По общей химии

Гомогенная система – однородная система, в кото­рой нет частей, различающихся по свойствам и разде­лённых поверхностями раздела. Например, воздух, вода, истинные растворы.

Гетерогенная система – разнородная система, со­стоящая из двух или более частей, отличающихся по свойствам, между которыми есть поверхность раздела, где свойства системы резко меняются (скачком). Например, молоко, кровь, смеси воды и льда, воды и масла.

Часть гетерогенной системы, которая имеет одинаковые свойства и отделённая границей раздела, называется фазой. Например, в молоке имеются 3 фазы: водная фаза – раствор солей, углеводов, белков и других веществ, в которой распределены две другие фазы, – мельчайшие капельки жидких жиров и мельчайшие частички твёрдых жиров.

Живые системы, существующие на Земле, — гетерогенные. Они всегда отделены от окружающей среды оболочкой, и, кроме того, внутри каждой живой клетки имеется множество раз­личных мембран – границ между её частями.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы изолированные, закрытые (замкнутые) и от­крытые.

Изолированная система характеризуется отсутстви­ем обмена энергией и веществом с окружающей средой. Например, термос.

Закрытая система обменивается с окружающей средой энергией, а обмен веществом исключён. Например, запаянная трубка, попеременно помещаемая в горячую и холодную среды, будет получать и отдавать энергию, но масса содержимого трубки будет оставаться постоянной.

Открытая система обменивается с окружающей средой энергией и веществом. Например, кипящая в чайнике вода получает энергию от пламени, а при испарении теряет часть своей энергии и массы.

Живой организм представляет собой открытую систему, жизнедеятельность которой невозможна без постоянного обме­на веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Абсолютно изолированных систем в природе нет.

В термодинамике принято различать три состояния систе­мы: равновесное, стационарное и переходное.

Термодинамическое равновесное состояние системы характеризуется постоянством свойств во времени в любой точке системы и отсутствием потоков веще­ства и энергии в системе.

Термодинамически равновесное состояние — это прежде всего устойчивое состояние системы. Для выведения системы из этого состояния необходим обмен энергией или веществом между сис­темой и окружающей средой. Важно различать состояния тер­модинамического равновесия и химического равновесия; послед­нее всегда имеет динамический характер, так как достигается в результате выравнивания скоростей обратимых процессов.

Стационарное состояние системы характеризуется постоянством свойств во времени, которое поддержива­ется за счёт непрерывного обмена веществом, энергией и информацией между системой и окружающей средой.

Для живого организма характерно стационарное состояние, а не равновесное, означающее для него смерть, так как прекраща­ются потоки вещества, энергии и информации между организмом и окружающей средой, обеспечивающие его жизнедеятельность.

Когда система переходит из одного равновесного или ста­ционарного состояния в другое, то она находится в переходном состоянии.

Переходное состояние характеризуется изменением свойств системы во времени.

Состояние системы характеризуется определённой совокуп­ностью физических и химических величин – параметров системы,– к которым относятся: масса (m), коли­чество вещества (число молей n), объём (V), температура (Т), давление (р), концентрация (с). Значение параметра можно из­мерить непосредственно.

Параметры системы разделяют на экстенсивные и интен­сивные.

Значенияэкстенсивных параметров пропорциональны числу частиц в системе (m, n, V).

Значения интенсивных параметров не зависят от числа частиц в системе (T, p, c).

Различие экстенсивных и интенсивных параметров чётко про­является при взаимодействии систем, когда значения экстенсив­ных параметров суммируются, а интенсивных – усредняются.

Для характеристики состояния системы, наряду с параметрами, используют функции состояния. Их значения рассчитывают по соответствующим формулам, исходя из значений параметров, описывающих данное состояние системы. Такой функцией яв­ляется, например, энергия.

Функции состояния системы - экстенсивные величины.

Значения параметров и функций состояния системы опре­деляются только состоянием системы. Поэтому при переходе системы из одного состояния в другое изменение (Δ) этих величин не зависит от пути перехода, а определяется лишь на­чальным и конечным состояния системы, то есть их значениями в этих состояниях.

Δ = –

Переход системы из одного состояния в другое, сопровождающийся необратимым или обратимым изменением хотя бы одного параметра, характеризую­щего данную систему, называется процессом.

В отличие от состояния системы, которое характеризуется зна­чением параметра или функции состояния, характеристикой про­цесса является их изменение или постоянство, то есть значение Δ.

Процессы, в зависимости от изменения парамет­ров системы, разделяют на изотермические, изобарические, изохорические:

изотермический процесс Т = const, DТ = 0;

изобарический процесс р = const, Dр = 0;

изохорический процесс V = const, DV = 0.

Жизнедеятельность человека протекает при постоянстве температуры и давления, то есть при изобарно-изотермических условиях (р, Т = const).

Для описания движения материи в живых организмах, по мнению В.И. Слесарёва, необходимо знать величины трёх функций состояния: энергии, эн­тропии и информации.

Энергия (Е) – количественная мера интенсивности раз­личных форм перемещения и взаимодействия частиц в системе, включая перемещение системы в целом и её взаимодействие с окружающей средой.

Единица измерения энергии – кДж/моль.

В зависимости от формы движения материи различают тепловую, элек­трическую, химическую, ядерную и другие виды энергии. Термо­динамика рассматривает превращение тепловой энергии в другие виды энергии – механическую, химическую, электрическую и т. д.

Дви­жение материи включает перемещение частиц, которое характе­ризуется кинетической энергией (Е_кин), и взаимодействие частиц, которое характеризуется потенциальной энергией (Е_пот).

