Содержание
- 2. Основные разделы
- 3. Законы термодинамики в биологических системах Термодинамика является разделом физики, в котором изучают энергию, её передачу из
- 4. Внутренняя энергия, работа и тепло. Энергия в широком значении - способность системы выполнять некоторую работу. Внутренняя
- 5. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии). Он указывает, что общая энергия в изолированной системе - величина
- 6. Второй закон термодинамики Второй закон термодинамики указывает, что все реальные процессы (в том числе в биологических
- 7. Энтропия Направление спонтанных процессов в изолированных системах характеризуется параметром состояния, который называется энтропией (из греч."преобразование"). Изменение
- 8. Термодинамика неравновесных процессов Процессы, проходящие в биологических системах, являются необратимыми. Термодинамика неравновесных процессов основана на таких
- 9. Стационарное состояние открытой системы Состояние системы называется стационарным, если величина энтропии не изменяется во времени, то
- 10. Динамическая система — множество элементов, для которого задана функциональная зависимость между временем и положением в фазовом
- 11. Лев Дави́дович Ланда́у (1908 - 1968) Квантовая механика, физика твёрдого тела, магнетизм, физика низких температур, сверхпроводимость
- 12. Андрей Николаевич Колмогоров (1903 - 1987) Один из основоположников современной теории вероятностей, им получены фундаментальные результаты
- 13. Илья Романович Пригожин (1917 – 2003г.г.) Основная часть его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической механике
- 15. Скачать презентацию
Основные разделы
Основные разделы
Законы термодинамики в биологических системах
Термодинамика является разделом физики, в котором изучают энергию,
Законы термодинамики в биологических системах
Термодинамика является разделом физики, в котором изучают энергию,
Внутренняя энергия, работа и тепло.
Энергия в широком значении - способность системы выполнять
Внутренняя энергия, работа и тепло.
Энергия в широком значении - способность системы выполнять
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии). Он указывает, что общая энергия
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии). Он указывает, что общая энергия
ΔQ = ΔU + ΔA (1) При передаче теплоты в систему ΔQ положительно (при передаче теплоты системой ΔQ отрицательно). Работа, совершённая системой считается положительной, работа, совершённая над системой - отрицательной. Первый закон термодинамики живых организмов
Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений (ATФ). ATФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке. Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O Принципе Гесса: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы. В конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая - рассеивается в форме тепла. При использовании энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую. Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту.
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики указывает, что все реальные процессы (в
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики указывает, что все реальные процессы (в
Энтропия
Направление спонтанных процессов в изолированных системах характеризуется параметром состояния, который называется энтропией (из
Энтропия
Направление спонтанных процессов в изолированных системах характеризуется параметром состояния, который называется энтропией (из
dS = dQ/T(2) Энтропия изолированной системы возрастает, если система стремится в состояние равновесия, и достигает своей максимальной величины в этом состоянии. Энтропия возрастает во всех реальных термодинамических процессах. Энтропия системы имеет тесное отношение к показателю упорядоченности или беспорядка составляющих системы. Согласно принципу Больцмана, энтропия системы S в данном состоянии пропорциональна термодинамической вероятности W этого состояния: S = k ln W (3), где k - константа Больцмана. Термодинамическая вероятность является числом микросостояний системы, посредством которых реализуется данное макросостояние системы. Чем больше возможно микросостояний (вариантов расположения частиц), тем более неупорядочена система, тем больше - величины W и S. Каждая система стремится к переходу из менее вероятного высокоупорядоченного состояния в статистически более вероятные состояния, характеризующиеся беспорядочным расположением молекул. Можно сказать, что каждая система характеризуется тенденцией самопроизвольного перехода к состоянию максимального молекулярного беспорядка или хаоса.
