Первый закон термодинамики

Это закон сохранения энергии: в изолированной термо­динамической системе полный запас энергии есть величина посто­янная и возможны только превращение одного вида энергии в дру­гой в эквивалентных соотношениях.

U = const; ΔU = 0.

Формулировка первого начала термодинамики для закрытых си­стем следующая: теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы против внешних сил.

ΔQ = dU + ΔA,

где Q - теплота, подведенная к системе; U - внутренняя энергия си­стемы; А - работа; d обозначает, что U - функция системы, зависящая от тер­модинамических параметров (Р, V, Т).

Особенность первого закона термодинамики в биологии.

В живой системе работа не может совершаться за счёт притока тепла извне, как в тепловой машине, она совершается за счёт изменения внутренней энергии системы при различного рода биохимических процессах или за счёт энтропийного фактора.

Говоря образно: живая система – не паровоз, сколько таракана не подогревай, он за счёт этого тепла быстрее двигаться не будет.

В настоящее время не вызывает сомнения применение закона со­хранения энергии к биологическим объектам. Однако так было не всегда. Первые экспериментальные попытки измерения энергетического баланса организма были предприняты в конце 18 в. А. Лавуазье и П. Лапласом. Для доказательства приложимости первого начала термодинамики к биологическим объектам был применен ледяной калориметр. По скорости таяния льда находили теплоту, выделен­ную морской свинкой в изолированной камере или ледяном калори­метре. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании до СО₂ и Н₂О продуктов питания морской свинки в калориметрической бомбе. А.Лавуазье и П.Лаплас по­лучили величины близких порядков.

Таким образом, метод калориметрии позво­лил установить, что количество энергии, поглощенной организмом за сутки вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте.

Энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии, и никаких специфических источников жизни не существует.

Энтальпия. Закон Гесса

Жизнедеятельность организмов, как и работа тепловой машины, сопровождается выделением в окружающую среду тепловой энер­гии за счет дыхания, пищеварения, работы мышц.

Удельной теплопродукцией называют количество теплоты, выде­ляемое единицей массы животного в единицу времени:

g = Q_t/m,

где Q_t - количество теплоты, выделяемое в единицу времени; m - масса; g - удельная теплопродукция.

Теплопродукция пропорциональна массе организма. Удельная теплопродукция уменьшается с увеличением массы. Такую зависимость можно объяснить тем, что с увеличением размера и массы животного уменьшается отношение его поверхности к объему. Для компенсации большой потери тепло­ты мелкими животными требуется более высокая интенсивность метаболизма и, соответственно, потребление большего количества пищи. Этим можно объяснить необычайную прожорливость грызу­нов и мелких птиц.

Живые организмы - открытые термодинамические системы, существующие в условиях постоянства давления и температуры. Поэ­тому для оценки их жизнедеятельности важен еще один термодина­мический параметр (функция) - энтальпия.

Энтальпия (от греч. - нагреваю) - это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении.

Рассчитывается по формуле:

H=U + P∙V

где Н - энтальпия, U - внутренняя энергия, P - давление, V - объём.

Энтальпия - термодинамическая функция, которая, подобно тем­пературе, давлению, объему и внутренней энергии, характеризует систему. Абсолютное значение энтальпии для рассматриваемой сис­темы определить невозможно и в термодинамических расчетах фи­гурирует лишь изменение энтальпии ΔН, происходящее при пере­ходе системы из одного состояния в другое.

Физический смысл введения понятия энтальпии: изменение энтальпии - это тепло, подведенное к системе в изобарическом процессе (при постоянном давлении). Практическое применение этой функции основано на том, что множество химических процессов в реальных или лабораторных условиях реализуются именно при постоянном (атмосферном) давлении, когда резервуар открыт. Так, энтальпия образования сложного вещества - количество энергии, которое выделяется или поглощается при образовании сложного вещества из простых веществ.

Все химические реакции сопровождаются выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) тепла. Мерой теплоты реакции служит изменение энтальпии ΔН, которая соответствует теплообмену при постоянном давлении. В случае экзотермических реакций система теряет тепло и ΔН - величина отрицательная. В случае эндотермических реакций система поглощает тепло и ΔН - величина положительная.

Введенная функция лежит в основе закона Гесса - основного следствия первого закона термодинамики. Он формули­руется следующим образом: тепловой эффект химической реакции, имеющей ряд промежуточных стадий, не зависит от пу­ти, а определяется лишь разностью энтальпий конечных и исходных продуктов реакции.

Известно, что биохимические пре­вращения в организме проходят множество промежуточных стадий, которые не всегда выявлены и доказаны. На основании закона Гесса, не зная промежуточных звеньев биохимического процесса, имея данные лишь о начальных и конечных продуктах реакции, можно вычислить суммарный энергетический эффект.

Закон Гесса используется для вычисления калорийности пище­вых продуктов и составления пищевых рационов человека и живо­тных.