Рубнердің тәжірибесі

Микроорганизмдермен жүргізген тәжірибесінде М.Рубнер бактерия клеткасына қорекпен түскен энергияны тіршілік әрекеті барысында екі бөлікке ажырайтындығын байқады:

Тіршілік әрекеттері барысында ортаға зат алмасу өнімдерімен бөлініп отыратын жылу/энергия;

Клеткада қорға жиналатын энергия (бұл энергия зерттеу объектісін калориметрлік бомбада жағу арқылы анықталады). Аталған энергия түрлерінің қосындысы қоректік заттармен келіп түсетін ішкі энергияға сай келеді.

Тура калориметрия –организмнен бөлінетін жылуды тікелей өлшеу

Жанама калориметрия - организмнің жылу өндіруін газ алмасу бойынша өлшеу

Сонымен, тірі организм жаңа энергия көзі болып есептелмейді және термодинамиканың бірінші заңын тірі организмдерге толықтай қолдануға болады.

11.Гесс заңы оның практикалық қолданылуына мысал келтіріңіз?Калориметрия әдісі және оның практикалқ маңыздылығын түсіндіріңіз? Термодинамиканың бірінші заңы басқаша энергияның сақталу заңы ретінде де белгілі,яғни энергия жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, тек бір түрден екінші түрге аусып отыратындығына негізделген. Ол заңды жалпы ең алғаш 1748 ж. М.В.Ломоносов ұсынды.Кейінірек Г.И. Гесс, Р. Майер, Д.П. Джоуль, Г. Гельмгольцтердің еңбектерінің нәтижесінде ол заң одан әрі зерттеліп қазіргі түсініктемесіне ие болды.Кез келген химиялық,сонымен қатар физикалық (еру,балқу,булану т.б) процестері жүргенде энергия бөлінеді немесе сіңіріледі. Реакция нәтижесінде бөлінетін немесе реакция жүру үшін берілетін жылу реакцияның жылу эффектісі деп аталады. Реакцияның жылу эффектісін зерттейтін физикалық химияның саласын термохимия деп атайды.Барлық термохимиялық есептеулер сүйенетін, басты принцип 1840 жылы бекітілді. Бұл принцип Гесс заңы атымен белгілі болған және химиялық термодинамикалық процестерге бастапқы бірінші қосымшасы болып табылатын, ол заң былай тұжырымдалады: егер бастапқы берілген заттардан әр түрлі жолдармен белгілі бір өнімдер алатын болса, онда осы өнімдердің алу жолдарына байланыссыз барлық жолдардың жылу эффектілері бірдей болады. Гесс заңы тұрақты көлемде жүретін процестерге (онда жылу эффектісі Q_V = ∆U) және тұрақты қысымда жүретін процестерге (онда жылу эффектісі Q_p = ∆Н) қолданылады.Гесс заңы іс жүзінде көп қолданылады. Ол кейбір химиялық реакцияларды жүргізбей-ақ, олардың жылу эффектілерін есептеуге мүмкіндік береді. Гесс заңдарынан бірнеше салдар шығады. Бірінші салдар. Кейбір химиялық қосылыстың айрылуының жылу эффектісі оның түзілу жылу эффектісіне тең, тек таңбасы қарама-қарсы. (Мұны Лавуазье-Лаплас (1780-1784) заңы деп атайды.). Екінші салдар. Егер әр түрлі бастапқы күйлерден бірдей соңғы күйге келетін екі реакция жүретін болса, онда олардың жылу эффектілерінің айырмасы бастапқы күйлердің бір-біріне ауысқандағы жылу эффектісіне тең.Көміртектің аллотроптық бір күйден екінші күйге ауысқандағы жылу эффектісінің тәжірибе арқылы өлшей алмайтындықтан, Гесс заңының екінші салдарын пайдалана отырып, оны есептеуге болады. Үшінші салдар. Бірдей бастапқы күй-жағдайда әр түрлі соңғы күйлерге келетін екі реакция жүретін болса, онда олардың жылу эффектілерінің айырмасы соңғы күй-жағдайлардың бір-біріне ауысқандағы жылу эффектісіне тең. Мысал ретінде көміртек пен көміртек (II) оксидінің көміртек (IV) оксидіне дейін жануын қарастыруға болады.Гесс заңының басты тәжірибелік мәні бар. Гесс заңының көмегімен жылу эффектілерін нақты өлшеу мүмкін емес немесе қиындық туғызатын процестердің жылу эффектілерінің шамасын есептеуге болады.

12.Энтропия және оның өзгерісі «энтропия - жүйедегі реттіліктің өлшемі» дегенді қалай түсінесіз? Энтропия (грек. еntropіa – бұрылыс, айналу) – тұйық термодинамикалық жүйедегі өздігінен жүретін процестің өту бағытын сипаттайтын күй функциясы. Энтропияның күй функциясы екендігі термодинамиканың екінші бастамасында тұжырымдалады. Энтропия ұғымын термодинамикаға 1865 ж. Р.Клаузиус енгізген Энтропия – термодинам. тепе-тендік күйдегі макроскоп. денелерге тән қасиет. Ол бірліктердің халықаралық жүйесінде (СИ) Дж/К арқылы өрнектеледі. Энтропия ұғымы ғылымның көптеген салаларында (физика, химия, т.б.) маңызды рөл атқарады.Еркінше алынған қайтымды циклды қарастырсақ. Циклды бөлшектеу көмегімен, элементарлы Карно циклын шексіз көп санды теңдікті, мына түрде жазуға болады: dq₁T₁= dq₂T₂ Тұйықталған пішін бойынша, интегралдау кезінде және dq₂ теріс таңбаларын есептеп табамыз. ʃdq_қайтT₁ = 0. Мұндағы, dq_қайт — таңбасы кезіндегісі, қаралып отырған айналмалы процесстегі қайтымды түріне, ерекше көңіл аударылуы тиіс. Сонымен, келтірілген жылулықтың интегралды суммасы үшін, қандай болса да, қайтымды циклда нөлге тең. Бұл Клаузиус теңдеуі деп аталады.Шарт бойынша, жылулықты dq жеткізу процессі қайтымды деп есептеледі. Сонымен, S — функция жағдайы. Оны энтропия деп атайды. Формуладағы 1/T үстіңгі көрсеткішінде тұрған, толық емес дифференциал dq үшін интегралдаушы көбейткіш болады. Еркін қайтымды айналмалы процесс үшін алынған формуладан, энтропия S және абсолютты температура Т бар екендігі туралы тікелей қорытынды шығады да, теңдеумен анықталады, оны қайтымды процесстер үшін, жылу динамикасының екінші заңының теңдеуі деп атайды.Энтропияның өзгерісі теңдеудін қолданып термодинамиканың бірінші бастамасының бірлестірілген түрін былай жазуға болады:TdS=dU+dAОсы теңдеуді термодинамикалық тепе-теңдік деп атайды. Бұл теңдеуді қайтымды процестер үшін термодинамиканың екінші бастамасы деп те жиі айтады.Қайтымды процестер өтетін жүйенің энтропия деген күй функциясымен сипатталуын да термодинамиканың екінші бастамасы деп айтады.Энтропия түсінігін және Клаузиустың теңсіздігін қолдана отырып, термодинамиканың 2 заңын тұйық жүйедегі қайтымсыз процестер үшін энтропияның өсу заңы деуге болады: кез-келген тұйық жүйедегі қайтымсыз процесс сол жүйенің энтропиясы өсетіндей болып жүреді немесе қысқаша былай айтуға болады: тұйық жүйеде жүретін процестерде энтропия азаймайды.Тұйық емес (ашық) жүйелерде энтропия өсуі де, азаюы да, тұрақты болуы да мүмкін.Энтропия тұйық жүйедегі тек қана қайтымды процестер үшін тұрақты, ал тұйық жүйедегі қайтымсыз процестер үшін әрқашанда өседі.

