Основные положения термодинамики.

Химическая термодинамика использует законы термодинамики применительно к химическим и физиологическим явлениям. Она рассматривает тепловой и энергетический балансы процессов, а также химические фазовые равновесия.

Система – это совокупность веществ, отделенных от внешней среды поверхностью раздела.

Выделяют следующие типы термодинамических биосистем:

1) изолированные – не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией; ΔЕ=0, Δm=0

2) закрытые – обмениваются только энергией; ΔЕ≠0; Δm=0

3) открытые – обмениваются и веществом и энергией. ΔЕ≠ 0; Δm≠0

Для понимания сущности обмена веществ и энергии нужно учитывать энергетическое своеобразие клетки. Все части клеток имеют приблизительно одинаковую температуру, т.е. клетка изотермична. Таким образом, живая клетка – изотермическая машина (работает при постоянной температуре). Живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и представляют собой неравновесные системы. Они создают и поддерживают свою структуру за счет свободной энергии окружающей среды (полезная форма энергии) ∆G – энергия Гиббса.

Живые организмы представляют собой типичную открытую термодинамическую систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой веществом и энергией. Открытая система находится в устойчивом, но не в равновесном состоянии. Такое устойчивое состояние называется стационарным.

Для достижения этого состояния необходимо:

1) постоянство скорости притока и оттока питательных веществ и энергии;

2) удаление конечных продуктов из системы;

3) постоянство всех физико-химических параметров (t, P, ∆S, ∆G).

Живые системы достигают термодинамического равновесия только после смерти, т.е. после полного разложения всего организма. Все открытые системы вместе с их окружением образуют закрытую систему. При наличии теплообмена и возможности хотя бы частичной диффузии между телами, составляющими систему, образуется термодинамическая система. Термодинамическая система может взаимодействовать со своим окружением и это взаимодействие можно обнаружить по переносу тепла или совершению работы. Если система состоит из одной фазы, то она гомогенная, в противном случае – гетерогенная.

Термодинамические системы можно классифицировать по совокупности ихсвойств. Экстенсивные свойства, такие как вес и объём, пропорциональны массе. Интенсивные свойства, такие как температура, давление, не зависят от массы. Состояние системы, находящейся в равновесии, можно описать совокупностью её интенсивных свойств.

Масса и объём – это общепринятые термины. Давление характеризует взаимодействие с внешним окружением, измеряемое как сила, приходящаяся на единицу площади поверхности. Температура, которая определяется интенсивностью теплового движения молекул, образующих систему, не простое понятие, оно включает понятие разности теплот. Между телами различной температуры происходит теплоперенос, приводящий к выравниванию температур. Абсолютная шкала температур основана на втором законе термодинамики; её начало находится при абсолютном нуле (-273,16ºС). При абсолютном нуле часть энергии любого вещества, которая зависит от температуры (тепловая энергия) равна нулю, хотя энергия частиц, составляющих вещество, при нулевой температуре, естественно не исчезает.

Если единственным результатом обратного процесса в изолированной системе, является возвращение системы из конечного состояния в исходное, то такой процесс называют обратимым. Если в результате прямой или обратной реакции в системе или её окружении имеют место длительные изменения, то процесс называют необратимым. Причина необратимости состоит в том, что процессы протекают через неравновесные состояния. Термодинамические параметры однозначны только для обратимых процессов, когда система находится в равновесии в любой момент времени и в каждой её части. Если вывести систему из состояния устойчивого равновесия, то возникает термодинамический процесс, препятствующий внешнему воздействию (принцип Ле Шателье-Брауна).

Принцип Ле Шателье-Брауна устанавливает, что внешнее воздействие выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия.

Так, при нагревании равновесной системы в ней происходят изменения (например, химические реакции), идущие с поглощением теплоты. При увеличении давления смещение равновесия связано с уменьшением общего объёма системы, а уменьшению давления сопутствуют физические или химические процессы, приводящие к увеличению объёма.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики.