ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.11.2019
Просмотров: 7026
Скачиваний: 16
61
Кроме
того
,
если
имеются
три
равновесные
системы
А
,
В
,
С
,
и
если
системы
А
и
В
порознь
находятся
в
равновесии
с
системой
С
,
то
системы
А
и
В
находятся
в
термодинамическом
равновесии
и
между
собой
.
Таким
образом
,
состояние
термодинамического
равновесия
системы
определяется
не
только
внешними
параметрами
(
они
зависят
от
положения
не
входящих
в
систему
внешних
тел
),
но
еще
некоторой
величиной
,
характеризующей
ее
внутреннее
состояние
.
Эта
величина
,
выражающая
состояние
внутреннего
движения
равновесной
системы
и
имеющая
одно
и
то
же
значение
для
всех
ее
частей
,
называется
температурой
.
Изложенное
положение
о
существовании
температуры
,
характеризующей
состояние
равновесной
системы
,
представляет
собой
второе
исходное
положение
термодинамики
,
которое
иногда
называют
"
нулевым
началом
".
По
своему
физическому
содержанию
второй
постулат
термодинамики
,
по
сути
дела
,
выражает
закон
теплового
равновесия
.
Этот
закон
утверждает
,
что
любая
изолированная
система
тел
с
течением
времени
сама
собой
переходит
в
состояние
,
при
котором
температура
всех
тел
системы
одинакова
.
Такое
состояние
и
называется
состоянием
теплового
равновесия
.
Закон
этот
многим
кажется
и
всегда
казался
очевидным
,
на
его
открытие
не
претендует
ни
один
ученый
,
и
никто
не
может
указать
дату
его
открытия
.
Поэтому
он
и
известен
как
один
из
постулатов
,
на
которых
базируется
термодинамика
.
Полная
энергия
W
системы
может
быть
представлена
как
сумма
двух
слагаемых
:
U
W
W
ц
где
W
ц
–
часть
энергии
,
которая
зависит
от
движения
и
положения
системы
как
целого
;
вторая
часть
(U)
называется
внутренней
энергией
системы
.
Внутренняя
энергия
включает
энергию
теплового
движения
и
взаимодействия
частиц
,
химическую
энергию
,
ядерную
энергию
.
Если
химический
состав
системы
в
ходе
энергетических
преобразований
остается
неизменным
,
то
при
вычислении
внутренней
энергии
системы
можно
учитывать
только
кинетическую
энергию
движения
N
частиц
и
потенциальную
энергию
их
62
взаимодействия
:
N
i
N
i
N
i
j
ij
i
i
p
k
v
m
E
E
U
1
2
2
,
где
–
потенциал
взаимодействия
i-
й
и
j-
й
частиц
.
Внутренняя
энергия
системы
,
будучи
внутренним
параметром
системы
,
есть
функция
внешних
параметров
.
А
так
как
состояние
равновесия
системы
дополнительно
характеризуется
внутренним
параметром
,
получившим
название
температуры
,
то
внутренняя
энергия
любой
равновесной
термодинамической
системы
определяется
внешними
параметрами
и
температурой
.
Для
простейших
систем
внутренняя
энергия
есть
функция
объема
(
внешний
параметр
)
и
температуры
: U=U(V,T).
В
частности
,
для
идеального
газа
,
молекулы
которого
не
имеют
объема
,
внутренняя
энергия
зависит
только
от
температуры
: U=U(T).
Из
полной
энергии
системы
W
выделяют
так
называемую
энтальпию
H
системы
: H=U+pV.
Физический
смыл
энтальпии
состоит
в
следующем
:
если
система
находится
при
постоянном
давлении
,
то
изменение
энтальпии
равно
количеству
теплоты
,
полученной
системой
:
H
dQ
Поэтому
энтальпию
иногда
называют
теплосодержанием
системы
.
3.
Первое
начало
термодинамики
и
его
применение
к
живым
системам
Из
определения
внутренней
энергии
системы
следует
один
принципиально
важный
вывод
:
внутреннюю
энергию
системы
принципиально
можно
изменить
двумя
разными
способами
–
путем
изменения
внешних
параметров
системы
и
изменением
температуры
системы
.
Изменение
внутренней
энергии
системы
посредством
изменения
ее
внешних
параметров
получило
название
работы
.
Количество
энергии
,
переданной
системе
от
внешних
тел
,
или
,
наоборот
,
отобранной
от
системы
,
называется
работой
и
в
63
общем
случае
выражается
как
k
i
i
i
dx
X
dA
,
где
X
i
–
обобщенная
сила
,
х
i
–
обобщенная
координата
,
сопряженная
с
силой
X
i
.
В
случае
идеального
газа
элементарная
работа
,
совершаемая
газом
при
тепловом
расширении
,
имеет
вид
:
dA=pdV
(
p
–
давление
,
V
–
объем
).
Изменение
внутренней
энергии
системы
посредством
изменения
ее
температуры
получило
название
теплоты
.
Количество
энергии
,
отдаваемое
или
получаемое
системой
посредством
теплоты
(
теплообмена
),
получило
название
количество
теплоты
.
Таким
образом
,
внутренняя
энергия
системы
может
быть
изменена
с
помощью
работы
и
теплоты
.
Первое
начало
термодинамики
представляет
собой
одну
из
форм
записи
сохранения
энергии
системы
и
отражает
существующие
два
разных
способа
изменения
внутренней
энергии
.
