Первое начало термодинамики

Открытие первого начала термодинамики исторически связано с установлением эквивалентности теплоты и механической работы. Это открытие связано с именами Р.Майера и Джоуля. Основная работа Майера, в которой он подробно и систематически развил свои идеи, была опубликована в 1845 г. Майер указывал, что источником механически тепловых эффектов в живом организме являются химические процессы, которые протекают в нем в результате поглощения кислорода и пищи.

Джоуль пришел к установлению эквивалентности тепла и механической работы индуктивным путем, т. е. непосредственным экспериментальным измерением превращения механического движения в теплоту.

Прежде чем начать рассмотрение законов термодинамики необходимо напомнить определение основных понятий.

Внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Теплота – способ передачи энергии, при котором осуществляется непосредственный обмен энергией между микрочастицами взаимодействующих тел. При передаче изменяется внутренняя энергия тел. Мерой энергии при этом служит количество теплоты.

Количество теплоты – количество внутренней энергии, переданной в процессе теплообмена от одного тела другому без совершения работы. Измеряется в джоулях и калориях.

Коли́чество теплоты́ — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин.

Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние

Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса энергии в форме теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры. Теплообмен осуществляется за счет движения вещества среды (конвективный), испускания и поглощения электромагнитного излучения (лучистый) и теплопроводности.

Температура – один из основных параметров состояния системы, характеризующий интенсивность теплового движения атомов и молекул. Измеряют в радусах различных температурных шкал (Цельсия, кельвин и др.).

Изобарный процесс – термодинамический процесс при постоянном давлении.

Изотермический процесс – при постоянной температуре.

Изохорный процесс - при постоянном давлении.

Адиабатный процесс – при отсутствии теплообмена с окружающей средой.

В сущности, своей первое начало термодинамики выражает закон сохранения энергии — один из наиболее фундаментальных принципов, установленных в естествознании. В современной записи первое начало термодинамики выглядит так:

dU = δQ - δА (1)

δW = р δV (2)

Для любой работы против упругих (или механических) и можно записать

δА_м = F dx, (3)

где F — соответствующим образом определенная сила; dx - смещение в направлении силы.

δА_м = ΣF_i dx_i, (4)

Аналогично, элементарное приращение работы против электрических сил может быть представлено в виде суммы произведений электродвижущих сил E_j на приращение зарядов dq_i

δА_м = ΣE_jdq_j, (5)

δА_с= Σn_k P_k d(1/c_k) ( 6)

δА_с = - Σ n_k R T d(ln c_k) (7)

С учетом формул (1) — (7) первое начало термодинамики в целом запишется

dU =T dS – p dV -ΣF_i dx_i - ΣE_jdq_j + R T Σ n_k d(ln c_k)

В применении к задачам биологии выражение для механической работы используется для рассмотрения вопросов, связанных с мышечным сокращением и упругими свойствами тканей, выражение для электрической работы играет важную роль в исследовании мембран, при изучении ферментативной активности определяющее значение имеет химическая работа.

Первый закон термодинамики (1ЗТ) полностью применим к биологическим системам. Функциональная деятельность организма может быть представлена как сумма внешних рабочих процессов. Наиболее общим свойством живой материи является способность излучать тепло, т.к. все метаболические процессы, совершающиеся в живых клетках, сопровождаются выделением тепла.

Исследования Гельмгольца по закону сохранения энергии решили вопрос о приложении 1ЗТ к обмену веществ в организме. Пища доставляет в связанном виде химическую энергию, необходимую для нагревания организма и для совершения работы. Зная подводимую к организму энергию, можно вычислить тепловой баланс организма.

В организме при окислении пищевых продуктов до конечных веществ выделяется энергия, которая превращается в работу синтетических процессов для поддержания жизнедеятельности. В конечном итоге вся работа превращается в тепло.

В настоящее время разработаны калориметрические методы, позволяющие определять уровень основного обмена у человека. Основным обменом называется скорость выделения тепла организмом в покоящемся состоянии по прошествии значительного времени после приема пищи. В этих условиях организм человека получает энергию за счет запасенных ранее питательных веществ. Основной обмен пропорционален площади поверхности тела. Для человека весом 70 кг это соответствует 320-360 кДж/ч, что эквивалентно мощности 100-ваттной лампочки. Отклонения обмена свидетельствуют о каких-то нарушениях, связанных, например, с недостатком или избытком гормона щитовидной железы тироксина. Скорость метаболизма немного падает во время сна и сильно повышается при совершении тяжелой работы.

Теплота, выделяемая организмом, может быть разделена на первичную (основную) и вторичную (активную) теплоту. Первичная теплота – это тепловое рассеивание энергии в процессе обмена веществ из-за необратимых биохимических реакций. Вторичная теплота выделяется при активной работе за счет запасов богатых энергией соединений..