Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме.

Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики.

1.  Термодинамика – наука о превращении одних веществ в другие.

 

Термодинамический метод (Феноменологический)

Для описания процессов обмена энергией и свойств различных тел в термодинамике используются физические понятия и величины. Такие величины называются феноменологическими или термодинамическими.

Термодинамическими величинами, например, являются температура, давление, плотность.

Недостаток этого метода заключается в том, что для его применения требуется знание физических свойств конкретных рабочих тел, которые не могут быть определены методами термодинамики и требуют экспериментального исследования. Но если известны некоторые данные о свойствах веществ или систем, то термодинамический метод позволяет получить интересные и важные выводы.

 

Статистический метод

Поведение элементарных частиц описывается методами классической либо квантовой механики Статистический метод исследований обладает преимуществом перед феноменологическим при описании свойств веществ при предельно низких или максимально высоких температурах и давлениях, когда непосредственное измерение термодинамических величин становится весьма трудным и неточным.

 

Таким образом, термодинамика и статистическая физика как науки о свойствах вещества и энергии взаимно дополняют друг друга.

 

2. Термодинамической системой называется всякий объект природы, состоящий из достаточно большого числа молекул (структурных единиц) и отделенный от других объектов природы реальной или воображаемой гра–ничной поверхностью (границей раздела).

 

Объекты природы, не входящие в систему, называют–ся средой.

 

Наиболее общими характеристиками систем являются – масса вещества, содержащегося в системе, и Е – внутренняя энергия системы. Масса вещества системы определяется совокупностью масс молекул, из которых она состоит. Внутренняя энергия системы представляет собой сумму энергий теплового движения молекул и энергии взаимодействия между ними.

 

Системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяют на три типа: изолированные, закрытые и открытые.

 

Изолированной системой - нет обмена ни веществом ни энергией

Закрытой системой – обмен только энергией

Открытой системой называется такая система, которая может обмениваться со средой как веществом, так и энергией (живая клетка)

 

3. Теоретической базой биоэнергетики является химическая термодинамика.

В основе жизни лежит обмен веществ, который сопровождается процессами превращения энергии. Для понимания этих процессов необходимы знания основ биоэнергетики и термодинамики.

 

Биоэнергетика – наука, изучающая трансформацию энергии в живых системах.

 

Первый закон биоэнергетики

Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает ее в одну из трех форм энергии. А именно в АТФ, натриевый потенциал (Δ μNa⁺), протонный потенциал (Δ μН)

Второй закон биоэнергетики

Любая живая клетка всегда располагает как минимум двумя формами энергии: энергией макроэргических связей АТФ и энергией, связанной с мембраной (Δ μН⁺ либо Δ μNa⁺).

Третий закон биоэнергетики

Энергетические формы могут превращаться одна в другую. Поэтому получение хотя бы одной из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизнедеятельности.

 

1. Основные понятия термодинамики.

2. Интенсивные и экстенсивные параметры.

3. Функция состояния.

4. Внутренняя энергия.

5.  Работа и теплота - две формы передачи энергии.

6. Типы термодинамических систем (изолированные, закрытые, открытые).

7. Типы термодинамических процессов (изотермические, изобарные, изохорные).

8. Стандартное состояние.

9. Теплота - неупорядоченная форма передачи энергии в результате контакта непрерывно движущихся микрочастиц.

 

1. Основные понятия

Работа - форма передачи энергии, связанная с преодолением внешнего сопротивления.

Энергия - мера перехода одной формы движения в другую;

Система - это тело или совокупность тел, выделенных из пространства. Все, что окружает систему, называют средой. Часть системы, имеющая одинаковые во всем объеме физические и химические свойства и отделенная от других частей поверхностью раздела, называется фазой.

2. Физические величины, характеризующие какое-либо свойство системы, называются термодинамическими параметрами. Они могут быть микроскопическими и макроскопическими.

  

Макроскопические параметры  - Величины, характеризующие всю систему в целом (давление, объем, температура, масса, плотность и т.д.)  

Макроскопические параметры делятся на 2 группы: экстенсивные и интенсивные параметры.

· Экстенсивными называются такие параметры, значения которых для всей системы равны сумме значений этих же параметров для отдельных частей системы (например, масса, объем).

· Значения интенсивных параметров одинаковы как для всей системы в целом, так и для любой ее части (например, температура, давление, плотность).

 

3. Функция состояния – функция, зависящая от нескольких независимых параметров, которые определяют состояние системы

Термодинамические функции: Внутренняя энергия(U),

                                                      Энтальпия(H),

                                                      Энтропия(S),

                                                      Свободная энергия Гиббса(G)

 

4. Внутренняя энергия – такая энергия тела, за счет которой может совершаться механическая работа, не вызывая пот этом убыли механической энергии этого тела

 

5. Работа – количественная мера направленного движения молекул в одностороннем направлении

    Теплота – количественная мера хаотического движения молекул в данной системе

 

6. Системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяют на три типа: изолированные, закрытые и открытые.

 

Изолированной системой - нет обмена ни веществом ни энергией

Закрытой системой – обмен только энергией

Открытой системой называется такая система, которая может обмениваться со средой как веществом, так и энергией (живая клетка)обратимым, если его можно провести и в прямом, и в обратном направлении через одни и те же промежуточные стадии, без каких-либо энергетических изменений в окружающей среде.

 

7. Типы термодинамических процессов:

изохорный, протекающий при постоянном объеме;

изобарный, протекающий при постоянном давлении;

изотермический, происходящий при постоянной температуре;

 

8. Состояние стандартное (с.с.) – состояние термодинамической системы, при котором значения некоторых термодинамических функций принимаются за начало отсчета для этих функций.

P=101,325 кПа(1 атм)

t=298 K