13.Тірі жүйелер үшін термодинамиканың 2 заңы қалай тұжырымдалады?И.П Пригожин теңдеуін жазып сипаттаңыз. Термодинамиканың екiншi заңы энергетикалық түрленулердiң бар болу мүмкiндiгiнiң бағытын көрсетедi. Салқынырақ денеден ыстығырақ денеге жылуды тасымалдау, екi жүйеде де немесе қоршаған ортада бiр мезгiлде басқа өзгерiстер жасамайынша, мүмкiн емес. Жылу двигателi. Iс-әрекетi жұмыс атқарушы дененiң механикалық энергиясын iшкi энергияға түрлендiруге негiзделген двигательдер жылу двигателдерi деп аталады.Кез-келген дененiң (қыздырғыштың) iшкi энергиясын, қыздырғыштың жылуын басқа температурасы төменiрек денеге(тоңазтқышқа) бергенде ғана, яғни тек жылу алмасу процесi кезiнде ғана, iшiнара механикалық энергияға айналдыруға болады.Ең алғаш рет бұл мәселенi, идеалды жылу машинасын ойлап тапқан француз ғалымы С.Карно зерттедi. Карно циклi. Жұмыс атқарушы дене қыздырғыштан Q_Қ жылу мөлшерiн алады да, тоңазытқышқа Q_T жылу мөлшерiн бередi, ал (Q_Қ — Q_T) айырымын Aұ жұмысқа айналдырады. Жұмыс атқарушы дене ұлғайған кезде өзiнiң барлық iшкi энергиясын жұмыс жасауға берiп жiбере алмайды. Жылудың едәуiр бөлiгi мiндеттi түрде жұмысын атқарған газбен бiрге тоңазытқышқа берiледi. Iшкi энергияның бұл бөлiгi қайтарылмай, бiржола жоғалады.Карно машинасындағы жұмыс атқарушы дене, өз күйiнiң өзгеру циклiн периодты түрде қайталап тұратын, идеалды газ болып табылады. Карно машинасында үйкелiске және қоршаған ортамен жылу алмасуға кеткен энергиялардың шығындары ескерiлмейдi, сондықтан бұл машинаны Карноның идеалды жылу машинасы деп атайды. Айналмалы процесс н/е цикл – бiрнеше күйлер катарынан өтiп өзiнiң бастапқы күйiне қайтып келетiн жүйе процесi Егер айналмалы процесс сағат тiлi бойынша жүретiн болса (3.11-сурет), онда жұмыс оң болады және цикл- тура цикл д. а.

Пригожин қағидасын жазып, анықтап беріңіз. Тепе-теңдік емес термодинамикасында стационар күй ерекше орын алады. Термодинамикалық тепе-теңдіктің жоқ болуына қарамастан жүйенің ұзақ уақыт бойына өзінің кейбір физикалық және химиялық қасиеттерін сақтап тұру қасиеті стационар күй деп аталады. Пригожин өрнегі организм мен сыртқы ортаның энтропия алмасуының теңдігін көрсетеді. Ал стационар күй үшін S=conct, екенін еске алсақ бұдан көріп отырғанымыздай стационар күй үшін энтропия өзгерісі нөлге тең болмайды,стационар күйде заттар алмасуы үздіксіз жүріп отырады. Сыртқы өлшемдер анық болған кездегі стационарлық куйдегі жүйедегі энтропияның өну жылдамдығын уақыт бойынша тұрақты және көлем боййынша кіші. Егер жүйе қандайда бір себеппен стационарлық күйден шығарылған болса энтропия өсуінің үлестік жылдамдығы ең кіші мәнге ие болмайынша өзгере береді. Тұрақты жағдайда Пригожин принципі орындалады. Биожүйеде энтропия бағасы оң және минимальді. Тек қана тұрақты жағдайда орындалады. Пригожин қағидаты немесе теоремасы: Басқаша айтсақ, ашық жүйенің стационарлы немесе тепе-теңдік күйінедейін дамуы жоғары көрсетілген теңсіздік арқылы өрнектеледі.қ Стационарлы күйдің кенеттен өзін өзі ұйымдастыру құбылысына әкелетін тұрақсызыдығын тағы бір айқын мысалы Бенар тұрақсыздығы болып табылады. Ол тік градиентті температураға ие сұйықтықтың көлденең қабатында туындайды. Сұйықтықтың конвективті қозғалысы жүйенің күрделі кеңістік түрде ұйымдастырылуын туғызады. Сызықтық емес термодинамиканы құрушылардың бірі Пригожин мұндай ұйымдасу түрін диссипативті құрылым деп атаған. Пригожин формуласынан көріп отырғанымыздай стационар күй үшін энтропия өзгерісі нөлге тең болмайды. Бұдан стационар күйде (яғни биологиялық жүйеде) заттар алмасуы үздіксіз болып тұрады.Ашық жүйелердің стационар күйін тұрақты және тұрақты емес деп бөлуге болады. Тұрақты стационар күй энтропия өзгерісі жылдамдығының ең аз мәніне ие болады. Тірі организм тұрақты стационар күйдің бір дәлелі бола алады. Егер сыртқы ортаның өзгеруіне (айталық қысымның, температураның) байланысты организм стационарлық күйде тұра алатын болса, онда организм осы ортаға үйренеді де (адаптацияланады) өмір сүре береді. Ал қоршаған ортаның өзгеруіне байланысты организм стационарлық күйден ауытқып кететін болса, онда организм өмір сүруін тоқтатады. Пригожин теоремасы: “Біршама жартылай теңдестірілген ашық жүйелерде өзгермейтін орта жағдайларында термодинамикалық тепе теңдікке жақын стационарлық күйде энтропияның ішкі қайтымсыз процестер нәтижесінде өсу жылдамдығының мәні нөлден өзге тұрақты минималдық оң шамаға тең болады”Энтропияның өсуінің минимум принципы немесе Пригожин теоремасы ашық жүйеде өздігінен жүретін өзгерістердің жалпы бағытын көрсететін сандық критерий немесе басқаша айтқанда жүйенің эволюциясының критерийі болып табылады.Әр секундтағы энтропия өсімінің мәнінің өзгеруі бойынша жүйенің соңғы стационарлық күйге өтуін болжауға болады.

