Элементы химической термодинамики

Термодинамика – это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы.

Основным источником энергии для организма человека является химическая энергия, заключенная в пищевых продуктах, часть которой (за вычетом энергии, выводимой из организма с продуктами жизнедеятельности) расходуется на:

1) совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением и т.д.;

2) нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи;

3) покрытие потерь теплоты в окружающую среду с выдыхаемым воздухом и с продуктами жизнедеятельности и т.д.

Химическая энергия также расходуется на совершение внешней работы, связанной с перемещениями человека, его трудовой деятельностью и т.д.

Белки, жиры и углеводы служат субстратами окислительного фосфорилирования – одного из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ.

Энергетический обмен в клетке в основном связан с расщеплением макроэргических связей АТФ. Энергия АТФ используется, например, для биосинтеза белка.

Молекулы пищевых веществ служат материалом для построения всех клеток нашего организма. В тоже время молекулы пищи «сгорают» внутри нас и снабжают организм энергией, необходимой для поддержания его постоянной температуры, физической и мысленной деятельности.

Энергию дает практически любая пища, но углеводы (сахар и крахмал) содержат ее больше других продуктов. Чтобы успешно строить клетки нашего организма, нужны более специфические вещества. Основной строительный материал в этом случае – белки и жиры. Также абсолютно необходимы витамины и минеральные соли, хотя и в очень небольших количествах.

Калория – это единица измерения количества энергии, в том числе и в продуктах питания. Например, порция жареной в масле картошки содержит 220 ккал. Откуда берется эта энергия? Ответ прост. Вся энергия пищи – это сохраненная энергия солнечного света.

При фотосинтезе растения поглощают солнечную энергию и синтезируют из простых молекул большие, богатые энергией молекулы.

6СО₂ + 6Н₂О + 686 ккал = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Энергия Солнца переходит в химическую энергию молекул. При попадании в организм они окисляются с выделением энергии. Так, в конечном итоге мы используем энергию Солнца.

Термохимия

Раздел термодинамики, изучающий превращение энергии при протекании химических процессов, называется химической термодинамикой, или термохимией.

В термохимии уравнения химических реакций называются термохимическими. Для них характерны:

- эти уравнения записывают с учетом термодинамических функций состояния системы;

- учитывается 1 моль вещества, поэтому возможны дробные коэффициенты;

- в термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние веществ;

- с термохимическими уравнениями можно производить обычные алгебраические действия. Например,

1/2N_2(г) + 1/2О_2(г) = NО_(г), ΔН>0

Понятие о коэффициенте калорийности пищи. Коэффициенты калорийности основных компонентов пищи: белков, жиров и углеводов.

Закон Гесса и его следствия находят практическое применение в медицине. С их помощью оценивается калорийность пищевых продуктов.

Коэффициентом калорийности называют энтальпию сгорания 1 г вещества, взятую с обратным знаком. Выражается в кДж/г или ккал/г (1кал = 4,18Дж).

Основными компонентами пищи являются белки, жиры и углеводы.

Коэффициенты калорийности:

- белков 16,5 – 17,2 кДж/г;

- углеводов 16,5 – 17,2 кДж/г;

- жиров 37,7 – 39,8 кДж/г.

Для расчета калорийности порции пищи, содержащей белки (m_б), углеводы (m_у) и жиры (m_ж) используют формулу:

К_min = (m_б · 16,5 + m_у · 16,5 + m_ж · 37,7) кДж

К_max = (m_б · 17,2 + m_у · 17,2 + m_ж · 39,8) кДж

На основании данных по калорийности пищевых продуктов составляются научно-обоснованные нормы потребления пищевых веществ для различных групп населения в зависимости от пола, возраста, характера труда. Пользуясь этими величинами, как средними данными врач составляет нормы потребления пищевых веществ каждого пациента в отдельности.

Контрольные вопросы

1. Термодинамика. Основные понятия и термины. Система. Фаза. Классификация систем. Термодинамические параметры. Стандартные термодинамические параметры.

2. Термодинамические функции состояния системы. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики, формулировка, математическое выражение, философское значение, применение к биологическим системам.

3. Термодинамические функции состояния системы. Энтальпия. Энтропия. Энергия Гиббса. Химический потенциал.

4. Термохимия. Термохимические уравнения, их особенности. Закон Гесса. Энтальпии образования и сгорания. Стандартные энтальпии образования и сгорания. Следствия из закона Гесса, формулировки, математические выражения, примеры.

5. Понятие о коэффициенте калорийности пищи. Коэффициенты калорийности основных компонентов пищи: белков, жиров и углеводов.