Термодинамика — основные понятия, формулы и определения с примерами

Теплопередача

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы.

Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение (лучистый теплообмен). Теплопередача происходит между телами, имеющими разную температуру. Тепло передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых тел (частей тела) к менее нагретым в результате движения и взаимодействия частиц тела. Высокую теплопроводность имеют металлы – так, лучшие проводники тепла – медь, золото, серебро. Теплопроводность жидкостей меньше, а газы являются плохими проводниками тепла. Пористые тела плохо проводят тепло, так как в порах содержится воздух. Вещества с низкой теплопроводностью используют в качестве теплоизоляторов. Теплопроводность невозможна в вакууме. При теплопроводности не происходит переноса вещества.

Явление теплопроводности газов аналогично явлению диффузии. Быстрые молекулы из слоя с более высокой температурой перемещаются в более холодный слой, а молекулы из холодного слоя перемещаются в более нагретый. За счет этого средняя кинетическая энергия молекул более теплого слоя уменьшается, и его температура становится ниже.

В жидкостях и твердых телах при повышении температуры какого-либо участка твердого тела или жидкости его частицы начинают колебаться сильнее. Соударяясь с соседними частицами, где температура ниже, эти частицы передают им часть своей энергии, и температура этого участка возрастает.

Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа.

Объяснить механизм конвекции можно на основе теплового расширения тел и закона Архимеда. При нагревании объем жидкости увеличивается, а плотность уменьшается. Нагретый слой под действием силы Архимеда поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это естественная конвекция. Она возникает при неравномерном нагревании жидкости или газа снизу в поле тяготения.

При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит под действием насосов, лопастей вентилятора. Такая конвекция применяется в состоянии невесомости. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев среды и агрегатного состояния вещества. Конвекционные потоки поднимаются вверх. При конвекции происходит перенос вещества.

В твердых телах конвекция невозможна, так как частицы не могут из-за сильного взаимодействия покидать свои места. В вакууме конвекция также невозможна.

Примером конвективных потоков в природе являются ветры (бризы дневной и ночной, муссоны).

Излучение (лучистый теплообмен) – перенос энергии электромагнитными волнами. Перенос тепла излучением возможен в вакууме. Источником излучения является любое тело, температура которого отлична от нуля К. При поглощении энергия теплового излучения переходит во внутреннюю энергию. Темные тела быстрее нагреваются излучением, чем тела с блестящей поверхностью, но и остывают быстрее. Мощность излучения зависит от температуры тела. С увеличением температуры тела энергия излучения увеличивается. Чем больше площадь поверхности тела, тем интенсивнее излучение.

Основные формулы термодинамики

Условные обозначения

Обозначение	Название величины	Размерность / Значение	Формула
	Абсолютная температура	K
	Давление	Па
	Объём	м³
	Средняя энергия молекулы	Дж
	Средняя кинетическая энергия молекулы	Дж
	Масса	кг
	Молярная масса	кг/моль
	Постоянная Авогадро	6.0221415(10)·1023 моль-1
	Постоянная Больцмана	1.3806505(24)·10−23 Дж/К
	Газовая постоянная	8.314472(15) Дж/(К·моль)
	Число степеней свободы молекулы	—
	Количество вещества в -й компоненте -компонентной смеси	моль
	вектор с координатами	моль
	Химический потенциал -й компоненты -компонентной смеси	Дж/моль
	Внутренняя энергия	Дж
	Энтропия	Дж/К
	Энтальпия	Дж
	Изохорно-изотермический потенциал (свободная энергия Гельмгольца)	Дж
	Изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса, свободная энтальпия)	Дж
	Работа, совершённая газом	Дж
	Тепло, переданное газу	Дж
	Молярная теплоёмкость газа при постоянном давлении	Дж/(К·моль)
	Молярная теплоёмкость газа при постоянном объёме	Дж/(К·моль)
	Удельная теплоёмкость	Дж/(К·кг)
	Показатель адиабаты	—

