7. Biotermodynamika

1. Pierwsza zasada termodynamiki entalpia.

Układ może przekazac prace albo przez przekazanie ciepła

U2-U1=Q+W

Znaki Q i W - z punktu widzenia układu

Q=(U2-U1)+(-W)

Cieplo dostarczone do układu idzie na wzrost energii wewnętrznej oraz wykonanie przez układ pracy.

Przyrost entalpii jest rowny ilości dostarczonego ciepła w procesie izobarycznym a przyrost energii wewnętrznej U jest rowny ilości ciepła dostarczonego układowi w procesie izochorycznym.

Reakcje egzotermiczne i endotermiczne

Egzotermiczne AU<0 lub AH<0 układ oddaje energię do otoczenia

Endotermiczne AU>0 lub AH>0 układ pobiera energię z otoczenia

W przypadku cieczy i ciał stałych ze względu na małe zmiany objętośći AH=AU

U i H funkcje stanu ciepło reakcji nie zależy od sposobu przeprowadzania reakcji tylko od stanu początkowego i końcowego.

2. Druga zasada termodynamiki.

Entropia to funkcja stanu. Pozwala przewidzieć w jakim kierunku przebiegnie proces.

Zmiana stanu układu pociąga za sobą zmianę entropii - wielkość tej zmiany zależy od tego czy proces przebiega odwracalnie czy nieodwracalnie.

W procesie quasi-statycznym entropię S określa się tak żeby przyrost AS był równy ilorazowi dostarczonego do ciała ciepła i jego temperatury

AS=AQ/T

Doprowadzenie do układu ciepła dQ przy temp T w sposób quasi statyczny powoduje wzrost entropii

dS=dQ/T

jeżeli T się zmienia to :

AS=S2-S1

Dodanie ciepła do układu jest równoznaczne z dodaniem nieporządku----wzrostem entropii.

W procesach nieodwracalnych przyrost entropii będzie większy niż w procesach odwracalnych.

Druga zasada termodynamiki dla układów

W układzie izolowanym procesy mogą zachodzić tylko w kierunku wzrostu entropii. W stanie równowagi entropia ma wartość maksymalną.

3. Trzecia zasada termodynamiki

Entropia ciała jednolitego = 0 w temperaturze zera bezwzględnego

Inaczej : (zasada Nernsta) może być sformułowana jako postulat: nie można za pomocą skończonej liczby kroków uzyskać temperatury zera bezwzględnego (zero kelwinów), jeżeli za punkt wyjścia obierzemy niezerową temperaturę bezwzględną.

4. Energia swobodna

Energia swobodna - w termodynamice, część energii układu fizycznego, która może być przekształcona w pracę. W szczególności do energii swobodnej zaliczamy:

• energię swobodną Helmholtza - część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w procesie o stałej temperaturze,

• entalpię swobodną - część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w procesie o stałej temperaturze i ciśnieniu

W procesach izotermicznych ubytek energii swobodnej jest równy pracy wykonanej przez układ jeżeli proces jest odwracalny

W procesach nieodwracalnych jest wiekszy niż wykonana praca. Ubytek energii wyraża wiec maksymalna pracę jaką może wykonać.

Na cała energie wewnetrzna U=F+TS może być wykorzystana do wykonania pracy lecz tylko energia swobodna

TS- energia związana nie nadaje się do wykonania pracy

Energia swobodna F stanowi wiec tę częsć energii wewnętrznej która może zostać wykorzystana jako praca.

5. Entalpia swobodna

Entalpia swobodna - potencjał termodynamiczny zwany funkcją Gibbsa lub energią swobodną Gibbsa, oznaczany przez
, a zdefiniowana następująca:

co jest równoważne:

Gdzie:

U - energia wewnętrzna układu,

S - entropia układu,

p, V - ciśnienie i objętość układu,

T - temperatura bezwzględna układu,

H - entalpia.

Pełni podobną rolę w procesach izotermiczno- izobarycznych jak energia swobodna w procesach izotermiczno- izochorycznych.

G- entalpia swobodna, potencjał termodynamiczny Gibbsa.

Procesy izotermiczno izobaryczne mogą przebiegac samorzutnie wyłącznie w kierunku zmniejszenia entalpii swobodnej.

