Массы веществ, которые вступают в реакцию и образуются в результате реакции, пропорциональны их эквивалентным массам.

- это математическая запись закона эквивалентов, где т₁ и m ₂ - массы веществ; М(Э₁) и М(Э₂) – эквивалентные массы этих веществ. Эквивалент является важной количественной характеристикой элемента или вещества.

Лекция 2

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И БИОЭНЕРГЕТИКИ

Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических материальных систем, находящихся в различных состояниях относительно термодинамического равновесия, и о процессах переходов между этими состояниями.

К настоящему времени термодинамика содержит два основных раздела:

1. 1. Равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем)

В основном разработана в середине 19-го – начале 20-го века и содержит три закона – три «Начала»:

- -в середине 19-го века Ю. Р. Майером, Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем был сформулирован первые закон термодинамики - «Первое начало термодинамики».

- - в 1850 году Р. Клаузиусом, и независимо от него в 1851 году У. Томсоном было сформулировано «Второе начало термодинамики».

- -в 1906 году В. Нернст сформулировал «Третье начало термодинамики».

2. 2. Неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем)

Разработана в 20-м веке. Содержит два основных подраздела:

- -слабо неравновесную термодинамику, основы которой разработаны в 1931 Л. Онсагером;

- -сильно неравновесную термодинамику, в основном разработанную Г. Хакеном, И. Пригожиным и Р. Томом в середине 20-го века.

Первой работой в области неравновесной термодинамики в биологии является опубликованная в 1935 году книга Э.Бауэра «Теоретическая биология», в которой был сформулирован «Всеобщий закон биологии».

1.2. Основные термины и положения термодинамики

Система – это совокупность материальных объектов (тел), ограниченных каким-либо образом от окружающей среды.

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

1) изолированная – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;

2) замкнутая – система, которая может обмениваться с окружающей средой лишь энергией и не может обмениваться веществом;

3) открытая – система, которая обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом.

Живые организмы являются открытыми системами: организм человека за 40 лет жизни потребляет в среднем 40 т воды, 6 т пищи и около 12 млн л кислорода.

Состояние любой термодинамической системы характеризуется двумя группами параметров:

Интенсивными термодинамическими параметрами (давление, температура и др.), не зависящими от массы или числа частиц в системе;

Экстенсивными термодинамическими параметрами (общая энергия, энтропия, внутренняя энергия), зависящими от массы или числа частиц в системе.

Изменение параметров термодинамической системы называется термодинамическим процессом.

Различают изотермические, изобарные, изохорные и адиабатические процессы.

Многие химические реакции протекают без каких-либо внешних воздействий, т.е. без поступления энергии извне. Такое течение реакций называют самопроизвольным, но есть реакции, которые без внешнего энергетического воздействия не протекают (обжиг известняка, синтез углеводов в хлоропластах листьев растений, разложение воды), такие реакции называют несамопроизвольными – вынужденными. Для любой системы переход из любого произвольно выбранного состояния в другое в одном направлении будет самопроизвольным, а в противоположном – вынужденным. Вопрос о том, в каком направлении процесс будет протекать самопроизвольно, а в каком нет – один из основных вопросов прикладной химии (например, биологической химии).

Энергию системы (W) можно представить как совокупность двух частей: зависящую от движения и положения системы как целого (W _ц) и не зависящую от этих факторов (U).

W = W ц+ U

(1.1)

Вторую составляющую этой совокупности U называют внутренней энергией системы.

Она включает энергию теплового движения частиц, а также химическую и ядерную энергию, определяющую поступательное, колебательное и вращательное движение молекул, внутримолекулярное взаимодействие и колебание атомов, энергию вращения электронов.

Внутренняя энергия в свою очередь разделяется на свободную энергию и связанную энергию.

Свободная энергия (G) – та часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения работы.

Связанная энергия (W _св) – та часть энергии, которую нельзя превратить в работу.

U = G + W св

(1.2)

Потоки и Термодинамические силы. В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химических реакций.

Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д.

Они называются общим термином «потоки» и обозначаются J_i, а вызывающие их причины (отклонения термодинамических параметров от равновесных значений) — термодинамическими силами (Х_к).

Связь между J_i и Х_к, если термодинамические силы малы, записывают в виде линейных уравнений:

(1.3)

где i = 1, 2, …, m