Энергетическое состояние системы описывается такой функцией состояния, как внутренняя энергия.

Внутренняя энергия (U) представляет собой полную энер­гию системы, которая равна сумме потенциальной и ки­нетической энергии всех частиц этой системы, в том числе на молекулярном, атомном и субатомном уровнях:

U = Е_кин + Е_пот.

Внутренняя энергия не включает потенциальную энергию, обусловленную положением системы в пространстве, и кинети­ческую энергию движения всей системы в целом.

Внутренняя кинетическая энергия обусловлена тепловым хаотическим движением молекул, что непосредственно связано с температурой – с увеличением интенсивности этого движения температура тела возрастает.

Внутренняя потенциальная энергия обусловлена взаимодействием молекул друг с другом.

Абсолютное зна­чение внутренней энергии определить невозможно, так как любая термоди­намическая система материальна, а материя – с точки зрения её строения – неисчерпаема. Экспериментально можно определить изменение внутренней энергии (DU) при взаимодействии системы с окружающей средой. При этом взаимодействии обмен энергией может осуществляться в виде работы и теплоты.

Работа (А) – энергетическая мера направленных форм дви­жения частиц в процессе взаимодействия системы с ок­ружающей средой.

Работа в термодинамике считается положительной (А > 0), когда она совершается системой против внешних сил окружающей сре­ды, при этом внутренняя энергия системы уменьшается (∆U < 0).

Теплота (Q) – энергетическая мера хаотических форм дви­жения частиц в процессе взаимодействия системы с ок­ружающей средой.

В термодинамике теплота считается положительной (Q > 0), если она сообщается системе из окружающей среды, при этом внут­ренняя энергия системы увеличивается (∆U > 0).

Работа и теплота не являются свойствами системы, а харак­теризуют процесс обмена энергией системы с окружающей сре­дой, поэтому их величины зависят от пути процесса, по которо­му система перешла из одного состояния в другое.

Термины "работа" и "теплота" означают как сам процесс передачи энер­гии, так и величину передаваемой при этом энергии.

Для характеристики движения частиц в термодинамике, наряду с энергией, используется ещё одна функция состояния - энтропия.

Энтропия (S) – термодинамическая функция, харак­теризующая меру неупорядоченности системы, то есть не­однородности расположения и движения её частиц.

Изменение энтропии системы в условиях термодинамически обратимого процесса равно отношению передаваемой теплоты к абсолютной температуре, при которой осуществляется данный процесс:

Единица измерения энтропии Дж/(моль∙К).

Факторы, влияющие на величину энтропии, описаны в разд. 3.

Энтропия является экстенсивным свойством системы, поэто­му изменение энтропии системы в результате какого-либо про­цесса равно разности энтропий конечного и начального состоя­ний системы, независимо от пути процесса:

DS = S_кон – S_нач.

Движение материи невозможно описать без таких термодина­мических характеристик, как энергия и энтропия. Если энергия ко­личественно характеризует интенсивность движения и взаимодей­ствия частиц в системе, то энтропия – мера неупорядоченности системы, то есть расположения и движения её частиц. Изменение энтропии в процессе превращения энергии из одного вида в другой характеризует величину рассеяния энергии при этом процессе. Чем больше DS, тем меньше коэффициент полезного дей­ствия (КПД) процесса. Именно этим объясняется низкий КПД (~ 40 %) при превращении тепловой энергии в электрическую. В то же время в гальваническом эле­менте, где химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую, КПД может достигать 98 %. В первом случае хаотическое движение частиц необходимо превратить в направленное, при этом происходит сильное изменение энтропии. Во втором случае направленное движение электронов и ионов, сопровождающее химическую ре­акцию, превращается в направленное движение заряженных час­тиц, то есть упорядоченность движения частиц сохраняется, и по­этому изменение энтропии незначительно, а следовательно, и рассеяние энергии незначительно.

Для полной характеристики движения частиц в системе наря­ду с энергией и энтропией вводится ещё одна функция состояния — информация.

Информация (I)– мера организованности системы, то есть упорядоченности расположения и движения её частиц.

Информация выражается в битах, причём 1 бит информации эквива­лентен 10^–23 Дж/К, то есть является очень малой термодинамической величи­ной.

Энтропия и информация являются статистическими характеристика­ми движения, описывающими его с противоположных сторон.

Для самоорганизующихся систем наряду с законами сохра­нения массы, электрического заряда, энергии (разд. 2) имеет место ещё один закон сохранения:

I + S = const.

При этом, конечно, обе величины измеряются в одинаковых единицах, а значение их суммы зависит от типа системы. Это соотношение означает, что энтропия есть мера недостатка ин­формации. При возрастании I убывает S и наоборот. Физический смысл этого закона: за полученную информацию система платит уменьшением своей энтропии, поэтому получение системой лю­бой информации всегда связано с возрастанием энтропии в ок­ружающей среде. Живые организмы – это высокоупорядоченные системы, содержащие колоссальное количество информации и, соответственно, обеднённые энтропией. Понятие "информация системы" тесно связано со структурой системы, поэтому целесообразно для характеристики соответствующих систем (нуклеиновые ки­слоты, белки, водные системы) использовать термин "структур­но-информационные свойства".

2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Первый закон (первое начало) термодинамики – это всеоб­щий закон природы, – закон сохранения и превращения энергии, соответствующий основному положению диалектического мате­риализма о вечности и неуничтожимости движения.