Формулы термодинамики идеального газа

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона—Менделеева)
Изменение внутренней энергии газа
Работа газа
Средняя энергия молекулы газа
Средняя кинетическая энергия молекулы газа:
Внутренняя энергия газа
Вывод формулы
Теплоёмкость газа при постоянном объёме
Вывод формулы
Теплоёмкость газа при постоянном давлении
Вывод формулы

Первый закон термодинамики в биологических системах

Все биологические организмы нуждаются в энергии для выживания. В замкнутой системе, такой как Вселенная, эта энергия не потребляется, а трансформируется из одной формы в другую. К примеру, клетки организма выполняют ряд важных процессов. Эти процессы требуют энергии. При фотосинтезе энергия подается солнцем. Световая энергия поглощается клетками листьев растений и превращается в химическую энергию.

Химическая энергия хранится в виде глюкозы, которая используется для образования сложных углеводов, необходимых для создания растительной массы. Энергия, хранящаяся в глюкозе, также может выделяться через клеточное дыхание. Этот процесс позволяет растительным и животным организмам получать доступ к энергии, хранящейся в углеводах, липидах и других макромолекулах, путем производства АТФ.

Эта энергия необходима для выполнения клеточных функций, таких как репликация ДНК, митоз, мейоз, движение клеток, эндоцитоз, экзоцитоз и апоптоз.

Первое начало термодинамики

Согласно первому закону термодинамики, \(Q\) (количество внутренней теплоты), которое получил газ извне, расходуется на совершение работы \(А\) и изменение внутренней энергии \(U\). Формула закона: \(Q=\Delta U+A\).

На практике газ может быть нагрет либо охлажден. Однако в данном случае рассматривается изотермический процесс, в котором один из характеризующих параметров остается неизменным.

Если процесс изотермичен, в химии включается закон Бойля-Мариота. В нем говорится, что давление газа соотносится к изначальному объему, при стабильной температуре, обратно пропорционально.

\(Q=A\)

Когда процесс происходит при неизменном объеме, говорят об изохорности. Здесь вступает в действие закон Шарля. В обозначенных условиях то тепло, которое поступило к газу, расходуется на изменение внутренней энергии. Другими словами, \(P\) пропорционально \(T\).

\(Q=\Delta U\)

Протекание процессов в идеальном газе при неизменном давлении носит характер изобарного. Здесь действует закон Гей-Люссака, который выражается уравнением:

\(Q=\Delta U=p\Delta V\)

Полная формулировка закона гласит: полученное тепло при изобарном процессе расходуется на совершение работы газом, а также изменяет его внутреннюю энергию.

Часть процессов происходят изолированно от внешней среды. Газ не получает дополнительной энергии. Такая ситуация носит название адиабатной и математически записывается: \(Q=0\). Работа \(А\) в таком случае выражается: \(A=-\Delta U.\)

Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.

Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:

количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами:

Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

Изотермический процесс: ​\( Q=A’\,(T=const, \Delta U=0) \)​Физический смысл: все переданное газу тепло идет на совершение работы.

Изобарный процесс: \( Q=\Delta U+A’ \)​Физический смысл: подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы.

Изохорный процесс: \( Q=\Delta U\,(V=const, A’=0) \)​Физический смысл: внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла.

Адиабатный процесс: ​\( \Delta U=-A’ \)​ или ​\( A=\Delta U\,\mathbf{(Q=0)} \)​Физический смысл: внутренняя энергия газа уменьшается за счет совершения газом работы. Температура газа при этом понижается.

Задачи об изменении внутренней энергии тел

Такие задачи можно разделить на группы:

• При взаимодействии тел изменяется их внутренняя энергия без совершения работы над внешней средой.
• Рассматриваются явления, связанные с превращением одного вида энергии в другой при взаимодействии двух тел. В результате происходит изменение внутренней энергии одного тела вследствие совершенной им или над ним работы.

