Термодинамика биологических процессов

Термодинамика биологических процессов - это раздел биофизи­ки, изучающий общие закономерности превращения энергии. Тер­модинамика рассматривает также проблемы устойчивости и эволю­ции биологических систем.

В биологии законы термодинамики используются, во-первых, для расчета параметров энергетических превращений в организме и, во-вторых, для определения КПД биологических процессов. Тер­модинамический аспект необходимо учитывать при изучении физи­ко-химических процессов. Термодинамика биологических процес­сов послужила основой для разработки представлений об источни­ках энергии процессов жизнедеятельности, оказалась плодотворной для понимания и количественного анализа таких биологических процессов, как генерация биопотенциалов, осмотические явления, мышечные сокращения.

Термодинамическая система - часть пространства с материаль­ным содержимым, ограниченная поверхностью раздела (стенка со­суда, где идет реакция, или мембрана клетки). Область вне термодинамической системы - окружающая среда. Размеры системы всегда больше, чем размеры составляющих ее частиц.

Термодинамика рассматривает три типа систем, они отличаются по характеру взаимодействия с внешней средой.

1. Изолированные си­стемы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией, т. е. границы такой системы непроницаемы,

2. Системы, обменивающиеся через свои границы энергией с окружающей средой, но непроницаемые для ве­ществ, относятся к замкнутым системам.

3. Реальные системы в приро­де никогда не бывают абсолютно изолированными и закрытыми. В открытых системах осуществляется обмен как веществом, так и энергией. Живые организмы как открытые термо­динамические системы отличаются от таковых в неживой природе тремя признаками: 1) состоят из биополимеров (белков и нуклеино­вых кислот); 2) способны к самовоспроизведению; 3) способны к развитию и саморегуляции.

Первые два типа называют ещё закрытыми системами.

Термодинамические системы характеризуются определенными параметрами (температура, давление, объем, энергия). Термодинамические параметры системы разделяются на экстен­сивные и интенсивные.

Параметры, которые не зависят от массы (температура, давление), называются интенсивными. Они исполь­зуются в качестве независимых термодинамических переменных при моделировании и могут иметь определенное значение в каждой точке системы.

Параметры, зависящие от общего количества вещества в системе и изменяющиеся пропорционально массе отдельных компонентов системы, называются экстенсивными (объем, число молей в систе­ме).

Термодинамический процесс - совокупность изменяющихся состояний в системе. Процессы, протекающие в системе, могут быть обратимыми (равновесными) и необратимыми (нерав­новесными).

Обратимыми называются такие термодинамические процессы, при которых возвращение системы в первоначальное состояние не требует затрат энергии извне и связанных с этим изменений в окру­жающей среде. При обратимых процессах не происходит рассеива­ния энергии в виде теплоты.

Необратимыми называются термодинамические процессы, при которых возвращение системы в исходное состояние возможно лишь при условии затрат внешней энергии, что влечет за собой оп­ределенные изменения в окружающей среде. Необратимые процес­сы характеризуются переходом части энергии в теплоту.

Термодинамика биологических процессов изучает необ­ратимые (неравновесные) процессы.

Энергия - количественная мера определенного вида движения материи при ее превращениях. Основной единицей для измерения количества энергии и работы в системе СИ является джоуль (Дж). На практике часто пользуются внесистемной единицей - калорией (кал). 1 кал - 4, 2 Дж.

Под внутренней энергией системы понимают её общий запас, обусловленный всеми видами движений и взаимодействий состав­ляющих ее молекул, атомов, ионов, элементарных частиц. Нельзя вычислить абсолютное значение этой энер­гии для данной системы, так как она включает большое число труд­но поддающихся учету слагаемых, некоторые из них при современ­ном состоянии науки еще неизвестны. Поэтому в термодинамике вычисляют разность между запасом внутренней энергии системы для начального и конечного состояния.

Работа - любая макрофизическая форма передачи энергии.

Термодинамическое равновесие - это состояние системы, при ко­тором ее параметры не изменяются и она не обменивается с окру­жающей средой ни веществом, ни энергией.

Стационарное состояние системы характеризуется тем, что ее параметры также не изменяются во времени, но происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой.