Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

66

организма

Величина

основного

обмена

измеряется

в

условиях

бодрствования

организма

  (

не

во

время

сна

), 

пациент

при

этом

должен

спокойно

лежать

в

постели

Процедура

измерения

производится

рано

утром

 (5-6 

часов

утра

), 

когда

интенсивность

метаболиза

минимальная

За

 2 

суток

до

измерения

из

рациона

пациента

исключается

белковая

пища

измерения

проводят

натощак

  (

через

 12-14 

часов

после

последнего

приема

молочно

-

растительной

пищи

в

помещении

с

температурой

 20-22

С

и

относительной

влажностью

 50-60%. 

Время

исследования

не

должно

превышать

 15 

минут

Величина

основного

обмена

у

здоровых

людей

весьма

постоянна

Так

у

здорового

мужчины

среднего

возраста

основной

обмен

составляет

 1,0-1,2 

ккал

/(

кг

час

), 

или

4,5 

кДж

/(

кг

час

). 

При

средней

массе

тела

в

 70 

кг

основной

обмен

составляет

в

сутки

 1800 

ккал

или

 7800 

кДж

что

соответствует

мощности

в

 90 

Вт

У

женщин

величина

основного

обмена

в

расчете

на

кг

массы

тела

на

7–10% 

ниже

чем

у

мужчин

Основной

обмен

зависит

также

от

возраста

чем

старше

человек

тем

ниже

значение

основного

обмена

У

мускулистых

людей

основной

обмен

выше

при

одинаковой

массе

тела

Теплота

выделяема

организмом

получается

на

стадии

преобразования

энергии

пищи

в

энергию

АТФ

  (

первичная

теплота

и

на

стадии

использования

энергии

АТФ

для

совершения

работы

организмом

 (

вторичная

теплота

). 

6. 

Прямая

и

непрямая

калориметрия

Для

определения

энерготрат

необходимо

разработать

технологию

измерения

теплоты

выделяемой

организмом

Для

этого

применяют

прямую

и

непрямую

калориметрию

В

методе

прямой

калориметрии

используют

специальной

конструкции

физиологические

калориметры

в

которые

на

нужное

время

помещают

животных

или

людей

и

в

которых

с

высокой

степенью

точности

измеряют

энерготраты

организма

При

изучении

энерготрат

человека

в

ходе

трудовой

деятельности

 (

например

у

водителя

во

время

проездки

рабочего

background image

67

у

станка

и

т

.

д

.) 

используют

непрямую

калориметрию

Данный

метод

основан

на

измерении

газообмена

организма

Установлено

что

между

объемом

потребляемого

биологической

системой

кислорода

и

энерготратами

существует

линейная

зависимость

Коэффициентом

для

такой

зависимости

служит

так

называемый

калорический

эквивалент

кислорода

равный

количеству

тепла

образующемуся

в

организме

при

использовании

 1 

л

кислорода

при

окислении

питательных

веществ

.  

Калорический

эквивалент

не

одинаков

при

окислении

белков

жиров

и

углеводов

О

том

какие

вещества

преимущественно

окисляются

в

организме

судят

по

так

называемому

дыхательному

коэффициенту

ДК

который

вычисляется

как

отношение

объема

выдыхаемого

 CO

2, 

к

поглощаемому

  O

2

ДК

=V

CO2

/V

O2

.

ДК

стремится

к

 1 

при

окислении

углеводов

а

при

окислении

жиров

получают

самое

низкое

значение

ДК

 (

ДК

=0,7). 

При

непрямой

калориметрии

посредством

газоанализа

измеряют

объемы

потребляемого

кислорода

и

выделенного

углекислого

газа

Далее

определяют

дыхательный

коэффициент

по

которому

находят

калорический

эквивалент

Умножив

калорический

эквивалент

на

количество

поглощенного

кислорода

определяют

энерготраты

организма

background image

68

БИОЭНЕРГЕТИКА

ВТОРОЕ

НАЧАЛО

ТЕРМОДИНАМИКИ

И

ЖИВЫЕ

ОРГАНИЗМЫ

1. 

Свободная

и

связанная

энергия

в

организме

Движение

частиц

в

любом

теле

может

быть

упорядоченным

или

неупорядоченным

Между

упорядоченным

и

неупорядоченным

движениями

существует

принципиальная

разница

упорядоченное

может

полностью

превратиться

в

неупорядоченное

а

переход

в

неупорядоченное

движение

в

упорядоченное

никогда

не

бывает

полным

Причина

различия

между

двумя

типами

движения

связана

с

неодинаковой

вероятностью

каждого

из

них

Внутренняя

энергия

в

идеальном

газе

полностью

а

в

других

телах

в

значительной

части

связана

с

неупорядоченным

тепловым

движением

молекул

В

то

же

время

совершение

работы

всегда

требует

переноса

вещества

т

.

е

упорядоченного

(

направленного

движения

Поэтому

принципиально

невозможно

всю

внутреннюю

энергию

тела

использовать

для

совершения

работы

Та

часть

внутренней

энергии

системы

которую

в

принципе

можно

использовать

для

совершения

работы

называется

свободной

энергией

G

Остальная

часть

внутренней

энергии

системы

которую

даже

в

принципе

нельзя

превратить

в

работу

называется

связанной

энергией

CB

W

т

.

