ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.11.2019
Просмотров: 7025
Скачиваний: 16
56
БИОЭНЕРГЕТИКА
.
ПЕРВОЕ
НАЧАЛО
ТЕРМОДИНАМИКИ
И
ЖИВЫЕ
ОРГАНИЗМЫ
1.
Термодинамика
,
биоэнергетика
,
биотермодинамика
Термодинамика
–
это
раздел
физики
,
в
котором
с
наиболее
общих
позиций
(
без
обращения
к
молекулярным
представлениям
)
рассматриваются
процессы
обмена
энергией
между
изучаемыми
объектами
и
окружающей
средой
.
Термодинамика
–
это
учение
о
связи
и
взаимопревращениях
различных
видов
энергии
,
теплоты
и
работы
.
Перечислить
все
области
знания
,
в
которых
используются
термодинамические
методы
исследования
,
просто
невозможно
.
Как
бы
сложно
ни
было
изучаемое
явление
,
к
какой
бы
области
познания
оно
ни
относилось
–
от
астрофизики
до
сложнейших
биохимических
процессов
–
всюду
и
всегда
наиболее
важным
и
существенным
будет
переход
(
превращение
)
одного
вида
энергии
в
другой
.
Термодинамика
отличается
от
других
научных
дисциплин
,
изучающих
окружающий
нас
мир
.
Основанная
на
простых
наблюдениях
,
на
несложных
опытах
,
она
развилась
в
удивительно
стройную
науку
,
в
основе
которой
лежит
небольшое
число
основных
законов
.
Путем
строгих
логических
заключений
,
методами
чисто
математических
выводов
термодинамика
устанавливает
связь
между
самыми
разнообразными
свойствами
вещества
,
позволяет
на
основании
изучения
одних
,
легко
измеряемых
величин
вычислить
другие
,
важные
и
необходимые
,
но
недоступные
непосредственному
измерению
.
Объектом
для
исследования
в
термодинамике
являются
макроскопические
тела
.
Любой
материальный
объект
,
любое
тело
или
совокупность
тел
,
состоящих
из
большого
числа
частиц
,
называется
макроскопической
системой
.
Макроскопическая
система
может
быть
ничтожно
малой
,
например
,
живая
клетка
может
быть
гигантски
большой
,
как
звезда
.
При
этом
важно
подчеркнуть
,
что
изучаемая
в
рамках
термодинамики
система
должна
состоять
из
большого
числа
молекул
,
поскольку
законы
термодинамики
утрачивают
свой
смысл
для
систем
,
состоящих
из
нескольких
молекул
.
57
Нижней
границей
применимости
законов
термодинамики
являются
макроскопические
системы
с
числом
структурных
единиц
(
молекул
или
атомов
)
не
менее
чем
число
Авогадро
(N
A
=6.02 ·10
23
).
Термодинамика
может
изучать
любые
системы
,
но
одно
условие
обязательно
:
изучаемая
термодинамическими
методами
система
должна
быть
конечной
.
Более
строго
это
ограничение
формулируется
следующим
образом
–
законы
термодинамики
не
применимы
к
системам
,
для
которых
не
выполняется
принцип
аддитивности
внутренней
энергии
.
Поясним
сущность
принципа
аддитивности
энергии
на
следующем
примере
.
Пусть
имеется
макроскопическая
система
с
внутренней
энергией
U
.
Если
систему
разбить
на
несколько
макроскопических
подсистем
(
например
,
на
4
подсистемы
),
обозначив
внутреннюю
энергию
каждой
подсистемы
как
U
1
, U
2
, U
3
, U
4
,
то
для
исходной
системы
будет
выполняться
принцип
аддитивности
внутренней
энергии
,
если
ее
полную
энергию
можно
представить
как
U=U
1
+U
2
+U
3
+U
4
.
В
таких
системах
пренебрегается
взаимодействие
подсистем
друг
с
другом
и
такие
системы
можно
исследовать
методами
термодинамики
.
