Химический потенциал

Для системы с изменяющимся составом

т.е.

Для макроскопического изменения

 = G на 1 моль при постоянных P и T

условие равновесия (G=0)

 = 0

(химический потенциал данного компонента одинаков во всех частях системы)

Химический потенциал компонента связан с его парциальным давлением или концентрацией следующими соотношениями:

где – стандартный химический потенциал компонента

(при P_i = 1 атм. или С_i = 1 моль/л)

изменение свободной энергии системы при постоянных Р и Т связано с изменением состава системы:

условием равновесия при постоянных Р и Т является

Таким образом

                         

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона (Фазовое равновесие в однокомпонентных системах)

¹ = ²

S = QT

Q = H_р

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона

Приложение к живым организмам

Для животных и человека единственным источником свободной энергии являются пищевые продукты.

первое начало можно записать (энергия пищи идёт):

где

- изменение свободной энергии организма за счет приема пищи

- изменение внутренней энергии организма,

- совершаемая работа,

- теплоотдачу в окружающую среду

Если рассматривать состояние организма за достаточно большой промежуток времени (хотя бы несколько суток), то можно убедиться, что внутренняя энергия организма в среднем остаётся постоянной ( )

(лишь колеблется в некоторых пределах).

Тогда

(Уравнение энергетического баланса организма)

(многократно проверено в экспериментах на разных организмах от микробов до человека)

(служит основой для разработки самых разнообразных норм питания (например, пайков для военнослужащих, различных диет)

(для больного человека или для человека, находящегося в экстремальных условиях, эта формула может быть неприменима)

составляет примерно 50%

(выделяется в виде тепла, которое целиком уходит в окружающую среду, организм должен рассеивать тепло,иначе перегреется)

Остальные 50% тратятся на синтез веществ, обеспечивающих энергией организм (макроэргов) (АТФ).

Работа в живом организме совершается за счёт энергии, выделяющейся при отщеплении от АТФ фосфатной группы НРО₃ (около 30 кДж/моль)

(в зависимости от условий реакции от 26 до 38 кДж на моль; обычно принимают среднюю цифру 30 кДж/моль)

На совершение работы используется порядка 40% выделяющейся при гидролизе АТФ энергии (20% ).

(КПД организма как тепловой машины около 20%)

(в разных организмах и в различных условиях могут заметно различаться)

живые организмы в отличие от технических машин в качестве промежуточного звена между источником энергии и работой имеют не тепловую энергию, а химическую.

Зачем живым организмам нужно промежуточное звено преобразования энергии в виде макроэргов?

Почему нельзя прямо использовать для совершения работы энергию, выделяемую в ходе биологического окисления?

Биологическое окисление – сложный многоступенчатый процесс, состоящий из многих стадий при участии большого числа ферментов и требующий для своего осуществления строго определённых условий.

А АТФ выделяет энергию в одну стадию, практически в любых условиях, существующих внутри организма. Это обеспечивает значительно более быстрые и разнообразные реакции на внешние воздействия и повышает шансы выживания организма и вида в целом. Поэтому синтез макроэргов наблюдается уже у самых примитивных организмов, он является одной из основных функций каждой клетки.

Пример

В среднем человек должен получать с пищей в сутки 12 000 кДж.

50 % (6 000 кДж) тратится на синтез АТФ