Первый закон термодинамики был обоснован в результате обобщения многовекового опыта всего человечества. Впервые наиболее обобщенно он был сформулирован в работах М. В. Ломоносова (1744), Гесса (1840), Мейера и Джоуля (1842), Гельмгольца (1847).
Первый закон термодинамики устанавливает, что общая сумма энергии материальной системы остается постоянной величиной независимо от изменений, происходящих в самой системе: изменение энергии системы возможно только в результате обмена анергией с окружающей средой. Таким образом, первый закон термодинамики является количественным выражением закона сохранения энергии, который гласит, что энергия не исчезает и не возникает, а только переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах.
Допустим, имеется замкнутая система, которая обменивается энергией со средой. Из закона сохранения энергии следует, что, зная энергию, переданную окружающей средой системе, а также энергию, переданную системой окружающей среде, можно вычислить изменение внутренней энергии системы. Под внутренней энергией системы следует понимать общую сумму всех видов энергии в данной системе механической, тепловой, химической, электрической и пр.
Если между системой и средой произошел обмен энергией и совершилась работа, то изменение внутренней энергии системы dU можно найти из уравнения:
 |
где dQ — количество переданного тепла; dA — количество совершенной работы.
Уравнение (2) математически выражает первый закон термодинамики: изменение внутренней энергиисистемы равно алгебраической сумме тепла переданного в процессе, и совершенной работы.
41
В живых организмах совершаются различные виды работы. Основными видами работ в организме являются химическая, механическая, осмотическая и электрическая.
Химическая работа — работа, совершаемая при синтезе различных высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных и при осуществлении определенных химических реакций. Синтез высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов)
обычно требует затраты энергии, поэтому данный процесс можно считать выполнением работы.
Механическая работа — работа по перемещению частей и органов тела против механических сил. Механическая работа выполняется мышцами при их сокращении.
Осмотическая работа — работа по переносу различных веществ через мембраны или многомембранные образования из области более низкой концентрации этих веществ в область более высокой концентрации. Перенос осуществляется специальными механизмами активного транспорта против сил диффузии и требует затраты энергии клеток (см. главу 6).
Электрическая работа — работа по переносу заряженных частиц (ионов) в электрическом поле, создание разности электрических потенциалов и электрического тока. В организме электрическая работа совершается при генерировании клетками биопотенциалов и проведении возбуждения по клеткам. Особенно большой величины этот вид работы достигает у животных, имеющих электрический орган, с помощью которого они поражают свои жертвы. Электрический угорь, например, генерирует ток 1/8 А при напряжении 10 000 В.
Наконец, некоторые животные могут светиться в темноте. Все ткани живых организмов также испускают сверхслабое электромагнитное излучение, которое можно зарегистрировать чувствительными приборами. Свечение биологических объектов происходит за счет химической энергии клеток, поэтому данный процесс можно назвать работой по высвечиванию.
Первичным источником энергии в организме для производства всех видов работ — является химическая энергия пищевых веществ (белков, жиров, углеводов), выделяющаяся при их окислении. Для растений первичным источником энергии является энергия солнеч-
42
Рис. 5. Общая схема превращения энергии в организме.
