МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ РЕФЕРАТ на тему: Избранные разделы термодинамики.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ
РЕФЕРАТ
на тему: Избранные разделы термодинамики.
Представление о термодинамически открытых системах.
Выполнила:
Проверила:
2002 г.
2
План
Введение
1. Основы термодинамики
2. Термодинамика биологических процессов
Заключение
Список литературы
3
Введение
Термодинамика – это наука, которая рассматривает общие закономерности превращения энергии в форме тепла и работы между телами.
В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, в которых параметры не изменяются во
времени. Однако в открытых системах реакции и соответствующие энергетические превращения происходят постоянно, и поэтому здесь необходимо знать скорости трансформации энергии в каждый момент времени.
Это значит, что в энергетических расчетах надо учитывать и фактор времени.
В открытых биологических системах постоянно происходит процесс
обмена энергией с внешней средой. Внутренние метаболические процессы также сопровождаются превращениями одних форм энергии в другие. Например, трансформация энергии кванта света в энергию электронного возбуждения молекул пигментов, а затем в энергию химических связей восстановленных соединений в фотосинтезе или преобразование
энергии электрохимического трансмембранного потенциала в энергию
АТФ в биологических мембранах.
Механизмы трансформации энергии в биоструктурах связаны с конформационными превращениями особых макромолекулярных комплексов. Помимо выяснения детального характера происходящих здесь процессов, особый интерес представляют общие характеристики эффективности преобразования энергии в таких макромолекулярных машинах. На
эти вопросы призвана ответить термодинамика биологических процессов
- один из разделов теоретической биофизики.
Таким образом законы термодинамики с успехом применяются не
только в классической физике, но и в биологии. В связи с этим пред-ставляет огромный интерес исследование термодинамических процес-сов в
живых организмах, которые являются открытыми системами. Вот почему
я выбрала данную тему реферата.
4
1. Основы термодинамики
Как было сказано выше, термодинамика – это наука о закономерностях превращения энергии. В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы. Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой. Все тела находящиеся за пределами
границ рассматриваемой системы называются окружающей средой.
Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находится в разных состояниях, (например: лед – вода – пар,
одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества – так называемые параметры состояния.
Основными параметрами состояния вещества являются:
 Температура тел (Т) - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами. В настоящее время в мире
существует несколько температурных шкал и единиц измерения температуры. Наиболее распространенная в Европе шкала Цельсия, где
нулевая температура – температура замерзания воды при атмосферном давлении, а температура кипения воды при атмосферном давлении принята за 100 градусов Цельсия (° С).
 Давление (Р) - представляет собой силу, действующую по нормали к
поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.
Для измерения давления применяются различные единицы измерения. В стандартной системе измерения СИ единицей служит Паскаль
(Па).
 Плотность – отношение массы вещества к объему занимаемому эти
веществом.
 Удельный объем (v) - величина обратная плотности т.е. отношение
объема занятого веществом к его массе.
5
Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит
термодинамический процесс.
Основные термодинамические параметры состояния Р, v, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния: F (P, v, Т). Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:
P×v=R×T
где: P - давление; v – удельный объем; T – температура; R – газовая постоянная (у каждого газа свое значение).
Если известно уравнение состояния, то для определения состояния
простейших систем достаточно знать две независимые переменные из
трех Р = f1 (v, Т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р)
Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы,
линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.
Тела, участвующие в рабочем процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, других - уменьшается.
Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами:
 Первый способ передачи энергии осуществляется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел (или
лучистым переносом при помощи электромагнитных волн). Энергия
передается от более нагретого тела к менее нагретому. Энергия кинетического движения молекул называется тепловой, поэтому такой способ передачи энергии называется передачей энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученной телом в форме теплоты называется подведенной теплотой (сообщенной), а количество энергии, отданное телом в форме теплоты - отведенной теплотой (отнятой).
6
Обычное обозначение теплоты Q, размерность Дж. В практических
расчетах важное значение приобретает отношение теплоты к массе –
удельная теплота (q) размерность Дж/кг. Подведенная теплота - положительна, отведенная - отрицательна.
 Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей
или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело
должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой
объем под действием внешнего давления. Этот способ называется передачей энергии в форме работы. Если в качестве примера тела рассматривать газ в сосуде с поршнем то в случае приложения внешней
силы к поршню происходит сжатие газа – работа совершается над телом, а в случае расширения газа в сосуде работу, перемещение
поршня, совершает само тело (газ). Количество энергии, полученное
телом в форме работы называется совершенной над телом работой,
а отданная - затраченной телом работой. Количество энергии в форме
работы обычно обозначается L размерность Дж. Удельная работа - отношение работы к массе тела обозначается l размерность – Дж/кг.