Количество
теплоты
,
переданное
системе
от
внешних
тел
,
может
быть
использовано
системой
для
изменения
ее
внутренней
энергии
и
совершения
системой
работы
:
A
dU
Q
В
термодинамике
существует
следующее
правило
знаков
:
количество
теплоты
считается
положительным
,
если
система
получает
энергию
от
внешних
тел
,
если
же
система
отдает
энергию
в
форме
теплоты
,
такое
количество
теплоты
имеет
знак
«
минус
»;
работа
считается
положительной
,
если
система
ее
совершает
против
внешних
тел
,
если
же
внешние
тела
совершают
работу
над
системой
,
такая
работа
считается
отрицательной
;
изменение
внутренней
энергии
считается
положительным
,
если
температура
системы
увеличивается
.
Применение
первого
начала
термодинамики
к
биологическим
системам
никогда
не
вызывало
сомнений
.
Более
того
,
оно
первоначально
было
сформулировано
учеными
Майером
и
Гельмгольцем
именно
для
живых
организмов
.
Однако
классическая
математическая
форма
первого
начала
была
сформулирована
в
связи
с
потребностями
теплотехники
.
Поэтому
выражение
первого
начала
(
см
.
формулу
,
приведенную
выше
)
не
совсем
удобно
для
живых
организмов
,
так
как
не
отражает
сути
64
термодинамических
процессов
,
протекающих
в
них
.
В
отличие
от
тепловых
машин
,
живые
организмы
производят
работу
не
за
счет
тепловой
энергии
(
как
это
происходит
в
тепловых
машинах
),
а
посредством
использования
химической
энергии
,
получаемой
из
продуктов
питания
.
Поэтому
изменение
внутренней
энергии
организма
может
быть
представлено
как
Q
A
W
dU
пищи
Для
гомойотермных
организмов
,
которые
поддерживают
постоянство
температуры
тела
, dU=0
и
выражение
первого
начала
может
быть
записано
в
форме
:
Q
A
W
пищи
Трактуется
полученное
равенство
достаточно
просто
–
энергия
,
поступающая
в
организм
,
расходуется
на
совершение
организмом
различных
работ
и
выделение
теплоты
.
4.
Тепловой
баланс
организма
.
Способы
теплообмена
Теплота
,
производимая
организмом
в
процессе
жизнедеятельности
,
называется
теплопродукцией
,
в
биофизической
литературе
чаще
всего
обозначается
буквой
М
.
Уравнение
теплового
баланса
для
организма
имеет
вид
:
0
E
R
C
T
Q
Q
Q
Q
M
Здесь
St
l
T
T
k
Q
e
i
T
–
количество
теплоты
,
переданное
организму
(
отнятое
у
организма
)
посредством
процесса
теплопроводности
;
теплопроводность
играет
основную
роль
при
переносе
тепла
через
одежду
;
k
–
коэффициент
теплопроводности
;
T
i
, T
e
–
температуры
тела
T
i
и
окружающей
среды
T
e
;
l
–
толщина
слоя
,
через
который
переносится
тепло
.
Q
c
–
количество
теплоты
,
переносимое
перемещающейся
средой
,
которая
контактирует
с
организмом
(
воздух
,
жидкость
).
Такой
способ
теплообмена
называется
конвекцией
.
Математическое
выражение
для
Q
c
имеет
такой
же
вид
,
как
и
для
теплопроводности
,
с
тем
лишь
различием
,
что
коэффициент
k
есть
коэффициент
конвекции
,
который
не
имеет
постоянного
значения
и
зависит
от
конкретных
условий
теплообмена
.
65
Перенос
тепла
посредством
электромагнитного
излучения
выражается
формулой
Стефана
-
Больцмана
:
)
(
4
4
e
i
R
T
T
S
Q
,
где
S
–
площадь
излучаемой
поверхности
=
5,8
10
-8
Вт
м
-2
К
-2
.
Тепло
,
отдаваемое
телом
в
окружающую
среду
посредством
испарения
,
вычисляется
по
формуле
:
Lm
Q
E
,
где
m
–
масса
испарившейся
жидкости
,
L
–
удельная
теплота
испарения
(
для
воды
L = 2,25
10
6
Дж
/
кг
)
5.
Энерготраты
организма
.
Теплопродукция
организма
как
следствие
необратимости
реальных
процессов
.
Первичная
и
вторичная
теплота
организма
В
биофизике
и
физиологии
величину
М
в
выражении
теплового
баланса
организма
0
E
R
C
T
Q
Q
Q
Q
M
называют
энерготратами
организма
,
так
как
она
выражает
количество
энергии
,
отдаваемое
организмом
в
окружающую
среду
.
Энерготраты
сильно
изменяются
в
зависимости
от
условий
,
в
которых
находится
организм
,
и
от
характера
деятельности
организма
.
Измеряя
энерготраты
пациента
,
врач
может
судить
о
состоянии
его
здоровья
,
особенностях
трудовой
деятельности
,
диагностировать
некоторые
заболевания
.
Для
оценки
функционального
состояния
организма
необходимо
создание
стандартных
условий
при
измерении
его
энерготрат
.
Для
этого
следует
исключить
влияние
тех
факторов
,
которые
усиливают
энергообмен
(
мышечная
работа
,
прием
пищи
,
отклонение
температуры
среды
от
зоны
комфорта
,
эмоциональное
состояние
и
т
.
д
).
Энерготраты
бодрствующего
организма
в
условиях
исключения
действия
на
него
факторов
внешней
среды
,
влияющих
на
термодинамические
процессы
в
организме
,
получили
название
основного
обмена
.
По
своей
сути
основной
обмен
организма
–
это
минимизированные
энерготраты