Термодинаміка біологічних систем

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Термодинаміка біологічних систем

Содержание

2. Термодинаміка біологічних систем Термодинаміка – це наука, яка вивчає процеси, які протікають у природі і пов’зані
3. В основу класичної теорії було покладено два закони. Перший представляв закон збереження і перетворення енергії.
4. Другий закон темодинаміки вказував на існування термодинамічної функції – ентропії, яка при довільних нерівноважних процесах зростає
5. В першій половині нинішнього століття була розроблена феноменологічна теорія лінійних нерівноважних процесів. Одним із найважливіших понять
6. 1.1 Рівноважна термодинаміка 1.1.1 Типи і параметри термодинамічних систем Поняття - мова теорії, тому чітке уявлення
7. Середовищем вважають усі тіла, які оточують термодинамічну систему, але до її складу не входять. Поняття фази
8. Закони термодинаміки справедливі для макроскопічних систем, тобто для таких які мають великі об'єм і число частинок.
9. Ізольованими називають системи, які не обмінюються з середовищем ні масою, ні енергією. Закритими називають системи які
10. Під термодинамічним процесом розуміють явища, які протікають в термодинамічній системі і пов'язані зі зміною її станів.
11. Інтенсивні параметри не залежать від числа частинок системи і описують загальний стан теплового руху в речовині.
12. 1.1.2 Перший закон термодинаміки В стані термодинамічної рівноваги інтенсивні параметри системи приймають однакові значення в усіх
13. Відкриття першого закону термодинаміки історично пов'язано з встановленням еквівалентності теплоти і механічної роботи. Це відкриття пов'язано
14. Перший закон термодинаміки виражає закон збереження енергії. В рівноважній термодинаміці закон збереження енергії формулюється так: при
15. Внутрішня енергія системи - сума кінетичної і потенціальної енергії частинок з яких складається система. Внутрішня енергія
16. Так як тіло 1 є замкнутою термодинамічною системою можна зробити висновок: (2.2.)
17. Перший закон термодинаміки: У замкнутій термодинамічній системі приріст внутрішньої енергії системи при зміні стану системи рівний
18. 1.1.3 Другий закон термодинаміки Теплота може передаватись лише в одному напрямку від більш нагрітого тіла до
19. Перший закон термодинаміки заперечує можливість побудови вічного двигуна першого роду, тобто такої машини, яка виконувала б
20. За другим законом термодинаміки побудувати вічний двигун другого роду неможливо ( формулювання Томсона) , тобто неможливий
21. Відношення кількості теплоти перетвореної у роботу за один цикл, до загальної кількості теплоти, взятої від нагрівника,
22. В 1824 р. французький інженер і фізик С.Карно ввів поняття про ідеальну теплову машину, яка працює
23. Відношення називається приведеною теплотою. Кількісний вираз другого закону термодинаміки
24. Ентропія це функція стану системи, різниця якої для двох станів рівна сумі приведених теплот при оборотному
25. Якщо процес відбувається в ізольованій системі (dQ=0) в оборотному процесі ентропія не змінюється, а в необоротному
26. 1.1.4 Статистичний зміст ентропії і другого закону термодинаміки Згідно молекулярно-кінетичної теорії, ентропія - це міра невпорядкованості
27. - число частинок у першому стані, N2 - в другому і так далі. Формула Л.Больцмана У
28. Суть зв'язку між ентропією та ймовірністю полягає у тому, що чим більша ймовірність того чи іншого
29. Через ймовірність ентропія пов'язана з інформацією. Коли стан системи змінюється у напрямку збільшення молекулярного безладдя, ентропія
30. 1.2 Термодинаміка відкритих систем поблизу рівноваги 1.2.1 Стаціонарний стан, виробництво ентропії Рівноважна термодинаміка оперує співвідношеннями, в
31. Якщо параметри системи при взаємодії з середовищем не змінюються з часом, то стан системи називають стаціонарним.
32. Основною термодинамічною характеристикою в нерівноважний термодинаміці є швидкість виробництва ( продукування ) ентропії в часі. В
33. Феноменологічна теорія лінійних необоротних процесів була розроблена на початку 30-х р.р. Л.Онзагером. Основне рівняння цієї теорії
34. 1.2.2 Лінійний закон. Принцип симетрії кінетичних коефіцієнтів Онзагера закон являє собою узагальнення відомих емпіричних законів: закону
35. процес термодифузії - процес виникнення потоку частинок під дією градієнту температури, зворотній процес - виникнення потоку
36. В ізольованій системі виробництво ентропії завжди додатне , Суттєво те, що окремі члени цієї суми можуть
37. Спряженістю потоків називається таке співвідношення між ними, при якому додатне виробництво ентропії від одного потоку компенсує
38. На відміну від ізольованих систем, які по мірі протікання в них необоротних процесів наближаються до стану
39. питома дисипативна функція системи. Дисипація енергії системи - це перехід частини енергії впорядкованого процесу, наприклад електричного
40. 2.3 Термодинаміка відкритих систем далеких від рівноваги Видатним досягненням в розвитку науки за останні роки стало
42. Скачать презентацию

