Применение первого закона термодинамики к биологическим системам

Для определения тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции, применяются специальные приборы, называемые калориметрами. Калориметрическое определение ведется так, чтобы вся химическая энергия выделялась в виде теплоты или могла быть учтена в виде работы расширения газа. Такой способ называют прямой калориметрией.

Всем живым организмам для роста и функционирования нужна энергия. Растения могут использовать энергию солнца (фотосинтез), а животные и человек получают энергию только за счет окисления пищевых продуктов.

Чтобы доказать применимость первого закона термодинамики для живых организмов, еще в 18 веке Лавуазье и Лаплас изучали теплообмен морской свинки. Было установлено, что количество теплоты, выделяемое свинкой равно количеству теплоты, выделяющейся при сжигании продуктов питания свинки в калориметре.

Для человека это сделать конечно сложнее. Поэтому в настоящее время энергетический баланс изучается не только методами измерения тепловых эффектов, но и с помощью термохимических расчетов. Такие расчеты называют непрямой калориметрией. Данные прямой калориметрии используют в расчетах непрямой калориметрии, где на основании установленных дыхательных коэффициентов и калориметрического эквивалента определяются энергетические затраты организма.

Исследования показывают: организм человека не продуцирует новую энергию, все работы в организме совершаются за счет энергии выделяющейся при окислении питательных веществ. Основная часть этой энергии задерживается в организме в виде химической энергии, а не выделяется в виде теплоты. В процессе эволюции живых организмов выработалась определенная последовательность и скорость биологического окисления. За счет энергии, которая выделяется при окислении глюкозы, карбоновых кислот и других продуктов распада питательных веществ, образуются АТФ, АДФ, креатинфосфат, ацетилфосфат и другие соединения, которые накапливаются в клетке. Т.е. можно сказать, что выделяющаяся энергия накапливается в связях некоторых Р-содержащих веществ. По мере необходимости эти вещества, в свою очередь, легко распадаются (подвергаются гидролизу), и при этом энергия, которая потратилась на их образование, выделяется. Она расходуется на синтез белка и других веществ, мышечную работу, работу нервной системы, работу внутренних органов и высшую нервную деятельность. Вещества, при распаде которых выделяется много энергии, называют макроэргическими. Главным из них является аденозинтрифосфат (АТФ) - энергетическая валюта организма. А закон сохранения энергии утверждает, что организм человека должен тратить энергии столько, сколько ее получает. Что произойдет, если тратить больше? Или меньше? Что означает, если человек, питается нормально и образ жизни обычный, но резко худеет?

Применение калориметрии в медицине: Сравнение энергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний, например, ожирения. На основании данных о калорийности продуктов составляются нормы потребностей в пищевых веществах для разных групп населения, с учетом возраста, пола, характера труда, заболевания, климата и т.д.

3. Признак протекания химического или физического процесса – изменение параметров системы и функций состояния. Если они меняются, значит, в системе происходит какой-то термодинамический процесс. Если параметры самопроизвольно не меняются – значит, система находится в состоянии равновесия. Состояние термодинамического равновесия динамическое, т.е. в системе продолжают протекать процессы, но в противоположном направлении и скорости этих процессов равны.

Термодинамически обратимым называется процесс, который при определенных условиях можно реализовать в прямом и обратном направлении, при этом никаких изменений в окружающей среде остается. Необратимыми называют процессы, при которых в системе или окружающей среде возникают какие-то неисчезающие изменения. Все реально протекающие самопроизвольные процессы – необратимы. В том числе и в живых организмах. Обратимый процесс – абстракция, идеал. Он может протекать только в изолированной системе. Но, несколько упрощая реальность, можно рассчитывать термодинамические свойства системы, если представить себе реальный процесс протекающим бесконечно медленно и обратимо.

2-й закон термодинамики. Он определяет возможность протекания процесса в системе и его направление. У него тоже имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок.

1 — Постулат Клаузиуса. Процесс является необратимым, если не происходит никаких других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, или теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе.

2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

В реальных системах только часть энергии превращается в полезную работу, другая часть является «связанной». Для характеристики этой «связанной» энергии Клаузиус ввел новую функцию состояния – энтропию (S). Эта формула - аналитическое выражение второго закона термодинамики. Поэтому энтропию () называют приведенной теплотой, а - связанной энергией вещества. Величину энтропии, как и любого другого термодинамического потенциала измерить нельзя. Можно говорить только об изменении этой величины, т.е. ΔS. Можно сказать, что энтропия – мера упорядоченности вещества. Чем больше неупорядоченность, тем больше энтропия. Где больше «порядка»: в кристаллическом веществе или жидкости? В воде при 20⁰С или при 80⁰С? Абсолютное значение энтропии можно вычислить теоретически, пользуясь постулатом Планка: энтропия кристаллического вещества при абсолютном нуле равна нулю. Этот постулат иногда называют третьим законом термодинамики. Это означает, что и энтропия, и температура ограничены снизу, т.е. не могут быть меньше некоторых предельных значений. Отсюда появляется понятие абсолютного нуля температурной шкалы Кельвина. Т.е. это теоретически рассчитанная температура при которой прекратится всякое тепловое движение…

Самопроизвольно обычно протекают процессы, идущие с увеличением энтропии (), т.е. с выделением тепла или увеличением числа частиц и скорости их движения… - так тоже можно сформулировать 2 закон термодинамики.

Умение предсказать, будет ли проходить и в каком направлении химическая реакция или биологический процесс – это очень важно. Но если ориентироваться только на энтропию – можно ошибиться. Ведь растения и животные – это сложные структуры, они самопроизвольно развиваются, казалось бы, в противоречие второму закону термодинамики, т.е. из множества маленьких и простых частиц образуется одна большая и сложная, а не наоборот. Поэтому были предложены другие термодинамические функции, которые могут служить критерием возможности самопроизвольного протекания процесса. Чаще всего пользуются изобарно-изотермическим потенциалом, т.н. свободной энергией Гиббса (G). Оставив в стороне математические выкладки, просто запомним, что изменение свободной энергии Гиббса зависит не только от энтропии (а значит и внутренней энергии) и от энтальпии: .

если =0, система находиться в равновесии, G имеет минимальное значение для данной системы при данных условиях

если >0, самопроизвольные процессы невозможны, они могут протекать только под действием окружающей среды («энергетический пинок»)