Закон термо

Другая формулировка: все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии. (Энтропия — мера хаотичности, неупорядоченности системы).

Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у второго тела, которое принимает теплоту, так как, по-определению, dS=dQ/T (температура в знаменателе!). То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой Т к телу с более низкой Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась!

Заметим, что, рассматривая эту систему из двух тел, мы подразумевали, что внешнего теплопритока в нее или теплооттока из нее нет (для простоты, чтобы не пудрить себе мозги) — то есть, считали ее изолированной (или замкнутой). Отсюда еще одна формулировка Второго Закона Термодинамики: «При прохождении в изолированной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает». Или: «Энтропия изолированной системы стремится к максимуму» — так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур.

А что будет, если наша система из двух тел будет неизолирована (незамкнута) и, допустим, в нее поступает тепло? Ясно, что ее энтропия будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия его увеличивается (dS=dQ/T).

Но для простоты формулировки этот момент обычно не упоминают и поэтому формулируют Второй Закон термодинамики именно для изолированных систем. Хотя, как мы видим, он действует точно также и для открытых систем в случае поступления в них тепла.

И представьте, эти идиоты эволюционисты уперлись в общепринятую формулировку Второго Закона термодинамики для изолированных систем, утверждая, что, мол, если система открыта, то Второй Закон Термодинамики не действует! Это какими же тупыми и безмозглыми надо быть, что даже мозгами чуть-чуть лень пошевелить, чтобы понять такую простую истину, что для открытой системы с подведением тепла энтропия растет даже быстрее, чем для изолированной!

aha.ru

Раздел физики, который изучает соотношение и превращение теплоты и других энергий, называется термодинамикой. В ней работают не с отдельными молекулами, а с телами макроскопических размеров, которые состоят из огромного числа частиц. Называются такие тела термодинамическими системами. В этой статье мы будем вспоминать законы термодинамики.

Этот закон обобщает закон превращения и сохранения энергии для термодинамической системы. Говорит он о том, что изменение внутренней энергии термодинамической системы, которая является неизолированной, будет равно разности количества теплоты, передаваемой системе, и работы, совершаемой системой над внешними объектами. Количество теплоты, которое получает система, идет на изменение внутренней ее энергии и совершение ею работы над внешними объектами. Рассмотрим этот закон термодинамики применительно к изопроцессам газов.

  • При изохорном процессе газ работу не совершает. Значит количество теплоты, передаваемое системе, будет равняться изменению внутренней энергии. То есть, при изохорном нагревании, тепло будет поглощаться газом и, соответственно, будет увеличиваться его внутренняя энергия. При охлаждении, тепло будет отдаваться внешним телам.
  • При изобарном расширении, тепло газом поглощается, и он совершает работу положительную. При изобарном сжатии, температура газа уменьшается, тепло отдается внешним объектам, внутренняя энергия при этом убывает.
  • При изотермическом процессе, изменения температуры газа не происходит, следовательно, не происходит и изменения внутренней энергии. В процессе изотермического расширения количество теплоты, которую получает газ, превращается в работу над внешними объектами. Работа внешних сил, которая производится газом, при изотермическом сжатии превращается в тепло, передающееся окружающим телам.
  • Рассмотрим первый закон термодинамики при адиабатическом процессе. Адиабатические процессы – это процессы сжатия или расширения газа в адиабатических оболочках. Такими оболочками называют сосуды, в которых отсутствует теплообмен с окружающими объектами.

Так как в этом процессе теплота равна нулю, то учитывая законы термодинамики, в частности первый закон, получается, что газ будет совершать работу за счет убыли своей внутренней энергии. Для адиабатического процесса идеального газа, в термодинамике выводится уравнение, которое называется уравнением Пуассона. Первый закон термодинамики представляет собой обобщение опытных факторов. Согласно ему, энергия не может создаваться или уничтожаться, она будет передаваться от системы к системе и превращаться из одной формы в другую.

Вторым началом термодинамики устанавливается наличие в природе ассиметрии, являющейся фундаментальной. То есть это говорит о том, что все происходящие самопроизвольные процессы характеризуются однонаправленностью. Примеры этому находятся вокруг нас: охлаждение горячих тел с течением времени, но при этом холодные сами по себе никогда не станут горячими, подпрыгивающий мяч рано или поздно остановится, а покоящийся никогда не начнет самопроизвольно подскакивать.

Проявляется здесь свойство природы, которое отличается от сохранения энергии. Несмотря на то, что баланс энергии в любом процессе должен сохраняться, изменение распределения имеющейся энергии происходит необратимым образом. В этом и заключается смысл второго закона термодинамики. Любая система, которая предоставлена сама себе, стремится к одному определенному состоянию, при котором система будет находиться в равновесии с окружающей средой.

Существует разная формулировка законов термодинамики, в том числе и у второго закона их несколько. Наиболее общую трактовку этого закона предложил Больцман. В ней говорится о том, что в природе происходит стремление к переходу от состояний менее вероятных к более вероятным. Еще одна формулировка второго закона термодинамики говорит о том, что любой самопроизвольный процесс, происходящий в реальности, необратим. И, исходя из формулировки Планка, делается вывод о невозможности построения «вечного двигателя». Речь в ней идет о том, что нельзя построить машину, периодически действующую, результатом действия которой будет лишь получение механической работы и охлаждение теплового источника.

Функция, которая характеризует меру неупорядоченности системы в термодинамике, то есть неоднородность движения и расположения ее частиц, называется термодинамической энтропией. Изложенные выше законы термодинамики не дают возможности определить значение энтропии при температуре равной нулю, то есть абсолютном нуле температуры.

Поэтому на их основании был найден закон, который устранил это. Он носит название принципа Нернста и говорит о том, что если любой изотермический процесс проведен при абсолютном нуле температуры, то нулю будет равно и изменение энтропии системы. Это не будет зависеть от изменения других параметров (давления, объема, напряженности внешнего силового поля). То есть изотермический процесс при абсолютном нуле температуры является также изоэнтропийным. Планком был развит принцип Нернста. На основании его гипотезы можно определять абсолютные значения энтропии системы, находящейся в произвольно равновесном состоянии.

Термодинамика и ее законы применяется в обширном круге вопросов в области техники и науки. Это двигатели, химические реакции, фазовые переходы, явления переноса, черные дыры. Эти принципы имеют важное значение и для других областей физики и химии, законы термодинамики нужны химической технологии, машиностроению, аэрокосмической технике, клеточной биологии, материаловедению, биомедицинской инженерии.

elhow.ru

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0 , если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0 , если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ? U внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ? U внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q , переданной системе, и работой A , совершенной системой над внешними телами.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода . Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ? U своей внутренней энергии.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

В изохорном процессе ( V = const ) газ работы не совершает, A = 0 . Следовательно,

Здесь U ( T 1) и U ( T 2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом ( Q > 0 ), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам ( Q 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q

В адиабатическом процессе Q = 0 ; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

На плоскости ( p , V ) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой . При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу ( A > 0 ); поэтому его внутренняя энергия уменьшается ( ? U

В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах ( p , V ) это уравнение имеет вид

Это соотношение называют уравнением Пуассона . Здесь ? = C p / C V – показатель адиабаты, C p и C V – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом (см. §3.10). Для одноатомного газа для двухатомного для многоатомного

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T 1 и T 2 начального и конечного состояний:

Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией (см. §3.12). Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ? Q / T , полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ? Q = 0 , энтропия в этом процессе остается неизменной.

Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия (см. §3.3). Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту . На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K . В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде – вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0 , т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0 , т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ? U = 0 , т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температура газа в начальном и конечном состояниях одинакова – точки на плоскости ( p , V ), изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме . Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.

Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса . Его нельзя провести в противоположном направлении.

physics.ru

Законы термодинамики, начала термодинамики, в принципе, — физические законы, описывающие особенности передачи тепла и работы в термодинамических процессах; начиная с концепции стали одними из самых важных во всей физике и других ветвях науки, связанных с термодинамикой; часто связываются с понятиями, далекими от того, что непосредственно заявлено в их формулировке.

Первое установленное начало термодинамики, которое в конечном счете стало «Вторым законом», было сформулировано Сади Карно в 1824. К 1860, в результате открытий в работах Рудольфа Клаузиуса и Вильяма Томсона, было уже два установленных «начала» термодинамики, первое начало и второе начало. Спустя годы, эти начала превратились в «законы». В 1873, например, термодинамик Джозайя Уиллард Гиббс в своей работе «Графические методы в термодинамике жидкостей» ясно заявил о существовании двух абсолютных законов термодинамики: Первого закона и Второго закона.

Теперь, открыто в общей сложности пять законов. За последние 80 лет различные авторы иногда предлагали добавить ещё законы, но ни один из них не был широко признан.

ru.science.wikia.com

Первый закон термодинамики позволяет определить количественные соотношения между различными фор­мами энергии, которые принимают участие в данном процессе. Первый закон термодинамики показывает, что различные виды энергии могут превращаться друг в друга в эквивалентных количествах. Однако он ниче­го не говорит о том, в каком направлении будет проис­ходить превращение энергии в системе, т. е. в каком направлении будет развиваться тот или иной процесс. Ответы на эти вопросы дает второй закон термодинами­ки, обоснованный Карно (1824), развитый Клаузисом (1850), Томсоном (1851), Больцманом (1880) и другими учеными.

