Наиболее значимые разделы физической и коллоидной химии
II. Химическая термодинамика как основа для понимания биоэнергетических процессов
Термодинамика – это наука, изучающая законы энергетических превращений, сопровождающих физические, химические и биохимические процессы.
Термодинамический метод является одним из самых мощных методов физической химии, позволяющим предсказывать результаты процессов.
Объектом изучения в термодинамике является система.
Система – это рассматриваемая часть материальной вселенной, отделенная от окружающей среды замкнутой поверхностью – границей. Например, системой можно назвать реакционный сосуд и гальванический элемент.
Классификация систем:
В основе классификации термодинамических систем лежат следующие признаки.
| 1) По характеру взаимодействия система – окружающая среда системы подразделяют на: | Примеры |
| Открытые — обмен со средой энергией и веществом: ∆U≠0; ∆m≠0. Закрытые –обмен только энергией и работой: ∆U≠0; ∆m=0. Изолированные – обмен веществом и энергией отсутствует: ∆U=0; ∆m=0. Абсолютно изолированных систем в природе нет. | Открытая колба с раствором, из которой может испаряться растворитель и которая может нагреваться и охлаждаться окружающей средой. Живые объекты. Плотно закрытая колба с раствором, из которой не может испариться растворитель, но она может нагреваться и охлаждаться окружающей средой. Химическая реакция, идущая в термостате. Изменение энергии при протекании химической реакции будет компенсироваться включением или выключением нагревателя, при этом общая энергия системы будет оставаться постоянной. |
2) По степени однородности системы подразделяют на: гомогенные и гетерогенные.
Систему называют гомогенной, если она состоит из одной фазы. Например, вода, воздух.
Гетерогенная система состоит из нескольких фаз, т.е. из отдельных частей. Например, лед — вода, вода — бензол, цельная кровь и т. п.
Термодинамические параметры. Состояние системы. Экстенсивные и интенсивные свойства
Состояние системы– это совокупность параметров, характеризующих систему в данный момент времени.
Особого внимания заслуживают 2 вида состояния системы — 1) равновесное и 2) стационарное. Оба состояния характеризуются постоянством во времени всех свойств во всех частях системы, которое может обеспечиваться отсутствием потоков вещества и энергии между системой и средой (равновесное состояние), или непрерывным обменом веществом, энергией, информацией между системой и средой, т.е. являться динамическим постоянством (стационарное состояние). Последнее характерно для живых систем, а равновесное – для него смерть. При переходе системы из одного состояния в другое происходит изменение ее свойств во времени; такое состояние называют переходным (3).
Параметры и функции состояния
Параметры, которые поддаются непосредственному измерению (интенсивные свойства), называют основными параметрами состояния. Параметры состояния, которые не поддаются непосредственному измерению (внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, термодинамические потенциалы), рассматривают как функции основных параметров состояния (функции состояния).
Параметры состояния системы разделяют на:
1) и нтенсивные — их значения не зависят от количества вещества; например, давление, температура, концентрация, плотность;
2) экстенсивные — их значения зависят от количества вещества (например, масса, объем, теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, термодинамические потенциалы).
Изменение параметра обозначают греческой буквой ∆ (дельта), например ∆ T.
Процесс
Процесс – это п ереход системы из одного состояния в другое с изменением параметров состояния.
В основе классификации процессов лежат различные признаки.
1. По характеру изменения параметров состояния процессы подразделяют на:
- изотермические (Т= const, ∆ T = 0);
- изобарные (р = const, ∆ р = 0);
- изохорные (V= const, ∆ V= 0);
- адиабатические (теплота Q = const, ∆ Q = 0);
- циклические ( ∆ U=0);
- экзотермические ( ∆ Q > 0);
- эндотермические ( ∆ Q < 0).
Жизнедеятельность человека протекает при постоянстве температуры и давления, т. е. при изобарно-изотермических условиях (р, Т = const).
2. По затратам энергии процессы подразделяют на:
- самопроизвольные (протекают без поступления энергии извне);
- несамопроизвольные, или вынужденные, протекающие только при внешних энергетических воздействиях.
2. С биохимической точки зрения процессы в живых организмах подразделяют на:
- катаболические (распад и окисление энергодативных веществ в организме):
- анаболические (синтез в организме биологически важных соединений).
Термодинамический процесс вызывает энергетические изменения в системе, которые выражаются через изменение определенных величин:
- внутренней энергии (U, Дж/моль)
- энтальпии (Н, Дж или в Дж/моль)
- теплоты (Q, Дж/мольК)
- работы (W).
Внутренняя энергия это весь общий запас энергии системы, кроме потенциальной энергии ее положения и кинетической энергии всей системы в целом.
Определение полного запаса внутренней энергии вещества невозможно, так как нельзя перевести систему в состояние, лишенное внутренней энергии (например, остановить движение электронов в атомах и молекулах). Поэтому в термодинамике рассматривают изменение (∆) внутренней энергии. Если изменение внутренней энергии конечно, то его обозначают символом ∆U (где ∆U = Uконеч.- Uнач.), а если изменение бесконечно малое – символом dU.
Если внутренняя энергия системы уменьшается (∆U<0), то реакция протекает с выделением энергии (экзотермическая-), а если наоборот возрастает(∆U>0),, то процесс сопровождается поглощением энергии из внешней среды (эндотермическая+).
Теплота и работа – это форма передачи энергии либо от системы к окружающей среде, либо от окружающей среды к системе.
В отличие от внутренней энергии теплота и работа не являются функциями состояния.
Энтальпия – это энергия, которой обладает система, находящаяся при постоянном давлении; энтальпия численно равна сумме внутренней энергии U и потенциальной энергии pV: H=U+pV, в термодинамике оперируют величиной ∆ H=Нкон.-Ннач. Изменение энтальпии ∆ H в результате протекания процесса может быть выражено уравнением:
Таким образом, при р = const: Qp = ∆ H; при V= const: Qv= ∆ U. Поэтому энтальпия — функция состояния системы, изменение которой равно теплоте изобарного процесса; внутренняя энергия — функция состояния системы, изменение которой равно теплоте изохорного процесса.
