ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ

Те процессы, в которых A=ΔG., называются обратимыми,так как, пустив такой процесс в обратном направлении и затратив работу A, можно полностью вернуть систему в исходное состояние. Таких процессов в природе не существует — все реальные процессы необратимы. Иными словами, свободная энергия системы не может быть полностью преобразована в работу. При таком преобразовании часть свободной энергии обязательно превращается в тепло. Характеризуя это явление, говорят о диссипации(рассеянии) свободной энергии. Чтобы достичь максимальной степени обратимости термодинамических процессов, нужно добиться минимальной разности (ΔG-A.), то есть уменьшить диссипацию свободной энергии. Конкретным способом уменьшения диссипации служит снижение электрического сопротивления в электрических цепях, трения — в механических системах и т. п.

В технике, и в биологии нас интересует в первую очередь работа, совершаемая системой. Поэтому важно знать не столько полную внутреннюю энергию системы, сколько ее свободную энергию. В большинстве случаев направление протекания процесса и его основные характеристики определяются именно свободной энергией.

Свободная энергия, как и полная, есть функция состояния, то есть функция тех условий, в которых находится система. Практически наиболее важными параметрами, определяющими состояние системы, являются температура, давление, число молей вещества, а при существовании внешнего поля (например, электромагнитного) — его напряженность. С учетом первых трех можно написать

G = f(T, p, v). (13)

Во многих системах, в частности в живых организмах, наиболее важным видом свободной энергии является химическая энергия молекул, входящих в систему. Для отображения этого обстоятельства введено понятие химического потенциала— μ_x:

(14)

где v — число молей данного вещества. Следовательно, химический потенциал системы по отношению к некоторому веществу равен приросту свободной энергии системы при возрастании количества этого вещества на 1 моль:

ΔG = μ_x Δν (15)

В общем случае присутствия в системе к веществ:

ΔG =Σ μ_x Δν (16)

Учитывая существование химического потенциала и внешнего электрического поля, формулу (13) можно дополнить:

G = f(T, p, v_i , е), (17)

где v_i — число молей i-ro вещества.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ К ЖИВЫМ ОРГАНИЗМАМ

Применимость первого начала термодинамики к биологическим системам никогда не вызывала сомнений. Более того, как уже говорилось, оно сразу было сформулировано именно для живых организмов (Майер, Гельмгольц). Однако классическая форма этого закона, отображенная в формуле (2), была создана в связи с запросами теплотехники. Поэтому она не вполне удобна для биологии, так как не отображает сути термодинамических процессов, происходящих в живых системах. В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счет тепловой энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими. Поэтому положение, согласно которому изменение внутренней энергии системы равно ее обмену энергией с окружающей средой, удобнее записать так:

ΔU=W_пищи-Q-A (18)

Перед Q в данном случае стоит знак «—», так как биологические системы отдают тепло окружающей среде.

Организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому и внутренняя энергия такого организма приблизительно постоянна. Следовательно, ΔU = 0. В этом случае

W_пищи = Q+ А (19)

Учитывая разные формы совершения работы и теплообмена, следует это выражение записать так:

W_пищи = ΣQ+ ΣА (20)

Последняя формула наиболее точно отображает существо первого начала термодинамики для биологических систем, особенно для гомойотермных животных.

Чтобы глубже проникнуть в особенности первого начала термодинамики для биологических систем, полезно сопоставить термодинамические процессы в тепловой машине и организме гомойотермных животных. Предварительно заметим, что первичным источником энергии в обоих случаях служит Солнце. Мощность солнечного излучения примерно 10²⁶ Вт. Небольшая ее часть (2 10¹⁷ Вт) достигает поверхности Земли, а из этой величины только 0,02% поглощается зелеными растениями и запасается ими в процессе фотосинтеза. Поток энергии, извлекаемый зелеными растениями из солнечного света, имеет порядок 4 10¹³ Вт. За счет этой энергии работают тепловые машины и осуществляются все процессы жизнедеятельности. Однако способы преобразования в работу солнечной энергии, аккумулированной зелеными растениями в форме химической энергии, принципиально неодинаковы в тепловой машине и биологической системе. В тепловой машине топливо сжигают, преобразуя химическую энергию в тепловую, а затем уже последнюю превращают в работу. Заметим, что преобразование тепловой энергии в работу происходит при большом перепаде температур.

Принципиальным отличием термодинамических процессов в биологической системе является отсутствие промежуточного звена (в форме тепловой энергии) между химической энергией, запасенной в пище, и работой, совершаемой организмом. Энергия химических связей пищевых продуктов непосредственно преобразуется во все формы работы биологической системы. При этом образуется и тепловая энергия, но она представляет собой неизбежные энергетические потери. КПД для различных биологических процессов лежит в диапазоне от 20% до 60%. Различия термодинамических процессов в тепловой машине и биологической системе поясняет схема:

тепловая машина	биологическая система
фотосинтез сжигание (0₂, Т) Wc→W топлива ------------- Q→ΔU + А;	фотосинтез биол окисление (O₂) W_с→W_{пищи ---------- --------------------}ΔU+A+Q.

Напомним, что у гомойотермных животных ΔU = 0. Кроме того, учтем разные формы теплообмена и работы в организме, опустим левую часть схемы и тогда придем к выражению (20):

W_пищи = ΣQ+ ΣА