Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
11
ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра биофизики, информатики и медицинской аппаратуры
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕДАЦИИ
на тему:
Термодинамика биосистем
для студентов медицинского университета.
Утверждено
на методическом совете кафедры
«___»_______________2010 года
Зав.кафедрой
Профессор __________ Годлевский Л.С.
Одесса 2010
Термодинамика- раздел физики, рассматривающий системы (термодинамические), между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему.
Основные понятия термодинамики. Первое начало термодинамки
Открытые, закрытые и изолированные системы.
Мерой передачи энергии в процессе теплообмена яявляется количество теплоты, а мерой передачи энергии в процессе работы является сама работа
Закон сохранения энергии для теплового процесса формулируется как первое начало термодинамики. Количество теплоты передаваемое системе идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы.
Второе начало термодинамики. Энтропия.
Есть несколько определений второго закона
Клаузиса: теплота сама собой не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.
Томсон- невозможен вечный двигатель второго рода.
Отношение количества теплоты полученного или отданного рабочим веществом к температуре, при которой происходит теплообмен, называют приведенным количеством теплоты.
Энтропия- функция состояния системы, разность значений которой для двух состояний равна сумме приведенных количеств теплоты при обратимом переходе системы из одного состояния в другое.
Если процес происходит в изолированной системе, то в обратимом процессе энтропия не изменяется, а в необратимом возрастает.
Молекулярно- кинетическая теория показывает, что энтропия наиболее удачно может характеризоваться как мера неупорядоченности частиц системы.
Когда газ конденсируется или происходит кристаллизация при постоянной температуре, то выделяется теплота и энотропия убывает. При этом увеличивается упорядоченность структуры.
Неуопрядоченность системы количественно характеоризуется термодинамической вероятностью - числом способов размещения частиц или числом микросостояний реализующих данное макросостояние.
Больцман установил, что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности
S= k ln W
Основная задача термодинамики заключается в том, чтобы найти такие характеристики, которые бы однозначно определеляли измнение состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое. На основании опыта такой величиной была определена внутренняя энергия U. Она является функцией состояния системы и зависит от термодинамических параметров:
U= f(m, p, V, T).
Внутренняя энерегия прпедставляет собой сумму кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул термодинамичсекой системы.
Измерение внутренней энергии дельта U в замкнутой системе возможно осуществить путем измерения поглощенной (выделившейся) теплоты Q и выполненную работу W. Эксперментально установлено, что изменение внутренней энергии равно
Дельта U= U2-U1+ Q-W.
В замкнутой системе внутренняя энергия представляет собой постоянную величину.
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что в изолированой термодинамческой системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой в эквивалтентных соотношениях.
1.2. Энтальпия. Закон Гесса.
При фиксированном давлении р можно ввести вместо внутренней энергии иную функцию состояния, которая будет хорошо описывать термодинамическую систему; она важна для изучения химических реакций в клетке, протекающих при р= const.
При этом работа по изменению объема при постоянном давлении запишется как
Wp= p дельта V.
Тогда запись первого закона термодинамики будет иметь вид:
Q= U +дельта pV= дельта (U+ pV)= дельтаH.
Новая функция будет представлять собой функцию сосотояния - энтальпию (Н) (от греч.- энтальпия- "нагреваю").
Энтальпию называют теплосодержанием системы.
Данная функция лежит в основе закона Гесса:
Эффект химической реакции Q не зависит от пути реакции от исходных веществ к продуктам реакции, а определяетрся лишь разностью энтальпий конечных и исходных веществ.
Закон Гесса- прямое следствие первого закона термодинамики. Следует отметить важное свойство этой новой функции состояния: поскольку изменение энтальпии (содержания тепла) системы соответствует величине поглощенной или выделенной теплоты, то ее можно точно определить калориметром.
Энтальпия при изменении состояния системы представляет собой разность между количеством выделившегося тепла и величиной полезной работы.
Калориметрия.
Впервые измерения энергетического баланса организма были проведены в конце XVIII го века Лавуазье и Лапласом.
Следует подчеркнуть, что достаточную точность калориметрии возможно иметь только в том случае, когда организм не накопляет биомассы и не выполняет работу.
