термодинамические), между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему.

Основные понятия термодинамики. Первое начало термодинамки

Открытые, закрытые и изолированные системы.

Мерой передачи энергии в процессе теплообмена яявляется количество теплоты, а мерой передачи энергии в процессе работы является сама работа

Закон сохранения энергии для теплового процесса формулируется как первое начало термодинамики. Количество теплоты передаваемое системе идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы.

Второе начало термодинамики. Энтропия.

Есть несколько определений второго закона

Клаузиса: теплота сама собой не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Томсон- невозможен вечный двигатель второго рода.

Отношение количества теплоты полученного или отданного рабочим веществом к температуре, при которой происходит теплообмен, называют приведенным количеством теплоты.

Читать еще:  Как получить налоговый вычет при покупке квартиры

Энтропия- функция состояния системы, разность значений которой для двух состояний равна сумме приведенных количеств теплоты при обратимом переходе системы из одного состояния в другое.

Если процес происходит в изолированной системе, то в обратимом процессе энтропия не изменяется, а в необратимом возрастает.

Молекулярно- кинетическая теория показывает, что энтропия наиболее удачно может характеризоваться как мера неупорядоченности частиц системы.

Когда газ конденсируется или происходит кристаллизация при постоянной температуре, то выделяется теплота и энотропия убывает. При этом увеличивается упорядоченность структуры.

Неуопрядоченность системы количественно характеоризуется термодинамической вероятностью — числом способов размещения частиц или числом микросостояний реализующих данное макросостояние.

Больцман установил, что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности

Основная задача термодинамики заключается в том, чтобы найти такие характеристики, которые бы однозначно определеляли измнение состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое. На основании опыта такой величиной была определена внутренняя энергия U. Она является функцией состояния системы и зависит от термодинамических параметров:

Внутренняя энерегия прпедставляет собой сумму кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул термодинамичсекой системы.

Измерение внутренней энергии дельта U в замкнутой системе возможно осуществить путем измерения поглощенной (выделившейся) теплоты Q и выполненную работу W. Эксперментально установлено, что изменение внутренней энергии равно

Дельта U= U2-U1+ Q-W.

В замкнутой системе внутренняя энергия представляет собой постоянную величину.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что в изолированой термодинамческой системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой в эквивалтентных соотношениях.

1.2. Энтальпия. Закон Гесса.

При фиксированном давлении р можно ввести вместо внутренней энергии иную функцию состояния, которая будет хорошо описывать термодинамическую систему; она важна для изучения химических реакций в клетке, протекающих при р= const.

При этом работа по изменению объема при постоянном давлении запишется как

Тогда запись первого закона термодинамики будет иметь вид:

Q= U +дельта pV= дельта (U+ pV)= дельтаH.

Новая функция будет представлять собой функцию сосотояния — энтальпию (Н) (от греч.- энтальпия- «нагреваю»).

Энтальпию называют теплосодержанием системы.

Данная функция лежит в основе закона Гесса:

Эффект химической реакции Q не зависит от пути реакции от исходных веществ к продуктам реакции, а определяетрся лишь разностью энтальпий конечных и исходных веществ.

Закон Гесса- прямое следствие первого закона термодинамики. Следует отметить важное свойство этой новой функции состояния: поскольку изменение энтальпии (содержания тепла) системы соответствует величине поглощенной или выделенной теплоты, то ее можно точно определить калориметром.

Энтальпия при изменении состояния системы представляет собой разность между количеством выделившегося тепла и величиной полезной работы.

Впервые измерения энергетического баланса организма были проведены в конце XVIII го века Лавуазье и Лапласом.

Следует подчеркнуть, что достаточную точность калориметрии возможно иметь только в том случае, когда организм не накопляет биомассы и не выполняет работу.

В термодинамике объектом исследования является система, под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и веществом с этой средой, и открытые системы, в которых такой обмен происходит. Живые организмы представляют собой открытые системы.

Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одни из этих параметров зависят от массы или числа частиц в системе (иначе говоря, от размеров системы), другие пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров. К ним относится давление, температура и т.п. Параметры второй группы называются экстенсивными- объем, энергия, энтропия и др.

Поэтому энергию системы также можно определить как сумму данных составляющих, т.е. как результирующую компонентов, которые зависят от движения и положения системы как целого (W) и не зависящих от этого факторов (U). Вторая составляющая называется внутренней энергией. Она включает в себя энергию теплового движения частиц, химическую энергию и ядерную энергию.

Из полной энергии системы выделяют так называемую энтальпию Н=U+ pV. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, полученному системой. Поэтому энтальпию называют также теплосодержанием.

Первое начало термодинамики.

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами- посредством передачи тепла и путем совершения работы:

дельтаU= Q- A Q= дельтаU+ A.

Эта формула и выражает первое начало термодинамики.

Адиабатический процесс- в системе отсутствует теплообмен из- за идеальной тепловой изоляции системы.

Свободная и связанная энергия.

Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным или неупорядоченным

Обратимые и необратимые процессы

Применение первого начала термодинамики к живым организмам

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 равно ее обмену энергией с окружающей средой удобнее записать как

ДельтаU= Wпищи- Q- A

Поскольку организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, поэтому внутренняя энергия такого организма приблизительно постоянна. Слепдовательно дельта У= 0.

Поэтому Wпищи= Q+ A.

Данная формула вполне соответствует приложению первого начала термодинамики к биологическим системам

Следует подчеркнуть ту особенность преобразования энергии пищи в энергию (работу) является тот момент, что нет промежуточного момента в виде образования свободной тепловой энергии.

Источники свободной энергии живого организма в виде совершаемых работ.

Источники:

http://infopedia.su/1x4bee.html
http://studopedia.ru/19_369441_pervoe-nachalo-termodinamiki-zakon-sohraneniya-energii-dlya-termodinamicheskih-sistem.html
http://studfile.net/preview/5165067/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector
×
×
×
×