2. Первое начало термодинамики.

Изучая физические закономерности, лежащие в основе физиологических процессов живого организма на любом уровне его развития, биологическая термодинамика исходит из I-го начала термодинамики, которое является выражением закона сохранения энергии.

Первое начало термодинамики, обоснованное Ломоносовым, Майером, Гессом, Джоулем, Гельмгольцем является эмпирическим законом, теоретическим обобщением огромного количества экспериментов и наблюдений и поэтому не требует доказательств.

Для тепловых процессов первое начало термодинамики формулируется следующим образом. Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы:

Q = ΔU + A.

Под внутренней энергией системы понимают сумму кинетической и потенциальной энергий частиц, из которых состоит система. Внутренняя энергия является функцией состояния системы и для данного состояния является вполне определенной величиной. ΔU – есть разность двух значений внутренней энергии, соответствующих конечному и начальному состоянию: ΔU = U₂ – U₁. Количество теплоты и работа являются функциями процесса, а не состояния.

Если система, получая бесконечно малое количество теплоты dQ, претерпевает бесконечно малое изменение внутренней энергии dU, то и совершаемая ею работа будет бесконечно малой – dA.

Тогда первое начало термодинамики можно записать в дифференциаль­ном виде: dQ = dU + dA. Величины Q, A, ΔU, dQ, dA, dU могут быть как положительными, так и отрицательными. Условились считать количе­ство теплоты положительным, когда оно подводится к системе и работу – положительной, когда она совершается против внешних сил.

Работа и тепло – два способа превращения энергии. Об изменении внутренней энергии системы можно судить по количеству совер­шенной работы и по количеству выделенного тепла. В живом организме работа не может совершаться за счет притока тепла извне, она совершается за счет изменения внутренней энергии при различного рода биохимических процессах, т.е. живой организм не может работать по принципу тепловой машины.

Наиболее общим свойством живой материи является свойство тепловыделения. Тепловыделение свойственно всем метаболизирующим клеткам.

В организме при окислении пищевых веществ до конечных продуктов образуется энергия, которая переходит в работу, зат­рачиваемую на поддержание жизнедеятельности и синтетические процессы. Вся эта работа в итоге переходит в тепло, выделяемое организмом. Эта теплота условно называется первичной теплотой. Около 50% энергии, возникающей при окислительных процессах, запасается в макроэнергетических связях (АТФ). При разрыве этих связей освобождается энергия, которая расходуется на выполнение любой работы, которая в конечном итоге также переходит в тепло. Эта теплота, выделяемая при разрыве макроэнергетических связей, запасенных ранее в организме и реализуемых при активной работе, условно называется вторичной теплотой. Из всего сказанного сле­дует, что обмен веществ в живом организме неразрывно связан с процессами превращения энергии. Следовательно, первый закон тер­модинамики полностью применим к биологическим системам.