Второй закон термодинамики заключается в том, что все процессы превращения энергии протекают с рассеиванием части энергии в виде тепла. На схеме энергетических превращений в организме параллельно со всяким рабочим процессом изображе­но некоторое количество энергии Q1, превращающейся в тепло. Это рассеивание энергии в виде тепла являет­ся необратимым, т. е. в последующем это количество тепла не может быть израсходовано для совершения работы. Например, все виды энергии в организме прев­ращаются в теплоту, которая уже не может быть ис­пользована для совершения работы и выводится из ор­ганизма. Рассеивание энергии в тепло обусловлено тем, что тепло не может быть полностью превращено в дру­гие виды энергии, которые, напротив, могут полностью переходить в тепло. Это происходит потому, что тепло­вая энергия, как уже отмечалось, является наиболее деградированным видом энергии, обусловленным хаоти­ческим движением микрочастиц. Остальные виды энер­гии связаны с упорядоченным движением частиц и мо­гут самопроизвольно и полностью превращаться в теп­ло. Если в системе совершилась работа, то для того чтобы вернуть систему в исходное состояние, необходи­мо ввести энергию извне, поскольку, часть первоначаль­ной энергии необратимо перешла в тепло.

Учитывая вышеописанные явления, термодинамиче­ские процессы разделяют на обратимые и необратимые. Термодинамический процесс считается обратимым, ес­ли обратный переход системы в первоначальное состо­яние не требует дополнительной затраты энергии извне. При обратимом процессе возвращение системы в ис­ходное состояние происходит без каких-либо изменений в окружающей среде. Например, движение груза, подве­шенного на нити, около положения равновесия будет обратимым процессом, если при движении не возникает сил трения. В процессе колебания груза происходит поочередное превращение потенциальной энергии в ки­нетическую и наоборот. Превращение энергии осущест­вляется в эквивалентных количествах: потенциальная энергия маятника в крайнем положении равна кинети­ческой энергии в положении равновесия. Такой маятник может колебаться неограниченно долго.

Термодинамический процесс является необратимым, если обратный переход системы в исходное состояние связан с необходимостью затраты .энергии извне. Рас­смотрим, например, падение тела с некоторой высоты. Находясь на определенной высоте, тело обладает за­пасом потенциальной энергии, которая в процессе па­дения превращается в кинетическую энергию движения тела. При ударе тела о землю его кинетическая энер­гия превращается в тепловую энергию хаотического движения частиц тела .и земли. Обратный процесс, т. е. подъем тела на исходную высоту, не происходит, так как тепловая энергия не может самопроизвольно прев­ратиться в механическую. Упорядоченное движение мо­жет самопроизвольно превратиться в неупорядоченное, а обратный процесс может происходить только в со­провождении других процессов — процессов передачи энергии из внешней среды в систему. Принципиально все мы можем вообразить, что все молекулы тела и земли начнут движение в одну сторону и тело вновь подни­мется на ту высоту, с которой упало. Однако вероят­ность совершения такого процесса настолько мала, что практически он никогда не будет наблюдаться. Приме­рами необратимых процессов являются диффузия, раст­ворение веществ, процессы во всех технических меха­низмах и т. д. При необратимом процессе возвращение системы в исходное состояние всегда сопровождается изменениями в окружающей среде. Среда при этом по­лучаст тепло и отдает какую-либо энергию более упоря­доченного вида. Например, чтобы поднять тело на ис­ходную высоту (в вышеприведенном примере), внеш­ней среде необходимо затратить механическую энергию. Таким образом, обратимые процессы характеризу­ются отсутствием перехода энергии в тепло, а необра­тимые протекают с рассеиванием части энергии в теп­ло. Чем больше энергии переходит в тепло, тем более необратимым является процесс. Строго обратимых про­цессов в природе нет. В примерах обратимого процесса всегда фигурирует какое-либо недостижимое условие (например, отсутствие трения при колебании маятни­ка). Следовательно, обратимый процесс представляет собой такой крайний случай, к которому можно приб­лижаться, но достичь которого никогда не удается. Следует отметить, что термодинамический критерий обратимости процессов не совпадает с биохимическим. В биохимии процесс называют обратимым, если он мо­жет осуществляться в обратном направлении, несмотря на то что возвращение системы в исходное состояние сопряжено с некомпенсированными потерями энергии. Возможность протекания термодинамических про­цессов, их направление и предел могут характеризовать такие параметры состояния системы, как энтропия и свободная энергия. Под энтропией Sпонимается отно­шение тепла Qпроизводимого в обратимом изотерми­ческом процессе, к абсолютной температуре Т, при ко­торой протекает процесс: S=Q/T,