е

CB

W

G

U

.

При

необратимых

процессах

свободная

энергия

не

может

быть

преобразована

в

работу

полностью

так

как

часть

энергии

диссипирует

а

при

обратимых

процессах

 – 

может

.

В

живых

организмах

разновидностью

свободной

энергии

является

химическая

энергия

молекул

dv

dG

x

где

x

 – 

химический

потенциал

  (

химический

потенциал

системы

по

отношению

к

некоторому

веществу

равен

приросту

свободной

энергии

системы

при

возрастании

количества

этого

вещества

на

 1 

моль

). 

Свободная

энергия

как

и

полная

является

функцией

состояния

т

.

е

функцией

тех

условий

в

которых

находится

система

 (

T

p

x

). 

background image

69

2. 

Энтропия

и

её

свойства

Тепловая

энергия

в

организме

представляет

собой

конкретную

форму

связанной

энергии

биосистемы

так

как

в

условиях

жизнедеятельности

она

не

может

быть

преобразована

ни

в

одну

из

форм

работ

совершаемых

организмом

Связанная

энергия

зависит

от

температуры

 (

T

W

CB

~

), 

однако

связанная

энергия

разных

систем

с

одинаковой

температурой

не

всегда

одинакова

, – 

она

зависит

еще

и

от

свойств

системы

Эти

свойства

S

принято

называть

энтропией

(

от

греческого

«

изменение

», 

«

превращение

»). 

Тогда

свободная

энергия

будет

равна

ST

W

CB

а

энтропия

 – 

T

W

S

CB

Энтропия

– 

это

физическая

величина

характеризующая

значение

связанной

энергии

данной

системы

приходящееся

на

единицу

температуры

 (

1K

). 

Свойства

энтропии

Энергия

в

разных

формах

имеет

разную

практическую

ценность

которая

тем

выше

чем

большую

часть

этой

энергии

можно

преобразовать

в

работу

а

поскольку

мерой

связанной

энергии

является

энтропия

то

чем

ниже

энтропия

системы

тем

выше

ценность

свойственной

ей

внутренней

энергии

В

организме

все

процессы

сопряжены

т

.

е

организованы

так

чтобы

достигнуть

максимума

использования

свободной

энергии

Это

достигается

на

клеточном

уровне

с

помощью

мембран

на

органном

уровне

за

счет

регуляторных

систем

нервной

эндокринной

гуморальной

Энтропия

является

функцией

состояния

системы

Это

означает

что

величина

энтропии

определяется

параметрами

системы

в

данный

момент

и

не

зависит

от

ее

  «

истории

», 

т

.

е

от

того

как

система

пришла

в

данное

состояние

Так

как

энтропия

 – 

функция

состояния

то

изменение

энтропии

в

обратимом

процессе

будет

таким

же

и

в

реальном

необратимом

процессе

хотя

затраченное

количество

тепла

будет

фактически

больше

чем

при

обратном

процессе

Для

обратимых

процессов

изменение

энтропии

равно

 0, 

для

background image

70

необратимых

процессов

 – 

всегда

больше

 0. 

Т

.

е

., 

в

изолированной

системе

энтропия

может

только

возрастать

Энтропия

указывает

направление

естественных

процессов

 – 

в

изолированной

системе

они

приводят

к

возрастанию

энтропии

(

доля

связанной

энергии

возрастает

свободной

 – 

уменьшается

). 

Энтропия

системы

находящейся

в

равновесном

состоянии

будет

максимальной

Между

энтропией

состояния

и

его

вероятностью

существует

определенная

зависимость

тд

P

k

S

ln

где

тд

P

 – 

термодинамическая

вероятность

(

число

возможных

микросостояний

которыми

может

быть

реализовано

данное

макросостояние

системы

). 

3. 

Второе

начало

термодинамики

Второе

начало

термодинамики

говорит

о

направлении

процессов

В

простых

случаях

их

направление

можно

предсказать

на

основании

 «

здравого

смысла

». 

Например

тепло

переходит

от

теплого

тела

к

холодному

при

трении

механическая

энергия

превращается

в

тепловую

Однако

не

всегда

в

биофизике

и

биохимии

можно

правильно

предвидеть

как

будет

проходить

явление

Поэтому

нужен

алгоритм

который

давал

бы

возможность

достоверно

предсказать

направление

процессов

 – 

это

и

есть

второе

начало

термодинамики

2-

е

начало

термодинамики

: «

В

изолированной

системе

общее

изменение

энтропии

всегда

положительно

0

S

II 

начало

термодинамики

для

биологических

систем

И

.

П

Пригожин

предположил

что

полное

изменение

энтропии

открытой

системы

нужно

представить

в

виде

 2-

х

частей

причиной

первой

из

них

  (

S

i

служат

внутренние

процессы

которые

необратимы

и

непременно

сопровождаются

диссипацией

энергии

вторая

часть

  (

S

e

обусловлена

обменом

энергией

и

веществом

между

системой

и

окружающей

средой

Следовательно

S

S

S

i

e

Аналогичное

выражение

можно

написать

и

для

изменения

полной

свободной

энергии

открытой

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211