ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Організм робить роботу, витрачаючи внутрішню енергію, накопичену в вигляді енергії хімічної взаємодії складових його речовин. Найбільш загальним методом експериментального визначення ефективності витрат внутрішньої енергії організмом є калориметричні вимірювання, що застосовуються фізіологами. Теоретичні оцінки витрат здійснюються на основі другого закону термодинаміки. Цей закон накладає суворі обмеження на ефективність перетворення енергії в роботу і, крім того, дозволяє ввести критерії можливості самовільного протікання того чи іншого процесу. Процес називається мимовільним, якщо він здійснюється без будь-яких впливів ззовні.

Для формулювання другого закону термодинаміки необхідно ввести поняття оборотного і необоротного процесів. Термодинамічно оборотним процес називається тоді, коли при переході з початкового стану в кінцеве всі проміжні стану виявляються рівноважними. Відповідно процес називається термодинамічно незворотних, якщо хоч одне проміжний стан нерівноважної.

Оборотний процес можна здійснити лише при досить повільному зміні параметрів системи. Швидкість зміни параметрів повинна бути такою, щоб виникаючі в ході процесу відхилення від рівноваги були пренебрежимо малі. Зворотні процеси є граничним випадком реальних процесів, що відбуваються в природі і здійснюються в промислових умовах і лабораторіях.

Максимальна робота W max , яка може бути отримана при даній убутку внутрішньої енергії (А Е) в процесі переходу з початкового стану в кінцеве, досягається лише в тому випадку, якщо цей процес оборотний. Відповідно до (11.1) при цьому виділяється мінімальна теплота Q ml ":

Максимально досяжний коефіцієнт корисної дії, що характеризує ефективність витрат внутрішньої енергії системи, можна представити таким чином:

або, враховуючи (11.5),

Величину Qmi " визначають на основі другого закону термодинаміки за допомогою термодинамічної функції стану, званої ентропією. Поняття ентропія ввів німецький фізик Клаузиус.

Ентропія є функцію стану, приріст якої A S одно теплоті Q mm , підведеної до системи в оборотному ізотермічному процесі, поділеній на абсолютну температуру Т, при якій здійснюється процес:

З наведеного рівняння випливає, що якщо відома теплота Qmin, що підводиться до системи або відведена від неї при протіканні в ізотермічних умовах будь-якого фізичного або хімічного процесу, можна розрахувати зміна ентропії при цьому процесі. Ця теплота може бути визначена за допомогою калориметричних вимірів. Таким чином, зміна ентропії, так само як і двох інших функцій стану системи - внутрішньої енергії та ентальпії, являє собою експериментально визначається величину.

Фізичний сенс ентропії стає зрозумілим при розгляді з молекулярно-кінетичної точки зору процесів, що протікають в ізольованих системах. Вивчення різних ізольованих систем показує, що самовільні процеси завжди пов'язані з ростом числа микросостояний системи, названих термодинамічної ймовірністю і Ентропія є мірою разупорядоченності системи і дорівнює числу способів (микросостояний), якими можна реалізувати дане макросостояніе системи при даній енергії. Австрійським фізиком Больцманом поняття ентропії було визначено як

де до - постійна Больцмана, яка дорівнює 1,38-1 (Г 23 Дж / К.

Рівняння Больцмана дозволяє розрахувати ентропію системи по числу можливих її микросостояний.

Виявляється, що в ізольованій системі мимовільно можуть йти тільки такі процеси, при яких ентропія збільшується (AS> 0); в стані рівноваги ентропія постійна (AS = 0).

Для неізольованих (закритих і відкритих) систем зміна ентропії, як і зміна внутрішньої енергії, вже не є критерієм самопроизвольности.

Як уже згадувалося раніше, біооб'єкти з точки зору термодинаміки завжди є відкритими системами, в яких р = const; Т = const, Xj = const (xj - зміст різних речовин), т. Е. Процеси протікають в ізобарно-ізотермічних умовах.

Критерієм спрямованості самовільного процесу для відкритих і закритих систем є функція стану системи - термодинамічний потенціал, що носить назву енергії Гіббса (G).

Зміна енергії Гіббса пов'язано з термодинамічними функціями системи Я і 5 рівнянням:

де АН - приріст ентальпії; AS - приріст ентропії; Т - абсолютна температура.

У літературі з біології величину AG висловлюють в калоріях, в інших областях науки більш поширене вираз її в джоулях (1 кал = 4,184 Дж).

Таким чином, другий закон термодинаміки можна сформулювати наступним чином: в ізобарно-ізотермічних умовах в системі мимовільно можуть здійснюватися тільки ті процеси, в результаті яких енергія Гіббса системи зменшується. У стані рівноваги енергія Гіббса не змінюється:

Виходячи з виразів (11.1 і 11.6) для першого і другого законів термодинаміки випливає, що

т. е. робота, що здійснюються системою в ізобарно-ізотермічних умовах, менше або дорівнює убутку енергії Гіббса (AG) цієї системи.

Стосовно до біології корисна робота - це м'язове скорочення, хімічний синтез в клітці, подолання осмотических і електричних сил. Приріст енергії Гіббса в ході будь-якого процесу - найважливіший термодинамічний параметр. Для хімічних процесів можна сформулювати наступне загальне правило: хімічна реакція протікає лише в тому випадку, коли AG <0, т. Е. Коли енергія Гіббса продуктів реакції менше, ніж вихідних речовин.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >