1. Все биологические объекты для поддержания жизни требуют поступления энергии 2. Все биологические процессы связаны с передачей энергии Свойства живых существ: ХРАНЕНИЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГИИ
• Растения способны получаемую энергию солнца накапливать в процессе фотосинтеза в форме энергии химических связей органических веществ. • Животные используют энергию химических связей органических веществ, получаемых с пищей. • Метаболические процессы – окислительновосстановительные реакции • Синтез и гидролиз макроэргических соединений • Транспорт веществ и ионов через клеточные мембраны • Двигательная активность
Превращения энергии в живых системах происходят в пределах ограничений ТД-их принципов Основные принципы ТД универсальны для живой и неживой природы
ТД система - Совокупность тел в определенном пространстве, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами (внешней средой), обмениваться с ними энергией и веществом. - Часть пространства с материальным содержимым, ограниченная поверхностью раздела. Область вне оболочки – окружающая среда.
Три типа систем: • ИЗОЛИРОВАННЫЕ системы не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом. • ЗАКРЫТЫЕ системы обмениваются только энергией. • ОТКРЫТЫЕ термодинамические системы обмениваются со средой энергией и веществом.
ТД параметры состояния Макроскопические (физические) переменные величины, с помощью которых можно описать состояние конкретной термодинамической системы в данное время. Экстенсивные (А д д и т и в н о с т ь) Интенсивные не зависят от общего количества вещества в системе • Р – давление, Па (паскаль) • Т – температура, К (кельвин) • ρ – плотность , кг/м 3 • n – молярная концентрация, моль зависят от количества вещества в системе • V – объем, м 3 = 103 л • m – масса, кг • C– число молей вещества в системе
Термодинамическое состояние системы – совокупность физико-химических параметров, которыми она обладает в данный момент времени Любой вид затрачиваемой на совершение работы энергии выражается через произведение интенсивного (силового) параметра на экстенсивный. Пример: δA= pd. V работа упругого расширения – это произведение давления на изменение объема
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ • - это полностью стабильное состояние, в котором система может находиться в течение неограниченного периода времени. • - в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников. • Если изолированная система выведена из равновесия, она стремится возвратиться к этому состоянию самопроизвольно.
Состояние называется стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются. • Неравновесные состояния – их параметры различны в разных точках объема, что приводит к наличию постоянных градиентов и сил, и создаваемых ими потоков вещества и энергии за счет поступления энергии из внешней среды. Равновесные, или обратимые, процессы протекают в системе т. о. , что вызванные ими изменения в состоянии системы могут произойти в обратной последовательности без дополнительных изменений в окружающей среде. Неравновесные, или необратимые, процессы их протекание в обратном направлении сопровождается остаточными изменениями в окружающей среде.
Типы термодинамических систем: Открытые Неравновесные стационарные Т 1 > Т 2 > Т 3 const Р 1 > Р 2 > Р 3 const вещество const энергия Закрытые Неравновесные стационарные Т 1 > Т 2 > Т 3 const Т 1 = Т 2 = Т 3 const Р 1 > Р 2 > Р 3 const Изолированные Равновесные стационарные const вещество энергия Р 1 = Р 2 = Р 3 вещество Объектом изучения неравновесной термодинамики является живой организм, которые представляет собой открытую стационарную неравновесную систему. энергия
Внутренняя энергия • Внутренняя энергия системы - сумма кинетической и потенциальной энергии всех молекул, составляющих систему. • Общая энергия системы – ее общий запас, обусловленный всеми видами движений и взаимодействий составляющих ее молекул, атомов, ионов, элементарных частиц.
Формы передачи энергии: • Работа /А , ед. изм. Джоуль/. • Теплота /Q , ед. изм. Джоуль/ является энергией, переданной от одной системы другой из-за разницы их температур.
Пути теплопередачи: • Теплопроводность - процесс теплопередачи между объектами при их непосредственном контакте. • Конвекция - это процесс теплопередачи с одного объекта на другой движением жидкости или газа. • Излучение, при котором теплота передаётся электромагнитными волнами разной длины волны.
Работа Может совершается: • над системой (при действии определённых сил) • или в самой системе. Путь совершения работы может быть различным. В биологических системах совершаются различные формы работы: • механическая работа, выполняемая против механических сил • осмотическая работа, состоящая в транспорте различных веществ благодаря разности их концентраций • электрическая работа, заключающаяся в ионном транспорте в электрическом поле
Первое начало термодинамики Общая энергия в изолированной системе - величина постоянная и не изменяется во времени, а лишь переходит из одной формы другую. δQ = d. U + δA теплота δQ, поглощенная системой из внешней среды, идет на увеличение внутренней энергии d. U системы и совершение работы δA против внешних сил.