Или, если брать изменение энтропии:

Отсюда: dQ=TdS. Подставляя значение dQ в уравнение первого закона термодинамики, получим:dU=dA+TdS

Член dА обозначает совершенную работу и называет­ся изменением свободной энергии. Обозначив его через dF, получим: dU=dF +TdS

или, если брать не приращения, а абсолютные вели­чины: U=F+TS.

Внутренняя энергия U системы равна сумме свободной энергии F и связанной энергии ТS. Свободная энергия — это та часть внутренней энергии системы, которая мо­жет быть использована для совершения работы. Свя­занная энергия — та часть внутренней энергии, которая не используется для совершения работы, а бесполезно рассеивается в виде тепла. Свободная энергия не яв­ляется особой формой энергии, это только часть общей внутренней энергии, используемая для совершения работы.

Связанная энергия ТS определяется энтропией, ес­ли процессы идут при постоянной температуре. Чем больше энтропия, тем больше количество связанной энергии. А чем больше в системе связанной энергии, тем интенсивнее рассеивание энергии в тепло и тем бо­лее необратимым является процесс. Таким образом, энтропия — это мера рассеивания, деградации энергии, а также мера необратимости процесса.

Если в системе совершается работа, то эта работа совершается за счет свободной энергии и в случае об­ратимого процесса будет равна изменению свободной энергии:

В случае необратимого процесса совершенная работа будет меньше изменения свободной энергии, которая постоянно имеет тенденцию к уменьшению вследствие рассеивания ее в тепло. Второй закон термодинамики обобщает высказанные положения. Он гласит: любой самопроизвольный процесс в изолированной системе приводит к уменьшению свободной энергии, если процесс необратим; если же процесс обратим, то свободная

энергия системы не изменяется. Таким образом, свобод­ная энергия системы либо является постоянной величи­ной, либо имеет тенденцию к уменьшению. Свободная энергия системы может увеличиться лишь за счет по­ступления энергии из внешней среды.

В изолированной системе при протекании необрати­мых процессов свободная энергия уменьшается. Соот­ветственно этому происходит увеличение связанной энергии. Член Fв правой части уравнения все вре­мя уменьшается, а член TS увеличивается. Общее же количество энергии в системе не изменяется, что нахо­дится в соответствии с первым законом термодинамики.

Поскольку мерой связанной энергии является энтропия, то при необратимых процессах энтропия системы будет возрастать. Как отмечает А. Г. Пасынский, увели­чение энтропии “служит как бы платой, взимаемой природой за каждое использование энергии”. Матема­тически второй закон термодинамики можно выразить так:

т. е. изменение энтропии в системе больше или равно нулю. Знак “больше” относится к необратимым процес­сам, а знак равенства — к обратимым. Таким образом, все процессы в природе протекают в направлении уменьшения свободной энергии и увеличения энтропии.

Процессы превращения энергии и совершения рабо­ты в системе будут протекать до тех пор, пока свобод­ная энергия не станет равной нулю, а энтропия — мак­симальному значению. Состояние системы, при котором свободная энергия равна нулю, а энтропия — макси­мальному значению, называется термодинамическим равновесием. В состоянии термодинамического равнове­сия система полностью деградирована и не способна со­вершать работу. Из данного состояния система не мо­жет выйти самопроизвольно — для этого необходим приток энергии извне. В неживой природе все процессы стремятся к состоянию термодинамического равновесия.

Энтропия, кроме того, что она служит мерой рассе­ивания энергии, является мерой вероятности состояния системы, т, е. имеет статистический характер. Стати­стический характер энтропии был установлен Л. Больцманом. По Больцману, энтропия связана с термодинамической вероятностью W логарифмической зависимо­стью:

где к — постоянная Больцмана; 1п — натуральный ло­гарифм (по основанию e = 2,71…),

Термодинамическая вероятность представляет собой количество микросостояний, возможных в пределах дан­ного микросостояния. Это количество способов, комби­наций элементов системы, с помощью которых реали­зуется данное состояние. Все состояния, определяющие термодинамическую вероятность, имеют одинаковую математическую вероятность. Если количество данных состояний системы — тер­модинамическая вероятность—W, а общее количество микросостояний — N, то математическая вероятность Р будет равна их отношению: P=W/N.