При решении задач первой группы:

• установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, а у каких – возрастает;
• составить уравнение теплового баланса ​\( (\Delta U=0) \), при записи которого в выражении ​\( Q =cm(t_2 – t_1) \)​ для изменения внутренней энергии нужно вычитать из конечной температуры тела начальную и суммировать члены с учетом получающегося знака;
• решить полученное уравнение относительно искомой величины;
• проверить решение.

При решении задач второй группы:

• убедиться, что в процессе взаимодействия тел теплота извне к ним не подводится, т.е. действительно ли ​\( Q = 0 \)​;
• установить, у какого из двух взаимодействующих тел изменяется внутренняя энергия и что является причиной этого изменения – работа, совершенная самим телом, или работа, совершенная над телом;
• записать уравнение ​\( Q = \Delta U + A \)​ для тела, у которого изменяется внутренняя энергия, учитывая знак перед работой и КПД рассматриваемого процесса;
• если работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии одного из тел, то ​\( А= -\Delta U \)​, а если внутренняя энергия тела увеличивается за счет работы, совершенной над телом, то ​\( A=\Delta U \)​;
• найти выражения для ​\( \Delta U \)​ и ​\( A \)​;
• подставить в исходное уравнение вместо \( \Delta U \) и \( A \) выражения для них, получить окончательное соотношение для определения искомой величины;
• решить полученное уравнение относительно искомой величины;
• проверить решение.

Рекомендации

1. Хейни, Дональд Т. (2001). . Издательство Кембриджского университета. стр.–16.
2. Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика. Кембридж UP. ISBN .
3. Стейси, Ральф В., Дэвид Т. Уильямс, Ральф Э. Уорден и Рекс О. Макморрис. Основы биологической и медицинской физики. Нью-Йорк: Книга Макгроу-Хилла, 1955. Печать.
4. Хейни, Дональд Т. Биологическая термодинамика. Кембридж: Кембриджский университет, 2001. Печать.
5. Бергетон, П. Р. Физические основы биохимии: основы молекулярной биофизики. Нью-Йорк: Springer, 1998. Печать.
6. Альбертс, Брюс. Эссенциальная клеточная биология. Нью-Йорк: Garland Science, 2009. Печать.

История

Немецко-британский врач и биохимик Ганс КребсКнига 1957 года Преобразования энергии в живой материи (написано с Ханс Корнберг) была первой крупной публикацией по термодинамике биохимических реакций. Кроме того, в приложении были опубликованы первые термодинамические таблицы, написанные Кеннет Бертон, чтобы содержать константы равновесия и Свободная энергия Гиббса формирований для химические веществаумеет вычислять биохимические реакции этого еще не произошло.

Неравновесная термодинамика был применен для объяснения того, как биологические организмы могут развиваться в результате расстройства. Илья Пригожин разработаны методы термодинамической обработки таких систем. Он назвал эти системы диссипативные системы, потому что они формируются и поддерживаются диссипативными процессами, которые обмениваются энергией между системой и ее окружением, и потому что они исчезают, если этот обмен прекращается. Можно сказать, что они живут в симбиозе со своим окружением. Энергетические преобразования в биологии зависят прежде всего от фотосинтез. Общая энергия, улавливаемая фотосинтезом зеленых растений от солнечной радиации, составляет около 2 x 1023 джоулей энергии в год. Годовая энергия, улавливаемая фотосинтезом у зеленых растений, составляет около 4% от общей Солнечный свет энергия, которая достигает Земли. Энергетические преобразования в биологических сообществах, окружающих гидротермальные источники исключения; они окисляются сера, получая свою энергию через хемосинтез а не фотосинтез.

Разделы термодинамики

Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (или классическую) термодинамику, изучающую равновесные термодинамические системы и процессы в таких системах, и неравновесную термодинамику, изучающую неравновесные процессы в системах, в которых отклонение от термодинамического равновесия относительно невелико и ещё допускает термодинамическое описание.

В системах, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, например, в движущемся газе, может применяться приближение локального равновесия, в котором считается, что соотношения равновесной термодинамики выполняются локально в каждой точке системы. Однако в неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, то есть в её формулы время может входить в явном виде. Отметим, что посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» (1822) опередила не только появление неравновесной термодинамики, но и работу Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), которую принято считать точкой отсчёта в истории классической термодинамики.

Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы:

• начала термодинамики (иногда также называемые законами или аксиомами)
• равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

• строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа
• неэкстенсивная термодинамика
• применение термодинамики к нестандартным системам

Обмен веществ и образ жизни

Способы увеличения метаболизма:

Первым из данных способов является важность выполнения физических упражнений на регулярной основе, поскольку это не только поможет нам потерять калории, но и ускорит метаболизм, способствуя сжиганию жира и потере веса. При этом не обязательно часто посещать спортзал

Будет достаточно активной ходьбы от 30 до 60 минут в день, желательно при сжигании жира (это будет зависеть от состояния конкретного человека).
Важно питание, потому что, если человек подвергает свой организм низкокалорийной диете или длительному голоданию, в его организм замедлится обмен веществ, и он создаст энергетические отложения, почти всегда жировые, потому что организм перестанет получать необходимые ему питательные вещества или минимальные калории для поддержания ежедневных органических функций. Замедление метаболизма и создание энергетических отложений будет способствовать увеличению веса, и человеку будет намного сложнее поддерживать оптимальный вес.

Продукты, которые могут способствовать увеличению метаболизма, это красный перец в качестве пищевой приправы. Помимо того, что он дает мало калорий в рацион, он используется в диетах для управления весом. Другими продуктами, которые содержат вещества, активирующие обмен веществ, являются зеленый чай, содержащий теин, и кофе, оба, кроме того, обладают антиоксидантными свойствами. К ним также относят лосось, орехи, авокадо, темный шоколад, ягоды, чеснок, морковь. Все, что мы едим, обрабатывается метаболической системой, которая отвечает за преобразование энергии, содержащейся в пище (витамины, макро-и микро-питательные вещества, минералы, жир, белок, углеводы), в топливо, которое нужно человеку ежедневно.
Правильный сон важен, потому что он позволяет организму отдыхать и заменять то, что потребляется в течение дня, например, питательные вещества из отработанных клеток и нейротрансмиттеров. Сон — это время для восстановления организма, потому что на этом этапе температура тела падает, позволяя сердцу отдыхать, мозг и мышцы восстанавливаются и высвобождаются гормоны, которые обеспечивают наше благополучие на следующий день. Если мы плохо спим, никакой из перечисленных процессов не осуществляется так, как должен, и метаболическая функция нарушается, уступая место таким нарушениям, как метаболический синдром. В 3 и 4 фазах сна, то есть самых глубоких фазах, организм выделяет гормон роста — соматотропин, который имеет решающее значение для регенерации мышц и особенно необходим детям. Также выделяется гормон, называемый интерлейкином, который способствует выработке антител, необходимых для укрепления иммунной системы.

Таким образом, роль обмена веществ высока.

1. Система кровообращения благоприятствует метаболизму во сне, так как в это время кровяное давление снижается, сердцу не нужно столько усилий, чтобы перекачивать кровь в остальную часть организма. Сон уменьшает расход энергии, помогая метаболизму легче пополняться.
2. У человека улучшается состояние здоровья глаз, потому что слезная пленка, которая защищает роговицу, восстанавливается, особенно в наше время, когда люди подвергаются долгим часам воздействия светодиодных экранов.

Разделы термодинамики

Классическая термодинамика состоит из разделов:

• Главные законы термодинамики (иногда также называемые началами).
• Уравнения состояния и прочие свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.)
• Равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы.
• Неравновесные процессы и закон неубывания энтропии.
• Термодинамические фазы и фазовые переходы.

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

• строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа;
• неэкстенсивная термодинамика;
• применение термодинамики к нестандартным системам.

Меры энергии и теплоёмкость

Когда нагреваете что-то, в зависимости от того, из чего оно сделано, нагревание занимает разное время. Предполагая, что мощность остаётся постоянной, но некоторым материалам требуется больше теплоты для повышения температуры на 1 К (1 К фактически равен 1° С, они просто начинаются в другом месте), чем другим.

Деревянная ложка нагревается намного дольше, чем металлическая. Металл – хороший проводник тепла, а дерево – плохой проводник. Теплота, необходимая для нагрева 1 кг вещества на 1 К, называется удельной теплоёмкостью.

Формула, которую используем, чтобы найти, сколько теплоэнергии требуется, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 К, имеет вид: Q = mcΔT, где Q – теплоэнергия, m – масса, c – удельная теплоёмкость и ΔT – изменение температуры. Из уравнения получите ΔT = Q / (mc) и найдёте конечное температурное состояние материала.

Существуют в термодинамике различные меры энергии:

• Внутренняя энергия
• Свободная энергия Гельмгольца
• Энтальпия
• Свободная энергия Гиббса.

Энергетический баланс имеет значение в термодинамике. После изменений фаз (твёрдое тело – жидкость – газ), или их смеси (соли в воде, смесь различных растворителей), или превращение энергосилы (энтальпии плавления, испарения, сублимации), или переходных энтальпий в обратном направлении процесс не происходит. В случае превращения химического вещества тепло реакции или энтальпии реакции могут быть выделены или должны быть добавлены в обратном порядке.

Чтобы рассчитать теплоту реакции, которая выделяется при превращении веществ, сначала составляется соответствующее уравнение реакции с соответствующими стехиометрическими факторами. Стандартное образование отдельных веществ перечислены для 25° C в таблицах. Сумма энтальпий продуктов складывается в соответствии со стехиометрическими коэффициентами, и из этого вычитаются энтальпии исходных материалов.

Энтальпия реакции или превращения, которая выделяется в окружающую среду во время химического превращения или изменения фазы, имеет отрицательный знак. Если для изменения фазы или химического превращения необходима подача теплоты из окружающей среды, то энтальпия имеет положительный знак.

Формируя полный дифференциал свободной энтальпии и последующую интеграцию, можно рассчитать, возможна ли химическая конверсия. Принцип действия масс является частным случаем баланса. Если разница в свободной энтальпии положительна, то реакция или фазовый переход невозможны.

В 1869 году М.Бертло верил, что возможны только химические превращения, при которых выделяется тепло. Между тем известны превращения и реакции, в которых не выделяется ни тепло реакции, ни тепло превращения. Это связано с энтропийным термином.

Примеры:

Когда глауберова соль растворяется в воде, раствор становится холоднее окружающей среды. Энтальпия положительна. Когда ледяной блок тает, требуется теплота для изменения фазы с твёрдого на жидкое. Температурный уровень воды не повышается, хотя теплота подаётся из окружающей среды. Беспорядок молекул больше в жидком состоянии, чем в твёрдом состоянии.

Энтальпия реакции является положительной при превращении углерода и диоксида углерода в монооксид углерода. Реакция энтропии позволяет равновесию перейти в монооксид углерода при высоком подогреве.

Работа в термодинамике

Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела.

Обозначение работы газа – ​\( A’ \)​, единица измерения в СИ – джоуль (Дж). Обозначение работы внешних сил над газом – ​\( A \)​.

Работа газа ​\( A’ =-A \)​.

Работой расширения идеального газа называют работу, которую газ совершает против внешнего давления.

Работа газа положительна при расширении и отрицательна при его сжатии. Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работы газ не совершает.

Графически работа газа может быть вычислена как площадь фигуры под графиком зависимости давления от объема в координатных осях ​\( (p,V) \)​, ограниченная графиком, осью ​\( V \)​ и перпендикулярами, проведенными из точек начального и конечного значений объема.

Формула для вычисления работы газа:

в изобарном процессе ​\( A’=p\cdot\Delta V. \)​

в изотермическом процессе \( A’=\frac{m}{M}RT\ln\frac{V_2}{V_1}. \)​

Вариант 1

A1. Комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем

1) биология
2) химия
3) география
4) физика

А2. Совокупность элементов живой природы, находящихся во взаимодействии и образующих единое и четко разделенное на части целое

1) биологический процесс
2) принцип организации
3) биологическая система
4) уровень организации живых систем

А3. Согласно определению Ф. Энгельса, жизнь — это

1) способность реагировать на внешние воздействия
2) способ существования белковых тел, находящихся в постоянном химическом самообновлении своих составных частей
3) способность передавать свои признаки следующим поколениям
4) постоянное приобретение организмом новых признаков и свойств

А4. Живые организмы, в отличие от тел неживой природы

1) имеют клеточное строение
2) состоят из химических элементов
3) способны к пассивному движению
4) состоят из химических веществ

А5. Способность живых организмов образовывать себе подобные организмы — это

1) наследственность
2) самовоспроизведение
3) изменчивость
4) саморегуляция

А6. Способность организмов передавать свои признаки и особенности развития следующим поколениям — это

1) изменчивость
2) размножение
3) наследственность
4) саморегуляция

А7. Способность организмов избирательно реагировать на внешние воздействия специфическими реакциями это

1) саморегуляция
2) раздражимость
3) изменчивость
4) наследственность

А8. Начальный уровень организации живой природы

1) клеточный
2) молекулярно-генетический
3) организменный
4) биосферный

А9. Внутривидовые отношения изучают на уровне организации живого

1) биогеоценотическом
2) популяционно-видовом
3) молекулярно-генетическом
4) организменном

В1. Выберите три верных ответа.

К царству живых организмов относятся

1) минералы
2) растения
3) химические элементы
4) бактерии
5) горные породы
6) грибы

В2. Установите последовательность расположения уровней организации живого.

А. Популяционно-видовой
Б. Биогеоценотический
В. Организменный
Г. Молекулярно-генетический
Д. Клеточный
Е. Биосферный

Примеры

Первый закон большой фасоли

Первый закон термодинамики — это утверждение сохранения энергии; хотя она может быть изменена из одной формы в другую, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Из первого закона возникает принцип, называемый законом Гесса . Закон Гесса гласит, что тепло, поглощаемое или выделяемое в данной реакции, всегда должно быть постоянным и независимым от того, как происходит реакция. Хотя некоторые промежуточные реакции могут быть эндотермическими, а другие — экзотермическими, общий теплообмен равен теплообмену, если бы процесс происходил напрямую. Этот принцип лежит в основе калориметра — устройства, используемого для определения количества тепла в химической реакции. Поскольку вся поступающая энергия поступает в организм в виде пищи и в конечном итоге окисляется, общее тепловыделение можно оценить путем измерения тепла, выделяемого при окислении пищи в калориметре. Это тепло выражается в килокалориях , которые являются общепринятой единицей пищевой энергии, указанной на этикетках пищевых продуктов.

Второй закон большого боба

Второй закон термодинамики касается прежде всего того, возможен ли данный процесс. Второй закон гласит, что естественный процесс не может происходить, если он не сопровождается увеличением энтропии Вселенной. Иными словами, изолированная система всегда будет иметь тенденцию к беспорядку. Часто ошибочно полагают, что живые организмы нарушают Второй закон, потому что они способны повысить уровень своей организации. Чтобы исправить это неверное толкование, нужно просто обратиться к определению систем и границ . Живой организм — это открытая система, способная обмениваться материей и энергией с окружающей средой. Например, человек принимает пищу, разбивает ее на компоненты, а затем использует их для наращивания клеток, тканей, связок и т. Д. Этот процесс увеличивает порядок в теле и, таким образом, снижает энтропию. Однако люди также 1) проводят тепло к одежде и другим предметам, с которыми они контактируют, 2) создают конвекцию из-за разницы в температуре тела и окружающей среды, 3) излучают тепло в космос, 4) потребляют энергосодержащие вещества (т. Е. пища) и 5) устранение отходов (например, углекислого газа, воды и других компонентов дыхания, мочи, фекалий, пота и т. д.)

Если принять во внимание все эти процессы, общая энтропия большей системы (то есть человека и его / его окружающей среды) увеличивается. Когда человек перестает жить, ни один из этих процессов (1-5) не происходит, и любое прерывание процессов (особенно 4 или 5) быстро приводит к заболеваемости и / или смертности.

Свободные бобы Гиббса

В биологических системах энергия и энтропия изменяются вместе. Следовательно, необходимо иметь возможность определить функцию состояния, которая одновременно учитывает эти изменения. Эта функция состояния является свободной энергией Гиббса, G .

G = H — TS

куда:

• H — энтальпия (единица СИ: джоуль)
• T — температура (единица СИ: кельвин )
• S — энтропия (единица СИ: джоуль на кельвин)

Изменение свободной энергии Гиббса можно использовать, чтобы определить, может ли данная химическая реакция происходить спонтанно. Если Δ G отрицательна, то реакция может происходить спонтанно . Аналогично, если Δ G положительна, то реакция неспонтанная. Химические реакции можно «связать» вместе, если они имеют общие промежуточные соединения. В этом случае общее изменение свободной энергии Гиббса просто сумма Δ G значений для каждой реакции. Таким образом, неблагоприятная реакция (положительная Δ G ₁ ) может приводиться в действие второй, весьма благоприятной реакции (отрицательный Δ G ₂ , где величина Д G ₂ > величины Д G ₁ ). Например, реакция глюкозы с фруктозой в виде сахарозы имеет Δ G значение 5,5 ккал / моль. Следовательно, эта реакция не произойдет спонтанно. Пробой АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата имеет Δ G значение -7,3 ккал / моль. Эти две реакции могут быть связаны вместе, так что глюкоза связывается с АТФ с образованием глюкозо-1-фосфата и АДФ. Затем глюкозо-1-фосфат может связываться с фруктозой, давая сахарозу и неорганический фосфат. Значение ∆ G связанной реакции составляет -1,8 ккал / моль, что указывает на то, что реакция будет происходить самопроизвольно. Этот принцип реакций сочетания для изменения изменения свободной энергии Гиббса является основным принципом, лежащим в основе всех ферментативных действий в биологических организмах.

Уравнение теплового баланса

Если система тел является теплоизолированной, то ее внутренняя энергия не будет изменяться несмотря на изменения, происходящие внутри системы. Если ​\( A \)​ = 0, ​\( Q \)​ = 0, то и ​\( \Delta U \)​ = 0 .

При любых процессах, происходящих в теплоизолированной системе, ее внутренняя энергия не изменяется (закон сохранения внутренней энергии).

Рассмотрим теплоизолированную систему из двух тел с разными температурами. При контакте между ними будет проходить теплообмен. Тело с большей температурой будет отдавать некоторое количество теплоты, а тело с меньшей температурой – получать, пока температуры тел не станут равными. Так как суммарная внутренняя энергия не должна изменяться, то, на сколько уменьшится внутренняя энергия более нагретого тела, на столько должна увеличиться внутренняя энергия второго тела. Так как работа не совершается, то изменение внутренней энергии равно количеству теплоты.

Количество теплоты, отданное при теплообмене телом с большей температурой, равно по модулю количеству теплоты, полученному телом с меньшей температурой:

Другая формулировка: если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма отданных ​\( Q_{отд} \)​ и полученных \( Q_{пол} \) количеств теплоты равна нулю:

Проблемы энергетики и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели широко применяются на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции). Использование тепловых двигателей сильно влияет на состояние биосферы Земли. Можно выделить следующие вредные факторы:

• при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, что приводит к снижению содержания кислорода в воздухе;
• при сгорании топлива в атмосферу выделяется углекислый газ. Концентрация углекислого газа в атмосфере повышается. Это изменяет прозрачность атмосферы, так как молекулы углекислого газа поглощают инфракрасное излучение, что ведет к повышению температуры (парниковый эффект);
• при сжигании угля в атмосферу поступают азотные, серные соединения и соединения свинца, вредные для здоровья человека.

Решение проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия предприятий тепловой энергетики требует комплексного подхода. Массовыми загрязнителями при работе тепловых электростанций являются летучая зола, диоксид серы и оксиды азота. Методы сокращения выбросов зависят от свойств топлива и условия его сжижения. Предотвращение загрязнения летучей золой достигается очисткой всего объема продуктов сгорания твердого топлива в высокоэффективных золоуловителях. Сокращение выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлива на тепловых электростанциях, а также в парогазовых и газотурбинных установках обеспечивается, главным образом, технологией сжигания топлива. Уменьшение выброса диоксида серы может быть достигнуто различными методами облагораживания и переработки топлива вне тепловых электростанций либо непосредственно на тепловых электростанциях, а также очисткой дымовых газов.

Контроль за выбросом вредных веществ электростанций осуществляется специальными приборами.

В ряде случаев достаточно эффективным решением вопросов очистки выбросов в атмосферу остается сооружение фильтров-уловителей и дымовых труб. У дымовой трубы два назначения: первое — создавать тягу и тем самым заставлять воздух — обязательный участник процесса горения — в нужном количестве и с должной скоростью входить в топку; второе — отводить продукты горения (вредные газы и имеющиеся в дыме твердые частицы) в верхние слои атмосферы. Благодаря непрерывному турбулентному движению вредные газы и твердые частицы уносятся далеко от источника их возникновения и рассеиваются.

Для рассеивания сернистого ангидрида, содержащегося в дымовых трубах тепловых электростанций, сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и 320 м. Тепловые электростанции России, работающие на твердом топливе, за год выбрасывают в отвалы около 100 млн т золы и шлаков. Зола и шлаки занимают большие площади земель, неблагоприятно влияют на окружающую среду.

Более половины всех загрязнений создает транспорт. Один из путей решения проблемы защиты окружающей среды заключается в переходе на дизельные двигатели, электродвигатели, повышение КПД.

Алгоритм решения задач раздела «Термодинамика»:

• выделить систему тел и определить ее тип (замкнутая, адиабатически замкнутая, замкнутая в механическом смысле, незамкнутая);
• выяснить, как изменяются параметры состояния ​\( (p,V,T) \)​ и внутренняя энергия каждого тела системы при переходе из одного состояния в другое;
• записать уравнения, связывающие параметры двух состояний системы, формулы для расчета изменения внутренней энергии каждого тела системы при переходе из одного состояния в другое;
• определить изменение механической энергии системы и работу внешних сил по изменению ее объема;
• записать формулу первого закона термодинамики или закона сохранения и превращения энергии;
• решить систему уравнений относительно искомой величины;
• проверить решение.

Основные формулы раздела «Термодинамика»

использованная литература

1. Хейни, Дональд Т. (2001). . Издательство Кембриджского университета. стр.  -16.
2. Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика . Кембридж UP. ISBN .
3. Стейси, Ральф В., Дэвид Т. Уильямс, Ральф Э. Уорден и Рекс О. Макморрис. Основы биологической и медицинской физики. Нью-Йорк: книга Макгроу-Хилла, 1955. Печать.
4. Хейни, Дональд Т. Биологическая термодинамика. Кембридж: Cambridge UP, 2001. Печать.
5. Бергетон, П. Р. Физические основы биохимии: основы молекулярной биофизики. Нью-Йорк: Springer, 1998. Печать.
6. Альбертс, Брюс. Эссенциальная клеточная биология. Нью-Йорк: Garland Science, 2009. Печать.