• При передаче теплоты в систему ΔQ положительно • При передаче теплоты системой ΔQ отрицательно. • Работа, совершённая системой считается положительной • Работа, совершённая над системой - отрицательна. В общем случае δA включает работу против сил внешнего давления pd. V (где р – давление, d. V – изменение объема) и максимальную полезную работу δAmax, сопровождающую химические превращения: δA= δAmax+ pd. V
«О теплоте» Лаплас Пьер 1783 г. Лавуазье Антуан Лоран (1743 -1794) -Симон (17491827)
Ледяной калориметр Лавуазье и Лапласа Пневматическая установка Корзиночка закрывалась крышкой. Пространство вокруг нее и над ней плотно набивалось чистым льдом, смоченным несколько водой. Этот лед таял под влиянием выделявшегося при опыте тепла. F кран для выпуска образовавшейся воды. Чтобы защитить этот лед от внешних влияний, между стенками и в крышке сосуда D тоже помещаются куски льда; образовавшаяся здесь вода вытекает через кран E. Зная количество расплавленного при опыте льда и теплоту плавления его, легко сделать все расчеты.
Первое начало ТД для живых систем: сжигание углеводов в калориметре: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O Углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4, 1 килокалории (к. Кал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Пути превращения продуктов питания в метаболических процессах живого организма и в химических реакциях вне живой клетки являются эквивалентными с точки зрения суммарных тепловых эффектов
закон Гесса тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы. Тепловой эффект химической реакции зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.
Исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1 грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): • углеводы - 4, 1; • белки - 4, 1; • жиры - 9, 3. Калория (от лат. calor - тепло), внесистемная единица количества теплоты. 1 кал = 4, 1868 дж Количество энергии, поглощенной за сутки животным организмом вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте. Сами по себе организмы не являются независимым источником какой либо новой формы энергии.
Вернемся к уравнению : δA= δAmax+ pd. V, которое может быть записано следующим образом: δAmax = δA – pd. V, • Для любой работы против упругих (или механических) сил можно записать: δAmax = Fd. X , где F – соответствующим образом определенная сила, d. X – смещение в направлении силы При наличии многих сил: N δAm= ∑ Fidxi i=1 • Элементарное приращение работы против электрических сил может быть представлено в виде суммы произведений электродвижущих сил Еi на приращение зарядов dqi: М δAЕ= ∑ Еi dqi i=1 • Для химической работы : К δAС = ∑ nk. Pkd (1/ck) к=1 где k = 1, 2 …. К; nk– число молей вещества сорта k; Pk - осмотическое давление; 1/ck– объем, приходящийся на 1 моль данного вещества
Виды теплоты Теплопродукция У гомойотермных животных в покое: 50% всей теплоты образуется в органах брюшной полости, 20% - в скелетных мышцах, 10% - при работе органов дыхания и кровообращения. Первичная теплота - это результат неизбежного рассеивания энергии в ходе реакций диссимиляции из-за необратимо протекающих биохимических реакций. Первичная теплота выделяется сразу же после поглощения организмом кислорода и продуктов питания независимо от того, совершает он работу или нет. Она идет на нагревание организма и рассеивается в окружающем пространстве. Выделение вторичной теплоты наблюдается лишь при реализации энергии макроэргических соединений (АТФ, ГТФ). Идет на совершение полезной работы.
Удельная теплопродукция – это количество теплоты, выделяемое единицей массы животного в единицу времени: q = Q T / μT , где QT - количество теплоты, выделенное в единицу времени, μT - единица массы, q - удельная теплопродукция. Теплопродукция пропорциональна массе животного и может быть определена как сумма Qв + Qс, где Qв –теплота выделяемая при взаимодействии клеток между собой и пропорциональна массе тела (М), Qс – теплота, выделяемая при взаимодействии организма с окружающей средой, т. е. пропорциональна площади его поверхности (M 2/3). QT = а. М + b/M 2/3 q = a + b/M 2/3 , где а – количество клеток, b – площадь поверхности, М – масса тела животного.
Удельная теплопродукция уменьшается с увеличением массы животного:
Литература: • И. А. Рыбин Лекции по биофизике, издательство Ур. ГУ, 1994 г. • М. В. Волькенштейн БИОФИЗИКА, М: Наука, 1988 г. • А. Б. Рубин Биофизика, 1 -2 том, М: Наука, 2004 г. • Учебник под ред. В. Ф. Антонова Биофизика, Владос, 2003 г. • Учебник под ред. В. Г. Артюхова Биофизика, деловая книга, 2009 г.
Семинар «История становления биофизики. Методы изучения в биофизике» • Зарождение биофизики (XVII век) • Развитие биофизики (XIX и XX вв) • Становление и развитие биофизики в России • Биофизика нового времени • Методы биофизики • Определение понятия «Жизнь»
Скачать презентацию 1 Все биологические объекты для поддержания жизни требуют
биофизика_002.ppt