Podstawy
Biotermodynamiki
Warszawa, 7 stycznia 2008
Biotermodynamika
• Biotermodynamika zajmuje się:
• termodynamiką fenomenologiczną
• termodynamiką statystyczną
• Termodynamika fenomenologiczna zajmuje
się badaniem zjawisk i właściwości układów
makroskopowych, bez wnikania w strukturę
mikroskopową tych układów.
• Termodynamika statystyczna zajmuje się
opisem właściwości struktur
mikroskopowych – próbuje powiązać
parametry makroskopowe układu z jego
strukturą mikroskopową.
Pojęcia podstawowe
• Układ termodynamiczny stanowi część
przestrzeni materialnej, będącej przedmiotem
rozważań.
• Pozostała część przestrzeni jest otoczeniem.
• Układ izolowany – brzeg układu ma takie
właściwości, że uniemożliwia wymianę materii i
energii pomiędzy układem a otoczeniem.
• Układ zamknięty – następuje wymiana energii
pomiędzy układem a otoczeniem, nie występuje
wymiana materii.
• Układ otwarty – dopuszczona jest wymiana energii
jak i materii pomiędzy układem a otoczeniem.
Układy otwarte:
• Pierwszego typu – układy w stanach
zbliżonych do stanów równowagi
termodynamicznej.
• Drugiego typu – prędkość dopływającej do
układu całkowitej energii nie jest większa od
prędkości rozpraszania (dyssypacji).
• Trzeciego typu – prędkość dopływu
całkowitej energii jest większa od prędkości
dyssypacji energii.
Układy termodynamiczne:
• Homogeniczne (jednofazowe) -
jeżeli makroskopowe właściwości
fizykochemiczne w różnych miejscach
układu są jednakowe.
• Heterogeniczne (wielofazowe) –
jeżeli w pewnych częściach układu
(fazy) następuje nieciągła zmiana
wartości przynajmniej jednej
właściwości fizykochemicznej układu.
Stan układu
• Stan układu opisują wielkości fizyczne
nazywane funkcjami stanu. Zmiany
funkcji stanu są równe różnicy wartości
funkcji w stanie końcowym i początkowym.
Funkcje stanu nie zależą od sposobu w
jakim ta zmiana została wykonana.
• Funkcje stanu: energia wewnętrzna,
entalpia, entropia, energia swobodna,
entalpia swobodna, potencjał
chemiczny.
• Praca i ciepło nie są funkcjami stanu.
Parametry stanu
• Temperatura
• Objętość
• Ciśnienie
• Masa
• Parametry termodynamiczne to
łącznie funkcje stanu i parametry
stanu.
Układ termodynamiczny
Brzeg układu
(materialny lub
abstrakcyjny)
Układ
termodynamiczn
y
(parametry
termodynamiczn
e)
Otoczenie układu
Równowaga
termodynamiczna
• Układ termodynamiczny znajduje się w
stanie równowagi, jeżeli parametry
termodynamiczne określające jego stan
nie zmieniają się w czasie. Zmiana
parametrów termodynamicznych
powoduje, że układ z jednego stanu
równowagi może przejść do innego
stanu równowagi. Takie zjawisko nazywa
się procesem termodynamicznym.
Rodzaje procesów
termodynamicznych
• Proces uważa się za odwracalny, jeżeli może
zachodzić zarówno w pewnym kierunku jak i
w kierunku przeciwnym, a wracając do stanu
wyjściowego nie pozostawia zmian w
otoczeniu. Do procesów odwracalnych zalicza
się procesy kołowe oraz procesy quasi-
statyczne. W procesie kołowym, po przebiegu
którego układ wraca do stanu wyjściowego
wartość funkcji stanu nie zmienia się.
Energia wewnętrzna układu
• Energia wewnętrzna układu (U)
związana jest z nieuporządkowanym
ruchem elementów strukturalnych
układu. Energia wewnętrzna układu (U)
równa jest sumie energii kinetycznej (E
k
)
oraz potencjalnej (E
p
) wzajemnego
oddziaływania składowych elementów
układu.
•U = E
k
+ E
p
Zjawisko transportu
• Procesy makroskopowe, zachodzące w
biologicznych układach termodynamicznych, są
przede wszystkim procesami nieodwracalnymi.
Zachodzą w określonym kierunku oraz powodują
zmiany w otoczeniu. Polegają one głównie na
przemieszczaniu się materii, energii i ładunków
elektrycznych, czyli na przepływach (transporcie).
Transporty w układzie są możliwe dzięki istnieniu
bodźców termodynamicznych, czyli czynników
fizycznych warunkujących przepływy.
• Na przykład: różnica ciśnień, różnica temperatur,
różnica potencjałów elektrycznych.
Śmierć i życie
• Można stwierdzić, że przepływy działają
samoniszcząco, ponieważ niszczą bodźce,
które są ich przyczyną.
• Procesy nieodwracalne prowadzą układ od
stanu bardziej zorganizowanego do mniej
zorganizowanego aż znajdzie się on w stanie
równowagi (przepływy ustaną). Stan
równowagi dla układów biologicznych oznacza
stan ich śmierci. Stan życia jest związany ze
stanem stacjonarnym, w jakim powinien się
znajdować dany układ biotermodynamiczny.
I zasada termodynamiki
• Energia wewnętrzna może być przekazywana
od jednego układu do drugiego w procesie
wykonywania pracy lub przekazywania
ciepła.
•ΔU = U
2
– U
1
= Q + W
• U – energia wewnętrzna
• Q – ciepło
• W – praca
• Ciepło Q oraz W są dodatnie, jeżeli są do
układu doprowadzone.
Entalpia
• Podczas procesu izobarycznego ciepło
dostarczone układowi zużywa się na
powiększenie jego energii wewnętrznej
o ΔU oraz na wykonanie pracy pΔV.
• Q
p
= (U
2
– U
1
) + p(V
2
– V
1
)
• Q
p
= ΔU + pΔV = (U
2
+ pV
2
) – (U
1
+ pV
1
)
• Q
p
= H
2
– H
1
•H = U + pV Entalpia
Entalpia
• Entalpia jest funkcją stanu.
• Przyrost entalpii ΔH jest równy ilości
ciepła dostarczonego układowi w
procesie izobarycznym Q
p
= ΔH, tak
jak przyrost energii wewnętrznej ΔU
jest równy ilości ciepła
dostarczonego układowi w procesie
izochorycznym Q
V
= ΔU.
Procesy egzotermiczne i
endotermiczne
• Reakcja jest egzotermiczna, jeżeli ΔU < 0 albo
ΔH < 0, czyli układ oddaje energię do
otoczenia, a endotermiczna, gdy ΔU > 0 albo
ΔH > 0 czyli układ pobiera energię z otoczenia.
• Rozróżnienie energii wewnętrznej i entalpii jako
miar ciepła jest konieczne w przypadku gazów.
W przypadku cieczy i ciał stałych praktycznie
ΔH = ΔU ze względu na małe zmiany objętości
Prawo Hessa
• Miarą ciepła reakcji chemicznej jest w
procesach izochorycznych zmiana
energii wewnętrznej Q
V
= ΔU, a w
izobarycznych zmiana entalpii Q
p
=
ΔH. Ponieważ U i H są funkcjami stanu,
więc
ciepło reakcji nie zależy od
sposobu jej przeprowadzenia,
a tylko od stanu początkowego
i końcowego reagentów
.
Prawdopodobieństwo
termodynamiczne
• Na przykład: Jeżeli cztery cząsteczki mogą przyjmować
stan energetyczny + lub – to liczba wszystkich
możliwych mikrostanów jest równa N = 2
4
= 16
• Możliwych jest 5 makrostanów:
• I. 4 cząsteczki w stanie +; (W = 1 sposób realizacji)
• II. 3 cząsteczki w stanie +; 1 w stanie – (W = 4
sposoby realizacji)
• III. 2 cząsteczki w stanie +; 2 w stanie – (W = 6
sposobów realizacji)
• IV. 3 cząsteczki w stanie -; 1 w stanie + (W = 4
sposoby realizacji)
• V. 4 cząsteczki w stanie; – (W = 1 sposób realizacji)
• Liczba W nosi nazwę prawdopodobieństwa
termodynamicznego
Prawdopodobieństwo
termodynamiczne
• 1<W<N
• Prawdopodobieństwo p i
prawdopodobieństwo
termodynamiczne W są wprost
proporcjonalne
• Dla powyższego przykładu:
• I. W
I
= 1; p
I
= 1/16
• II. W
II
= 4; p
II
= 4/16
• III. W
III
= 6; p
III
= 6/16
• IV. W
IV
= 4; p
IV
= 4/16
• I. W
V
= 1; p
V
= 1/16
Prawdopodobieństwo
termodynamiczne
• Prawdopodobieństwo termodynamiczne W
wyraża uporządkowanie układu
• Stany makroskopowe I i V są najbardziej
uporządkowane i najmniej prawdopodobne
• Stan III jest najmniej uporządkowany i
najbardziej prawdopodobny
• Stany I i V są najbardziej zróżnicowane
• W stanie równowagi najbardziej
prawdopodobny jest stan o największym
nieporządku
Entropia
•S = k·lnW gdzie:
• k – stała Boltzmanna,
• W – prawdopodobieństwo termodynamiczne.
• lnW - spełnia postulat addytywności.
• S jest funkcją stanu określającą w jakim
kierunku mogą zachodzić procesy w układzie
izolowanym.
• W układzie izolowanym procesy mogą zachodzić
tylko w kierunku wzrostu entropii (II zasada
termodynamiki). W stanie równowagi entropia
przyjmuje wartość stałą, maksymalną.
III zasada termodynamiki
• Trzecią zasadę termodynamiki
sformułował Nernst: dla układów
skondensowanych (ciała stałe i
ciecze) enrtopia staje się zerem w
temperaturze zera bezwzględnego
• Postulat ten uogólnił Planck: entropia
każdego ciała doskonale
jednolitego jest zerem w
temperaturze zera bezwzględnego