Термодинамические процессы

В термодинамических системах происходят термодинамические процессы – переход системы из одного состояния в другое, причем различают термодинамические процессы:

1. квазистатические - обратимые;

2. нестатические - необратимые.

Обратимые процессы допускают возвращение термодинамической системы в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде, такие процессы встречаются только в изолированных термодинамических системах (термос). Однако это идеализированная система, ибо в природе не встречается.

Необратимые характерны для закрытых и открытых систем, все процессы протекают с конечной скоростью, они необратимы. Поэтому какой-либо процессы не протекал бы, он всегда имеет окончание.

Термодинамические процессы, протекающие в системах, подчиняются двум законам (началам) термодинамики

Первый закон был установлен в 1848 году немецким врачом Робертом Майером: «Энергия в изолированных системах не может увеличиваться или уменьшаться, а может переходить из одного вида в другой».

Возникновение первого закона связано с началом изучения физиологических процессов, аналогичен закону сохранения энергии Ломоносова, однако Михаил Васильевич не опирался столь на физиологию.

В путешествии на шхуне Майер отметил, изучая работы Лавуазье, что при жарких температурах происходит меньшее потребление энергии. По прибытии на сушу у членов экипажа началась лихорадка, с лечебными целями делали кровопускания. Майер обнаружил, что во время осуществления кровопускания венозная кровь очень яркая, насыщенная, похожа на артериальную. Сделал заключение, что в условиях жаркого климата кислорода из крови на окислительные процессы тратится меньше. Далее пришел к выводу, что энергия, которая поступает в организм, равна тому количеству энергии, которое выделяется. Изучение чисто физиологических явлений легли в основу фундаментального закона сохранения и превращения энергии.

В неизолированных термодинамических системах изменение внутренней энергии равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой A, совершаемой самой системой: ∆U=Q-A.

Внутренняя энергия является суммой кинетической и потенциальной энергии, изменяется в процессе совершения работы и теплопередачи.

Внутренняя энергия

U=Ek+ Ep

изменяется в процессе

совершенная работа теплопередача

∆U=A ∆U=Q

теплопроводность

конвекция

излучение

Следствие первого закона термодинамики - правило Гесса 1836 год: «Термодинамический процесс, развивающийся через ряд промежуточных реакций, не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы».

∆U = U₁-U₂, где U₁ - энергия начального состояния, U₂ - энергия конечного состояния, ∆U- изменение внутренней энергии.

Отношение работы к количеству тепла, сообщенного системе, есть величина постоянная:

A/Q =1 – T₂/T₁, T₂<T₁, A/Q=const, 1ккал – 427 кг/м, 1 кал – 4,184 Дж.

В живых организмах совершаются различные виды работы, источником поступления энергии являются химические вещества, мы являемся хемотрофами. Лишь у растений из воды, углекислого газа и минеральных веществ синтезируются органические соединения, которые являются началом жизни, ибо они поглощаются травоядными животными, которых поедают плотоядные, а также и мы. Таким образом, мы получаем солнечную энергию в виде энергии химических связей, которая превращается в энергию макроэргических соединений - «универсальная валюта обменных процессов».

При превращении энергии происходит образование тепла. Различают первичную теплоту – результат теплового рассеивания энергии в ходе обмена веществ и в ходе протекающих химических и биохимических реакций. Но химические реакции, которые протекают в организме, дают нам возможность совершения разных форм работы: поддержание осмотичности, свечение, совершение механической работы и другие виды. Какую бы работу мы не совершали конечный итог – тепловая энергия. Та тепловая энергия, в которую переходят различные виды работ – вторичная теплота, пропорциональна активности ткани, причем основным источником вторичной теплоты будут являться мышцы.

Производились следующие исследования термодинамических процессов в биологических системах:

1. Лавуазье и Лаплас при помещении морской свинки в ледяную каломель, сравнивали количество энергии, поступающей с пищей, и количество выделившегося тепла. Обнаружили , что эти показатели одинаковы. Питательные вещества, которые окисляются в организме, дают такое же количество энергии, как и при сгорании тех же веществ в калориметре.

2. Уоттер изучал энергетический баланс в организме, какое количество энергии выделялось при сжигании жиров, белков и углеводов. При изучении сжигания веществ в калориметре выделялось 1859 ккал, разница 20 ккал. Разница обусловлена тем, что в таких исследованиях возможна ошибка, или же часть энергии запасалась на структурных компонентах протоплазмы клеток.

Эти исследования показали, что первый закон термодинамики и его следствие применимы к биологическим объектам, при этом учитывается количество энергии, поглощенной с пищей, и количество выделенной организмом тепловой энергии. В этом энергетическом балансе не рассматриваются промежуточные этапы превращения энергии. Первый закон характеризует лишь количественные изменения и превращения энергии в термодинамических системах, но не показывает вероятности процесса и его направленности.

Второй закон термодинамики был установлен Карно и Клаузисом: «Для совершения работы одного лишь наличия энергии недостаточно. Для совершения работы необходимо наличие разности потенциалов энергетических уровней».

Таким образом, второй закон показывает направленность изменений, которые происходят в термодинамических системах, ибо самопроизвольно теплота переходит лишь от нагретого тела к более холодному, от вещества с большей концентрацией в сторону меньшей.

Для работы необходимо создание и поддержание градиента параметра – отношение разности величин параметра в двух точках к расстоянию между ними (концентрационный, электрохимический градиент, градиент автоматии в проводящей системе).

Первый закон термодинамики дает нам возможность представления о том, что некоторые явления могли бы произойти, однако этого не происходит, ибо, роняя предмет со стола, он обратно не возвращается, хотя первый закон это допускает. При падении потенциальная энергия покоящегося тела переходит в кинетическую энергию движения. При соударении кинетическая энергия движения переходит в тепловую энергию. По первому закону все происходит в эквивалентных количествах, можем допустить, что тепловая энергия переходит в кинетическую, что обеспечивает подъем, однако этого не происходит, ибо большинство процессов необратимо – пролитая вода не соберется обратно в кувшин, разбитая ваза не восстановится из осколков.