Первый закон термодинамики

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.