Слайд 2

Термодинаміка біологічних систем
Термодинаміка – це наука, яка вивчає процеси, які

протікають у природі і пов’зані зі зміною та перетворенням енергії, теплоти і роботи.
Термодинаміка – феноменологічна наука, вона виникла в результаті узагальнення досліду.

Слайд 3

В основу класичної теорії було покладено два закони. Перший представляв закон

збереження і перетворення енергії.

Слайд 4

Другий закон темодинаміки вказував на існування термодинамічної функції – ентропії, яка

при довільних нерівноважних процесах зростає (додатня).
Другий закон вказує переважний напрям протікання термодинамічного процесу.

Слайд 5

В першій половині нинішнього століття була розроблена феноменологічна теорія лінійних нерівноважних

процесів.
Одним із найважливіших понять в лінійній термодинаміці необоротніх процесів є поняття стаціонарного стану, яке дозволяє розширити можливості застосування термодинаміки до біологічних процесів.
В другій половині століття розпочалося створення термодинамічної теорії нелінійних необоротніх процесів, до яких відноситься більшість процесів життєдіяльності. Ця теорія перебуває в стадії становлення.

Слайд 6

1.1 Рівноважна термодинаміка
1.1.1 Типи і параметри термодинамічних систем
Поняття -

мова теорії, тому чітке уявлення про її основні поняття є необхідним моментом в розумінні самої теорії.
Під поняттям тіла в термодинаміці розуміють ту частину простору, котра заповнена речовиною.
Тіло або група тіл, які взаємодіють з середовищем шляхом обміну енергією через роботу та теплоту називають термодинамічною системою.

Слайд 7

Середовищем вважають усі тіла, які оточують термодинамічну систему, але до її

складу не входять.
Поняття фази , під якою розуміють тіло, групу тіл або частину тіла, що утворює однорідну (гомогенну) систему і перебуває у стані термодинамічної рівноваги, наприклад, лід - вода - пара - трьохфазна система.
Між фазами можлива взаємодія, яка полягає у переході речовини з однієї фази в іншу.

Слайд 8

Закони термодинаміки справедливі для макроскопічних систем, тобто для таких які мають

великі об'єм і число частинок.
Термодинамічні системи по характеру взаємодії з середовищем поділяються на ізольовані, закриті і відкриті.

Слайд 9

Ізольованими називають системи, які не обмінюються з середовищем ні масою, ні

енергією.
Закритими називають системи які обмінюються з середовищем тільки енергією.
Живі організми ( біологічні системи ) обмінюються з середовищем речовиною і енергією. Такі системи називаються відкритими.

Слайд 10

Під термодинамічним процесом розуміють явища, які протікають в термодинамічній системі і

пов'язані зі зміною її станів.
Термодинамічні параметри поділяють на інтенсивні та екстенсивні.

