Биофизика как наука

Биофизика - наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в

В 1961 году был создан Международный союз чистой и прикладной биофизики

Цель биофизики: изучение фундаментальных процессов, обеспечивающих основу жизнедеятельности всех без исключения

БИОФИЗИКА

БИОФИЗИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

ОСОБЕННОСТИ БИОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

ИЗУЧАЕМЫЙ ОБЪЕКТ РАССМАТРИВАЕТСЯ В ЦЕЛОМ

раскрытие механизмов возникновения и протекания патологических процессов в организме на

ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Основные понятия термодинамики
Первый и второй законы термодинамики
Биокалориметрия
Термодинамические потенциалы
Термодинамическое

ТЕРМОДИНАМИКА –наука, изучающая наиболее общие законы превращения энергии

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА –часть пространства с материальным содержимым, ограниченная от окружающей среды

Любой

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ОТКРЫТЫЕ

ЗАКРЫТЫЕ

ИЗОЛИРОВАННЫЕ

Математический маятник -
ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

ЗАМКНУТАЯ СИСТЕМА

ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

ИНТЕНСИВНЫЕ
Фактор интенсивности

ЭКСТЕНСИВНЫЕ
Факторы емкости

m, V

T, p

СВЯЗИ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ВЫРАЖАЮТ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

Произведение

РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ: ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ НЕ МЕНЯЮТСЯ С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ, ИНТЕНСИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Концентрационный градиент

Электрический градиент

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ОБРАТИМЫЕ

НЕОБРАТИМЫЕ

ВОЗМОЖЕН ПЕРЕХОД ИЗ A в В через R. ПЕРЕХОД ИЗ

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Юлиус Роберт Майер
(1814-1878)

Джеймс Прескотт Джоуль
(1818-1889)

КОНКРЕТИЗАЦИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ

Энергия характеризует способность тела совершать работу

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

U – ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
H - ЭНТАЛЬПИЯ
S - ЭНТРОПИЯ
G – СВОБОДНАЯ

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

– полный дифференциал

  Основа внутренней энергии системы U — энергия атомных ядер и электронов

ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ СИСТЕМЫ ПРОИСХОДИТ ЗА СЧЕТ
СОВЕРШЕНИЯ РАБОТЫ
или
ПЕРЕДАЧИ

+W работа совершается над системой
-W работу совершает система над окружающей

ЭНТАЛЬПИЯ – функция состояния системы при р=const

СЛЕДСТВИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

ЗАКОН ГЕССА

Г.И.Гесс
(1802–1850)

Теплота, выделяемая в химическом процессе не зависит от того, протекает

                                                                           
. Практическое значение закона Гесса: возможность рассчитывать тепловые эффекты разнообразных химических

ТЕПЛОВАЯ МАШИНА:
ТЕПЛО →РАБОТА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ:
ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ →РАБОТА

ПРИМЕНИМОСТЬ 1 ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К ЖИВЫМ СИСТЕМАМ

Опыты ЛАВУАЗЬЕ и ЛАПЛАСА (XVIII

Биокалориметр Этуотера — Бенедикта (схема).

Опыты ЭТУОТЕРА (ХХ век)

КАЛОРИМЕТРИЯ— совокупность методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физические, химические и

Прямая калориметрия основана на измерении количества тепла, непосредственно рассеянного организмом в

НЕПРЯМАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ основана на измерении количества потребленного организмом кислорода и последующем

.

Определение легочной вентиляции с помощью мешка Дугласа

В течение 10—15 мин собирают

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ОПРЕДЕЛЯЕТ НАПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА

Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела

Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Р. Клаузиусом.
Изменение

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

ЭНТРОПИЯ S
ЛЕД 41 кДж/К
ВОДА (жидкая) 70 кДж/К
ПАР 189 кДж/К

СВЯЗЬ ЭНТРОПИИ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДОВ ЭНЕРГИЙ ПО КАЧЕСТВУ В СООТВЕТСТВИИ С ВЕЛИЧИНОЙ ЭНТРОПИИ В

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

1закон термодинамики

-W СИСТЕМА СОВЕРШАЕТ РАБОТУ
2 закон термодинамики

Объединенная запись

Связанная энергия

СВЯЗАННАЯ ЭНЕРГИЯ TdS РАССЕИВАЕТСЯ В ВИДЕ ТЕПЛА
СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ТРАТИТСЯ НА СОВЕРШЕНИЕ

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ГЕЛЬМГОЛЬЦА

Г.Гельмгольц
1821-1894

При V=const, T=const

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ГИББСА

Дж.У.Гиббс
1839-1903

При p=const, T=const

Результаты полезной работы в живых системах

Термодинамическое равновесие – фундаментальное понятие классической термодинамики, характерно для изолированных и

Х - набор характеристик : С - состав системы и внешней

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ

СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

ОБЩЕЕ: основные макроскопические параметры системы остаются постоянными
Отличия
Термодинамическое

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ В ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ

ДЛЯ НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ

dSe/dt может принимать разные значения

СКОРОСТЬ ПРОДУКЦИИ ЭНТРОПИИ В ОТКРЫТЫХ

ТОГДА

ПРОТИВОРЕЧИЕ СО ВТОРЫМ ЗАКОНОМ ТЕРМОДИНАМИКИ

СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ И ПОТОКИ

СИЛЫ И ПОТОКИ В НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

Закон Фика
Закон Фурье

ВБЛИЗИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ПОТОКИ И СИЛЫ СВЯЗАНЫ ЛИНЕЙНО

Жан Батист

Ларс ОНЗАГЕР
1903 - 1976
Нобелевская премия
по химии, 1968 г.

ТЕОРЕМА ПРИГОЖИНА о скорости продукции энтропии в открытой системе

И.Р.Пригожин
1917 – 2003
Нобелевская

ТЕОРЕМА ПРИГОЖИНА
В стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость продукции энтропии