Рабочее тело – это определенное количество вещества, которое
участвуя в термодинамическом цикле совершает полезную работу.
Передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к
другому, связанная с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения
называется работой процесса.
Рассмотрим основные законы термодинамики.
Первый закон термодинамики гласит: В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.
Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется
и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого за-
7
кона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением
энергии в другой системе тел. Любая форма движения способна и
должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии).
В соответствии с первым законом термодинамики, вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода
понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии).
Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.
В прошлом столетии Гибсс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию - энтальпию. Энтальпия - это сумма внутренней энергии
тела и произведения давления на объем:
I = U + PV;
где: I – энтальпия; U – внутренняя энергия; P – давление; V -объем.
Удельная энтальпия i - это отношение энтальпии тела к его массе.
Удельная энтальпия это параметр состояния. Значение удельной энтальпии пара и воды при определенном давлении и температуре можно
найти в справочнике. Пользуясь этими данными, можно определить количество теплоты участвующее в процессе или работу процесса.
Теплота q не является функцией состояния, количество теплоты
выделившейся или поглотившейся в процессе зависит от самого процесса. Функцией состояния является энтропия (S) размерность [Дж/К]:
dS = dQ/T
где dS – дифференциал энтропии; dQ – дифференциал теплоты; Т – абсолютная температура.
Удельная энтропия - отношение энтропии тела к его массе. Удельная энтропия s является справочной величиной. Удельная энтропия -
8
функция состояния вещества, принимающая для каждого его состояния
определенное значение:
s = f (Р, v, Т) [Дж/(кг x K)]
Удельную энтропию можно применять совместно с одним из основных параметров для графического изображения процессов.
Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при
которых возможны эти превращения. Повседневные наблюдения и
опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным (до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.
Второй закон термодинамики заключается в том, что все процессы
превращения энергии протекают с рассеиванием части энергии в виде
тепла. Согласно этому закону, вечный двигатель второго рода невозможен (под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая
могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1).
Второй закон термодинамики дает критерий направленности самопроизвольных необратимых процессов. Всякое изменение состояния системы описывается соответствующим изменением особой функции состояния - энтропии S:
dS = dQ/T  0
В изолированных системах dQ = 0 и, следовательно, dS = 0. В этом
и состоит эволюционный критерий направленности необратимых изменений в изолированных системах, которые всегда идут с увеличением энтропии до ее максимальных значений при окончании процесса и установлении термодинамического равновесия. Увеличение энтропии означает
падение степени упорядоченности и организованности в системе, ее хаотизацию.
9
2. Термодинамика биологических процессов
Применение второго закона к биологическим системам в его классической формулировке приводит, как кажется на первый взгляд, к парадоксальному выводу, что процессы жизнедеятельности идут с нарушением принципов термодинамики.
В самом деле, усложнение и увеличение упорядоченности организмов в период их роста сопровождаются кажущимся уменьшением, а не
увеличением энтропии, как должно было бы следовать из второго закона.
Однако увеличение энтропии в необратимых самопроизвольных
процессах происходит в изолированных системах, а биологические системы являются открытыми. Проблема поэтому заключается в том,
чтобы, во-первых, понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе, а во-вторых, выяснить, можно ли
предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в том, что необходимо учитывать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в
открытой системе.
Постулат И. Р. Пригожина состоит в том, что общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за
счет процессов обмена с внешней средой (deS ), либо вследствие внутренних необратимых процессов (diS ):
dS = deS + diS.
Во всех реальных случаях diS > 0, и только если внутренние процессы идут обратимо и равновесно, то diS = 0. Для изолированных систем
deS = 0, и в результате приходим к классической формулировке второго
закона:
dS = diS = 0.
В клеточном метаболизме всегда можно выделить такие две группы
процессов. Например, поступление извне глюкозы, выделение наружу
10
продуктов ее окисления (deS) и окисление глюкозы в процессах дыхания
(diS). В фотосинтезе приток свободной энергии света приводит к уменьшению энтропии клетки deS < 0, а процессы дыхания, диссимиляции в
клетке увеличивают ее энтропию diS > 0.
