Лекция №4. Термодинамика биологических систем. Лекции по биофизике

Содержание

Биофизика как наука. Первый и второй законы термодинамики. Превращение энергии в живой клетке. Современная гипотеза первично активного транспорта

Лекция №4. Термодинамика биологических систем. Лекции по биофизике

фундаментальной естественной науки о законах движения материи к объяснениюпроцессов, происходящих в живой природе.

 Целью биофизикиявляется изучение фундаментальных процессов, обеспечивающих основужизнедеятельности всех без исключения живых организмов, независимо от уровня ихразвития, эволюционной ступени, возраста индивидуума, среды обитания.

В задачу биофизикивходит:

 — изучение на молекулярном уровне  структурысубклеточных образований и выяснение связей между строением и функциональнымисвойствами биополиметов и других биологически активных веществ;

— выявление общихзакономерностей обмена веществ  и энергией на уровне клетки и организма;

— исследование молекулярныхмеханизмов транспорта ионов, молекул через биологические мембраны;

— изучениемолекулярных механизмов дыхания, работы механохимических систем;

— исследованиепоглощения и трансформации энергии в биосистемах;

— термодинамический анализ сложных систем сиспользованием законов классической термодинамики, а также термодинамикинеобратимых процессов, теоретическое обоснование термодинамических  основ жизни;

— кинетическийаналитический подход к изучению сложных систем и предсказание их поведения.

Живые огранизмы– открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаясягетерогенная система, важнейшими функциональными компонентами которой являютсябиополимеры:  белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярногостроения.

 Термодинамика – это наука, изучающая наиболее общие закономерности превращенияразличных видов энергии в системе. Термодинамикабазируется на первом и втором законах термодинамики. Практическая  значимостьзаконов  термодинамики для биологии заключается в том, что с их помощью можно   оценитьэнергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций,рассчитать энергию разрыва  химических связей, рассчитать осмотическое давлениепо обе стороны полупроницаемой мембраны, рассчитать влияние концентрации соли врастворе на растворимость макромолекул и др. Законы термодинамики, применяемыедля описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках, привлекаютсядля обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле

Термодинамические системы, виды термодинамических систем.

Система– совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структурили процессов, объединяющихся в целое выполнением некоторой общей функции,несводимой к функциям ее компонентов.

Термодинамическая система – часть пространства с материальным содержимым,ограниченная оболочкой.

Область вне оболочки – окружающая среда.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающейсредой термодинамические системы делятся на три типа:

а) изолированные (не обмениваются с окружающей средойни веществом, ни энергией);

б) замкнутые (обмениваются только энергией);

в) открытые (обмениваются веществом и энергией). Живыеорганизмы – открытые термодинамические системы.

Параметрытермодинамической системы:

— экстенсивные — зависят отколичества вещества в системе (масса, объем);

— интенсивные —  не зависят отколичества вещества в системе (давление, t0).

Первый закон термодинамики

Количество теплоты, поступающей в систему (dQ), расходуется наувеличение внутренней энергии системы (dU)   и совершение работы против внешнихсил (dA).

dQ = dU + dA

 В живых организмах совершаются различные виды работ.

Химическая работа – работа, совершаемая при синтезе высокомолекулярных соединений изнизкомолекулярных и при осуществлении определенных химических реакций.

Механическая работа – работа по перемещению тел против механических сил.

Осмотическая работа – работа по перемещению различных веществ через мембраны из областинизкой концентрации этих веществ в область более высокой концентрации.

Электрическая работа – работа по переносу заряженных частиц (ионов) в электрическом поле,создание разности электрических потенциалов и электрического тока.

         Работа– это мера превращения энергии однойформы в другую.

Для доказательства приложимости первого законатермодинамики к биологическим объектам был применен  ледяной калориметр. Поскорости таяния льда находили теплоту, выделенную лабораторным животным визолированной камере (ледяном калориметре). Сравнивали  с количеством тепла,выделяемом при прямом сжигании до СО2  и Н2О продуктовпитания. Были получены величины близких порядков.

Таким образом, было доказано, что живые организмы неявляются источником новой энергии и окисление поступающих в живой организмпитательных веществ приводит к высвобождению в нем эквивалентного количестваэнергии.

Второй закон термодинамики

Возможностьпротекания термодинамических процессов, их направление и предел характеризуюттакие параметры состояния системы, как энтропия и свободная энергия. 

  Энтропия (S) – эточасть общей энергии клетки, которая не может быть использована в даннойсистеме. Энтропия    имеет троякийсмысл.

1. Если в термодинамической  системе происходятпроцессы, связанные с выделением или поглощением тепла, то эта система прилюбой температуре способна поглотить некоторое дополнительное количество тепла.Величина, характеризующая тепловую емкость системы,  и является  энтропией.

         2.Энтропия как термодинамическая функция состояния системы, являющаяся меройее неупорядоченности  (лед S = 9.8, жидкость S = 16.7, газ S =45.1)/

         3.Энтропия как мера вероятности состояния системы. Это понятие энтропиикак величины, пропорциональной логарифму вероятности нахождения системы вконкретном макросостоянииввёл Больцман.

S = k·lnW, где W – термодинамическая вероятность;

                          k – постоянная Больцмана.

Термодинамическая вероятность  – это количество микросостояний,возможных в пределах данного макросостояния.

         Рост энтропии при самопроизвольных процессах означает переход системы, состоящей избольшого числа частиц,  в наиболее вероятное состояние, т.е. к максимальному числу микросостояний.

Рис. 1. Примеры перехода систем внаиболее вероятное состояние в направлении I→ II (SII>SI)

а – изменение ориентации частиц(превращение кинетической  энергии  движущего тела в тепло);

б – изменение распределения частиц впространстве (диффузия);

в – изменение распределения частиц поэнергетическим уровням.

В изолированных системах необратимые термодинамическиепроцессы протекают в направлении возрастания энтропии. Энтропия полностьюобратимых термодинамических  процессов сохраняет постоянное значение.

Дриллюэн   классифицировал  виды энергии по ихспособности превращаться в другие виды энергии.

A.  – максимально эффективная, т.е. способна  превращаетсяво все другие виды энергии. Это — гравитационная, ядерная, световая,электрическая.

B.  – химическая – энергия химической связи.

C.  – тепловая.  Это  особый, самый обесцененныйвид энергии, который   не может переходить без потери в другие виды энергии.Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул и  характеризуется максимальной энтропией, остальные виды энергии базируются на упорядоченномдвижении молекул.

Деградация высших типов энергии в энергию низших типов– основное эволюционное свойство изолированных систем.

Исходя из того, что живые организмы – системыоткрытые, изменение энтропии для них складывается из продукции энтропии внутриорганизма за счет необратимых биохимических процессов (diS) иобмена энтропии  с окружающей средой (dеS)

dS = diS+ dеS

         Формулировкавторого закона термодинамики для живых систем: скоростьизменения энтропии в организме равна алгебраической сумме производства энтропиивнутри организма и скорости обмена энтропией между организмом и окружающейсредой.

 ,

 гдеt–время.  Это уравнение  является математическим выражением второго  законатермодинамики для биосистем.

Стационарное состояние (устойчивое и неустойчивое).

Термодинамическое равновесие. Теорема Пригожина.

Принцип Ле-Шателье

         Состояниесистемы, при котором ее параметры не изменяются в течение времени, нопроисходит обмен веществом и энергией с окружающей средой, называетсястационарным.

Открытое образование: Онлайн-курс

Лекция №4. Термодинамика биологических систем. Лекции по биофизике

  • 15 недель
  • 3 зачётных единицы

Биофизика (биологическая физика) — наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Её возникновение было стимулировано и подготовлено физиологией и биохимией, а само становление и развитие проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой.

Цель данного курса лекций заключается в обучении слушателей пониманию сути ряда результатов использования методов и понятий физики, химии и математики в биологии клетки, что позволит лучше представить механизмы функционирования целого организма.

Действительно, возникновение биофизики во многом связано с конкретными вопросами, поставленными физиологией.

