Явления переноса. Реальные биологические системы не находятся в состоянии равновесия, поскольку в них совершаются процессы

Реальные биологические системы не находятся в состоянии равновесия, поскольку в них совершаются процессы, сопровождаемые диссипацией энергии - переходом части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, например, в теплоту или излучение. Для количественной оценки величин d_eS и d_iS при описании какого-либо необратимого процесса вводят термины: термодинамическая сила F и термодинамический поток J = , где dХ – изменение физической величины за промежуток времени dt.

Изменение энтропии d_iS можно выразить посредством этих терминов, несмотря на природу термодинамических сил и термодинамических потоков:

d_iS = FdХ. (8.70)

Все необратимые процессы, происходящие в биологических системах, можно описать уравнениями, которые представляют собой изменение энтропии как сумму k всех изменений, обусловленных необратимыми потоками dX_k:

d_iS = ³ 0; (8.71)

= ³ 0. (8.72)

Таким образом, общая форма продукции энтропии за счет необратимых процессов приобретает вид:

s = = = , (8.73)

где F_k - движущиеся силы, а J_k - потоки.

Необратимые процессы, вследствие которых в физической системе совершается пространственный перенос массы, импульса, энергии, энтропии, электрического заряда и т.д., называются процессами (явлениями) переноса. Процессы переноса, в которых градиент определенного свойства обуславливает поток того же самого физического свойства, называются прямыми процессами переноса. Примерами прямых процессов является диффузия (поток частиц обуславливается градиентом концентрации), теплопроводность (поток тепла обуславливается градиентом температуры), движение электрических зарядов (поток электрических зарядов обуславливается градиентом потенциала электрического поля). Если градиент одного физического свойства приводит к потоку другого свойства, речь идет о непрямых (перекрестных) процессах переноса. В качестве примеров можно привести термодиффузию или эффект Соре (поток частиц обуславливается градиентом температуры), диффузионную теплопроводность или эффект Дюфура (поток тепла обуславливается градиентом концентрации), термоэлектрические явления (поток электрического заряда обуславливается градиентом температуры).

Возможные процессы переноса приведены на рис. 8.17.

Если во время достижения равновесия термодинамической системой силы и потоки, обусловленные этими силами, исчезают, то вследствие небольших отклонений от равновесия следует ожидать линейные соотношения между термодинамическими силами и потоками.

На основе обобщенных известных эмпирических фактов был сформулирован линейный закон термодинамики необратимых процессов: каждый поток представляет собой линейную комбинацию движущих сил:

J_k = , (8.74)

где J _k – поток; L_kj – линейный феноменологический коэффициент; F_j – движущая сила, N – общее число движущих сил в системе.

Следует отметить, что линейный закон справедлив в случае небольших отклонений системы от положения равновесия.

Рис. 8.17. Возможные процессы переноса