Слайд 11

Інтенсивні параметри не залежать від числа частинок системи і описують загальний

стан теплового руху в речовині. До інтенсивних параметрів відносять, наприклад, тиск Р, температуру Т, хімічний потенціал μ тощо.
Екстенсивні параметри визначаються загальною масою або кількістю частинок речовини. До екстенсивних параметрів відносять масу m, об'єм V, енергію Е, ентропію S тощо.

Слайд 12

1.1.2 Перший закон термодинаміки
В стані термодинамічної рівноваги інтенсивні параметри системи

приймають однакові значення в усіх частинах системи і не змінюються з часом.
Рівноважний стан повністю описується певним набором екстенсивних та інтенсивних параметрів системи.
Зв'язок між параметрами стану називається рівнянням стану.

Слайд 13

Відкриття першого закону термодинаміки історично пов'язано з встановленням еквівалентності теплоти і

механічної роботи.
Це відкриття пов'язано з іменами Р.Майєра і Д.Джоуля.

Слайд 14

Перший закон термодинаміки виражає закон збереження енергії.
В рівноважній термодинаміці закон збереження

енергії формулюється так: при будь-яких процесах в ізольованій системі внутрішня енергія системи u залишається сталою:

Слайд 15

Внутрішня енергія системи - сума кінетичної і потенціальної енергії частинок з

яких складається система.
Внутрішня енергія є функцією стану системи.

Слайд 16

Так як тіло 1 є замкнутою термодинамічною системою можна зробити висновок:
(2.2.)

Слайд 17

Перший закон термодинаміки:
У замкнутій термодинамічній системі приріст внутрішньої енергії системи

при зміні стану системи рівний сумі кількості теплоти переданої системі і роботі зовнішніх сил над системою.

Слайд 18

1.1.3 Другий закон термодинаміки
Теплота може передаватись лише в одному напрямку від

більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла
( формулювання Клаузіуса).

Слайд 19

Перший закон термодинаміки
заперечує можливість побудови вічного двигуна першого роду, тобто

такої машини, яка виконувала б роботу з нічого, без заграти будь-якої енергії.
Перший закон термодинаміки не заперечує можливості побудови такої машини, яка всю енергію перетворювала б у роботу. Таку машину називають вічним двигуном другого роду.

Слайд 20

За другим законом термодинаміки побудувати вічний двигун другого роду неможливо (

формулювання Томсона) , тобто неможливий такий періодичний процес, єдиним результатом якого було б перетворення теплоти в роботу внаслідок охолодження одного тіла.

Слайд 21

Відношення кількості теплоти перетвореної у роботу за один цикл, до загальної

кількості теплоти, взятої від нагрівника, називається термодинамічним коефіцієнтом корисної дії.

Слайд 22

В 1824 р. французький інженер і фізик С.Карно ввів поняття про

ідеальну теплову машину, яка працює за ідеальним циклом, який складається з двох ізотерм і двох адіабат.
Цей цикл, відомий тепер як цикл Карно забезпечує найвищий коефіцієнт корисної дії теплової машини, який не залежить від природи робочого тіла, а лише від абсолютних температур нагрівника і холодильника

Слайд 23

Відношення називається
приведеною теплотою.
Кількісний вираз другого закону термодинаміки

Слайд 24

Ентропія
це функція стану системи, різниця якої для двох станів рівна сумі

приведених теплот при оборотному переході системи з одного стану в другий. Знак "=" відноситься до оборотних, а знак " > " - до необоротних процесів.

Слайд 25

Якщо процес відбувається в ізольованій системі (dQ=0) в оборотному процесі ентропія

не змінюється, а в необоротному зростає

В ізольованій системі не можуть протікати такі процеси, які приводять до зменшення ентропії ( другий закон термодинаміки).
В стані рівноваги ентропія системи максимальна.
В реальній системі ентропія може зростати і зменшуватися.