В зависимости от соотношения скоростей изменения deS и diS общая энтропия dS открытой системы может либо увеличиваться, либо
уменьшаться со временем.
Если единственной причиной необратимости и увеличения энтропии системы являются ее внутренние процессы, то они ведут к уменьшению ее термодинамического потенциала.
Можно показать, что скорость возникновения положительной энтропии внутри открытой химической системы зависит от химического сродства А и скорости реакции u. Химическое сродство А определяется разностью химических потенциалов реагентов реакции, то есть ее движущей
силой. Скорость образования в системе положительной энтропии в ходе
необратимого химического процесса прямо пропорциональна его движущей силе A и скорости u. Очевидно, что величина diS / dt является, вообще говоря, переменной, поскольку в ходе химической реакции все
время изменяются переменные концентрации реагирующих веществ, а
следовательно, и зависящие от них величины А и u.
Между движущими силами и скоростями (потоками) должна, очевидно, существовать взаимосвязь, при которой увеличение (уменьшение) движущей силы вызывает соответствующее увеличение (уменьшение) скорости процесса. Это относится не только к химическим реакциям,
но и к другим необратимым процессам.
Например, процессы переноса тепла и диффузии вещества через
мембрану из одной фазы в другую включают движущие силы - градиенты
температуры и концентраций, а потоки соответствуют переносу тепла
или вещества между двумя фазами. Если система находится вблизи равновесия, где величины движущих сил и потоков очень малы, то между
ними имеется прямая пропорциональная зависимость:
11
J = LX,
где L - постоянный линейный коэффициент, Х - движущая сила, J - величина потока.
Если в открытой системе вблизи равновесия протекают одновременно несколько процессов, то между ними существуют термодинамические соотношения, отражающие их взаимное влияние. Для двух процессов (J1 , X1) и (J2 , X2) эти соотношения имеют вид:
J1 = L11X1 + L12X2 ,
J2 = L21X1 + L22X2 ,
где постоянные коэффициенты L11 , L22 отражают зависимость потока
от своей силы, а коэффициенты L12 , L21 соответствуют взаимному влиянию силы одного процесса на поток другого процесса. Они носят название коэффициентов взаимности Онзагера. Вблизи равновесия:
L12 = L21 .
Таким образом, можно установить количественную связь между одновременно протекающими в клетке процессами, не зная их молекулярных механизмов.
Согласно теореме Пригожина, в стационарном состоянии положительная функция diS / dt принимает минимальное положительное значение. Следовательно, по мере приближения к стационарному состоянию
скорость образования энтропии внутри открытой системы монотонно
уменьшается, постепенно приближаясь к своему минимальному положительному значению. В этом состоит критерий направленности необратимых процессов в открытых системах, находящихся вблизи равновесия,
где справедливы соотношения Онзагера.
Определить возможность самопроизвольного перехода изолированной системы между двумя состояниями можно методами классической термодинамики, сравнивая значение энтропии этих состояний. В открытой системе возникают стационарные состояния, которые могут находиться далеко от термодинамического равновесия. Вопрос о возможности перехода открытой системы из некоторого начального в конечное
12
стационарное состояние можно решить на основе теоремы Пригожина,
если оба состояния лежат вблизи термодинамического равновесия. Однако вдали от равновесия уже нельзя сделать однозначных выводов о
том, как меняется скорость образования энтропии при приближении к
стационарному состоянию. Эволюция таких неравновесных динамических систем определяется прежде всего кинетикой взаимодействия составных элементов, а не статистической упорядоченностью начального
и конечного состояния системы согласно классической термодинамике.
Такие системы имеют ограниченное число конечных состояний и ведут
себя наподобие химических машин. Поэтому распространение идей термодинамики на неравновесные системы может дать лишь дополнительную характеристику далеких от равновесия стационарных состояний, положение и пути достижения которых определяются кинетическими уравнениями.
По мере удаления от равновесия будут расти величины X и J и система может удалиться от равновесия и покинуть область линейной термодинамики, не теряя общей устойчивости. Возможно, однако, что при
удалении от равновесия в системе наступает бифуркационное изменение и возникает неустойчивость. Возникает, как говорят, термодинамическая флуктуация, уводящая систему от неустойчивой точки, что может
стать причиной распада системы. Однако при определенных значениях
параметров эта флуктуация как бы дает толчок, переводящий систему к
новому состоянию, которому и передается устойчивость. Например, появлению предельного цикла, возникновению диссипативных структур в
распределенных системах также предшествует нарушение термодинамической устойчивости вдали от равновесия. Наконец, переходы между
устойчивыми стационарными состояниями происходят на границе устойчивости, когда система совершает скачкообразный переход между ними.
