Теория Онзагера. Гетерогенность энтропии в биосистемах. Уравнение второго закона тд для открытых систем.
В ТД необр. пр-сов Ларс Онзагер сформулировал положение: при небольших отклонениях от равновесия ТД поток можно представить в виде линейной комбинации ТД движущих сил.
Энтропия и другие функции состояния м. б. определены в любой момент изменения неравновесного состояния, или энтропия и др. функции состояния являются непрерывными и однозначными функциями т/д параметров и времени.
В открытой системе
dS=Q'/T+Q/T
Энтропия в системе изм-ся за счет процессов производства энтропии в самой системе и за счет обмена энтропии между системой и окружающей средой.
Q'/T – тепло в самой сиcтеме
Q/T – тепло, которым система может обмениваться со средой
diS=Q'/T – внутренний источник энтропии
deS=Q/T – внешний источник энтропии
dS=diS+deS
diS>0 – необратимые процессы
dS/dt=diS/dt+deS/dt
Скорость продукции энтропии в системе всегда > 0, так как ТД процессы в ней необратимы.
Второй закон ТД для открытых систем
1) dS/dt>0 кол-во энтропии в системе возрастает
а) dS/dt>0; diS/dt>0;
б) deS/dt=0 нет обмена со средой, система изолированная;
в) deS/dt<0, deS/dt< diS/dt
В системе обр-ся некоторое кол-во энтропии, но часть энтропии оттекает в окр. среду, но скорость оттока не велика и энтропия накапливается в системе.
2) dS/dt=0, стационарное состояние, кол-во энтропии постоянно
deS/dt<0, deS/dt=diS/dt
Вся энтропия, которая обр-ся оттекает в окр. среду. Это состояние наиболее характерно для зрелых био систем.
3) dS/dt<0 общее кол-во энтропии в системе убывает
deS/dt<0, deS/dt>diS/dt
Энтропия в этой системе, но оттекает из системы >, чем образуется, следовательно общее кол-во энтропии в системе ↓. В реальных био системах это встречается на стадии роста, развития и становления ситемы.
Стационарное состояние живых ТД систем, его отличие от ТД равновесия; баланс энтропии и свободной энергии. Условия перехода живых систем на новый стационарный уровень. (+ см вопрос 17)
Стационарное сотояние: Зависит от 3-х параметров: -S (энтропия), -U (своб. E), -t (время).
Стац. сост. – сост., когда параметры системы (U, S) с теч. времени остаются неизменными, но происходит обмен в-вом и Е, т.е. сост. сист. при кот. не происх. изм. ТД параметров.
Изолированные сист.: ∆S=0 или >0.
Для равновесного сост. S стремится к мах, U=0. Стац. сост. отличается тем, что S ≠ мах, а является постоянной величиной, S=const, U не равняется 0, U=const. Ежесекундный прирост энтропии стремится к min. Любая живая система может находиться только в стац. сост. Если достигнуто состояние ТД равновесия - это уже не живая система. Качество стационарного состояния может быть различным.
В открытых системах: S состоит из двух показателей.
Si – внутри самой сист., S - самой системы, Se – внешняя среда.
dS=dSi+dSe (d – это ∆ - это изменение)
Когда dSe > dSi и dSe < 0, тогда dSe < 0 – «нек» энтропия, негативная, в эволюц. плане деградирует система, напр. паразиты.
В случае изомерной живой системы - она не обменивается Е и в-вом, т.е. только dS=dSe
Прирост S - необратимость протекания процесса. dSe<0: возможно 3 ситуации: 1.Приток внешней энтропии отрицателен и по модулю превышает изменения внутренней Si dS<0 нервный импульс. 2. dSe<0, по мoдyлю=dSi dS=O Характерно для стационарного состояния системы dS=dSi+dSe=O 3. dSe<0 и по мoдyлю <dSi. dS>0.
Состоянию ТД равновесия - характерно мах значение S (S=max), U=0, т.е. Е, которая расходуется на совершение А.
Сходство: стац. и равновесное состояния не зависят от времени.
Отличия стац. сост. от равновесия (из конспекта):
1) своб. Е (∆G) в стац. сост. есть величина постоянная во времени и не равна 0. В ТД равн. ∆G=const, но ∆G =0 => открытые сист., если вывести из стац. сост. могут совершать работу; при ТД равновесии не способны совершать работу.
2) энтропия. В стац. сост. =const, но она не max. (∆G) ∆S ≠ max = const.
3) !!! в стац. сост. проявляется кинетический параметр (фактор) (изменение энтропии во времени) dS/dt = dSi/dt + dSe/dt.
Стационарное состояние: * постоянный обмен энергией с окружающей средой * постоянно тратится свободная энергия на поддержание состояния * т/д потенциалы постоянны, G и F не равны 0 * энтропия постоянна, но не максимальна * градиенты присутствуют
Термодинамическое равновесие: * отсутствует поток вещества и энергии в окружающую среду и обратно * на поддержание этого состояния не затрачивается свободная энергия * работа способности системы равна 0, т/д потенциалы равны 0 * энтропия максимальна * в системе отсутствуют градиенты
Переход на новый стац. уровень:2 пути: 1) «овершот» - по нему переходят живые организмы при изм внеш. усл. (приспособление). График.
Нижняя стрелочка – это старый стац. уровень.
Верхняя стрелочка – это новый стац. уровень.
2) «ложный старт» - усиление или уменьшение О2, выращивание лука с О2 и без. График. С О2 – аэробный распад углеродов. Без О2 – обмен в-в переходит на анаэробный путь. А если потом снова дать О2 – то получится график 2 (то что обведено кружочком – там осущ-ся уничтожение продуктов анаэробного пути). Пример для чела: пока не расщепится молочная к-та осуществлять работу дальше нельзя.
