Первый и второй законы термодинамики в биологии. Характеристические функции и их использование в анализе биологических процессов. Энтропия.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение Δ U внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

ΔU = Q – A.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Q = ΔU + A.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон определяет принципиальное условие жизнедеятельности материи, заключающейся в том, что она всегда должна находиться в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии (неживая материя всегда находится в неустойчивом неравновесном термодинамическом состоянии).

Опытная проверка этого закона проводилась в спец калориметрах, где измеряется теплота, выделенная организмом в процессах метаболизма, при испарениях, и вместе с продуктами выделения. Поступающие в организм питательные вещества распадаются с освобождением заключенной в них свободной Е, кот используется для жд. Опыты проводились для реакций основного обмена на коротком промежутке вр., когда не происходит накопления биомассы в рез-те роста и не совершается значительной раб. В рез-те, выделенная орг-м теплота полностью соответствует Е, поглощенной вместе с пит веществами. Справедливость I з означает, что сами по себе орг-мы не являются независимым источником к-либо новой Е.

 Второй закон термодинамики был сформулирован Клаузиусом. 

II з дает критерий направленности самопроизвольных необратимых процессов. Всякое изменение состояния системы описывается соответствующим изменением особой функ-и состояния – энтропии dS, кот определяется суммарной вел-й поглощенных сис-й приведенных теплот Q/Т.

Клаузиус также ввёл понятие энтропии, как функции состояния, приращение которой равно теплоте, подведённой к системе в обратимом изотермическом процессе, делённой на абсолютную температуру, при которой происходит этот процесс.

Согласно II началу терм-ки энтр сис-ы будет стремиться к max, при кот будет достигнуто равновесие и реакция прекратиться.

Второй закон термодинамики определяет, каким образом живыми системами обеспечивается устойчивость неравновесного термодинамического состояния. В соответствии с этим законом биологические системы обеспечивают устойчивость неравновесного термодинамического состояния путем непрерывных энергетических колебаний в виде циклов синтеза и расщепления АТФ в определенных пределах, совокупность которых на уровнях клеток, органов, систем и целостных организмов формируется в виде биоритмов.

Необратимые процессы, ведущие систему к увеличению энтропии, ведут систему к максимальному числу микросостояний, к ТД хаосу, равновесию.

В состоянии ТД равновесия, при максимальной энтропии, информационная структура системы нулевая. Энтропия и информация связаны, как обратные величины: уменьшение энтропии системы связано с увеличением информации этой системы.