Следовательно, между термодинамической и математи­ческой вероятностями имеется линейная зависимость. Если математическая вероятность никогда не превыша­ет единицы, то термодинамическая вероятность выра­жается обычно огромными числами, так как равняется числу всех перегруппировок элементов системы в дан­ном состоянии.

Согласно второму закону термодинамики, необратимые самопроизвольные процессы приводят к увеличе­нию энтропии системы. А увеличение энтропии означа­ет увеличение термодинамической и, следовательно, математической вероятности состояния системы. Таким образом, самопроизвольные процессы приводят к уста­новлению наиболее вероятного состояния системы, при котором энтропия максимальна. Так, в случае состоя­ния газов или растворенных частиц наиболее вероят­ным состоянием является состояние с наиболее беспо­рядочным, равномерным распределением частиц, что соответствует максимуму энтропии.

С другой стороны, чем больше термодинамическая вероятность, т. е. больше способов для достижения дан­ного состояния системы, тем более неупорядоченным является данное состояние. Тогда, согласно второму закону термодинамики, система самопроизвольно может переходить из более упорядоченного в менее упорядо­ченное состояние. Для обратного перехода необходимо поступление энергии извне. Допустим, имеется замкну­тый объем с газом, в котором есть две области с раз­ной концентрацией. Через некоторое время в результа­те самопроизвольного процесса — диффузии — система перейдет в менее упорядоченное и более вероятное со­стояние, при котором молекулы газа будут равномерно распределены по всему объему.

Выше отмечалось, что система совершает работу за счет свободной энергии. Так как свободная энергия мо­жет переходить в любую форму энергии, в том числе и в теплоту, то она не при всех условиях превращается в работу. Необходимым условием полного превраще­ния свободной энергии в работу является наличие ме­ханизмов, обеспечивающих вполне обратимый ход про­изводства работы. Работа, совершаемая при обрати­мом процессе, является максимально возможной и в точности равняется происходящему при этом уменьше­нию свободной энергии системы. При обратимом про­цессе система производит на каждом его этапе такую же внешнюю работу, которую нужно затратить, чтобы вернуть ее в исходное состояние. По существу, мерой произведенной работы является достигнутое в результа­те ее приращение свободной энергии какого-либо дру­гого вида. При необратимом процессе часть свободной энергии рассеивается в тепло, и совершенная работа бы­вает меньше, чем уменьшение свободной энергии, за­траченной на эту работу. Отношение произведенной ра­боты к изменению свободной энергии, израсходованной на эту работу, называется коэффициентом полезного действия

КПД представляет собой отношение количества сво­бодной энергии, “использованной по назначению”, к об­щему количеству израсходованной свободной энергии. Согласно второму закону термодинамики, КПД обра­тимых, процессов равен единице, а КПД необратимых процессов меньше единицы.

Биофизические и биохимические процессы, протека­ющие в живых организмах, с точки зрения термодина­мики являются необратимыми. Их КПД меньше еди­ницы. При совершении работы в организме часть сво­бодной энергии, используемой для этого, рассеивается в тепло. Ниже приведены максимальные величины КПД некоторых биологических процессов.

Окисление питательных веществ в организме обус­ловливает образование макроэргических связей. Это процесс запасания организмом свободной энергии. В последующем химическая энергия АТФ используется для совершения работы. В одних случаях энергия гид­ролиза АТФ непосредственно используется для совер­шения работы (например, при мышечном сокращении, синтезе веществ), в других случаях она вначале расхо­дуется для создания различных градиентов. Между этими двумя процессами нет принципиальной разницы, поскольку возникновение и поддержание градиента — это процесс совершения работы за счет энергии АТФ. Градиент Г какого-либо параметра системы представля­ет собой отношение разности величин ?Ф этого пара­метра в двух точках к расстоянию ?х между ними: Г= Ф/?х

Так, например, если вещество неравномерно распреде­лено по какому-либо объему и его концентрация в од­ной точке равна С1 а в другой точке—С2,, то концент­рационный градиент Г будет равен

где х1х2 расстояние между данными точками. Гра­диент— понятие, родственное понятию “скорость”. Ско­рость характеризует изменение величины параметра во времени, градиент — в пространстве. Как и скорость,

градиент— векторная величина и имеет направление от большего значения параметра к меньшему.

