Перший закон термодинаміки в біоенергетиці

Лекція 6

Основи біоенергетики

Загальні відомості

Процеси життєдіяльності пов’язані з постійними витратами енергії. Енергія необхідна для механічної роботи при скороченні м’язів, для електричної роботи – при генерації та передачі нервових імпульсів, для хімічної роботи – при утворенні нових хімічних зв’язків між атомами в процесах біосинтезу.

Вивченням закономірностей перетворення енергії в живих організмах займається біоенергетика. Біоенергетика э одним з розділів термодинаміки науки про взаємні перетворення різноманітних видів енергії. Енергія – це здатність виконувати роботу. Процеси перетворення енергії в живих організмах підкоряються законам термодинаміки. Термодинаміка встановлює закони цих перетворень, а також напрямок самовільного перебігу різноманітних процесів за даних умов. Розділ термодинаміки, який вивчає теплові ефекти хімічних реакцій, називається термохімією.

Термодинамічна система - сукупність тіл, умовно або реально відокремлена від оточуючого простору. Розрізняють три типи систем. Ізольованою системою називається система, яка не обмінюється з оточуючим простором енергією та масою – m=0, E=0. Закритою називається система, яка обмінюється енергією – m=0, E¹0, відкритою називається система, яка обмінюється з оточуючим середовищем масою і енергією – m¹0, E¹0. Живий організм є відкритою системою, тому що він постійно обмінюється з зовнішнім середовищем речовиною і енергією.

Термодинамічні параметри - тиск (Р), температура (Т), об¢єм (V), кількість речовини (n). Стан системи описується рівнянням стану f(V,Р,Т) = 0. На цей час таке рівняння відомо тільки для стану ідеального газу РV = mRT/M (рівняння Менделєєва - Клапейрона).

Для енергетичної характеристики більшості систем використовують функції стану, які однозначно визначаються параметрами. Значення цих функцій не залежать від характеру процесу, який приводить систему в даний стан.

Одна з функцій внутрішня енергія (U) системи – загальний запас енергії, який включає енергію поступального і обертального руху молекул, енергію коливань атомів і атомних груп, енергію руху електронів, ядерну енергію тощо.

Внутрішня енергія – це повна енергія системи без потенційної і кінетичної енергії системи в цілому.

Перший закон термодинаміки в біоенергетиці

Згідно першого закону термодинаміки енергія не виникає і не зникає, а може переходити з одного виду в інший. Живі організми тільки перетворюють її. Цей закон дозволяє визначити загальний баланс енергетичних перетворень, які супроводжують біологічний процес.

Математичне формулювання закону залежіть від типу системи:

для ізольованої системи: загальний запас внутрішньої енергії системи залишається сталим (DU = 0); для неізольованої системи: внесена при сталій температурі теплота Q витрачається на прирощення внутрішньої енергії та виконання роботи А проти зовнішніх сил: Q = U + A.

Теплота форма передачі енергії від однієї системи до іншої внаслідок неупорядкованого руху молекул. Якщо система приймає теплоту Q > 0,якщо віддає Q < 0.

Робота це упорядкована форма передачі енергії, внаслідок чого система має можливість виконувати спрямовану дію над іншою системою. А > 0, якщо система виконує роботу над іншою системою, А < 0, якщо інша система виконує роботу над даною системою.

Якщо хімічні реакції проводяться при сталому об’ємі (ізохорні процеси), то їх теплота витрачається на зміну внутрішньої енергії системи, тобто

Q_V = DU.

Якщо реакції проводяться при сталому тиску (ізобарні процеси), то теплота дорівнює ентальпії системи:

Q_P = DU + pDV = DH.

Ентальпія (DH) – енергетична функція стану, що дорівнює сумі змін внутрішньої енергії та енергії, здатної перетворитися на роботу при сталому тиску. Частіше зустрічаються ізобарні процеси, тому теплові ефекти виражаються через зміну ентальпії DН.

Основи термохімії

В основі термохімічних розрахунків лежить закон Гесса: тепловий ефект хімічної реакції не залежить від шляху (механізму) її перебігу, а визначається тільки початковим та кінцевим станами системи.

Основні термохімічні поняття

Термохімічниминазиваються рівняння реакцій, в яких вказуються їх теплові ефекти, агрегатний стан чи кристалічна модифікація хімічних сполук.

У екзотермічних реакціях теплота виділяється, DН < 0, у ендотермічних реакціях теплота поглинається, DН > 0. Теплові ефекти реакцій (DН _реак) виражаються у кДж або кКал.

Наприклад: 1.Екзотермічна реакція утворення глюкози

6С(гр) + 6Н₂(г) + 3О₂(г) С₆Н₁₂О₆(тв); H⁰_реак = –1270 кДж,

де С(гр) – карбон у вигляді графіту, Н₂(г), О₂(г) – газоподібні водень і кисень, С₆Н₁₂О₆(тв) – тверда глюкоза.

2. Ендотермічна реакція утворення лейцилгліцина (ЛейГлі) із амінокислот лейцина (Лей) і гліцина (Глі)

Лей + Глі ЛейГлі + H₂O; H⁰_реак = 25 кДж.

Ця реакція є одним з етапів утворення білку в організмі.

 

Стандартною теплотою (ентальпією) утворення речовини H⁰_утв(реч) або H⁰_f(реч) називають тепловий ефект реакції утворення 1 моля речовини з простих речовин за стандартних умов (ст.у. Т = 298 К, Р = 101,3 кПа, позначаються символом ⁰).

Ентальпії простих речовин (Н₂, О₂) прийняті за нуль. Стандартні теплоти утворення речовин наведені в термодинамічних таблицях.

Наприклад, з таблиць H⁰_утв(глюк) = –1270 кДж. До речі, H⁰_реак попередньої реакції дорівнює H⁰_утв(глюк), оскільки вона відповідає всім вимогам визначення стандартної теплоти речовини.

Стандартною теплотою (ентальпією) згоряння речовини - DН°_згор(реч) називається тепловий ефект реакції повного окиснення (тобто окиснення до вищих оксидів) 1 моля цієї речовини за ст.у.

Наприклад: екзотермічна реакція окиснення 1 моля глюкози до вищих оксидів СО₂ і Н₂О :

С₆Н₁₂О₆(тв)+ 6О₂(г) 6СО₂(г) + 6Н₂О(рід); H⁰_реак = –2800 кДж.

Теплоти згоряння для індивідуальних речовин надаються в таблицях, або визначаються експериментально.

Енергетичний баланс процесів експериментально вивчається методами прямої калориметрії. В них визначається кількість виділеного або поглиненого тепла. Здійснюються процеси в калориметричній колбі, яка є герметичним сосудом (сосуд Д’юара, або термос), в який поміщається досліджена речовина, вводиться надлишок кисню під тиском 2-3 мПа. Речовина підпалюється електродами, на які подається напруга. Кількість теплоти, що виділяється розраховують, виходячи з підвищення температури в сосуді. Таким чином визначають теплоти згоряння (H⁰_згор).

Висновки з закону Гесса дають можливість визначення термохімічних характеристик процесів розрахунковим шляхом.

1.DН⁰_прям = DН⁰_звор;

2.DН⁰_утв = DН⁰_розк;

3.DН⁰_реак = S (DН⁰_утв)_прод - S (DН⁰_утв)_{вих. реч};

4.DH⁰_реак = S(DH⁰_згор.)_{вих. реч} - S(DH⁰_згор.)_прод.