Таким образом, термодинамические признаки устойчивости стационарных состояний совпадают с соответствующими математическими
признаками и могут служить их дополнительной характеристикой. Однако
13
вдали от равновесия не существует общих термодинамических критериев направления движения открытой системы, поскольку ее поведение
определяется динамическими свойствами и механизмами регуляции, а
не общими статистическими закономерностями, как во втором законе
классической термодинамики. Эта особенность обусловливает также и
сложность применения понятий энтропии и информации при описании
общих свойств биологических систем.
Согласно формуле Больцмана, энтропия определяется как логарифм числа микросостояний, возможных в данной макроскопической системе:
S = kБ ln W,
где kБ = 1,38 х 10-16 эрг/град, или 3,31 х 10-24 энтропийных единиц (1 э.е.=
1 кал/град = 4,1 Дж/К), или 1,38 х 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, W число микросостояний (например, число способов, которыми можно разместить молекулы газа в сосуде). Именно в этом смысле энтропия есть
мера неупорядоченности и хаотизации системы. В реальных системах
существуют устойчивые и неустойчивые степени свободы. Им соответствуют, например, твердые стенки сосуда и молекулы заключенного в
нем газа.
Понятие энтропии связано именно с неустойчивыми степенями, по
которым возможна хаотизация системы, а число возможных микросостояний намного больше единицы. В полностью устойчивых системах реализуется только одно-единственное решение, то есть число способов, которыми осуществляется это единственное макросостояние системы,
равно единице (W = 1), а следовательно, энтропия равна нулю. В биологии использовать понятие "энтропия", а следовательно, и термодинамические представления можно только по отношению к конкретным метаболическим процессам, а не для описания в целом поведения и общебиологических свойств организмов.
14
Связь энтропии и информации в теории информации была установлена для статистических степеней свободы. Допустим, что была получена информация о том каким конкретно способом, из всех возможных,
осуществлено данное макросостояние системы. Очевидно, количество
информации, которое при этом получают, будет тем больше, чем больше
была исходная неопределенность, или энтропия, системы. Согласно теории информации, в этом случае количество информации о единственном
реальном состоянии системы имеет вид:
I = log2 W.
За единицу количества информации (бит) принимается информация, содержащаяся в достоверном сообщении, когда число исходных возможных состояний было равно W = 2:
I = log2 W = 1 бит.
Теперь попытаемся формально оценить количество информации,
содержащейся в теле человека, где имеется 1013 клеток. С помощью
формулы получим величину
I = log2 (1013) ~ 1013 log2 1013 ~ 4 х 1014 бит.
Такое количество информации необходимо было бы исходно получить, чтобы осуществить единственно правильное расположение клеток
в организме. Этому эквивалентно весьма незначительное снижение энтропии системы.
Если считать, что в организме осуществляется также уникальный
характер расположения аминокислотных остатков в белках и нуклеиновых остатков в ДНК, то общее количество информации, содержащейся в
теле человека, составит
I = 1,3 х 1026 бит,
что эквивалентно небольшому понижению энтропии. В процессах метаболизма это снижение энтропии легко компенсируется увеличением энтропии при окислении 900 молекул глюкозы. Таким образом, формально
сопоставление формул показывает, что биологические системы не обладают какой-либо повышенной информационной емкостью по сравнению
15
с другими неживыми системами, состоящими из того же числа структурных элементов. Этот вывод на первый взгляд противоречит роли и значению информационных процессов в биологии.
Однако связь между I и S справедлива лишь по отношению к информации о том, какое из всех W микросостояний реализовано в данный
момент. Эта микроинформация, связанная с расположением всех атомов
в системе, на самом деле не может быть запомнена и сохранена, поскольку любое из таких микросостояний быстро перейдет в другое из-за
тепловых флуктуаций. А ценность биологической информации определяется не количеством, а прежде всего возможностью ее запоминания, хранения, переработки и дальнейшей передачи для использования в жизнедеятельности организма.