Все живые клетки обладают концентрационными, осмотическими и электрическими градиентами. Кон­центрационные градиенты возникают в результате работы механизмов активного переноса веществ — “насосов клетки”, использующих энергию АТФ. В качестве примеров концентрационных градиентов могут быть приведены градиенты ионов калия и натрия. Концент­рация ионов калия в цитоплазме выше, чем в межкле­точной жидкости, т, е. имеется концентрационный градиент калия, направленный из клетки наружу. Концент­рационный градиент натрия имеет обратное направле­ние.

Любая термодинамическая система может совер­шать работу лишь тогда, когда в ней есть градиенты. Величина свободной энергии Fсистемы определяется величиной градиента:

где Ф1 и Ф2 — значения параметра, определяющие гра­диент. Совершение работы в системе всегда связано с реализацией энергии какого-либо градиента. Например, генерирование потенциала действия связано с реализа­цией энергии концентрационного градиента натрия и калия. В первый момент возбуждения диффузия ионов натрия по градиенту приводит к деполяризации и ин­версии заряда мембраны, затем за счет диффузии ионов калия в обратном направлении мембранный потенциал возвращается к исходному значению. За счет концентрационных и электрических градиентов осуществляется также проведение возбуждения по клет­ке. С реализацией энергии электрических градиентов связаны такие процессы, как ионофорез, электрофорез, электроосмос. При наличии осмотического градиента возникает явление осмоса. Осмотический градиент и тургорные явления обусловливают движение частей растений.

Если совершается работа, то градиент, за счет энер­гии которого это происходит, уменьшается и возника­ет другой градиент, противоположного направления. Так, за счет концентрационного градиента калия про­исходит .его диффузия из цитоплазмы в межклеточную жидкость. При этом возникает электрический градиент (мембранная разность потенциалов) противоположного направления. Если процессы в системе обратимы, тп возникающий градиент имеет ту же величину, что и вызывающий его, При необратимых процессах возника­ющий градиент будет меньше, что означает уменьшение свободной энергии системы и возрастание энтропии. Общий термодинамический градиент системы, харак­теризующий ее работоспособность, в этом случае умень­шается. Так как все реальные процессы необратимы, то, согласно второму закону термодинамики, в изоли­рованной системе все процессы протекают в направле­нии уменьшения градиентов. Примеры таких процессов широко известны. Так, диффузия веществ всегда про­исходит из области большей концентрации вещества в область меньшей; тепло передается от более нагретого к менее нагретому телу и т. д. В состоянии термоди­намического равновесия градиенты в системе отсутству­ют. При отмирании клетки ее градиенты уменьшаются, в погибших клетках они отсутствуют.

В течение длительного времени считали, что второй закон термодинамики неприменим к биологическим си­стемам. Согласно этому закону, в системах могут про­исходить лишь процессы, связанные с рассеиванием энергии, связанные с уменьшением свободной энергии. Эти процессы приводят к уменьшению градиентов, к понижению работоспособности системы и в конечном счете к установлению термодинамического равновесия. Однако в организме происходят как градиентные про­цессы (например, пассивный транспорт веществ), так и противоградиентные (например, активный транспорт веществ). Работоспособность биологических систем так­же не уменьшается со временем — их жизнедеятель­ность продолжается годы и десятилетия. С точки зрения классической термодинамики, жизнь — невероятное со­стояние. Все процессы в системе должны приближать ее к термодинамическому равновесию, что применитель­но к живым организмам означает приближение к смер­ти. Однако это только кажущиеся несоответствия. Они объясняются тем, что законы классической термодина­мики были разработаны для изолированных систем, я живые организмы являются открытыми системами, ко­торые обмениваются с окружающей средой энергией и веществом. В связи с этим термодинамика живых организмов может быть рассмотрена как термодинамика открытых систем. Теория открытых систем была разра­ботана в последние 15 лет Колосовским, Де Доиде, И. Пригожиным.

Открытая система обменивается с окружающей сре­дой веществом и энергией. Поэтому общее изменение свободной энергии dFи энтропии dSв такой системе разделяется па две части: dFiи dSi изменение сво­бодной энергии и энтропии, обусловленное протеканием биохимических и биофизических процессов внутри си­стемы: dFeи dSe изменение свободной энергии и энт­ропии, обусловленное взаимодействием с окружающей средой:

