3.Термодинамические функции.

Внутренняя энергия U это совокупность свободной энергии G и связанной энергии W_связ элементов системы:

U = G + W_связ (9) или U = G +s T (10)

При изобарических процессах при постоянной температуре cвободная энергии G называют свободной энергией Гельмгольца и обозначается

буквой F. F = U – s •T (11)

При постоянной температуре и изменяющемся объеме свободная энергия имеет более сложный вид:

G = U – s T + pV (12)

В этом случае свободную энергию называют свободной энергией (G) Гиббса.

Практический интерес представляет не сама свободная энергия, а ее изменение. При V = const и T= const

ΔF = ΔU – T Δs (13)

При изменяющемся объеме (T= const)

ΔG = ΔU – T Δs + p ΔV (14)

Из полной энергии системы выделяют величину Н (функцию состояния) названную энтальпией.

Н = U + pV (15)

При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, полученного системой: dH = dQ. Поэтому энтальпию иногда называют теплосодержанием.

Свободная энергия Гиббса

G = U – s T + pV = Н – s T (16)

При постоянном давлении и температуре механическая работа имеет максимальное значение равное изменению энергии Гиббса А_рТ = - ΔG

При Р = const и T= const процессы в системе идут в направлении, когда ΔG = ΔU – T Δs + p ΔV<0 (17)

4.Применение первого начала термодинамики в биологии.

Первое начало термодинамики было сформулировано (врачами Майером и Гельмгольцем) для живых организмов. Однако классическая форма (уравнение 1) не вполне отображает сути термодинамических процессов происходящих в биологических системах. Поэтому уравнение первого начала удобнее записать в следующем виде:

ΔU = W_пищ - Q - A (18)

Где W_пищ - химическая энергия пищевых продуктов, усвоенных организмом, знак «-» означает, что биосистема отдает тепло окружающей среде.

Организм гомойотермных (постоянной температурой) животных имеет в среднем постоянную температуру и постоянный химический состав. Поэтому изменение внутренней энергии ΔU = 0. В этом случае

W_пищ = Q + A

Учитывая разные формы совершения работы и теплообмена

W_пищ = ∑Q_i + ∑A_j (19)

Первичным источником энергии для тепловых машин и живого организма служит Солнце. Однако способы преобразования в работу солнечной энергии, аккумулированной зелеными растениями в форме химической энергии, принципиально неодинаковы в тепловой машине и биологической системе.

Для тепловых машин:

фотосинтез сжигание (О₂; Т)

W_солн --------------->W_топл -----------------> Q ---> ΔU+ A.

Для биологической системы:

фотосинтез биологическое окисление (О₂)

W_солн ---------------> W_топл ---------------------------------> ΔU+ A + Q

Источником свободной энергии для всех организмов является пища. Пищеварение обеспечивает поступление в клетки продуктов гидролиза углеводов, жиров, белков, в которых заключена свободная энергия солнечного света.

Основным способом использования свободной энергии питательных веществ организмом является биологическое окисление на внутренних мембранах митохондрий. При этом часть энергии идет непосредственно для осуществления жизнедеятельности, а основная часть идет на синтез макроэргических соединений (АТФ и др.).

Другая часть свободной энергии идет на поддержание физико-химических градиентов на клеточных мембранах.

Еще часть свободной энергии идет на работу мышечного сокращения (механическую работу организма).

Параллельно с совершением работы организм преобразует свободную энергию пищи в тепло. Во первых - тепло выделяется при биологическом окислении питательных веществ, в ходе которого синтезируется АТФ (первичное тепло Q₁= 900ккал/сутки). Вторичное тепло Q₂ = 900 ккал/сут выделяется при синтезе макромолекул (415 ккал/сут), активном транспорте веществ через мембраны (215 ккал/сутки), мышечных сокращениях(270 ккал/сутки). Суммарное значение тепловой энергии М, образующуюся в результате многообразных процессов, называют теплопродукцией М = ∑ Q_і

Вся тепловая энергия уходит с поверхности тела человека путем теплопроводности, конвекции, теплоизлучения (радиации), испарения

Путем теплопроводности теряется

Q_T= K(T_i –T_e)St/ℓ (20).

К – коэффициент теплопроводности;

(T_i –T_e) – разность температур поверхности тела T_i и окружающей среды T_e;

ℓ - толщина слоя материала, через который переносится тепло;

S – площадь соприкосновения тела с окружающей средой;

t – время теплообмена.

Конвекционным путем переносится

Q_с= K(T_i –T_e)St/ℓ (21).

Коэффициент К не имеет постоянного значения и зависит от конкретных условий.

Перенос тепла излучением осуществляется инфракрасным излучением. Q_R = σ S (T_i⁴ –T_e⁴) (22).

Путем испарения теряется

Q_E = L m (23)

L – удельная теплота испарения;

m – масса жидкости, испаряющейся с поверхности тела

Уравнение теплового баланса организма человека:

М ± Q_T ± Q_с ± Q_R - Q_E = О (24)

Знак «-» при T_i >T_e и знак «+» при T_i <T_e.

Под химической терморегуляцией понимают возможность усиления или ослабления теплопродукции за счет изменения интенсивности окислительных процессов.

Физическая терморегуляция – регуляция процессов теплоотдачи (теплопроводности, конвекции, излучения, испарения)

Прямая калориметрия – определение энергозатрат организма с помощью специальных физиологических калориметров, в которые на определенное время помещают животное или человека.

Непрямая калориметрия – определение энергозатрат путем исследования газообмена организма.

Эффективность основных биологических процессов (Эф) определяется отношением увеличения свободной энергии (ΔG) биологической системы к уменьшению энтальпии (ΔН) при окислении пищи:

Эф = ΔG/ ΔН (25)

Эффективность показывает, какая часть энергии, выделяющаяся при химических реакциях, идет на увеличение свободной энергии биологической системы.