Самопроизвольно реакция может протекать только в направлении уменьшения энергии Гиббса.

Анализ уравнения свободной энергии Гиббса показывает, что знак ΔG_р-и зависит от знаков и относительных величин  изменения энтальпии и энтропии, а также от температуры.

 При низких температурах определяющей будет величина (знак) ΔН, и самопроизвольно идут главным образом экзотермические реакции.

  При высоких температурах  решающую роль играет энтропийный член уравнения, возрастающий в реакциях разложения. Поэтому при достаточно больших температурах не могут существовать сложные системы.

Как правило, итогом процесса является результат взаимодействия двух рассмотренных факторов. Например, распределение атмосферного газа происходит под действием энтальпийного фактора ΔН < 0 (стремление распределиться по поверхности Земли) и энтропийного фактора ΔS > 0 (стремление рассеяться в космическом пространстве).

Развитие растений и животных происходит самопроизвольно, сопровождается образованием более сложных структур и, следовательно, приводит к уменьшению энтропии, ΔS<0. Это возможно только потому, что неограниченно используется энергия Солнца, и энтальпийный фактор преодолевает противодействующий развитию энтропийный фактор.

Вычислить свободную энергию реакции (изменение свободной энергии реакции) можно не только по уравнению Гиббса, но и по свободным энергиям Гиббса образования веществ (табличные данные).

Стандартным изменением энергии Гиббса образования вещества называется изменение энергии Гиббса образования 1 моль вещества в стандартном состоянии из соответствующих простых веществ, также взятых в стандартных состояниях. При этом стандартные энергии Гиббса образования простых веществ в наиболее устойчивых их формах принимаются равными нулю: ΔG^o_обр.(Н₂) = 0;  ΔG^o_обр.(О₂) = 0.

Энергия Гиббса – функция состояния, поэтому она рассчитывается по закону Гесса:

стандартное изменение энергии Гиббса реакции равно сумме стандартных изменений энергий Гиббса образования продуктов реакции минус сумма стандартных изменений энергий Гиббса образования исходных веществ с учётом стехиометрических коэффициентов.

           Для реакции aA + bB                     xX + yY

ΔG^o _р-и = ∑Δ G^o _обр. (xX; yY) - ∑Δ G^o _обр. (aA; bB).

Процессы, в которых энергия Гиббса убывает ΔG^o_р-и  < 0, называются экзэргоническими, а при которых энергия Гиббса возрастает ∆G^o_р-и > 0, называются эндэргоническими, самопроизвольно они не протекают.

Эндэргонические процессы реализуются в природе в том случае, если они сопряжены с какими-то экзэргоническими реакциями:

     в организме: 

глюкоза + фруктоза             сахароза + вода; ΔG^o_р-и = +21 кДж.

    Это эндэргоническая реакция, т.к. ΔG^o_р-и  > 0. Она сопряжена с экзэргонической реакцией:

                   АТФ + Н₂О                 АДФ + Н₃РО₄; ΔG^o_р-и = - 50 кДж.

 

Вывод: I Начало термодинамики позволяет количественно оценить энергетические характеристики природных и технологических процессов, что важно, например, для стоматологического материаловедения, но не во всех случаях он позволяет прогнозировать возможность протекания процесса и его направление. На эти вопросы отвечает ІІ Закон (начало) термодинамики - возможно, это одно из наиболее общих положений науки в целом.

Критерий направленности процессов, протекающих самопроизвольно в сторону достижения минимума энергии Гиббса, является частным случаем  фундаментального

ІІ начала термодинамики, определяющего направленность  протекающих процессов и их пределы.

Каждая система характеризуется факторами интенсивности p, T, С и факторами ёмкости   V, m. Самопроизвольно протекают процессы в сторону выравнивания факторов интенсивности.

Уравнение Δ G = ΔH - TΔS   является выражением ΙΙ Начала, которое имеет несколько формулировок:

- энергия любого вида может переходить от одного тела к другому только в том случае, если термодинамический потенциал её у первого тела выше, чем у второго.

- теплота может самопроизвольно переходить от более нагретого тела к  менее нагретому, процесс протекает необратимо во всех частях системы;

- самопроизвольно протекают процессы, при которых система переходит из менее вероятного состояния в более вероятное;

- энтропия изолированной системы возрастает (т.е. производится) в необратимом процессе и остаётся неизменной в обратимом процессе;

- Невозможен самопроизвольный процесс, приводящий к возрастанию разности величин интенсивных параметров системы.

Биоэнергетика имеет дело с живыми организмами, т.е с открытыми системами, для них вводится понятие стационарного состояния открытой системы. Для него характерно постоянство параметров системы, неизменность во времени скоростей притока и удаления веществ и энергии (для организма берётся сравнительно большой промежуток времени).

Т.о., биологическая система – система стационарного состояния – существует только при наличии энергетического потока и потока вещества, проходящих через неё в виде пищи. 

Рассматриваем ли мы энергетическую характеристику зуба (как системы) или человека в целом, функционирование биологической системы характеризуется через ΔS и ΔΗ. Открытая система в стационарном состоянии во многом сходна с системой, находящейся в термодинамическом равновесии, к обеим, например, применим принцип Ле Шателье.

Применяя термодинамику к биологическим системам, нужно помнить:

1. Биосистемы обмениваются со средой энергией и массой.

2. Процессы в живых организмах необратимы.

3. Все биосистемы многофазны.

Т.к. в организме протекают необратимые процессы (разрушение зубов), то скорость изменения энтропии в организме ΔS/Δτ > 0. Основное свойство стационарного состояния открытых систем сформулировано И.Пригожиным (лауреат Нобелевской премии 1977 г.) в виде теоремы: