Организм как открытая система.

Начальное развитие термодинамики

стимулировалось потребнос

тями промышленного производства На этом этапе

(ХIХ в.) ее основныте достижения заключались в формулировке законов, разработке теории циклов и термодинамических Потенциалов применительно

к идеализированным процессам: равновесным и обратимым.

Термодинамика биологических Систем в этот период не разви~

валась. Одним ярким Исключением была работа Майера, который по цвету венозной крови матросов, Работающих в условиях Тропического климата, Сформулировал приложимость закона Сохранения энергии в термодинамике (первого

начала термодинамики) к живым системам.

Биологические объекты Являются отkрытыми Термодина

мическими системами. Они обмениваются с окружающей сре

дой энергией и веществом.

Вообще говоря, Живой организм развивающаяся система,

которая не находится в стационарном состиянии.

Однако обычно в каком-либо

не слишком большом интервале времени принимают состояние биологической системы за стационарное.

Рассмотрим в этом Предположении некоторые вопросы. Для организма - Стационарной Системы можно записать dS = О,

S = const, dS> o, ds< 0. Это означает, ЧТО большая энтропия

должна быть в ПРодуктах выделения а не в Продуктах питания.

Энтропия Системы организм — окружающая среда Возрастает как у ИзолирОванной системы, однако энтропия организма

при этом сохраняется ПОСТОЯННОЙ. Энтропия есть мера системы, Поэтому МОЖНО заключить, что упорядчоенность организма сохраняется ценой уменьшения упорядоченности Окружающей среды.

При некоторых патологических состояниях энтропия биологи- 4~

эской системы может возрастать (ds> O), это связано с отсутст-

вием стационарности, увеличением неупорядоченности; так, на-

), при раковых заболеваниях происходит хаотическое, не-

упорядоченное разрастание клеток.

Основа функционирования живых систем (клетки, органы, организм) — это поддержание стационарного состояния при условии протекания диффузионных процессов, биохимических peaкций, осмотических явлений и т. п.

При изменении внешних

условий процессы в организме развиваются так, что его состояние не будет прежним стационарным состоянием.

Можно указать некоторый термодинамический критерий приспособления организмов и биологических структур к изменениям

тешиих условий (адаптации). Если внешние условия изменяются (возрастает или уменьшается температура, изменяется влажность,

сосстав окружающего воздуха т. д.), но при этом организм

(клетки) способен поддерживать стационарное состояние, то организм адаптируется (приспосабливается) к этим изменениям и существует. Если организм при изменении внешних условий не способен

сохранить стационарное состояние, выходит из этого состояния, то это приводит к его гибели. Организм в этом случае не смог адаптироваться, т. е. не смог сравнительно быстро оказаться в стационарном состоянии, соответствующем изменившимся условиям.

 

Напряженность и потенциал электоростатичесого поля

Работа сил эл поля

Графческое описание

Силовой характеристикой злектрического поля является

напряженность, равяая отношению силы, действующей в

данной точке поля на точечный заряд, к этому заряду

 

 

Напряженность — вектор, направление которого совпадает с направлением силы, действующей в даиной точке поля на положительный точечный заряд.

Пусть заряд перемещается в эл. поле по траектории 1-а-2.Силы поля при этом совершаю

работу, которую можно выразить через напряженность.

 

Из этого видно:

что работа сил электростатическог

поля (электрического поля неподвижных зарядов) не зависит от траектории, по которой перемещаетёя заряд в этом поле, а опрделяется нач. и кон.положениями заряда

что если нач. и кон. Точки совпадают, то работа = 0. Поля, обла даюищие таким свойством, называют потенциальными.

работа сил поля при перемещении заряда по одной и той же траектории в противоположных

правлениях отличаются только знаком.

 

 

понятие потенциала. Однако для данной точки поля оно имеет однозначный смысл только в том случае, если задан потенциал какой-либо произвольной точки

поля. На практике принято считать, что потенциал проводников, соединенных с землей, или потенциал шасси, на котором смонтировано радиоустройство (и в том и в другом случаях говорят о заземлении), равны нулю. В теоретических задачах обычно считают равным нулю потенциал бесконечно удаленных точек.

Потенциалы электрического

поля в различных точках

наглядно можно представить в виде поверхностей одинакового потенциала (эквипотенциальных поверхностей). Обычно

проводят эквипотенциальные поверхности, отличающиеся от соседних на одно то же

значение потенциала.

