Материал: kompendium_po_fizike

56

БИОЭНЕРГЕТИКА

. 

ПЕРВОЕ

НАЧАЛО

ТЕРМОДИНАМИКИ

И

ЖИВЫЕ

ОРГАНИЗМЫ

1. 

Термодинамика

, 

биоэнергетика

, 

биотермодинамика

Термодинамика

 – 

это

раздел

физики

, 

в

котором

с

наиболее

общих

позиций

 (

без

обращения

к

молекулярным

представлениям

) 

рассматриваются

процессы

обмена

энергией

между

изучаемыми

объектами

и

окружающей

средой

.  

Термодинамика

 – 

это

учение

о

связи

и

взаимопревращениях

различных

видов

энергии

, 

теплоты

и

работы

.  

Перечислить

все

области

знания

, 

в

которых

используются

термодинамические

методы

исследования

, 

просто

невозможно

. 

Как

бы

сложно

ни

было

изучаемое

явление

, 

к

какой

бы

области

познания

оно

ни

относилось

 – 

от

астрофизики

до

сложнейших

биохимических

процессов

 – 

всюду

и

всегда

наиболее

важным

и

существенным

будет

переход

 (

превращение

) 

одного

вида

энергии

в

другой

. 

Термодинамика

отличается

от

других

научных

дисциплин

, 

изучающих

окружающий

нас

мир

. 

Основанная

на

простых

наблюдениях

, 

на

несложных

опытах

, 

она

развилась

в

удивительно

стройную

науку

, 

в

основе

которой

лежит

небольшое

число

основных

законов

. 

Путем

строгих

логических

заключений

, 

методами

чисто

математических

выводов

термодинамика

устанавливает

связь

между

самыми

разнообразными

свойствами

вещества

, 

позволяет

на

основании

изучения

одних

, 

легко

измеряемых

величин

вычислить

другие

, 

важные

и

необходимые

, 

но

недоступные

непосредственному

измерению

.  

Объектом

для

исследования

в

термодинамике

являются

макроскопические

тела

. 

Любой

материальный

объект

, 

любое

тело

или

совокупность

тел

, 

состоящих

из

большого

числа

частиц

, 

называется

макроскопической

системой

.

Макроскопическая

система

может

быть

ничтожно

малой

, 

например

, 

живая

клетка

может

быть

гигантски

большой

, 

как

звезда

. 

При

этом

важно

подчеркнуть

, 

что

изучаемая

в

рамках

термодинамики

система

должна

состоять

из

большого

числа

молекул

, 

поскольку

законы

термодинамики

утрачивают

свой

смысл

для

систем

, 

состоящих

из

нескольких

молекул

.  

57

Нижней

границей

применимости

законов

термодинамики

являются

макроскопические

системы

с

числом

структурных

единиц

  (

молекул

или

атомов

) 

не

менее

чем

число

Авогадро

(N

A

=6.02 ·10

23

).  

Термодинамика

может

изучать

любые

системы

, 

но

одно

условие

обязательно

: 

изучаемая

термодинамическими

методами

система

должна

быть

конечной

. 

Более

строго

это

ограничение

формулируется

следующим

образом

 – 

законы

термодинамики

не

применимы

к

системам

, 

для

которых

не

выполняется

принцип

аддитивности

внутренней

энергии

. 

Поясним

сущность

принципа

аддитивности

энергии

на

следующем

примере

. 

Пусть

имеется

макроскопическая

система

с

внутренней

энергией

U

. 

Если

систему

разбить

на

несколько

макроскопических

подсистем

(

например

, 

на

 4 

подсистемы

), 

обозначив

внутреннюю

энергию

каждой

подсистемы

как

U

1

, U

2

, U

3

, U

4

, 

то

для

исходной

системы

будет

выполняться

принцип

аддитивности

внутренней

энергии

, 

если

ее

полную

энергию

можно

представить

как

U=U

1

+U

2

+U

3

+U

4

. 

В

таких

системах

пренебрегается

взаимодействие

подсистем

друг

с

другом

и

такие

системы

можно

исследовать

методами

термодинамики

. 

Однако

в

природе

существуют

и

такие

системы

, 

для

которых

полная

внутренняя

энергия

должна

состоять

из

энергий

каждой

подсистемы

плюс

энергия

взаимодействия

подсистем

между

собой

: 

U=U

1

+U

2

+U

3

+U

4

+U

12

+U

13

+U

14

+U

23

+U

24

+U

34

, 

где

U

ij

 – 

энергия

взаимодействия

между

собой

i

-

ой

j

-

ой

подсистем

. 

Как

правило

, 

системами

, 

для

которых

не

выполняется

принцип

аддитивности

внутренней

энергии

, 

являются

системы

галактического

масштаба

с

дальнодействующими

силами

гравитационного

взаимодействия

. 

Таким

образом

, 

законы

термодинамики

некорректно

применять

к

нашей

Вселенной

в

целом

или

к

ее

большим

областям

. 

В

истории

человечества

известен

пример

такого

некритического

перенесения

земного

макроскопического

опыта

на

Вселенную

, 

что

привело

к

ошибочным

и

антинаучным

выводам

о

неизбежности

  «

тепловой

смерти

» 

Вселенной

. 

Теория

«

тепловой

смерти

» 

была

формулирована

более

сто

лет

назад

известным

философом

Клаузиусом

, 

который

, 

распространяя

второе

начало

термодинамики

на

Вселенную

, 

пришел

к

заключению

: «

Энергия

мира

постоянна

, 

энтропия

мира

стремится

58

к

максимуму

». 

Это

означает

, 

что

рано

или

поздно

Вселенная

придет

в

термодинамическое

равновесие

, 

при

котором

все

процессы

, 

температура

во

всех

точках

Вселенной

станут

одинаковыми

, 

все

процессы

прекратятся

и

Вселенная

погрузится

в

состояние

  «

тепловой

смерти

». 

Против

концепции

  «

тепловой

смерти

» 

Клаузиуса

выступили

многие

передовые

физики

 19 

века

. 

Большую

роль

в

критике

антинаучной

теории

Клаузиуса

сыграли

работы

физика

-

материалиста

Больцмана

. 

Согласно

Больцману

, 

наша

Вселенная

находится

в

состоянии

термодинамического

равновесия

, 

однако

в

ней

имеются

области

неравновесия

, 

так

называемые

флуктуации

, 

которые

могут

быть

сколь

угодно

большими

. 

Такой

флуктуационной

областью

как

раз

и

является

область

Вселенной

, 

где

мы

находимся

. 

Со

временем

флуктуации

должны

исчезнуть

, 

но

с

неизбежностью

они

могут

появиться

в

других

местах

. 

Таким

образом

, 

по

Больцману

, 

одни

миры

появляются

как

флуктуации

во

Вселенной

, 

а

другие

исчезают

. 

В

настоящее

время

вопрос

о

  «

тепловой

смерти

» 

стоит

несколько

иначе

, 

чем

во

времена

Клаузиуса

-

Больцмана

.  

Согласно

современным

представлениям

, 

наша

Вселенная

представляет

собой

расширяющуюся

систему

и

поэтому

является

нестационарной

. 

Для

такой

нестационарной

системы

не

существует

состояния

с

максимальной

энтропией

. 

Следовательно

, 

энтропия

Вселенной

в

каждой

ее

области

может

возрастать

, 

не

приближаясь

при

этом

к

своему

максимуму

. 

Жизненные

процессы

, 

при

всем

их

многообразии

, 

имеют

одну

общую

черту

 – 

они

требуют

затрат

энергии

. 

Биоэнергетика

– 

это

раздел

биофизики

, 

изучающий

процессы

энергообеспечения

организма

за

счет

внешних

источников

энергии

.

Изучение

преобразования

энергии

в

биологических

системах

осуществляется

на

двух

уровнях

 – 

микроскопическом

(

молекулярном

, 

субмолекулярном

) 

и

макроскопическом

  (

без

детального

изучения

молекулярных

механизмов

преобразования

энергии

). 

Молекулярный

уровень

изучения

механизмов

преобразования

энергии

представлен

молекулярной

и

квантовой

биофизикой

, 

макроскопический

подход

реализован

в

биологической

термодинамике

. 

59

2. 

Основные

понятия

и

исходные

положения

термодинамики

Всякий

материальный

объект

, 

всякое

тело

, 

состоящее

из

огромного

числа

частиц

, 

выделенные

нами

мысленно

или

физически

из

числа

других

объектов

  (

тел

), 

называются

макроскопической

системой

. 