Физиология исследует функции органов, место и роль этих функций в обеспечении жизнедеятельности, в то время как биофизика изучает первичные механизмы, лежащие в основе этих физиологических функций.

Надеемся, что данный курс лекций позволит слушателям не только выучить основные понятия и методы биофизики, но и использовать полученные знания в своей будущей профессии как в области оригинальных научных исследований, так и в области нанобиотехнологии, медицинского и научного приборостроения, фармакологии, психологии и экологии.

Формат

Форма обучения заочная (дистанционная).

Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.

Важным элементом изучения дисциплины является написание творческих работ в формате сочинения-рассуждения по заданным темам, которое должно содержать полные, развернутые ответы, подкреплённые примерами из лекций и/или личного опыта, знаний или наблюдений.

Требования

Знание математики, физики, химии и биологии в соответствии со стандартами обучения на биологических факультетах университетов

Программа курса

Раздел 1. Молекулярная биофизика.

Лекция № 1.

  • Часть 1. Специфика биологических молекул. Явления гравитации и инерции для биологических молекул.
  • Часть 2. Специфика биологических молекул. Взаимодействие атомов и молекул.
  • Часть 3. Термодинамика биосистем.

Лекция № 2.

  • Часть 1. Физические взаимодействия в биологических молекулах (ковалентные и не ковалентные взаимодействия, водородные связи, гидрофобные взаимодействия.
  • Часть 2. Водородные связи. Роль молекул воды для функционирования биологических молекул.

Лекция № 3.

  • Часть 1. Аминокислоты, классификация аминокислот.
  • Часть 2. Белки — первичная структура; вторичная структура белка; третичная структура белка; четвертичная структура белка. Фолдинг молекулы белка.
  • Часть 3. Фолдинг и денатурация белка.

Лекция № 4.

  • Часть 1. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 1.
  • Часть 2. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 2.

Лекция № 5. Сахара, углеводы, структура и функции.

Лекция № 6.

  • Часть 1. Биофизические механизмы ферментативного катализа.
  • Часть 2. Электронно-конформационные взаимодействия молекул белка при ферментативном катализе.
  • Часть 3. Стабилизация ферментами переходного состояния химических реакций. Первичные механизмы ферментативных реакций.
  • Часть 4. Кинетика ферментативных реакций; регуляция ферментативной активности (температура, рН).
  • Часть 5. Регуляция ферментативных реакций.

Лекция № 7.

  • Часть 1. Биофизика трансформации энергии: митохондрии и хлоропласты. Клеточное дыхание.
  • Часть 2. Митохондрии.
  • Часть 3. Биофизика трансформации энергии: митохондрии и хлоропласты. Клеточное дыхание.
  • Часть 4. Фотосинтез; фотосистемы и компоненты цепи переноса электронов в митохондрии.

Раздел 2. Биофизика клетки.

Лекция № 8. 

  • Потенциал покоя и потенциал действия в клетках. Мембрана. Состав и свойства. Методы исследования мембран.

Лекция № 9. Биофизика транспорта ионов. Электро-химическим потенциал. Пассивный и активный транспорт ионов; Возбудимые и не возбудимые мембраны. Распространение возбуждения в клетках.

Лекция № 10.

  • Часть 1. Биоэлектрические потенциалы. Уравнение Нернста и уравнение постоянного поля Гольдмана-Ходжкина-Катца. Пассивные свойства мембраны.
  • Часть 2. Потенциал покоя и потенциал действия в клетках.

Раздел 3. Биофизика сложных систем.

Лекция № 11.

  • Часть 1. Молекулярные механизмы сокращения мышцы.
  • Часть 2. Строение и свойства актина и миозина. Механизмы регуляции мышечного сокращения. Миозиновый и актиновый механизм регуляции мышечного сокращения
  • Часть 3. Электромеханическое сопряжение в мышцах. Механика мышечного сокращения.

Лекция № 12.

  • Часть 1. Биофизика рецепции. Передача сигнала в фоторецепторных клетках.
  • Часть 2. Биофизика транспорта макромолекул. Свободнорадикальные процессы.
  • Часть 3. Воздействие электромагнитных излучений. Действие радиации 1.
  • Часть 4. Воздействие электромагнитных излучений. Действие радиации 2.