Слайд 26

1.1.4 Статистичний зміст ентропії і другого закону термодинаміки
Згідно молекулярно-кінетичної теорії,

ентропія - це міра невпорядкованості частинок системи.
Невпорядкованість системи кількісно характеризується термодинамічною ймовірністю W.
Під термодинамічною ймовірністю розуміють число мікро-розподілів, якими може здійснитись даний макророзподіл.
Термодинамічна ймовірність - це число мікростанів, які реалізують даний макростан.

Слайд 27

- число частинок у першому стані, N2 - в другому

і так далі.
Формула Л.Больцмана

У теоретичній фізиці показано, що число мікророзподілів N частинок по n станах, тобто термодинамічна ймовірність задається формулою

де k - стала Больцмана.

Слайд 28

Суть зв'язку між ентропією та ймовірністю полягає у тому, що чим

більша ймовірність того чи іншого стану, тим більша ентропія цього стану.
Статистичний характер другого закону термодинаміки полягає в тому, що він поділяє процеси не на можливі і неможливі, а на ймовірні і малоймовірні.
Це означає, що процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого не є неможливим, а лише малоймовірним.

Слайд 29

Через ймовірність ентропія пов'язана з інформацією.
Коли стан системи змінюється у

напрямку збільшення молекулярного безладдя, ентропія системи зростає. Але при цьому інформація про її мікроскопічні стани, якими може реалізуватись даний макростан зменшується.

Слайд 30

1.2 Термодинаміка відкритих систем поблизу рівноваги
1.2.1 Стаціонарний стан, виробництво ентропії
Рівноважна термодинаміка

оперує співвідношеннями, в які не входить поняття часу. Тому в ній відсутні уявлення про швидкості протікання процесів. Введення часового фактору в термодинамічні рівняння означає появу в них параметра, здатного врахувати необоротній, нерівнозначний розвиток реальних термодинамічних процесів.

Слайд 31

Якщо параметри системи при взаємодії з середовищем не змінюються з часом,

то стан системи називають стаціонарним.
Стаціонарний стан підтримується за рахунок потоків енергії і речовини, які проходять через систему.
В стаціонарному стані можуть знаходитись тільки закриті і відкриті термодинамічні системи.
Живий організм як відкрита біологічна система, що розвивається не знаходиться в стаціонарному стані. Проте, звичайно, в невеликому проміжку часу стан біологічної системи приймають за стаціонарний.

Слайд 32

Основною термодинамічною характеристикою в нерівноважний термодинаміці є швидкість виробництва ( продукування

) ентропії в часі.
В загальному випадку ентропія системи складається з двох частин:
dSі - зміна ентропії, зумовлена необоротними процесами в системі;
dSе - потік ентропії, зумовлений взаємодією з оточуючим середовищем, так що

Слайд 33

Феноменологічна теорія лінійних необоротних процесів була розроблена на початку 30-х р.р.

Л.Онзагером. Основне рівняння цієї теорії виражає швидкість виробництва ентропії в одиниці об'єму системи:

де Xi - термодинамічні сили, які діють в системі. Це інтенсивні фактори, різноманітні градієнти (температури, тиску, концентрації, хімічного потенціалу); Ii узагальнені потоки викликані цими силами.

Слайд 34

1.2.2 Лінійний закон. Принцип симетрії кінетичних коефіцієнтів Онзагера
закон являє собою узагальнення

відомих емпіричних законів: закону Ома

закону Фур’є,

закону Фіка

де

- потоки заряду тепла, речовини, відповідно

- відповідно градієнти електричного поля,
температури, концентрації,

Слайд 35

процес термодифузії - процес виникнення потоку частинок під дією градієнту температури,

зворотній процес - виникнення потоку тепла під дією градієнту концентрації.
Лінійний закон зв'язує потоки і термодинамічні сили, він формулюється так: Потоки являють собою лінійні функції термодинамічних сил в відкритих системах, що знаходяться поблизу рівноваги:

