Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
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)
иозначает, что приращение внутренней энергии системы dU при изменении состояния системы определяется поглощенным теплом за вычетом работы δА совершенной системой.
Элементарное приращение тепла в системе, т. е. величина δQ, отнесенная к абсолютной температуре, есть полный дифференциал энтропии
dS = δQ / T
Элементарное приращение работы δА может быть представлено в виде суммы неполных дифференциалов, каждый из которых в свою очередь может быть сделан полным с помощью соответствующего интегрирующего множителя. Если система — газ, то путем деления δА на давление р получим дифференциал объема δV, так что
δW = р δV (2)
Для любой работы против упругих (или механических) и можно записать
δАм = F dx, (3)
где F — соответствующим образом определенная сила; dx - смещение в направлении силы.
δАм = ΣFi dxi, (4)
Аналогично, элементарное приращение работы против электрических сил может быть представлено в виде суммы произведений электродвижущих сил Ej на приращение зарядов dqi
δАм = ΣEjdqj, (5)
Для химической работы такое же выражение выглядит следующим образом:
δАс= Σnk Pk d(1/ck) ( 6)
где k = 1, 2... K; nk — число молей вещества сорта k; Pk осмотическое давление; d(1/ck) — объем, приходящийся на 1 моль данного вещества (заметим, что Pk - аналогично р, nk d(1/ck) аналогично δV ). Для идеальных растворов, как известно,
P (1/c) = R T, P = c R T
и
δАс = - Σ nk R T d(ln ck) (7)
С учетом формул (1) — (7) первое начало термодинамики в целом запишется
dU =T dS – p dV -ΣFi dxi - ΣEjdqj + R T Σ nk d(ln ck)
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..
Date: 2016-02-19; view: 489; Нарушение авторских прав