Результаты обучения

По итогам обучения слушатели курсов должны

а) в предметной области:

    1. знать основные физико-химические принципы формирования и функционирования биологических молекул (нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы);
    2. знать основы функционирования биологических молекул в клеточных процессах (мембранология, биоэнергетика, генерация клеточного возбуждения и сокращения, рецепция);
    3. знать основы функционирования биологических молекул в процессах биосенсорики (зрение, слух) и действия факторов внешней среды (электромагнитные поля, радиация);

б) в методической области:

    1. знать методы исследования физико-химических превращений в биологических молекулах (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, спектрофотометрия, флуоресценция, спектроскопия комбинационного рассеяния, инфракрасная спектроскопия и т.д.);
    2. знать методы исследования физико-химических превращений биологических молекул в функционирующей клетке (микроэлектродные методы, изотопные методы, микроскопия: атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия, конфокальная микроскопия, лазерно-интерференционная микроскопия и т.д.);
    3. знать основные понятия цитологии клеток, методы их культивирования и диагностики для разработки основ нанобиотехнологии;

в) в личностной области:

    1. понимать роль биофизики в исследовании молекулярных аспектов жизни, использовать достижения биофизики в развитии научного и медицинского приборостроения, фармакологии и экологии.

06.00.00 Биологические науки

Источник: //openedu.ru/course/msu/BIOPHY/

Курс лекции по дисциплине биофизика для специальности медико-биологическое дело

Лекция №4. Термодинамика биологических систем. Лекции по биофизике

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. С. АМАНЖОЛОВА

ГАЙСИН АЙДАР БАЛКАШЕВИЧ

КУРС ЛЕКЦИИ

по дисциплине

БИОФИЗИКА

для специальности

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЛО

Усть-Каменогорск, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

  1. Второе начало термодинамики

  2. Молекулярная биофизика

  3. Особенности строения воды

  4. Гибкость полимерных молекул

  5. Модели биологических мембран

  6. Осмос

  7. Транспорт ионов

  8. Потенциал покоя

  9. Современная мембранная теория

  10. Передача возбуждения по нервным волокнам

Биофизика как наука

Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология.

Живые огранизмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.

Задачи биофизики:

  1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (термо динам..) основ жизни.)

  2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения.

  3. Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополиметов и других биологически активных веществ.

  4. Создание и теоретическое обоснование физ-хим методов исследования биообъектов.

  5. Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)

Разделы биофизики:

  1. Молекулярная – изучает строение и физ-хим свойства, биофизику молекул.

  2. Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.

  3. Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем.

Термодинамика биологических процессов

  1. Предмет и практическая значимость термо динам.. биосистем. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют термо динам.. параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе.

  2. Практическая значимость термо динам.. в биологии.

    Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.

  3. Понятие термо динам.. систем, виды термо динам.. систем. Система – совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединяющихся в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов. Термо динам.. система – часть пространства с материальным содержимым, ограниченная оболочкой.

а) изолированные (не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией),

б) замкнутые (обмениваются энергией),

в) открытые (обмениваются веществом и энергией).

Параметры:

  • экстенсивные, зависят от количества вещества в системе (масса, объем),

  • интенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, t0).

Первое начало термодинамики

Q = dU — W

Количество теплоты, поступающей в систему расходуется на увеличение внутренней энергии системы за вычетом совершенной работы.

W = pdV + W'max

Работа равна произведению давления на изменившийся объем плюс максимально полезная работа против внешнего давления по изменению объема системы.

Живые организмы не являются источников новой энергии. Окисление поступающих в живой организм питательных веществ приводит к высвобождению в нем эквивалетного количества энергии.

……………… – определение питательных веществ, поступающих в организм. Металлический сосуд с теплоизолирующими стенками в который помещаются исследуемые питательные вещества, затем их сжигают с помощью высоковольтных разрядов и измерают теплоту сгорания.

1 г белка – 5,4 ккал (4,1 ккал до мочевины)

1 г жира – 9,3 ккал

1 г углеводов – 4,1 ккал

Определение расхода энергии в течение суток. Метод прямой или непрямой калориметрии.

