- •«Определение по ударному объёму крови сердца энергозатрат, кпд, расхода кислорода, при совершении механической работы»
- •Задачи.
- •«Определение по ударному объёму крови сердца энергозатрат, кпд , расхода кислорода, при совершении механической работы.»
- •1.1. Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи.
- •1.2. Уравнение Бернулли.
- •1)Наклонная трубка тока постоянного сечения.
- •2)Горизонтальная трубка тока жидкости переменного сечения.
- •3) Измерение скорости потока жидкости. Трубка Пито.
- •4) Закупорка артерии.
- •5) Разрыв аневризмы.
- •Факторы, влияющие на вязкость крови в организме.
- •1.7 Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса. Условия проявления турбулентности в системе кровообращения.
- •1.8. Роль эластичности кровеносных сосудов в системе кровообращения. Пульсовая волна.
- •1.9 Методы измерения давления крови.
- •Инвазивный (прямой) метод измерения артериального давления.
- •9.1. Модели кровообращения
- •9.3. Работа и мощность сердца. Аппарат искусственного кровообращения
- •Дополнительный материал первое начало термодинамики и живые организмы
- •Определения основных термодинамических величин
- •Первое начало термодинамики
- •Свободная и связанная энергия
- •Обратимые и необратимые процессы
- •Источники свободной энергии живого организма и виды совершаемых им работ
- •Тепловой баланс организма, способы теплообмена
- •Температурный гомеостазис, химическая и физическая терморегуляция
- •Энерготраты организма, основной обмен
- •Понятие о физиологической калориметрии
- •Второе начало термодинамики понятие энтропии
- •Статистический смысл энтропии
- •Формулировка второго начала термодинамики
- •Диссипативная функция
- •Научное и практическое значение второго начала термодинамики
- •Второе начало термодинамики и живой организм
- •Стационарное состояние
Обратимые и необратимые процессы
Те процессы, в которых A=ΔG., называются обратимыми, так как, пустив такой процесс в обратном направлении и затратив работу A, можно полностью вернуть систему в исходное состояние. Таких процессов в природе не существует — все реальные процессы необратимы. Иными словами, свободная энергия системы не может быть полностью преобразована в работу. При таком преобразовании часть свободной энергии обязательно превращается в тепло. Характеризуя это явление, говорят о диссипации (рассеянии) свободной энергии. Чтобы достичь максимальной степени обратимости термодинамических процессов, нужно добиться минимальной разности (ΔG-A.), то есть уменьшить диссипацию свободной энергии. Конкретным способом уменьшения диссипации служит снижение электрического сопротивления в электрических цепях, трения — в механических системах и т. п.
В технике, и в биологии нас интересует в первую очередь работа, совершаемая системой.Поэтомуважно знать не столько полную внутреннюю энергию системы, сколько ее свободную энергию. В большинстве случаев направление протекания процесса и его основные характеристики определяются именно свободной энергией.
Свободная энергия, как и полная, есть функция состояния, то есть функция тех условий, в которых находится система. Практически наиболее важными параметрами, определяющими состояние системы, являются температура, давление, число молей вещества, а при существовании внешнего поля (например, электромагнитного) — его напряженность. С учетом первых трех можно написать
G = f(T, p, v). (13)
Во многих системах, в частности в живых организмах, наиболее важным видом свободной энергии является химическая энергия молекул, входящих в систему. Для отображения этого обстоятельства введено понятие химического потенциала — μx:
(14)
где v — число молей данного вещества. Следовательно, химический потенциал системы по отношению к некоторому веществуравен приросту свободной энергии системы при возрастании количества этого вещества на 1 моль:
ΔG = μx Δν (15)
В общем случае присутствия в системе к веществ:
ΔG =Σ μx Δν (16)
Учитывая существование химического потенциала и внешнего электрического поля, формулу (13) можно дополнить:
G = f(T, p, vi , е), (17)
где vi — число молей i-ro вещества.
ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ К ЖИВЫМ ОРГАНИЗМАМ
Применимость первого начала термодинамики к биологическим системам никогда не вызывала сомнений. Более того, как уже говорилось, оно сразу было сформулировано именно для живых организмов (Майер, Гельмгольц). Однако классическая форма этого закона, отображенная в формуле (2), была создана в связи с запросами теплотехники. Поэтому она не вполне удобна для биологии, так как не отображает сути термодинамических процессов, происходящих в живых системах. 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 системы равно ее обмену энергией с окружающей средой, удобнее записать так:
ΔU=Wпищи-Q-A (18)
Перед Q в данном случае стоит знак «—», так как биологические системы отдают тепло окружающей среде.
Организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому и внутренняя энергия такого организма приблизительно постоянна. Следовательно, ΔU= 0. В этом случае
Wпищи = Q+ А (19)
Учитывая разные формы совершения работы и теплообмена, следует это выражение записать так:
Wпищи = ΣQ+ ΣА (20)
Последняя формула наиболее точно отображает существо первого начала термодинамики для биологических систем,особенно для гомойотермных животных.
Чтобы глубже проникнуть в особенности первого начала термодинамики для биологических систем, полезно сопоставить термодинамические процессы в тепловой машине и организме гомойотермных животных. Предварительно заметим, что первичным источником энергии в обоих случаях служит Солнце.Мощность солнечного излучения примерно 1026 Вт. Небольшая ее часть (2 1017 Вт) достигает поверхности Земли, а из этой величины только 0,02% поглощается зелеными растениями и запасается ими в процессе фотосинтеза. Поток энергии, извлекаемый зелеными растениями из солнечного света, имеет порядок 4 1013 Вт. За счет этой энергии работают тепловые машины и осуществляются все процессы жизнедеятельности. Однако способы преобразования в работу солнечной энергии, аккумулированной зелеными растениями в форме химической энергии, принципиально неодинаковы в тепловой машине и биологической системе. В тепловой машине топливо сжигают, преобразуя химическую энергию в тепловую, а затем уже последнюю превращают в работу. Заметим, что преобразованиетепловой энергии в работу происходит при большом перепаде температур.
Принципиальным отличием термодинамических процессов в биологической системе является отсутствие промежуточного звена (в форме тепловой энергии) между химической энергией, запасенной в пище, и работой, совершаемой организмом. Энергия химических связей пищевых продуктов непосредственно преобразуется во все формы работы биологической системы. При этом образуется и тепловая энергия, но она представляет собой неизбежные энергетические потери. КПД для различных биологических процессов лежит в диапазоне от 20% до 60%. Различия термодинамических процессов в тепловой машине и биологической системе поясняет схема:
тепловая машина |
биологическая система |
фотосинтез сжигание (02, Т) Wc→W топлива ------------- Q→ΔU + А;
|
фотосинтез биол окисление (O2) Wс →Wпищи ---------- -------------------- ΔU+A+Q.
|
Напомним, что у гомойотермных животных ΔU = 0. Кроме того, учтем разные формы теплообмена и работы в организме, опустим левую часть схемы и тогда придем к выражению (20):
Wпищи = ΣQ+ ΣА