Термодинамика неравновесных процессов
Процессы, проходящие в биологических системах, являются необратимыми. Термодинамика неравновесных процессов основана
Термодинамика неравновесных процессов
Процессы, проходящие в биологических системах, являются необратимыми. Термодинамика неравновесных процессов основана
Закон линейных соотношений указывает, что изменение физической величины J является линейной функцией соответствующей термодинамической силы X, где L является коэффициентом прямой пропорциональности:
J = LX Линейный закон обобщает многие эмпирические принципы, например, закон Фика (зависимость переноса веществ от концентрационного градиента), закон Ома (зависимость переноса электрического заряда от градиента электрического потенциала) и т.п. Каждое отдельное изменение в системе может вызвать только уменьшение её свободной энергии и повышение энтропии. Но другие изменения в этой же системе могут происходить так, что повышение энтропии при одном изменении компенсировалось её уменьшением из-за другого изменения. Производство энтропии в открытой системе
Изменение энтропии в открытой системе dS состоит из двух компонентов: dSi - производство энтропии в системе в результате необратимости процессов и dSe - отражает взаимодействие между системой и окружающей средой. ds = dSi + dSe (9) Термодинамика необратимых процессов рассматривается также показатель производства энтропии в открытых системах: ds/dt = dSi/dt + dSe/dt Как видно, два компонента играются роль в процессе производства энтропии в открытой системе: показатель производства энтропии в системе и показатель изменения энтропии из-за энергообмена с окружающей средой. Согласно второму закону термодинамики, первый компонент всегда положительный, а второй может быть как положительным, так и отрицательным.
Стационарное состояние открытой системы
Состояние системы называется стационарным, если величина энтропии не
Стационарное состояние открытой системы
Состояние системы называется стационарным, если величина энтропии не
Но стационарное состояние существенно отличается от состояния равновесия, поскольку обменивается энергией с окружающей средой: количество свободной энергии в системе необходимо поддерживать. Энтропия системы в стационарном состоянии - стабильная, но не максимальная. Градиенты и потоки сохраняются в системе.
Основная характеристика стационарного состояния определена теоремой Пригожина, согласно которой производство энтропии в стационарном состоянии минимально (dS=min). Это означает, что система рассеивает минимальную энергию в среду и нуждается в минимальном поступлении свободной энергии для поддержания своего состояния.
Теорема Пригожина объясняет устойчивость стационарных состояний в открытых системах. Если система выходит из этого состояния самопроизвольно, происходит увеличение энтропии. В результате в системе возникают процессы, которые стремятся возвратить её в стационарное состояние.
Многие физиологические параметры являются достаточно стабильными. Их стационарный уровень регулируют специальные физиологические механизмы. В качестве примера поддержания стационарного состояния можно привести терморегуляцию организма. Постоянство температуры обеспечивается поддержанием баланса теплопродукции и теплоотдачи. В результате температура тела поддерживается неизменной, несмотря на колебания внешней температуры.
Динамическая система — множество элементов, для которого задана функциональная зависимость между временем и положением в фазовом пространстве каждого
Динамическая система — множество элементов, для которого задана функциональная зависимость между временем и положением в фазовом пространстве каждого
Лев Дави́дович Ланда́у (1908 - 1968)
Квантовая механика, физика твёрдого тела, магнетизм, физика низких температур, сверхпроводимость и сверхтекучесть, физика
Лев Дави́дович Ланда́у (1908 - 1968)
Квантовая механика, физика твёрдого тела, магнетизм, физика низких температур, сверхпроводимость и сверхтекучесть, физика
Нобелевская премия по физике 1962 г. за пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия
Андрей Николаевич Колмогоров (1903 - 1987)
Один из основоположников современной теории вероятностей, им
Андрей Николаевич Колмогоров (1903 - 1987)
Один из основоположников современной теории вероятностей, им
Илья Романович Пригожин (1917 – 2003г.г.)
Основная часть его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической
Илья Романович Пригожин (1917 – 2003г.г.)
Основная часть его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической
Нобелевская премия 1977 - доказал одну из основных теорем линейной термодинамики неравновесных процессов — о минимуме производства энтропии в открытой системе (теорема Пригожина).
Для нелинейной области в соавторстве с Гленсдорфом сформулировал общий критерий эволюции Гленсдорфа-Пригожина. Ввёл термин «переоткрытие времени», определяющий проблему объяснения существования явления времени.
В 1982 году Пригожин становится иностранным членом Академии наук СССР.