Слайд 36

В ізольованій системі виробництво ентропії завжди додатне
,
Суттєво те,

що окремі члени цієї суми можуть бути від'ємними. Припустимо, що

Якщо

то умова

виконується.
Ми приходимо до важливих наслідків. Від'ємне значення

означає, що окремо взятий цей необоротній процес неможливий бо він протікає з зменшенням, а не з зростанням ентропії. Але одночасне протікання процесу 1, для якого

і виділення ентропії переважає її зменшення в процесі 2, робить процес 2 можливим у відкритій системі.
Потоки 1 і 2 називаються спряженими .

Слайд 37

Спряженістю потоків називається таке співвідношення між ними, при якому додатне виробництво

ентропії від одного потоку компенсує зменшення ентропії від другого потоку, який був би неможливий в ізольованій системі.
Потоки речовини і теплової енергії спряжені.

1.2.3 Спряженість потоків. Теорема Пригожина

Слайд 38

На відміну від ізольованих систем, які по мірі протікання в них

необоротних процесів наближаються до стану рівноваги, відкриті системи можуть досягати не рівноважного, а стаціонарного стану.
В термодинаміці лінійних необоротних процесів приймається, що стаціонарний стан характеризується екстримальним принципом.
Такий принцип (його називають також теоремою) був сформульований Пригожиним:
в стаціонарному стані при фіксованих зовнішніх параметрах швидкість виробництва ентропії в системі постійна в часі і мінімальна по величині.

Слайд 39

питома дисипативна функція системи.
Дисипація енергії системи - це перехід частини

енергії впорядкованого процесу, наприклад електричного струму, в енергію невпорядкованого процесу.

еволюція відкритої системи до стаціонарного стану описується нерівністю

де

Слайд 40

2.3 Термодинаміка відкритих систем далеких від рівноваги
Видатним досягненням в розвитку

науки за останні роки стало розуміння фундаментальних основ і принципів самоорганізації у відкритих системах різноманітної природи (фізичних, хімічних, біологічних та ін.) далеких від рівноваги.
Синергетика - наука, яка вивчає загальні принципи просторових, часових і просторово-часових структур у відкритих системах самої різноманітної природи далеких від рівноваги.

Термодинаміка біологічних систем

Содержание

Термодинаміка біологічних систем Термодинаміка – це наука, яка вивчає процеси, які

В основу класичної теорії було покладено два закони. Перший представляв закон

Другий закон темодинаміки вказував на існування термодинамічної функції – ентропії, яка

В першій половині нинішнього століття була розроблена феноменологічна теорія лінійних нерівноважних

1.1 Рівноважна термодинаміка 1.1.1 Типи і параметри термодинамічних систем Поняття -

Середовищем вважають усі тіла, які оточують термодинамічну систему, але до її

Закони термодинаміки справедливі для макроскопічних систем, тобто для таких які мають

Ізольованими називають системи, які не обмінюються з середовищем ні масою, ні

Під термодинамічним процесом розуміють явища, які протікають в термодинамічній системі і

Інтенсивні параметри не залежать від числа частинок системи і описують загальний

1.1.2 Перший закон термодинаміки В стані термодинамічної рівноваги інтенсивні параметри системи

Відкриття першого закону термодинаміки історично пов'язано з встановленням еквівалентності теплоти і

Перший закон термодинаміки виражає закон збереження енергії.В рівноважній термодинаміці закон збереження

Внутрішня енергія системи - сума кінетичної і потенціальної енергії частинок з

Так як тіло 1 є замкнутою термодинамічною системою можна зробити висновок:(2.2.)

Перший закон термодинаміки: У замкнутій термодинамічній системі приріст внутрішньої енергії системи

1.1.3 Другий закон термодинамікиТеплота може передаватись лише в одному напрямку від

Перший закон термодинаміки заперечує можливість побудови вічного двигуна першого роду, тобто