Прямой: Камера «ледяной калориметр». Теплоизолирующий материал, лед, лабораторное животное (человек). Энергия, высвобождающаяся из организма эквивалентна поступающей в организм

Непрямой: С полным и неполным газовым анализом.

ДК = выд СО2 в ед t / погл О2 в ед t

Производят сравнение состава и объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Используют мешок Дугласа. Для анализа используют газоанализаторы: ГА Холдейна: система стеклянных трубочек, поглощающая CO2 и O2. Сейчас ГА с поглощением световых потоков.

Нормальный дыхательный коэффициент 0,85±0,03. Нахождение КЭК (калориметрический эквивалент кислорода) – численно равен количеству энергии, высвобождающейся в организме при потреблении 1 л О2. Рисунок ДК = 1, КЭК = 5,05; 0,8; 4,8; 0,7; 4,69; 0,85; 4,86.

В клинических условиях используют неполный газовый анализатор, не считают СО2. Считают объем поглощенного О2 с помощью спирографа (аппарат метатест). Диаграмма под наклоном, из замкнутой системы постепенно уходит О2, Х отражает объем поглощенного O2 из системы 1 см≈400 мл. ДК принимается равным здесь 0,85.

1 л – 4,86 ккал

400 мл – х

Второе начало термодинамики

показывает в каком направлении происходит перемещение энергии в изолированных системах.

Энтропия S в термо динам.. имеет троякий смысл:

если в термо динам.. системе происходят процессы, связанные с выделением или поглощением тепла, то эта система при любой t0 способна поглотить некоторое дополнительное количество тепла. Величина, характеризующая тепловую емкость системы и является функцией t0 – S.

  1. Тепловая емкость системы.

  2. Термо динам.. функция состояния системы, являющаяся мерой ее неупорядоченности.

лед S = 9.8, жидкость S = 16.7, газ S = 45.1

  1. Мера вероятности системы, имеет статистический характер. Впервые установил Больцман.

S = k*lgW

Термо динам.. вероятность – это количество микросостояний, возможных в пределах данного макросостояния. Все микросостояния, определяющие термо динам.. вероятность имеют одинаковую математическую вероятность. Математическая вероятность – это среднее значение частоты появления события при массовых испытаниях.

В изолированных системах необратимые термо динам.. процессы протекают в направлении возрастания энтропии. S полностью обратимых термо-динанам. процессов сохраняет постоянное значение.

Теплота – это особый вид энергии (низкого качетва) не может переходить без потери в другие виды энергии.

Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул, остальные виды энергии базируются на упорядоченном движении молекул.

Дриллюэн создал классификацию видов энергии по способности вида энергии превращаться в другие виды энергии.

  1. – max эффективная, превращается во все другие виды энергии. Гравитационная, ядерная, световая, электрическая,

  2. – химическая,

  3. – тепловая. Деградация высших типов энергии в энергию низших типов – основное эволюционное свойство изолированных систем.

Рисунок

Термо динам.. потенциал

Задачи термо динам..:

  1. Определение величины работы, совершаемой в системе.

  2. Характеристические функции состояния системы изменения которых численно равно полезной работе при условии постоянства определенных термо динам.. параметров.

dU=dQ-dW

dS=dQ/T связ энергия

dQ=TdS

dWmax=TdS-dU

dWmax= dW'max полез +pdV

(бесполезная работа – работа против сил внешнего давления)

Wmax=TdS-dU-pdV

  1. V, T = const

  2. P, T = const

Рассмотрим первый случай

Если V, T = const, то pdV=0, то Wmax=TdS-dU=-d(U-TS)=-dF

F=U-TS – термодинамический потенциал Гельм-Гольци или свободная энергия Гельм-Гольца

Рассмотрим второй случай

Если P, T = const, то Wmax=-d(U+pdV-TS)=-dG

G – термо динам.. потенциал Гиббса или свободная энергия Гиббса

В реальных условиях редко Р постоянно, а V системы изменяется, следовательно величины термо динам.. потенциалов совпадают.

