Обратимые и необратимые процессы

Те процессы, в которых A=ΔG., называются обратимыми, так как, пустив такой процесс в обратном направлении и затратив работу A, можно полностью вернуть систему в исходное состоя­ние. Таких процессов в природе не существует — все реальные процессы необратимы. Иными словами, свободная энергия си­стемы не может быть полностью преобразована в работу. При таком преобразовании часть свободной энергии обязательно превращается в тепло. Характеризуя это явление, гово­рят о диссипации (рассеянии) свободной энергии. Чтобы достичь максимальной степени обратимости термодинамиче­ских процессов, нужно добиться минимальной разности (ΔG-A.), то есть уменьшить диссипацию свободной энергии. Конкретным способом уменьшения диссипации служит сниже­ние электрического сопротивления в электрических цепях, тре­ния — в механических системах и т. п.

В технике, и в биологии нас интересует в первую очередь работа, совершаемая системой. Поэтому важно знать не столько полную внутреннюю энергию системы, сколько ее свободную энергию. В большинстве случаев направление протекания процесса и его основные характеристики определяются именно сво­бодной энергией.

Свободная энергия, как и полная, есть функция состояния, то есть функция тех условий, в которых находится система. Практически наиболее важными параметрами, определяющими состояние системы, являются температура, давление, число мо­лей вещества, а при существовании внешнего поля (например, электромагнитного) — его напряженность. С учетом первых трех можно написать

 

G = f(T, p, v). (13)

Во многих системах, в частности в живых организмах, наи­более важным видом свободной энергии является химическая энергия молекул, входящих в систему. Для отображения этого обстоятельства введено понятие химического потенциала — μ_x:

 

(14)

 

где v — число молей данного вещества. Следовательно, химичес­кий потенциал системы по отношению к некоторому веществу равен приросту свободной энергии системы при возрастании ко­личества этого вещества на 1 моль:

ΔG = μ_x Δν (15)

В общем случае присутствия в системе к веществ:

ΔG =Σ μ_x Δν (16)

Учитывая существование химического потенциала и внешнего электрического поля, формулу (13) можно дополнить:

G = f(T, p, v_i, е), (17)

где v_i — число молей i-ro вещества.

 

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ К ЖИВЫМ ОРГАНИЗМАМ

Применимость первого начала термодинамики к биологи­ческим системам никогда не вызывала сомнений. Более того, как уже говорилось, оно сразу было сформулировано именно для живых организмов (Майер, Гельмгольц). Однако классиче­ская форма этого закона, отображенная в формуле (2), была создана в связи с запросами теплотехники. Поэтому она не вполне удобна для биологии, так как не отображает сути тер­модинамических процессов, происходящих в живых системах. В отличие от тепловых машин, живые организмы произво­дят работу не за счет тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Поэтому положение, согласно которому изменение внут­ренней энергии системы равно ее обмену энергией с окружаю­щей средой, удобнее записать так:

 

ΔU=W_пищи-Q-A (18)

Перед Q в данном случае стоит знак «—», так как биологиче­ские системы отдают тепло окружающей среде.

Организм гомойотермных животных имеет постоянную тем­пературу, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому и внутренняя энергия такого организма приблизитель­но постоянна. Следовательно, ΔU = 0. В этом случае

 

W_пищи = Q+ А (19)

Учитывая разные формы совершения работы и теплообмена, следует это выражение записать так:

W_пищи = ΣQ+ ΣА (20)

Последняя формула наиболее точно отображает суще­ство первого начала термодинамики для биологических систем, особенно для гомойотермных животных.

Чтобы глубже проникнуть в особенности первого начала тер­модинамики для биологических систем, полезно сопоставить термодинамические процессы в тепловой машине и организме гомойотермных животных. Предварительно заметим, что пер­вичным источником энергии в обоих случаях служит Солнце. Мощность солнечного излучения примерно 10²⁶ Вт. Небольшая ее часть (2 10¹⁷ Вт) достигает поверхности Земли, а из этой величины только 0,02% поглощается зелеными растениями и запасается ими в процессе фотосинтеза. Поток энергии, извлекаемый зелеными растениями из солнечного све­та, имеет порядок 4 10¹³ Вт. За счет этой энергии работают тепловые машины и осуществляются все процессы жизнедея­тельности. Однако способы преобразования в работу солнечной энер­гии, аккумулированной зелеными растениями в форме химиче­ской энергии, принципиально неодинаковы в тепловой машине и биологической системе. В тепловой машине топливо сжигают, преобразуя химическую энергию в тепловую, а затем уже по­следнюю превращают в работу. Заметим, что преобразование тепловой энергии в работу происходит при большом перепаде температур.

Принципиальным отличием термодинамических процессов в биологической системе является отсутствие промежуточного звена (в форме тепловой энергии) между химической энергией, запасенной в пище, и работой, совершаемой организмом. Энергия химических связей пищевых продуктов непосредственно преобразуется во все формы работы биологической системы. При этом образуется и тепловая энергия, но она представляет собой неизбежные энергетические потери. КПД для различных биологических процессов лежит в диапазоне от 20% до 60%. Различия термодинамических процессов в тепловой машине и биологической системе поясняет схема:

тепловая машина	биологическая система
фотосинтез сжигание (02, Т) Wc →W топлива ------------- Q→ΔU + А;	фотосинтез биол окисление (O2) Wс →Wпищи ---------- -------------------- ΔU+A+Q.

 

 

Напомним, что у гомойотермных животных ΔU = 0. Кроме того, учтем разные формы теплообмена и работы в организме, опус­тим левую часть схемы и тогда придем к выражению (20):

W_пищи = ΣQ+ ΣА