Так как все биохимические и биофизические процессы в организме являются необратимыми — протекающими с рассеиванием части энергии в тепло, то в результате этого свободная энергия системы непрерывно уменьша­ется, а энтропия возрастает, или: dFi 0. Но в организме протекают и противоградиентные процес­сы, сопровождающиеся увеличением свободной энергии, например перенос веществ против градиентов концент­рации, синтез различных высокомолекулярных соедине­ний. Однако противоградиентные процессы в организме всегда имеют локальный, местный характер. Они всег­да сопряжены с процессами, протекающими по гради­енту. Например, активный перенос ионов — это противоградиентный процесс, приводящий к запасанию сво­бодной энергии. Но этот процесс сопряжен с процессом гидролиза АТФ. При этом эффективность превращения энергии AТФ не достигает 100% и общий термодинами­ческий потенциал (свободная энергия) системы умень­шается. Таким образом, эта оговорка не изменяет об­щего правила, согласно которому протекание суммар­ного процесса в организме сопровождается уменьше­нием свободной энергии и возрастанием энтропии. Ес­ли бы организм не обменивался энергией и веществом с окружающей средой, то он бы неуклонно приближался к термодинамическому равновесию, Этого не происхо­дит, поскольку свободная энергия открытой системы постоянно восполняется за счет поступления из внеш­ней среды, а энтропия, продуцируемая внутри организма, постоянно выводится во внешнюю среду. Или: dFe>0, а dSе dSi, то

dS 0. Таким образом, энтропия в организме может оставаться постоянной величиной, может увеличиваться и может даже уменьшаться, если поток, отрицательной энтропии из среды, в организм больше потока энтропии, образу­ющейся в организме. Во всех случаях энтропия системы “организм — среда” возрастает, что находится в полном соответствии со вторым законом термодинамики.

Данное уравнение является математическим выраже­нием второго закона термодинамики для живых орга­низмов. Он гласит: скорость изменения энтропии в ор­ганизме равна алгебраической сумме скорости произ­водства энтропии внутри организма и скорости поступ­ления отрицательной энтропии из среды з организм.

Для нас важно такое состояние открытой системы, когда скорость производства энтропии внутри системы равна скорости поступления отрицательной энтропии из среды в систему:

При этом общее изменение энтропии и свободной энер­гии внутри системы равно нулю. Состояние системы, при котором параметры ее со временем не изменяются, но происходит обмен веществом и энергией с окружа­ющей средой, называется стационарным.

Уравнение является уравнением стационарного состояния. Сходство стационарного состояния и термодинамиче­ского равновесия заключается в том, что параметры системы во времени не меняются как в том, так и в дру­гом случае. Но постоянство параметров при стационар­ном состоянии достигается не в результате отсутствия всяких направленных процессов, как при термодинами­ческом равновесии, а в результате того, что процессы протекают, но скорости и направления этих процессов постоянны и взаимно уравновешены.

Живой организм представляет собой открытую тер­модинамическую систему, которая находится в стацио­нарном состоянии. Для живого организма характерно постоянство параметров состояния во времени, которое в биологии называется гомеостазом. По существу, гомеостазэто стационарное состояние организма. В стационарном состоянии организм теплокровных на­ходится по таким показателям, как химический состав

Пример: закрытый сосуд, часть объема которого занимает жид­кость, а часть — пар

1. Отсутствие потока веществ в среду и из среды

2. Не нужна трата свободной энергии для поддержания рав­новесия

3. Свободная энергия и работо­способность системы равны ну­лю

4. Энтропия в системе равна мак­симальному значению

5- Отсутствие градиентов в систе­ме

Пример: горящая свеча, горя­щая керосинка, живой орга­низм

1. Постоянный приток веществ в систему и удаление про­дуктов реакции

2. Нужна постоянная трата свободной энергии для под­держания равновесия

3. Свободная энергия и рабо­тоспособность системы по­стоянны и не равны нулю

4. Энтропия в системе посто­янна и не равна максималь­ному значению

5. Наличие постоянных гради­ентов в системе внутренней среды, осмотическое давление и рН крови, температура тела и пр. Стационарное состояние прису­ще не только внутренней среде организма, но и всем его клеткам, которые характеризуются постоянством концентрационных, осмотических, электрических гради­ентов и других физико-химических показателей. Наконец, в стационарном состоянии находится вся сеть биохимических превращений в организме. Как было отмечено, в организме протекают необратимые процессы. Вследствие этого скорость производства энтропии и в органи змее больше нуля:

И. Пригожин на основе изучения открытых систем сформулировал основное свойство стационарного состо­яния: в стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленного протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из воз­можных значений. Это положение получило название теоремы Пригожина. Энтропия является мерой рассеи­вания свободной энергии. Следовательно, при стационарном равновесии рассеивание свободной энергии бы­вает минимальным. Система для поддержания стацио­нарного состояния требует минимального из всех воз­можных значений притока свободной энергии. Организм стремится работать на наиболее выгодном энергетиче­ском уровне. Это свойство имеет большое значение для поддержания устойчивости стационарного состояния. Если система почему-либо отклонится от стационарно­го состояния, то в силу стремления системы к мини­мальному производству энтропии в ней наступят внут­ренние изменения, которые будут приближать систему к стационарному состоянию. Это свойство стационар­ной системы называется аутостабилизацией, а выска­занное положение известно под названием принци­па Ле-Шателье — Брауна. Он представляет собой рас­ширение принципа Ле-Шателье на необратимые ре­акции.

