№ 7 Работа при изменении объёма. Первое начало термодинамики. Применение к изохорному и изобарному процессу
Полная работа, совершаемая газом при изменении его объёма, находится по формуле: А = интеграл по V1 до V2 от p·dV. Она справедлива для всех изменений объёма твёрдых, жидких и газообразных тел. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): кол-во теплоты, переданное системе, идёт на изменение внутренней энергии и на работу против внешних сил. Q=ΔU+A, где ΔU- кинетическая энергия молекул, А- работа, Q- теплоты, переданное системе. Изохорный процесс: V=const, А=0, Q= ΔU=Cvm·(m/M)·ΔT.
Изобарный процесс: p=const, Q= Cpm·(m/M)·ΔT, ΔU=Cvm·(m/M)·ΔT, А=p·ΔV, Q= ΔU+A.
№ 8 Применение первого начала термодинамики к изотермическому и адиабатному процессу. Закон Пуассона
Изотермический процесс: T=const, ΔU=0, A=Q=m/M·RT·ln(V2/V1)= m/M·RT·ln(p1/p2).
Адиабатный процесс – процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой: Q=const, A= -ΔU=Cvm·(m/M)·ΔT.
Ур-ние Пуассона: pV=const, γ- коэффициент Пуассона, γ= Cp/Cv=(i+2)/i.
№ 9 Теплопродукция организмов. Удельная теплопродукция
Живой организм выделяет теплоту в окружающую среду за счёт энергии, полученной от продуктов питания или от фотосинтеза, а также выполняет различные виды работы: 1) химическая работа – синтез высокомолекулярных вещ-в (белки) из низкомолекулярных (жиры, углеводы). 2) механическая работа – выполняется мышцами при их сокращении и затрачивается на перемещение всего тела или его отдельных органов против внешних механических сил. 3) электрическая работа – генерирование биопотенциалов, при возбуждении в нервных клетках. 4) осмотическая работа – транспорт вещ-в через клеточную мембрану против направления градиента концентрации этих вещ-в. 5) работа по оптическому высвечиванию – свечение организмов, некоторые из которых могут светиться довольно значительно (светляки). Энергия, образующаяся при окислении продуктов питания, выделяется в виде теплоты и делится на первичную (выделяется сразу после окисления) и вторичную (в результате мышечной деятельности).
№ 10 Терморегуляция в живом организме. Особенности живого организма как термодинамической системы. Тепловой баланс организма. Первое начало термодинамики для живого организма
Существует 4 механизма, определяющих тепловое равновесие в организме. Это явления теплопроводности, конвекции, теплового излучения и испарения. Теплопроводность – процесс распространения теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, не сопровождающийся переносом массы вещества или излучением энергии в виде электромагнитных волн. Передача теплоты путём теплопроводности описывают законом Фурье: кол-во теплоты ΔQ, переносимое через поверхность S, перпендикулярно направлению оси OX, вдоль которого убывает температура, пропорционально площади этой поверхности, времени переноса Δt и градиенту температуры ΔT/Δx: ΔQ= - ЛS· (ΔT/Δx)· Δt. «-» значит, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры. Интенсивность теплового потока кол-ва теплоты, переносимая в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярна к этой поверхности. Jt = -Л· (ΔT/Δx), ΔT/Δx- градиент температуры, Л- коэффициент теплопроводности. Конвекция – передача теплоты в жидких и газообразных телах путём перемешивания нагретых и холодных слоёв, связанная с перемешиванием массы вещ-ва. Она происходит только в направлении уменьшения температуры. Интенсивность теплового потока, передаваемого от нагретой поверхности к окружающей среде, при установившемся процессе пропорциональна разности между температурой поверхности и средней температурой среды: Jk=α·(Tn – Tc), α- коэффициент теплопередачи. Тепловое излучение – атомы и молекулы любого тела излучают электромагнитные волны, уносящие с собой часть внутренней энергии тела. Интенсивность излучения повышается при увеличении внутренней энергии и температуры тела. Jиз = έσ( Тк²² - Тв²² ), где Тк- температура кожи, Тв- температура воздуха, έ- поправочный коэффициент, σ- постоянная Стефона= 5,6·10-²²²². Испарение - количество теплоты, выделяемой организмом. Потери тепла, связанные с испарением, зависят: от активности физиологических процессов, от температуры, от её влажности. Особенности живого организма как термодинамической системы: поддержание постоянной температуры тела у высших животных связано с наличием у них центра терморегуляции. Температурными датчиками системы терморегуляции служат рецепторы, находящиеся в коже и слизистых оболочках. В рецепторах возникает раздражение, вызываемое повышением или понижением температуры, которое сигнализирует в ЦНС о направлении и интенсивности теплового потока. Кожа принимает основное участие в теплообмене. Под действием тепла усиливается потоотделение, которое способствует повышению теплоотдачи, а также выведению из организма вредных продуктов метаболизма. Тепловой баланс организма: т.к. внешние условия, а также физиологические процессы могут меняться в определенных пределах, то для поддержания стационарного температурного состояния живые организмы в ходе эволюции выработали определенные механизмы, которые могут немного понижать или повышать температуру, увеличивая или уменьшая теплообмен с внешней средой. Так, при охлаждении животного в его клетках увеличивается скорость гидролиза АТФ и в мышцы поступает дополнительная энергия. У животных взъерошиваются волосы, между волосами увеличивается воздушная прослойка, что приводит к уменьшению обмена теплотой между животным и средой. При повышении температуры среды в организме возникают процессы, приводящие в действие термопонижающие центры, в результате чего происходит расширение кровеносных сосудов, увеличение потоотделения, учащение дыхания.
№ 11 Энтропия. Свойства энтропии. Второе начало термодинамики и его применение в биологии
Для характеристики состояния термодинамической системы Клаузиус ввёл понятие энтропии меры беспорядка состояния системы. Энтропия – мера необратимого рассеяния энергии и представляет собой ф-ю состояния термодинамической системы. dS=dQ/T, (S)=Дж/к. Свойства энтропий:1) энтропия – величина аддитивная, т.е. энтропия системы равна сумме энтропий отдельных элементов.2) если в изолированной системе происходит обратимые процессы, то её энтропия остаётся неизменной.3) если в изолированной системе происходит необратимые процессы, то её энтропия возрастает.4) энтропия изолированной системы не может уменьшаться. Второе начало термодинамики говорит о том, что в изолированной системе процессы протекают в направлении возрастания системы. Живой организм не может быть изолирован от окружающей среды, т.к. он поглощает кислород, воду и питательные вещ-ва. Если изолировать организм, т.е. лишить его пищи и кислорода, то это смерть. Существование биологических изолированных систем невозможно. Они могут быть только открытыми, т.е. системами, в которых обмениваются с окружающей средой энергией и вещ-вом. Организмы, в процессе своего развития, непрерывно, за счёт обмена вещ-в, создаёт из менее упорядоченных систем более упорядоченные – энтропия уменьшается – это не противоречит второму началу термодинамики, т.к. он сформулирован для изолированной системы. Полное изменение энтропии: ΔS=ΔSi+ΔSe, ΔSi- изменение энтропии, связанное с необратимыми процессами в организме, ΔSe- изменение энтропии вследствие взаимодействия с окружающей средой. ΔSi>0, т.к. связано с выделением тепла организмом. ΔSe>0, то высокомолекулярное соединение разрушается, смерть. ΔSi= -ΔSe.
№ 12 Применение второго начала термодинамики к тепловым двигателям. КПД теплового двигателя.
Тепловой двигатель представляет собой систему, работающую за счет внешних источников тепла, которая периодически повторяет тот или иной термодинамический цикл и преобразует теплоту в механическую работу. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, сообщающего ему количество теплоты Q1, рабочего тела и охладителя, в который отводится количество теплоты Q2. Работа, совершаемая двигателем, равна А= Q1+Q2. Из второго начала термодинамики следует, что невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение всей теплоты, полученной нагревателем, в эквивалентную ей работу. Поэтому не может существовать теплового двигателя, в котором часть тепла не отводилась бы в охладитель. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют величину ή=(Q1-Q2)/Q1. Поскольку Q2 не может быть равно нулю, то КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Это утверждение может служить одной из формулировок второго начала термодинамики. Живые организмы - это своеобразные тепло вые двигатели, получающие теплоту в результате происходящих в них экзотермических реакций, в которых участвуют биологические макромолекулы. Как и любой тепловой двигатель, живой организм выделяет теплоту и совершает работу. Особое значение в термодинамике имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, который состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатических процессов. Рабочее тело (идеальный газ) совершает работу за счет теплоты, подводимой к нему в изотермическом процессе; при обратном изотермическом процессе часть теплоты уходит от рабочего тела. КПД такого двигателя: ήм=(T1-T2)/T1, где Т1 и Т2 - температуры нагревателя и охладителя. КПД цикла Карно является максимальны значением для КПД любого реального двигателя, работающего в тех же условиях.