Przyjmuje ona wartość najmniejszą w stanie równowagi układu.

Procesy egzoergiczne - z ubytkiem energii swobodnej lub entalpii swobodnej.

Procesy endoergiczne - ze wzrostem energii swobodnej lub entalpii swobodnej.

6. Zasady termodynamiki w procesach biologicznych

I zasada termodynamiki

W organizmach wyżej zorganizowanych energia wyzwala się w procesach utleniania produktów pokarmowych.

Jeżeli procesy przebiegały w sposób odwracalny miarą energii jaką organizm dysponuje byłaby zmiana entalpii swobodnej AG pochodząca z utleniania produktów pokarmowych.

Jako miarę energii jaką organizm dysponuje przyjmuje się zmianę entalpii AH.

Kosztem entalpii AH organizm wykonuje pracę wewnętrzną Wi i zewnętrzna We.

Praca zewnętrzna jest równa przacy wykonanej kosztem wysiłku mięśniowego.

Na pracę wewnętrzną składają się prace związane z transportem przeciw gradientom stężeniowym, elektrycznym, z krążeniem oddychaniem trawieniem - końcowym efekcie przemienia się w ciepło zwane cieplem metabolizmu.

Jeżeli organizm nie wykonuje pracy zewnętrznej We=0 - w całkowitym spoczynku cala pobrana energia AH jest rowna ciepłu produkowanemu w organizmie.

Aby uniknąć przegrzania ciepło to musi być oddawane do otoczenia.

Organizm zywy wykorzystuje całkowicie cipło spalania węglowodanów i tłuszczów ale nie białek część energii w nich zawarta jest wydalana np. z mocznikiem.

Obliczenie ciepła metabolizmu wymaga znajomości jaki składnik pokarmowy został utleniny. Pomocny jest tzw iloraz oddechowy RQ

RQ=Vco2/Vo2

RQ dla węglowodanów wynosi 1 dla tłuszczów 0,7 dla bialek 0,8

Ciepło wydzielone w przemianie podstawowej słuzy do podtrzymania procesów zyciowych organizmu oraz czynności spoczynkowej wszystkich komórek i narządów.

Przemiana materii u człowieka zależy od rozmiarów ciała wieku rodzaju wykonywanych czynności odżywiania.

Podstawowa prędkość metabolizmu u zwierząt jest proporcjonalna do pola powierzchni ich ciała. Przecietna podstawowa prędkość metabolizmu przypadajaca na 1m kwadratowy skory wynosi 50W/m2

Pomiary pozwalają również okreslic wydajność przekształcania energii chemicznej w prace mechaniczna wynosi ona ok. 20-25%

W organizmie przeciwnie niż w silnikach cieplnych zachodzi zamiana energii chemicznej bezpośrednio w prace cieplo jest produktem ubocznym jako wynik towarzyszących procesów nieodwracalnych.

Druga zasada termodynamiki w procesach biologicznych

Entropia organizmu stanowiącego układ otwary zmienia się zgodnie z drugą zasadą termodynamiki.

Gdyby organizm był układem zamknietym jego entropia by rosła. Szybkośc tworzenia się entropii maleje Az stanie się zerem układ znalazłby się w stanie równowagi statycznej równoważnej ze śmiercia.

W organizmie dojrzałym nie zmieniającym swej masy szybkość tworzenia się entropii rowna jest szybkości jej oddawania. Entropia dojrzałaego organizmu nie zmienia się organizm jest w stanie stacjonarnym. W stanie stacjonarnym stałe są czynne procesy nieodwracalne destrukcyjne powodujące psucie porządku tworzące entropię oraz procesy konstruktywne związane z wymiana entropii z otoczeniem - zmniejszające entropię. Zycie polega wiec na walce z tworzącą się entropią wrogiem zycia.

Młode oddaja wiecej ciepła do otoczenia niż organizmy dojrzale świadczy to o szybciej przebiegających procesach metabolicznych i o większej aktywności a wiec i żywotności organizmu młodego.

W celu zachowania młodości należy zwiększyć procesy metabolizmu powodując zwiększenia produkcji entopropii prowokując organizm do walki z entropią uzyskujemy to dzieki aktywności fizycznej który wzmacnia zapotrzebowanie na energię i materię w postaci pokarmów

AMEN

---