Термо динам.. потенциалы делают заключения

  1. Выполенение полезной работы при выполнении необратимого процесса всегда сопровождается рассеянием энергии, величину которой определяет произведением TdS, чем больше эта величина, тем более необратимым является процесс. Для абсолютно обратимых процессов

  2. По знаку и величине термо динам.. потенциала можно судить о направленности процесса, если в результате процесса величина термо динам..

    потенциалов уменьшается, такой процесс является самопроизвольным, идет с выделением энергии и называется экзергоническим, если термо динам..

    потенциалы увеличивается, то процесс идет не самопроизвольный, требует притока энергии извне и называется эндергоническим.

  3. При достижении равновесия термо динам.. потенциалы стремятся к минимальному значению.

Процессы превращений энергии и совершения работы могут протекать до тех пор пока свободная энергия не станет равна нулю, а энтропия максимальной. Такое состояние носит названия термо динам.. равновесия.

Такое состояние в неживой природе является конечным состоянием, в направле6нии которого эволюционируют все термо динам.. системы.

КПД

КПД – это отношение произведенной работы к изменению свободной энергии, затраченной на эту работу. КПД = W/dF  1 КПД может выражаться в абсолютных единицах или процентах. Согласно второму закону термо динам.., КПД обратимого процесса должно быть равно 1. КПД необратимых процессов < 1. КПД реальных биологических процессов < 1. Приблизительное значение КПД реальных биологических процессов:

Гликолиз – 36%

Ф/с –75%

Окислительное фосфорилирование – 55%

Сокращение мышц – 40%

Свечение бактерий – 96%

Градиенты

Биологические системы характеризуются наличием большого количества градиентов (осмотический, электрический, концентрационный…)

Градиент какого-либо термо динам.. параметра изменяется с расстоянием

Рисунок

Ґ=ΔΤ/ Δυ

Ґ – направление от большого значения параметра к меньшему.

Биосистема способна совершать работу, если в ней имеется градиент. Градиент – своеобразное депо энергии.

F свободная энергия F = RTlnФ1/Ф2

Ф значение термо динам.. параметров в 1 и 2 точках

Совершение работы в системе связано с реализацией этой свободной энергии. Если совершается работа, то градиент, за счет энергии которого это происходит, уменьшается, но параллельно возникает другой градиент противоположной направленности. При необратимых процессах величина второго градиента будет меньше, чем величина первого.

Применимость второго закона термо динам.. для характеристики свойств био систем

  1. Второй закон термо динам.. был сформулирован для характристики изолированных систем. Реальные биологические системы являются открытыми.

  2. Значение энтропии строго определено для равновесного состояния. Био системы в своем развитии проходят через целый ряд неравновесных состояний.

Энтропия и другие функции состояния могут быть определены в любой момент изменения неравновесного состояния или энтропии и др функций состояния является непрерывными и однозначными функциями термо динам.. параметров и времени.

В открытой системе

dS=Q'/T+Q/T

Q'/T – тепло в самой ситеме

Q/T – тепло, которым система может обмениваться со средой

diS=Q'/T – внутренний источник энтропии

deS=Q/T – внешний источник энтропии

dS=diS+deS

Энтропия в системе изменяется за счет процессов производства энтропии в самой системе и за счет обмена энтропии между системой и окружающей средой.

diS>0 – необратимые процессы

dS/dt=diS/dt+deS/dt

Скорость изменения энтропии в системе равна сумме скорости продукции энтропии в самой системе и скорости обмена энтропией между системой и окружающей средой.

Скорость продукции энтропии в системе всегда больше 0, так как термо динам.. процессы в ней необратимы.

Второй закон термо динам.. для открытых систем

  1. dS/dt>0 количество энтропии в системе возрастает

а) dS/dt>0; diS/dt>0;

б) deS/dt=0 нет обмена со средой, система изолированная;

в) deS/dt 1  x быстрая переменная (dx/dt быстрая величина, скорость  х велика)

делить на А

(dx/dt)=F(x;y), где =1/A, 

Источник: //refdb.ru/look/2005345.html

Поделиться:
    Нет комментариев

      Добавить комментарий

      Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.