В термодинамике объектом исследования является система, под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и веществом с этой средой, и открытые системы, в которых такой обмен происходит. Живые организмы представляют собой открытые системы.
Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одни из этих параметров зависят от массы или числа частиц в системе (иначе говоря, от размеров системы), другие пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров. К ним относится давление, температура и т.п. Параметры второй группы называются экстенсивными- объем, энергия, энтропия и др.
Поэтому энергию системы также можно определить как сумму данных составляющих, т.е. как результирующую компонентов, которые зависят от движения и положения системы как целого (W) и не зависящих от этого факторов (U). Вторая составляющая называется внутренней энергией. Она включает в себя энергию теплового движения частиц, химическую энергию и ядерную энергию.
Из полной энергии системы выделяют так называемую энтальпию Н=U+ pV. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, полученному системой. Поэтому энтальпию называют также теплосодержанием.
Первое начало термодинамики.
Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами- посредством передачи тепла и путем совершения работы:
дельтаU= Q- A Q= дельтаU+ A.
Эта формула и выражает первое начало термодинамики.
Адиабатический процесс- в системе отсутствует теплообмен из- за идеальной тепловой изоляции системы.
Свободная и связанная энергия.
Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным или неупорядоченным
Обратимые и необратимые процессы
Применение первого начала термодинамики к живым организмам
В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счет тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Поэтому положение, согласно которому изменение внутренней энергии равно ее обмену энергией с окружающей средой удобнее записать как
ДельтаU= Wпищи- Q- A
Поскольку организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, поэтому внутренняя энергия такого организма приблизительно постоянна. Слепдовательно дельта У= 0.
Поэтому Wпищи= Q+ A.
Данная формула вполне соответствует приложению первого начала термодинамики к биологическим системам
Следует подчеркнуть ту особенность преобразования энергии пищи в энергию (работу) является тот момент, что нет промежуточного момента в виде образования свободной тепловой энергии.
Источники свободной энергии живого организма в виде совершаемых работ.
Температура и теплота
Соотношение между шкалами Фаренгейта и Цельсия определяется коэффициентом 5/9. Например, 20 С равно 68 Ф. (Т.е. это- комнатная температура).Тепловое расширение. Объемное расширение жидкости и твердых тел.
Дельта V= bV . дельтаT.
Следует помнить (с практической точки зрения), что коэффициент расширения твердых тел намного меньше такового для большинства жидкостей.
Закон сохранения энергии гласит, что изменение внутренней энергии тела равно получаемой энергии за вычетом работы, совершаемой телом:
Дельта U= Q-A
Это уравнение называется первым законом термодинамики, но здесь нет новой физической идеи- это просто новая формулировка закона сохранения энергии с учетом внутренней энергии.
Теплота является одной из форм энергии и, следовательно, единица физической величины теплоты та же, что и для механической энергии, т.е. Джоуль. Один Джоуль равен 4,19 калорий (малых калорий).
Удельная теплоемкость. Следует подчеркнуть, что при передаче 1 ккал теплоты 1 кг воды температура ее повышается на 1 градус. Но если передать то же количество теплоты 1 кг спирта, температура повысится на 1,7 град, а алюминия- на 5 градусов. Таким образом, количество теплоты, способное повышать температуру 1 кг вещества на 1 градус называется удельной теплоемкостью.
Энергия и скорость метаболизма у животных.
Следует помнить, что теплоотдача пропорциональна площади тела, которая, в свою очередь пропорциональна характеристическому показателю длины, а кубическая зависимость данного показателя- определяет массу тела. Математические преобразования данных зависимостей свидетельствуют о том, что скорость теплоотдачи пропорциональна массе тела в степени 0,75.
Важной с практической точки зрения является зависимость массы тела от поступления кислорода, что, в свою очередь, определяется показателями деятельности дыхательной и сердечно- сосудистой систем. Другими словами, можно сказать, что существует связь между теплоотдачей, частотой дыхания и частотой сердцебиения.
Например, выведена формула, согласно которой частота дыхания зависит от массы в степени –0,25.
Терморегуляция
Температура в глубоких отделах (тканях) организма является константой и колеблется в пределах одного градуса по шкале Фаренгейта (0,6 С). Испытуемый может в голом виде находиться в сухом помещении с температурой в 55 или 130 градусов по Фаренгейту и сохранять постоянство температуры тела. 97 по Фаренгейту соответствует 36 С, а 99,5- 37,5С). Таким образом, нормальная температура тела составляет 98- 98,6 по Фаренгейту.
