I-е начало термодинамики

Термодинамика базируется на первом и втором началах (законах).

Первое начало термодинамики представляет собой одну из форм записи закона сохранения энергии. Оно было сформулировано независимо друг от друга Ю.Р. Майером (1842г.), Д.П. Джоулем (1843г.) и Г.Л. Гельмгольцем (1847г.). Двое из них (Майер и Гельмгольц) были врачами и закладывали основы термодинамики, рассматривая преобразования энергии как в живой, так и в неживой природе.

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой.

Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами – посредством передачи тепла и путём совершения работы.

;

Этот вид формул и выражает I начало термодинамики.

Q – количество теплоты, переданное системе;

U – изменение внутренней энергии системы;

А – работа, совершаемая системой.

В живых организмах формы совершения работы очень разнообразны (А_i).

Остановимся на способах совершения работы:

- механическая работа dA_(l) =Fdl, где F – сила, l – перемещение;

- работа расширения газа dA_(V) =pdV, где p – давление, V – изменение объёма.

- работа переноса заряда, при разности потенциалов , dA_(A) = dq, где
- потенциал, q – электрический заряд;

- работа переноса работа переноса вещества за счёт осмотического давления
dA_(C) = p_осмdc, где p_осм -осмотическое давление, с – концентрация вещества;

- работа, совершаемая при химической реакции dA_{( )}= _xd ,
где _x –химический потенциал, - число молей вещества, вступающих в реакцию;

Все эти формулы имеют сходную структуру dA_(x)=Xdx A= ,
где х – величина, характеризующая перенос (V, q, c, ), а Х – сила, характеризующая причину переноса (F, p, , p_осм, _x).

Используя принятые обозначения, основной закон термодинамики можно записать в виде

То есть количество тепла (Q), полученное системой, определяется изменениями внутренней энергии (DU), а также суммой всех видов работы (), совершаемой системой.

Эту формулу можно считать наиболее общим выражением первого начала термодинамики.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ
К ЖИВЫМ СИСТЕМАМ (ОРГАНИЗМАМ)

(Различие термодинамических процессов в живой и неживой системах)

Классическая форма первого начала термодинамики отображает запросы теплотехники, интенсивно развивающиеся в эпоху открытия этого основного закона. Поэтому эта форма не вполне удобна для биологии, т.к. не отображает сути термодинамических процессов, происходящих в живых системах. В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счёт тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими (W_пищи).

Поэтому для живой системы U = W_пища – Q – A (перед Q стоит знак «–», т.к. биологическая система отдаёт тепло окружающей среде).

Организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, химический состав его в среднем не изменяется, поэтому U=const и DU=0. Учитывая это, предыдущую формулу можно записать так: 0 = W_пищи – Q – A
или W_пищи = Q + A, если при этом помнить, что совершаемая работа (А_С) и теплообмен (Q) могут иметь разнообразные формы, то получаем, что
W_пищи = Q + A

Эта форма наиболее точно отображает первое начало термодинамики для биологических систем.

Итак, термодинамические процессы в тепловой машине можно представить схемой (источник энергии на Земле – Солнце)

(неживая система) W_c W_{топлива} Q ® DU+A,

где в биологической системе

(живая система) W_c W_пищи DU+A+Q

W_c – энергия солнца W_t – энергия топлива W_n– энергия пищи.

В живой системе между W_c и последним значением A отсутствует промежуточное звено в форме тепловой энергии, следовательно, КПД живой системы выше, чем у неживой и достигает значения 20-60 %.

Таким образом, обмен веществ в организме сопровождается процессами превращения энергии. Обмен энергии и вещества представляет собой единый процесс, лежащий в основе жизнедеятельности. Живой организм расходует химическую энергию всех рабочих процессов, выполняемых в организме, и выделяет избыточное количество тепла (тепловой эффект).