Однако
в
природе
существуют
и
такие
системы
,
для
которых
полная
внутренняя
энергия
должна
состоять
из
энергий
каждой
подсистемы
плюс
энергия
взаимодействия
подсистем
между
собой
:
U=U
1
+U
2
+U
3
+U
4
+U
12
+U
13
+U
14
+U
23
+U
24
+U
34
,
где
U
ij
–
энергия
взаимодействия
между
собой
i
-
ой
j
-
ой
подсистем
.
Как
правило
,
системами
,
для
которых
не
выполняется
принцип
аддитивности
внутренней
энергии
,
являются
системы
галактического
масштаба
с
дальнодействующими
силами
гравитационного
взаимодействия
.
Таким
образом
,
законы
термодинамики
некорректно
применять
к
нашей
Вселенной
в
целом
или
к
ее
большим
областям
.
В
истории
человечества
известен
пример
такого
некритического
перенесения
земного
макроскопического
опыта
на
Вселенную
,
что
привело
к
ошибочным
и
антинаучным
выводам
о
неизбежности
«
тепловой
смерти
»
Вселенной
.
Теория
«
тепловой
смерти
»
была
формулирована
более
сто
лет
назад
известным
философом
Клаузиусом
,
который
,
распространяя
второе
начало
термодинамики
на
Вселенную
,
пришел
к
заключению
: «
Энергия
мира
постоянна
,
энтропия
мира
стремится
58
к
максимуму
».
Это
означает
,
что
рано
или
поздно
Вселенная
придет
в
термодинамическое
равновесие
,
при
котором
все
процессы
,
температура
во
всех
точках
Вселенной
станут
одинаковыми
,
все
процессы
прекратятся
и
Вселенная
погрузится
в
состояние
«
тепловой
смерти
».
Против
концепции
«
тепловой
смерти
»
Клаузиуса
выступили
многие
передовые
физики
19
века
.
Большую
роль
в
критике
антинаучной
теории
Клаузиуса
сыграли
работы
физика
-
материалиста
Больцмана
.
Согласно
Больцману
,
наша
Вселенная
находится
в
состоянии
термодинамического
равновесия
,
однако
в
ней
имеются
области
неравновесия
,
так
называемые
флуктуации
,
которые
могут
быть
сколь
угодно
большими
.
Такой
флуктуационной
областью
как
раз
и
является
область
Вселенной
,
где
мы
находимся
.
Со
временем
флуктуации
должны
исчезнуть
,
но
с
неизбежностью
они
могут
появиться
в
других
местах
.
Таким
образом
,
по
Больцману
,
одни
миры
появляются
как
флуктуации
во
Вселенной
,
а
другие
исчезают
.
В
настоящее
время
вопрос
о
«
тепловой
смерти
»
стоит
несколько
иначе
,
чем
во
времена
Клаузиуса
-
Больцмана
.
Согласно
современным
представлениям
,
наша
Вселенная
представляет
собой
расширяющуюся
систему
и
поэтому
является
нестационарной
.
Для
такой
нестационарной
системы
не
существует
состояния
с
максимальной
энтропией
.
Следовательно
,
энтропия
Вселенной
в
каждой
ее
области
может
возрастать
,
не
приближаясь
при
этом
к
своему
максимуму
.
Жизненные
процессы
,
при
всем
их
многообразии
,
имеют
одну
общую
черту
–
они
требуют
затрат
энергии
.
Биоэнергетика
–
это
раздел
биофизики
,
изучающий
процессы
энергообеспечения
организма
за
счет
внешних
источников
энергии
.
Изучение
преобразования
энергии
в
биологических
системах
осуществляется
на
двух
уровнях
–
микроскопическом
(
молекулярном
,
субмолекулярном
)
и
макроскопическом
(
без
детального
изучения
молекулярных
механизмов
преобразования
энергии
).
Молекулярный
уровень
изучения
механизмов
преобразования
энергии
представлен
молекулярной
и
квантовой
биофизикой
,
макроскопический
подход
реализован
в
биологической
термодинамике
.
59
2.
Основные
понятия
и
исходные
положения
термодинамики
Всякий
материальный
объект
,
всякое
тело
,
состоящее
из
огромного
числа
частиц
,
выделенные
нами
мысленно
или
физически
из
числа
других
объектов
(
тел
),
называются
макроскопической
системой
.
Все
макроскопические
признаки
,
характеризующие
такую
систему
и
ее
отношение
к
окружающим
телам
,
называются
макроскопическими
параметрами
.
К
их
числу
можно
отнести
объем
,
массу
,
концентрацию
,
поляризацию
,
намагниченность
и
т
.
д
.
Макроскопические
параметры
разделяются
на
внешние
и
внутренние
параметры
.
Величины
,
определяемые
положением
внешних
тел
,
не
входящих
в
рассматриваемую
систему
,
называются
внешними
параметрами
а
i
(
i
=1, 2, …).
Внешние
параметры
определяются
функциями
координат
внешних
тел
.
Пример
:
объем
системы
определяется
взаимным
расположением
внешних
тел
.
Величины
,
определяемые
совокупным
движением
и
пространственным
распределением
частиц
,
входящих
в
систему
,
называются
внутренними
параметрами
b
j
(
j
=1, 2,..).
Пример
:
давление
,
энергия
,
намагниченность
и
т
.
д
.
Поскольку
само
пространственное
расположение
частиц
(
атомов
и
молекул
),
входящих
в
систему
,
зависит
от
расположения
внешних
тел
,
то
внутренние
параметры
есть
функции
внешних
параметров
.
Совокупность
независимых
макроскопических
параметров
системы
задает
состояние
системы
,
т
.
е
.,
форму
бытия
или
существования
системы
.
Параметры
системы
,
значения
которых
полностью
определяются
состоянием
системы
в
данный
момент
и
не
зависят
от
предыстории
системы
,
называются
функциями
состояния
системы
.
Состояние
системы
называется
стационарным
,
если
параметры
системы
с
течением
времени
не
изменяются
.
Если
в
системе
все
параметры
постоянны
во
времени
и
в
системе
отсутствуют
стационарные
потоки
,
обусловленные
60
действием
каких
-
либо
внешних
источников
,
такое
состояние
системы
называется
равновесным
.
Внутренние
параметры
принято
разделять
на
интенсивные
и
экстенсивные
.
Параметры
,
которые
не
зависят
от
массы
системы
или
числа
частиц
в
системе
,
называются
интенсивными
(
пример
:
давление
,
температура
).
Параметры
,
значения
которых
пропорциональны
числу
частиц
системы
,
называются
экстенсивными
(
пример
:
масса
,
энергия
,
энтропия
и
т
.
д
.).
Энергия
системы
–
это
физическая
величина
,
являющаяся
общей
мерой
при
превращении
одних
форм
движения
в
другие
.
Система
,
не
обменивающаяся
с
внешними
телами
ни
энергией
,
ни
веществом
,
называется
изолированной
.
Система
,
способная
обмениваться
с
окружающей
средой
веществом
и
энергией
,
называется
открытой
.
В
основу
термодинамики
положены
некоторые
общие
утверждения
,
которые
являются
обобщением
большого
числа
опытных
фактов
.
Эти
утверждения
принято
называть
постулатами
.
Так
,
первый
,
или
основной
,
постулат
термодинамики
(
его
еще
называют
общим
началом
термодинамики
)
утверждает
,
что
у
изолированной
системы
(
системы
,
которая
не
обменивается
с
внешними
телами
ни
энергией
,
ни
веществом
)
существует
состояние
термодинамического
равновесия
,
в
которое
она
приходит
с
течением
времени
и
никогда
самопроизвольно
выйти
из
него
не
может
.
Этот
процесс
перехода
системы
из
неравновесного
состояния
в
равновесное
называется
релаксацией
.
Промежуток
времени
,
в
течение
которого
система
возвращается
в
состояние
равновесия
,
называется
временем
релаксации
.
Второе
исходное
положение
термодинамики
(
второй
постулат
)
связано
с
другими
свойствами
термодинамического
равновесия
как
особого
вида
теплового
движения
.
Опыт
показывает
,
что
если
две
системы
А
и
В
,
каждая
из
которых
является
равновесной
,
привести
в
тепловой
контакт
,
то
равновесие
в
них
может
нарушиться
,
однако
спустя
некоторое
время
в
процессе
теплообмена
(
обмена
энергией
)
обе
системы
придут
в
другое
равновесное
состояние
.