Живые системы с позиций термодинамики

Классическая термодинамика была разработана для изолированных и замкнутых систем, и она исследует в основном процессы, происходящие в таких системах. Живые системы принципиально отличаются от классических термодинамических систем. Первое отличие состоит в том, что живой организм не может существовать изолированно от окружающей среды. Любая биологическая система поглощает из внешней среды питательные вещества, выводит продукты обмена, получает энергию в различных формах, продуцирует и выделяет теплоту. Факты показывают, что невозможность изоляции живых систем надо понимать в более широком смысле. На жизнедеятельность человека, животных, растений и микроорганизмов значительное влияние оказывают гравитационное и магнитное поля Земли. Активность Солнца, проявляющая определенную цикличность, также оказывает большое влияние на биосферу нашей планеты. Показано, что возрастание солнечной активности приводит к увеличению сердечно-сосудистых, психических и других заболеваний людей, к усиленному размножению некоторых животных, насекомых, микроорганизмов, появлению эпидемий и эпизоотий. Сказанное выше свидетельствует о том, что существование изолированных биологических систем принципиально невозможно.

Второе отличие живых систем от изолированных систем заключается в том, что они не могут находиться в состоянии равновесия. Термодинамика обратимых процессов рассматривает процессы в системах, находящиеся в равновесном состоянии или в состоянии близких к термодинамическому равновесию. Так, на основе законов классической термодинамики можно рассчитать давление, температуру, объем, энтропию газа, находящегося в цилиндре при различных положениях поршня. Однако, неравновесные процессы, например, такие как изменение концентрации молекул газа вблизи движущегося поршня, классическая термодинамика не рассматривает.

Третье отличие открытых систем от классических заключается в наличии в них градиентов различных физических величин. Так, если в изолированной термодинамической системе имеются градиенты физических величин, то через определенный промежуток времени произойдет самопроизвольное выравнивание значений этих параметров, и энтропия этой системы достигнет максимального значения. Совсем иное положение имеет место в биологических системах. В них постоянно поддерживаются градиенты различных физических величин. Так, в организме, тканях, в клетках в течение жизни поддерживаются градиенты концентрации различных веществ, градиенты температуры, градиенты электрических зарядов и т.д. С выравниванием градиентов вещества и энергии в открытых системах прекращается функционирование системы, что означает смерть организма, клетки. Способность совершать работу за счет изменения энергии в различных частях системы является характерной особенностью живых систем. Выполнение работы в биологических системах обуславливается наличием градиентов различных параметров. Существование градиентов вещества и энергии в биологических системах обеспечивается наличием специализированных образований. В тканях и клетках неравномерность распределения вещества и энергии обеспечивается мембранными структурами, которые окружают каждую клетку, и образуют внутриклеточные компартменты. Таким образом, работа, совершаемая биологической системой (следовательно, и ее свободная энергия) определяется градиентами различных величин, которые обусловлены неравномерным распределением вещества в системе и непрерывным переносом вещества и энергии из одной части системы в другую. Например, работа, совершаемая при перемещении ионов через клеточные мембраны, определяется напряженностью электрического поля (градиент электрического поля на мембране) и диффузией за счет градиента концентрации ионов по обе стороны мембраны.

Стационарное состояние открытой термодинамической системы

В биологических системах постоянно протекают различные самопроизвольные неравновесные процессы, связанные с рассеиванием энергии и уменьшением свободной энергии, которые должны привести к изменению параметров системы. Однако, в таких системах в течение длительного промежутка времени определяющие параметры сохраняют постоянное значение. Так, у теплокровных животных поддерживается определенная температура органов и тканей, сохраняется неизменным солевой состав, кислотность различных жидкостей, не изменяются величины биопотенциалов и т.д. Состояние системы, при котором, несмотря на отсутствие термодинамического равновесия, параметры в течение определенного промежутка времени сохраняют постоянное значение, называется стационарным.

Стационарное состояние возможно только в открытой системе, которая непрерывно обменивается веществом и энергией с окружающей средой. Такое состояние термодинамической системы достигается за счет взаимной компенсации всех процессов, связанных с поступлением, превращением, удалением вещества и энергии. Если состояние термодинамического равновесия характеризуется отсутствием необратимых процессов, то стационарное состояние поддерживается за счет постоянства скоростей необратимых процессов.

Различия между равновесным и стационарным состоянием можно продемонстрировать на следующем примере. Пусть вода из сосуда А переливается в сосуд Б (рис. 1, а). В этом случае идет неравновесный процесс и объем воды в сосуде А уменьшается, в сосуде Б - увеличивается. Через некоторое время вода полностью перельется в нижний сосуд, и установиться на постоянном уровне. Процесс закончится, и система придет в равновесное состояние. Параметры системы (масса, объем воды, температура и т.д.) будут постоянными. Без внешнего воздействия такая система не сможет выйти из этого состояния.

Несколько изменим опыт. Пусть в сосуд А вода наливается из крана, а из сосуда Б вытекает (рис. 1,б). Если скорости притока и вытекания воды будут одинаковыми, то уровни воды в сосудах будут постоянными. Такая система не будет равновесным, так как непрерывно происходит приток и отток вещества. Эта система будет стационарной, т.к. в течение определенного промежутка времени параметры системы (например, объем, масса воды) будут сохранять постоянное значение. Другим примером стационарной системы может служить металлический стержень, нагреваемый с одного конца постоянным источником тепла. Если потери тепла по длине стержня одинаковы, то вдоль стержня установиться постоянный градиент температуры.

 

 

Рис. 1. Равновесное и стационарное состояние термодинамических систем (пояснения в тексте)



Таблица 2

Различия между равновесным и стационарным состояниями термодинамических систем

Равновесное состояние Стационарное состояние
Пример: закрытый сосуд с жидкостью. 1. Отсутствие потока вещества и энергии в систему и из системы. 2. Не нужно тратить энергию на поддержание равновесного состояния. 3. Свободная энергия системы и работоспособность системы равны нулю. 4. Энтропия системы принимает максимальное значение. 5. Отсутствие градиентов вещества и энергии в системе. Пример: горящая свеча, живой организм. 1. Постоянный приток вещества в систему и удаление продуктов реакций. 2. Нужно постоянно тратить энергию для поддержания стационарного состояния. 3. Свободная энергия работоспособность системы постоянны и не равны нулю. 4. Энтропия системы постоянная и не равна максимальному значению. 5. Наличие градиентов вещества и энергии в системе

Свойства термодинамических систем, находящихся в равновесном и стационарном состояниях приведены в таблице 2.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Котлы - утилизаторы | Изменение энтропии в биологических системах


Дата добавления: 2018-03-02; просмотров: 177; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2018 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.007 сек.