Электрическое поле графически удобно представлять силовыми линиями, они проводятмя так, чтобы вектор напряженности в каждой точке поля был касателен к ним, а густота силовых линий была бы пропорциональна модулю вектора напряженности. При этом условились, что линии нач. на + заряде и зак. На – или уходят на бесконечность.

 

На рис. изображены экв. поверхности (штриховые) и силовые линии (сплошные) поля двух разноименных одинаковых точечных зарядов.

В направлении, перпендикулярном силовой линии, имеем

Из этого следует, что силовые линии и эквип. Порхности взаимноперпендиулярны.

 

Элементарная работа, совершаемая силой F при перемещении точечного электрического заряда из одной точки электростатического поля в другую на отрезке пути , по определению равна

где - угол между вектором силы F и направлением движения . Если работа совершается внешними силами, то dA0. Интегрируя последнее выражение, получим, что работа против сил поля при перемещении пробного заряда из точки “а” в точку “b” будет равна

где - кулоновская сила, действующая на пробный заряд в каждой точке поля с напряженностью Е. Тогда работа

Пусть заряд перемещается в поле заряда q из точки “а”, удалённой от q на расстоянии в точку “b”, удаленную от q на расстоянии (рис 1.12).

Как видно из рисунка тогда получим

Как было сказано выше, работа сил электростатического поля, совершаемая против внешних сил, равна по величине и противоположна по знаку работе внешних сил, следовательно

 

Эквипотенциальные поверхности

Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью.

Между двумя любыми точками на эквипотзенциальной поверхности разность потенциалов равна нулю, поэтому работа сил электрического поля при любом перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю. Это означает, что вектор силы в любой точке траектории движения заряда по эквипотенциальной поверхности перпендикулярен вектору скорости. Следовательно, линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.

Эквипотенциальными поверхностями поля точечного электрического заряда являются сферы, в центре которых расположен заряд (рис. 112).

Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля представляют собой плоскости, перпендикулярные линиям напряженности (рис. 113).

Линии напряжённости электрического поля

Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и кончаются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность.

Распределение линий напряженности вокруг точечного заряда показано на рис. 106 а, б.

Определяя направление вектора в различных точках пространства, можно представить картину распределения линий напряженности электрического поля.

Для двух одноименных зарядов эта картина имеет вид, показанный на рис. 107, для разноименных — на рис. 108.

 

 

Электрический диполь

Электрическим диполем называют систему, состоящую

из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических

зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя).

Основной характеристикой диполя является его

электрический момент (дипольный момент) — вектор, равный произведению заряда

на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному:

 

 

Единицей электрического момента диполя является

кулон-мемр.

Поместим диполь в однородное электрическое поле напряжен

ностью Е..

На каждый из зарядов диполя действуют силы и

эти силы равны по модулю, противоположно направлены и создают момент пары сил.

Т.о. на диполь в однородном электрическом поле действует

Момент силы, зависящий от электрического момента и ориентации полей, а текже от напряжения поля.

Рассмотрим теперь диполь в неоднородном электрическом

поле. Предположим, что диполь расположен вдоль силовой линии

На него действуют силы:

 

 

Где Е. и Е налряженкости поля соответственно в месте нахожде-

ия положительного и отрицательного зарядов.

Значение равнодействующей этих сил:

 

?

 

Введем отношение (Е — Е)/,

характеризующее среднее

изменение налряженности, приходящееся на единицу длины плеча диполя. Так как обычно плечо невелико, то приближенно можно считать:

 

 

где dE/dx — производная от напряженности электрического поля по направлению оси ОХ, являющаяся мерой неоднородности эл. поля вдоль соответствующего Направления. Из нее следует:

 

 

тогда можно? представить:

 

итак, на диполь действует сила, зависящая от его эл. Момента и степени степени неоднородности поля dE/dx. Если диполь ориентирован в неоднородном эл. Поле не вдоль силовой линии, то на него дополнительно действует и момент силы. Т. О.

свободный диполь ориентируется вдоль силовых линий и втягивается в область больших значений напряженности поля.

Мультиполь.

Точечный заряд и эл. Диполь является частным случаем системы точечных зарядов – мультиполя.для характеристики мульиполя применяют число, принимающее значение от l=0

,1,2,3…и тогда количество зарядов,вход в поле.

 

 

l-порядок мультиполя.