Для случая химического равновесия он гласит: при действии на систему сил, вызывающих нарушение рав­новесия, система переходит в такое состояние, в кото­ром эффект внешнего воздействия ослабляется. Напри­мер, при повышении температуры равновесие смещает­ся -в сторону реакций, .идущих с поглощением тепла, а при повышении давления — в сторону реакций, идущих с уменьшением объема; в обоих случаях .конечные при­росты температуры и давления будут меньше ожи­даемых.

Стационарное состояние организмов поддерживает­ся с помощью механизмов авторегулирования, имею­щих отрицательную обратную связь. Работа таких ме­ханизмов у млекопитающих хорошо известна. Так, например, повышение температуры внешней среды, дей­ствуя на механизмы терморегуляции, приводит к умень­шению организмом теплопродукции и к увеличению теп­лоотдачи. За счет этого температура тела гомойотермных животных поддерживается постоянной в широком интервале изменений температуры среды. Вдыхание воздуха, содержащего повышенное количество углекис­лого газа, не приводит к стойкому увеличению его на­пряжения в крови. Углекислый газ, действуя на хеморецепторы, усиливает возбуждение дыхательного центра и интенсивность газообмена, что приводит к снижению напряжения углекислого газа в крови до нормы. По­ступление в организм с пищей большого количества солей не изменяет замет­ным образом осмотичес­кого давления крови, по­скольку почки в этом слу­чае начинают выводить гипертоническую мочу и компенсируют избыточное поступление солей.

Если биологическая система испытывает не­большое внешнее воздей­ствие, то уровень стацио­нарного состояния сохра­няется. В случае действия возмущений система пере­ходит от одного уровня стационарного состояния к другому, более выгодно­му при новых условиях.

При этом все уровни лежат в пределах физиологичес­ких норм отклонений.

Строго говоря, как переходные, так и стационарные процессы имеют колебательный характер; величина ко­лебаний определяется совершенством ауторегулирующих механизмов .

Описанный выше тип стационарного состояния на­зывается устойчивым. Ему соответствует минимальная скорость производства энтропии. Описанно также не­устойчивое стационарное состояние, которое характеризуется максимальной скоростью приращения эн­тропии.

Для того чтобы неустойчивое стационарное состояние оставалось стационарным, необходим значительный приток свободной энергии для компенсации в системе энтропии с максимальной величиной прироста. Для ус­тойчивого стационарного состояния характерно нали­чие в системе отрицательной обратной связи, а для не­устойчивого — наличие механизма само усиления, рабо­тающего по типу положительной обратной связи. Внеш­ние воздействия вызывают в неустойчивой стационар­ной системе нарастающие изменения, в результате ко­торых система переходит или в устойчивое стационар­ное состояние, или в состояние термодинамического равновесия.

Примером неустойчивого стационарного процесса яв­ляется диффузия ионов через возбудимую мембрану при ее критической деполяризации. Деполяризация мем­браны приводит к усилению диффузии натрия, что в свою очередь еще больше изменяет мембранный потен­циал. Процесс развивается с ускорением до достижения равновесного по натрию мембранного потенциала.

Другими примерами неустойчивых стационарных процессов являются аутокаталитические реакции и выделение в кровь адреналина при стрессе.

В целом организм находится в устойчивом стацио­нарном состоянии, которое, как отмечалось, поддержи­вается механизмами ауторегулирования. При этом ауторегулирующие механизмы организма способны удер­живать стационарное состояние только в некоторых пределах внешних воздействий.

Совершенством ауторегулирующих механизмов орга­низма определяются границы физических условий внешней среды, в которых может существовать организм. Это такие условия, как температура, газовый состав, кон­центрации различных веществ, освещенность и т. д. Если ауторегулирующие механизмы способны поддерживать стационарное состояние биологической системы при дан­ном изменении внешних условий, то организм адаптиру­ется к этим условиям и выживает; в противном случае в организме происходят определенные изменения и на­ступает его гибель.

www.my-ref.net