Основное условие восприятия и запоминания информации - способность рецепторной системы переходить вследствие полученной информации в одно из устойчивых состояний, заранее заданных в силу ее
организации. Поэтому информационные процессы в организованных системах связаны только с определенными степенями свободы. Сам процесс запоминания информации должен сопровождаться некоторой потерей энергии в рецепторной системе для того, чтобы она могла в ней сохраниться достаточное время и не теряться вследствие тепловых флуктуаций. Именно здесь и осуществляется превращение микроинформации, которую система не могла запомнить, в макроинформацию, которую
система запоминает, хранит и затем может передать другим акцепторным системам. Как говорят, энтропия есть мера множества незапоминаемых системой микросостояний, а макроинформация - мера множества
их состояний, о пребывании в которых система должна помнить.
Информационная емкость в ДНК, например, определяется не
только количеством определенных нуклеотидов, а общим числом микросостояний, включающих колебания всех атомов цепочки ДНК. Процесс
запоминания информации в ДНК - это фиксация определенного располо-
16
жения нуклеотидов, которое устойчиво вследствие образующихся химических связей в цепочке. Дальнейшая передача генетической информации осуществляется в результате биохимических процессов, в которых
диссипация энергии и образование соответствующих химических устойчивых структур обеспечивают эффективность биологической переработки информации.
В целом информационные процессы широко распространены в биологии. На молекулярном уровне они протекают не только при запоминании и переработке генетической информации, но и при взаимном узнавании макромолекул, обеспечивают специфичность и направленный характер ферментативных реакций, имеют важное значение при взаимодействии клеточных мембран и поверхностей. Физиологические рецепторные процессы, играющие самостоятельную информационную роль в жизнедеятельности организма, также основаны на взаимодействиях макромолекул. Во всех случаях макроинформация возникает исходно в виде
конформационных изменений при диссипации части энергии по определенным степеням свободы во взаимодействующих макромолекулах. В
результате макроинформация оказывается записанной в виде набора
достаточно энергетически глубоких конформационных подсостояний, которые позволяют сохранять эту информацию в течение времени, необходимого для ее дальнейшей переработки. Биологический смысл этой
макроинформации реализуется уже в соответствии с особенностями организации биологической системы и конкретными клеточными структурами, на которых разыгрываются дальнейшие процессы, приводящие в
итоге к соответствующим физиолого-биохимическим эффектам.
17
Заключение
Биологическое разнообразие Земли недвусмысленно указывает на
поступательное движение химической эволюции, которая продолжается
на своем очередном, теперь уже биологическом этапе развития. И хотя
это качественно иная стадия эволюции, тем не менее, общие принципы
структурного построения, которые биологические формы унаследовали
от неживой материи, явственно проступают на всех ступенях филогенеза. Прежде всего, это относится к физико-химическим особенностям
молекулярного взаимодействия. Если в конкуренции за исходные ресурсы, на образование какого-либо вещества тратится меньше времени,
то это вещество и становится доминирующим в конкретном пространстве.
Скорость формирования структуры является признаком энергетически более выгодного молекулярного сочетания, по сравнению с другими типами химических реакций. А согласно законам энтропии, сходство
биогенных и абиогенных форм материи особенно заметно в их стремлении к нахождению баланса со средой, нацеленной, как известно, на достижение максимальной неупорядоченности. Это проявляется в виде
термодинамически устойчивого состояния элементов системы и одновременно в виде ее условного противостояния "агрессивным" окружающим факторам. Правда, это становится возможным, если энергия связи
между элементами системы превышает энергию внешних сил.
Биологическая структура, как раз и является той самой открытой нелинейной системой, которая препятствует своему разрушению за счет
способности к самоорганизации. Но расплатой за устойчивость и прочие
преимущества живой материи, является зависимость от поступления
энергии извне, как необходимого условия существования неравновесной
биосистемы. Фактически, жизнь есть не что иное, как система по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей
среды.
18
Список литературы
1. Блюменфельд Л.А. Информация, термодинамика и конструкция биологических систем // Соросовский Образовательный Журнал. - 1997. № 7.
2. Губин В.Б. История с энтропией // Философские науки. - 1997. - № 3.
3. Губин В.Б. Энтропия как характеристика управляющих действий //
Журнал физической химии. - 1980. - Т. 54. - № 6.
4. Пригожин И. Время, структура и флуктуации // Успехи физических
наук. - 1980. - Т. 131. - Вып. 2.
5. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Соросовский Образовательный Журнал. - 1997. - № 5.
6. Труды семинара "Время, хаос и математические проблемы". Вып. II. М.: Книжный дом "Университет", 2001.