Айтылған термодинамикалық қайтымсыз процестер негізінде биологиялық құбылыстарды анализдеуге арналған көптеген жұмыстар бар.Бұл теорияларға сай организдердің өсуі мен дамуы өздігінен және үздіксіз жүреді, соңғы стационарлық күйге жетуге бағытталған боладынәтижесінде энтропияның түзілу жылдамжығы азаяды да соңғы стационарлық күйде минималды мәнге ие болады.

14.Биологиялық жүйелерднгі стационарлық күй және оның қамтамасыз етілу механизмдерін түсіндіріңіз,Термодинамика заңдарын биологиялық жүйелерге қолданғанда тірі организмнің ерекшеліктеріне аса көңіл бөлу керек: 1) заттар мен энергия ағынына биологиялық жүйелер ашық; 2)Тірі жүйелердегі процесстер қайтымсыз; 3) тірі жүйелер тепе-теңдіктен алыс; 4) биологиялық жүйелер гетерофазалы, құрылымдық және жеке фазалары аздаған молекулалар санынан тұруы мүмкін. Биологиялық жүйелер қасиеттерін нақты түрде сипаттау үшін қайтымсыз процестер термодинамикасы теориясы қолданылады. Оның негізіг салушылар Л.Онгазер мен И. Пригожин. Процестің уақытқа тәуелділігіне мысал ретінде: иондарының концентрациясы клетканың ішіне қарағанда сыртында көп. Бірақ концентрациясы градиенті мен потенциалодар айырмасының болуы индарының ішке еніп кетуіне әкеледі, сондықтан концентрациясы тұрақты болып қалады.

Стационарлық күй сипаттамалары:Жүйеге енген зат мен одан бөлініп шыққан заттың тұрақтылығы;Еркін энергия шығынының тұрақтылығы, олар жүйедегі заттар концентрациясын тұрақты етіп ұстап тұрады.Стационар күйдегі термодинамикалық параметрлердің тұрақтылығы.Ашық жүйе стационар күйде зат мен электр зарядтары ағыны есебінен ғана өмір сүре алады.

Сызықты тепе-тең емес термодинамика негізін қалаған Л.Онзагер мен И.Пригожин болды. Ол тепе-тең күйге жақын процестерді қарастырады, процестерден пайда болған жылдамдықтар мен күштердің арасында сызықтық байланыстар болған кездегі. Биологиялық жүйелер градиент санының артықтығымен сипатталады (осмостық, электрлік, концентрлік және т.б. Қандай да бір термодинамикалық параметрдің градинті ара қашықтыққа байланысты өзгереді. , – үлкен параметрден кіші параметрге дейінгі бағыт.Биологиялық жүйе оның градиенті болса, онда оның жұмыс істей алу мүмкіндігі бар. Градиентті энергия қоймасы деп айтуға болады.Еркін энергия - термодинамикалық параметрлердің 1-ші және 2-ші нүктелердегі мәні.Жүйенің жұмыс істеуі осы еркін энергияны жұмсауына байланысты. Егер жұмыс істелетін болса, онда градиент кемиді, себебі оның энергиясы есебінен жұмыс жасалады, бірақ параллель оған қарама-қарсы бағытта екінші градиент пайда болады. Қайтымсыз процестерде екінші градиенттің шамасы бірінші градиентке қарағанда аз болады.