Все

макроскопические

признаки

, 

характеризующие

такую

систему

и

ее

отношение

к

окружающим

телам

, 

называются

макроскопическими

параметрами

. 

К

их

числу

можно

отнести

объем

, 

массу

, 

концентрацию

, 

поляризацию

, 

намагниченность

и

т

.

д

.  

Макроскопические

параметры

разделяются

на

внешние

и

внутренние

параметры

.

Величины

, 

определяемые

положением

внешних

тел

, 

не

входящих

в

рассматриваемую

систему

, 

называются

внешними

параметрами

а

i

  (

i

=1, 2, …). 

Внешние

параметры

определяются

функциями

координат

внешних

тел

. 

Пример

:

объем

системы

определяется

взаимным

расположением

внешних

тел

.  

Величины

, 

определяемые

совокупным

движением

и

пространственным

распределением

частиц

, 

входящих

в

систему

, 

называются

внутренними

параметрами

  b

j 

(

j

=1, 2,..). 

Пример

:

давление

, 

энергия

, 

намагниченность

и

т

.

д

. 

Поскольку

само

пространственное

расположение

частиц

  (

атомов

и

молекул

), 

входящих

в

систему

, 

зависит

от

расположения

внешних

тел

, 

то

внутренние

параметры

есть

функции

внешних

параметров

. 

Совокупность

независимых

макроскопических

параметров

системы

задает

состояние

системы

, 

т

. 

е

., 

форму

бытия

или

существования

системы

. 

Параметры

системы

, 

значения

которых

полностью

определяются

состоянием

системы

в

данный

момент

и

не

зависят

от

предыстории

системы

, 

называются

функциями

состояния

системы

. 

Состояние

системы

называется

стационарным

, 

если

параметры

системы

с

течением

времени

не

изменяются

. 

Если

в

системе

все

параметры

постоянны

во

времени

и

в

системе

отсутствуют

стационарные

потоки

, 

обусловленные

60

действием

каких

-

либо

внешних

источников

, 

такое

состояние

системы

называется

равновесным

. 

Внутренние

параметры

принято

разделять

на

интенсивные

и

экстенсивные

.

Параметры

, 

которые

не

зависят

от

массы

системы

или

числа

частиц

в

системе

, 

называются

интенсивными

 (

пример

: 

давление

, 

температура

). 

Параметры

, 

значения

которых

пропорциональны

числу

частиц

системы

, 

называются

экстенсивными

  (

пример

: 

масса

, 

энергия

, 

энтропия

и

т

.

д

.). 

Энергия

системы

 – 

это

физическая

величина

, 

являющаяся

общей

мерой

при

превращении

одних

форм

движения

в

другие

. 

Система

, 

не

обменивающаяся

с

внешними

телами

ни

энергией

, 

ни

веществом

, 

называется

изолированной

. 

Система

, 

способная

обмениваться

с

окружающей

средой

веществом

и

энергией

, 

называется

открытой

.

В

основу

термодинамики

положены

некоторые

общие

утверждения

, 

которые

являются

обобщением

большого

числа

опытных

фактов

. 

Эти

утверждения

принято

называть

постулатами

.

Так

,

первый

, 

или

основной

, 

постулат

термодинамики

 (

его

еще

называют

общим

началом

термодинамики

) 

утверждает

, 

что

у

изолированной

системы

  (

системы

, 

которая

не

обменивается

с

внешними

телами

ни

энергией

, 

ни

веществом

) 

существует

состояние

термодинамического

равновесия

, 

в

которое

она

приходит

с

течением

времени

и

никогда

самопроизвольно

выйти

из

него

не

может

.

Этот

процесс

перехода

системы

из

неравновесного

состояния

в

равновесное

называется

релаксацией

. 

Промежуток

времени

, 

в

течение

которого

система

возвращается

в

состояние

равновесия

, 

называется

временем

релаксации

.  

Второе

исходное

положение

термодинамики

  (

второй

постулат

) 

связано

с

другими

свойствами

термодинамического

равновесия

как

особого

вида

теплового

движения

. 

Опыт

показывает

, 

что

если

две

системы

А

и

В

, 

каждая

из

которых

является

равновесной

, 

привести

в

тепловой

контакт

, 

то

равновесие

в

них

может

нарушиться

, 

однако

спустя

некоторое

время

в

процессе

теплообмена

  (

обмена

энергией

) 

обе

системы

придут

в

другое

равновесное

состояние

.