🗊Презентация Термодинамика биологических процессов(new)

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Термодинамика (от греч. Therme — тепло + Dynamis — сила) — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика рассматривает общие закономерности превращения энергии в форме тепла и работы между телами. Термодинамика (от греч. Therme — тепло + Dynamis — сила) — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика рассматривает общие закономерности превращения энергии в форме тепла и работы между телами. Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы

Терминология Терминология Термодинамическая система — это любая область пространства, ограниченная действительными или воображаемыми границами, выбранными для анализа её внутренних термодинамических параметров. Примеч. Пространство, смежное с границей системы, называется внешней средой. У всех термодинамических систем есть среда, с которой может происходить обмен энергии и вещества. По типу связи с внешней средой, - В изолированной системе не происходит никаких обменных процессов с внешней средой. - Замкнутая – не обменивается веществом с окружающей средой - В открытой системе и энергия и вещество могут переходить из системы в среду и обратно..

Состояние термодинамической системы определяется физическими свойствами вещества. Состояние термодинамической системы определяется физическими свойствами вещества. Температура, давление, объем, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия — это термодинамические величины, определяющие те или иные интегральные параметры системы. (!) Данные параметры строго определяются лишь для систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

ЭНЕРГИЯ (от греч. energeia - действие - деятельность), общая количественная мера различных форм движения материи. Различным физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. (!) Вследствие существования закона сохранения энергии понятие энергии связывает воедино все явления природы. РАБОТА - форма обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физического тела) с окружающими телами; -количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах, зависит от вида процесса; работа системы положительна, если она отдает энергию, и отрицательна, если получает.

Термодинамическое равновесие- состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, после чего параметры состояния системы уже не меняются со временем. Термодинамическое равновесие- состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, после чего параметры состояния системы уже не меняются со временем. При термодинамическом равновесии возможность системой совершать работы равна нулю, а энтропия максимальна. Изменение любого параметра системы – изменение её состояния. При этом переход системы из одного состояния в другое может быть результатов процессов:

Обратимые и необратимые термодинамические процессы Если в результате процесса состояние системы не изменяется, то такой процесс называется обратимым И наоборот, если в результате процесса система не вернется в исходное состояние, то такой процесс называется необратимым. Обратимый процесс-процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, допускающий возможность возвращения её в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, но проходимых в обратном порядке. Для того чтобы процесс был обратимым, он должен быть столь медленным, чтобы его можно было рассматривать как непрерывный ряд равновесных состояний, т. е. он должен быть медленным по сравнению с процессами установления равновесия термодинамического в данной системе. Строго говоря, обратимый процесс характеризуется бесконечно медленным изменением термодинамических параметров (плотности, давления, температуры и др.), определяющих равновесие системы. Такие процессы называются также квазистатическими или квазиравновесными. Обратимость квазиравновесного процесса следует из того, что его любое промежуточное состояние есть состояние термодинамического равновесия и поэтому оно не чувствительно к тому, идёт ли процесс в прямом или обратном направлении.

Необратимые т/д процессы – называют такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определённом направлении. К ним относятся: процессы диффузии, теплопроводности, термодиффузии, вязкого течения, расширения газа в пустоту и т.п. Все они являются неравновесными процессами. Необратимые т/д процессы – называют такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определённом направлении. К ним относятся: процессы диффузии, теплопроводности, термодиффузии, вязкого течения, расширения газа в пустоту и т.п. Все они являются неравновесными процессами. В замкнутых системах необратимые процессы сопровождаются возрастанием энтропии. В открытых системах (которые могут обмениваться энергией или веществом с окружающей средой) при необратимых процессах энтропия может оставаться постоянной или даже убывать за счёт обмена энтропией с внешней средой. Однако здесь, во всех случаях остаётся положительным производство энтропии, т. е. её возрастание в системе за единицу времени. В природе, большинство процессов являются необратимыми, а обратимые могут совершаться лишь в состоянии термодинамического равновесия.

Диссипация энергии Диссипация энергии, - у физических систем переход части энергии упорядоченного процесса (например, электрической энергии) в энергию неупорядоченного процесса — в конечном счёте в тепловую (например, в джоулево тепло). У механических систем переход части её механической энергии в др. формы (например, в теплоту) происходит за счёт наличия сил сопротивления; в атмосфере — переход части кинетической энергии ветра в теплоту под воздействием внутреннего трения.

Внутренняя энергия Внутренняя энергия Внутренняя энергия - энергия тела, зависящая только от его внутреннего состояния. Понятие В. э. объединяет все виды энергии тела, за исключением энергии его движения как целого и потенциальной энергии, которой тело может обладать, если оно находится в поле каких-нибудь сил.

Биологические системы –открытые системы, в них постоянно происходит процесс обмена энергией с внешней средой. Внутренние метаболические процессы также сопровождаются превращениями одних форм энергии в другие. Например: - трансформация энергии кванта света в энергию электронного возбуждения молекул пигментов, а затем в энергию химических связей восстановленных соединений в фотосинтезе. -преобразование энергии электрохимического трансмембранного потенциала в энергию АТФ в биологических мембранах.

Механизмы трансформации энергии в биоструктурах связаны с конформационными превращениями особых макромолекулярных комплексов, таких, как реакционные центры фотосинтеза, Н-АТФаза хлоропластов и митохондрий, бактериородопсин. Однако помимо выяснения детального характера происходящих здесь процессов особый интерес представляют общие характеристики эффективности преобразования энергии в таких макромолекулярных машинах. На эти вопросы призвана ответить термодинамика биологических процессов - один из разделов теоретической биофизики.

ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ВБЛИЗИ РАВНОВЕСИЯ ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ВБЛИЗИ РАВНОВЕСИЯ

Первый закон термодинамики Первый закон термодинамики «Изменение внутренней энергии (dU) тела (системы) при переходе из одного состояния в другое равно сумме совершенной над телом работы (А’) и полученного им количества теплоты (dQ)» Примечание: здесь учитываются две формы передачи энергии – работа и теплота. В случае если сама система совершает работу над внешними телами , т.е. А= -А’ , то имеем: dQ = dU + dA, (1) Согласно первому закону, количество теплоты dQ, поглощенное системой из внешней среды, идет на увеличение ее внутренней энергии dU и совершение общей работы dA, которая включает работу против сил внешнего давления P по изменению объема dV системы и максимальную полезную работу dAmax ,сопровождающую химические превращения:

Виды работы совершаемой в живых организмах: Виды работы совершаемой в живых организмах: 1. химическая –синтез органических веществ (ВМС из низкомолекулярных и т.п.) 2. механическая – перемещение частей и органов против механических сил (работа мышц). 3. осмотическая – перенос веществ через био - барьеры (мембраны) 4. электрическая –работа по переносу заряженных частиц в электрическом поле, создание биопотенциалов и т.п. Первичным источником энергии в организме является химическая энергия пищевых веществ.

Энтальпия. Закон Гесса Образование теплоты у гомойотермных животных в покое: 50 % в органах брюшной полости 20 % в скелетных мышцах 10 % при работе органов дыхания и кровообращения Теплота организма: Основная (первичная) – рассеивание Е в ходе реакциий диссимиляции (во основе б-х процессы необратимого типа) Особенности выделяется сразу после поглощения О2 (или продуктов питания) не зависит от совершения А организмом расходуется на нагрев организма и рассеивается в окружающую среду 2. Активная (вторичная)-выделяется при реализации Е макроэргов в ходе обменных реакций, связанна с выполнением А

! При физиологических условиях существует равенство между первичной и вторичной теплотой! ! При физиологических условиях существует равенство между первичной и вторичной теплотой! При патологии – воспаление-происходит разобщение окислительного фосфорилирования, увеличивается доля первичной теплоты , что сопровождается возрастанием температуры организма.

Теплота выделяемая при взаимодействии организма с внешней средой пропорциональна площади его поверхности (2 ), тогда Теплота выделяемая при взаимодействии организма с внешней средой пропорциональна площади его поверхности (2 ), тогда Q(t)=a*M+ b*М2/3

Рис 1 . Зависимость удельной теплопродукции от массы животного

Закон Гесса (следствие первого закона ТД) : «тепловой эффект реакции зависит лишь от начального и конечного состояний системы и не зависит от промежуточных состояний и путей перехода». Закон Гесса (следствие первого закона ТД) : «тепловой эффект реакции зависит лишь от начального и конечного состояний системы и не зависит от промежуточных состояний и путей перехода». Q = ΔН=∑ i H i ,k- ∑ J H j , u. Допустим, что имеем А= P * V , тогда dU=dQ-PdV Пусть V=0, тогда dU=dQ dQ –является функцией состояния в каждом конкретном случае: Q

Практическое применение закона Гесса в физиологии и диетологии – определение калориметрической ценности пищевых продуктов. Практическое применение закона Гесса в физиологии и диетологии – определение калориметрической ценности пищевых продуктов. «Бомба Бертло»

Второй закон термодинамики Второй закон термодинамики (Клаузиуса): «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему»

I – закон не говорит о направлении пути самопроизвольного процесса. I – закон не говорит о направлении пути самопроизвольного процесса. Возможность протекания Т/Д процессов их направленность и предел характеризуют : Энтропия Свободная энергия Энтропия (S): S = Q (3)

Таким образом, эволюционный критерий направленности необратимых изменений в изолированных системах, заключается в том что они всегда идут с увеличением энтропии (dS>0) до ее максимальных значений при окончании процесса и установлении термодинамического равновесия. Увеличение энтропии означает падение степени упорядоченности и организованности в системе, ее хаотизацию.

Рассмотрим свойства организма как -термодинамически - открытой системы, в которой протекают химические реакции. Биохимические реакции на всех стадиях являются каталитическими, катализаторами служат белки-ферменты. Изменение энтропии такой системы выражается суммой энтропии, производимой внутри системы dSi и энтропии поступающей извне dSе: dS = dSi+ dSе (8) При этом dSi>0, т.к. если организм изолировать, то dSе=0, и энтропии будет только возрастать; dSi – производство энтропии в результате внутренних реакций. Отсюда возможны следующие варианты энтропии: 1) dS =0, dSe =- dSi<0 - из данного уравнения следует возможность стационарного, но не равновесного состояния, когда производимая энтропия уходит во внешнюю среду; 2) -dSe > dSi. То dS <0 и наконец, 3) -dSe < dSi. то dS >0

Итак, состояние всякой линейной открытой системы с независящими от времени краевыми условиями всегда изменяется в направлении уменьшения производства энтропии P = d S / d t пока не будет достигнуто состояние текущего равновесия , при котором производство энтропии минимально : Итак, состояние всякой линейной открытой системы с независящими от времени краевыми условиями всегда изменяется в направлении уменьшения производства энтропии P = d S / d t пока не будет достигнуто состояние текущего равновесия , при котором производство энтропии минимально : d P < 0 (условие эволюции) P = min , d P = 0 (условие текущего равновесия) d P/ d t < 0

В живых системах, как считается, можно приравнять диссипативную функцию к интенсивности теплопродукции, а следовательно, интенсивности дыхания и гликолиза, которые в основном и определяют теплопродукцию организма. При этом теорема Пригожина приобретает простой биологический смысл, так как сводится к утверждению, что в процессе возрастных изменений организмов происходит непрерывное снижение интенсивности этих процессов. В живых системах, как считается, можно приравнять диссипативную функцию к интенсивности теплопродукции, а следовательно, интенсивности дыхания и гликолиза, которые в основном и определяют теплопродукцию организма. При этом теорема Пригожина приобретает простой биологический смысл, так как сводится к утверждению, что в процессе возрастных изменений организмов происходит непрерывное снижение интенсивности этих процессов. Многочисленные экспериментальные данные, полученные в последнее время, достаточно хорошо подтверждают это положение.

Против теоремы Пригожина–Виам выдвинуто два основных возражения: Против теоремы Пригожина–Виам выдвинуто два основных возражения: 1) считается, что эта теория все же недостаточно проверены экспериментально; 2) ограничения, накладываемые на системы термодинамикой линейных необратимых процессов, не выполняются во время развития и роста животных. У человека после рождения основной обмен и скорость теплопродукции, рассчитанная на единицу веса, заметно возрастает и лишь затем начинает постепенно снижаться. С точки зрения термодинамики необратимых процессов это означает, что после рождения происходит изменение внешних параметров системы, которое должно сопровождаться переходом системы в новое стационарное состояние (теорема Пригожина выполняется только при неизмененных внешних параметрах). Характерно, что для внутриутробного развития млекопитающих получены совершенно иные данные, чем для только что родившихся животных: на протяжении изученных стадий внутриутробного развития коров происходит непрерывное снижение основного обмена зародышей.

Согласно термодинамической теории Пригожина – Виам, можно считать, что процесс развития, роста и старения организмов представляет собой процесс непрерывного уменьшения функции внешней диссипации. Согласно термодинамической теории Пригожина – Виам, можно считать, что процесс развития, роста и старения организмов представляет собой процесс непрерывного уменьшения функции внешней диссипации. Каждый новый организм начинает свое развитие с высокого уровня удельной скорости продукции энтропии. Следовательно, в жизни организмов должен существовать период, когда происходит процесс конститутивного уклонения от стационарного состояния, сопровождающийся не уменьшением, а увеличением функции внешней диссипации. С точки зрения термодинамики необратимых процессов представляется невероятным, чтобы отдельно существующая система, какой является зародыш, растущий организм или взрослое животное, могла бы сама собой при неизменных внешних параметрах устойчиво уклоняться от стационарного состояния. Этот процесс, однако, вполне мыслим в период возникновения половых клеток и, в частности, в оогенезе. С точки зрения термодинамической теории развития организмов в оогенезе происходит процесс омоложения системы, а на всех остальных этапах жизни организма – процесс старения. Отличия периодов развития, роста и старения, с этой точки зрения, заключаются в скорости процесса старения. Процесс зародышевого развития является одним из самых трудных для объяснения с точки зрения термодинамической теории Пригожина – Виам, так как многочисленные иследования дыхания зародышей показали, что в расчете на яйцо происходит значительное увеличение интенсивности дыхания и теплопродукции в этот период. Даже Пригожин вынужден был признать, что на ранних стадиях развития его теория не согласуется с имеющимися экспериментальными данными.

Дополнительная литература 1. Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991 г. 2. Гленсдорф П. , Пригожин И. Термодинамическая теория структуры , устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973 г. 3. Карери Д. Порядок и беспорядок в структуре материи. - М.: Мир, 1995 г. 4. Курдюшов С.П. , Малинецкий Г.Г. Синергетика - теория самоорганизации. Идеи , методы перспективы. - М.: Знание, 1983 г. 5. Николис Г. , Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979 г. 6. Николис Г. , Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990 г. 7. Перовский И.Г. Лекции по теории дифференциальных уравнений. - М.: МГУ, 1980 г. 8. Попов Д.Е. Междисциплинарные связи и синергетика. - КГПУ, 1996 г. 9. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. - М.: Иностранная литература , 1960 г. 10. Пригожин И. От существующего к возникающему. - М.: Наука, 1985 г. 11. Синергетика , сборник статей. - М.: Мир, 1984 г. 12. Хакен Г. Синергетика . - М.: Мир , 1980 г. 13. Хакен Г. Синергетика . Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах . - М.: Мир , 1985 г. 14. Шелепин Л.А. В дали от равновесия. - М.: Знание, 1987 г. 15. Эйген М. , Шустер П. Гиперцикл . Принципы самоорганизации макромолекул . - М.: Мир , 1982 г. 16. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. - М.: Мир , 1987 г

Спасибо, за внимание !

Ответ Такую зависимость можно объяснить тем, что с увеличением размера и массы животного уменьшается отношение его поверхности к объему. Поэтому для компенсации большой потери теплоты, мелким животным требуется более высокая интенсивность метаболизма и, соответственно , потребление большего количества пищи!