Следует запомнить, что температура кожи в отличие от температуры внутренней среды организма подвержена существенным колебаниям, что в целом отражает участие кожи в процессах теплоотдачи.
Температура тела варьирует в зависимости от физической активности и в зависимости от температуры окружающей среды, что отражает неэффективность основных механизмов терморегуляции. При высокой интенсивности физической нагрузки температура тела может достигать от 101 до 104 градусов по Фаренгейту. И в то же время, если происходит падение температуры окружающей среды, темпрература тела также может снижаться до 96.
Продукция тепла (теплообразование).
Зависит от следующих факторов:
- уровень основного метаболизма (основного обмена);
- дополнительная теплопродукция, связанная с мышечной активностью включая сокращения мышц и дрожательный термогенез;
- дополнительная теплопродукция связанная с действием гормонов щитовидной железы.и в меньшей степени с действием гормонов роста и тестостерона;
- дополнительная теплопродукция, связанная с действием норадреналина и симпатичсекой нервной системы
- дополнительная теплопродукция, обусловленная увеличением метаболической активности самих клеток, в основе которой может находиться, в том числе и нагрев клеток.
Потеря тепла.
Продукция тепла осуществляется в глубоких отделах организма- его органах, в особенности в ткани печени, мозге и сердце, а также в мышечной ткани в течение физической активности. Впоследствии тепло от внутренних органов должно поступить на поверхность (поверхностные ткани организма, где осуществляется его утеря – проведение воздушной средой. Таким образом, в осуществлении выведения тепла существенными являются такие факторы, как его проведение тканями и быстрота перехода теплового потока от кожи в окружающую среду.
Кожа и, в особенности, подкожная жировая клетчатка являются плохими проводниками тепла. В частности, жировая ткань проводит только треть всего тепла, которую теряет организм. В условия, кодга нет должной перфузии через внутренние органы, продуцирующие тепло, изолирующие свойства тканей тела составляют приблизительно три четверти таковой от обычной одежды.
Движение крови (теплоносителя) к коже является основным фактором успешного проведения тепла по тканям. Сосуды проникают через подкожный жировой слой и распределяются сразу под кожей. В этом отношении особенно важную роль играют подкожные венозные сплетения, в которые осуществляется поступление крови из капиллярных сетей кожи. Следует обратить внимание, что наполнение данных сплетений может осуществляться посредством артерио- венозных анастомозов.
При этом скорость тока крови в венозные сплетения осуществляется в очень широких пределах от практически ноля до 30% от общего сердечного выброса. Следует запомнить, что тепловой поток может претерпевать восьмикратное усиление за счет наступления вазодилататорных реакций. Т.е. разница между состояниями полной вазоконстрикции (спазма) и дилатации является восьмикратной.
Процесс проведения теплового потока к коже находится под контролем вегетативной нервной системы.
Основные физические параметры утери тепла организмом с поверхности кожи.
Радиация. Данный путь утери тепла может составлять до 60% общих потерь тепла, имеющих место в организме- голый человек в помещении с холодными стенами. Потеря тепла с поверхности кожи осуществляется с помощью инфракрасного излучения (длина волны от 5 до 20 мкм, что в 10- 30 раз больше длины волны видимой части спектра). Все объекты, которые имеют температуру выше ноля осуществляют подобное излучение.
Проведение. Данный путь проведения в обычных условиях обеспечивает утерю приблизительно около 15% всего теплового потока.
Конвекция- другой процесс, связанный с динамическим нагревом воздуха у поверхности кожи, с последующим движением подогретого воздуха.
Можно говорить о том, что данный процесс является содружественным проведению и в принципе 15% терь тепла в комфортных условиях прредставляют собой результат сочетания подогрева воздуха с его последующей конвекцией.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахмаев Н.М., Шахмаев С.Н., Шодиев Д.Ш. Курс физики для средней школы. М., Просвещение, 1991.
2. Ландсберг Г. С. Элементарний учебник физики, М., Высшая школа, 1969.
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, М., Высшая школа, 1982.
...