Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Биология -> Кеплен С.Р. -> "Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов" -> 9

Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.

Кеплен С.Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов — М.: Мир, 1986. — 384 c.
Скачать (прямая ссылка): bioenergetika1986.djvu
Предыдущая << 1 .. 3 4 5 6 7 8 < 9 > 10 11 12 13 14 15 .. 155 >> Следующая

Уравнение (2.47) учитывает только скорости и сродство химических реакций, которые представляют собой скалярные процессы, не связанные с каким-либо направлением в пространстве. Чаще мы будем иметь дело с векторными процессами,
так как окружающая среда не обязательно гомогенна и в системе могут возникать потоки. В этом случае система, как правило, представляет собой мембрану, разделяющую различные области.
Мембранные процессы особенно благоприятны для применения неравновесной термодинамики, но, поскольку об этом имеется несколько обширных публикаций [1, 3—5], мы ограничимся кратким обзором. Для получения диссипативной функции рассмотрим устройство, показанное на рис. 2.3. Мембрана (0) встроена в соответствующую камеру и разделяет ее на два отсека (1) и (2). Отсеки заполнены разбавленными водными растворами, содержащими единственное проникающее растворенное вещество, которое может быть или не быть электролитом (концентрации его в двух отсеках могут различаться). Кроме того, растворы могут содержать одно или более
Рис. 2.3. Система транспорта: необратимый процесс протекает в мембране (0), которая установлена между отсеками (1) и (2). Область (3) ограничена жесткими адиабатическими стенками.
Т — температура, р — давление, Ар — разность гидростатических давлений по обе стороны мембраны, Е — разность электрических потенциалов между обратимыми электродами (см. текст), — поток t-ro компонента в указанном направлении.
непроникающих веществ. Предполагается также эффективное перемешивание. В отсеках установлены вертикальные трубки с отверстием достаточно широким, чтобы поддерживать разность давлений Ар фактически постоянной в течение продолжительного периода времени. В отсеках также имеются электроды, обратимые по одному из присутствующих ионов, например электроды Ag/AgCl5. Так как ионы хлора в растворах находятся в равновесии с ионами на электродах, то эти электроды рассматриваются как неотъемлемая часть отсеков.
Камера погружена в большую ванну с постоянной температурой воздуха (3), ограниченную адиабатическими стенками. Ясно, что области (1) — (3) на рис. 2.3 соответствуют области
(1) на рис. 2.2, а мембрана — области (0). Проникающие вещества могут двигаться между областью (1) и областью (2) под влиянием градиентов концентрации и/или электродвижущих сил; разность потенциалов между электродами по желанию может быть установлена на любом заданном уровне. По сравнению с обоими отсеками камеры мембрана является областью с малой вместимостью и быстро достигает стационарного состояния при данных условиях. Далее можно рассуждать так же, как при рассмотрении реакции (2.36). Но поскольку в этом случае г-й компонент может иметь заряд, в уравнении Гиббса необходимо учесть его электрохимический потенциал
Д; = Ц; + ZtF\1з (2.50)
где Zi — заряд иона г'-го компонента, F — число Фарадея, ф — электрический потенциал; ZiFty представляет собой электрический вклад в парциальную молярную свободную энергию. Однако необходимо отметить, что приведенный ниже вывод является общим и применим и к незаряженным компонентам, т. е.
при Zi = 0. Имеем
= т dSa> -pdVU)+ X $]dnV i
dU{2) = T dS{2) - p dVi2) + E ДTdfi?
i
dUW = T rfS<3> — pd F<3> (2.51)
Здесь под dn,w_, например, подразумевается общее изменение
концентрации ионов хлора в отсеке (2) как в растворе, так и на электроде. Таким образом, видно, что изменения в составе в областях (1) и (2), dnи dnf\ полностью отражают необратимый поток i-ro компонента через мембрану. Складывая уравнения (2.51) и учитывая, что сумма всех dll' и dV' равна нулю, получим
Т dS°6ax = — ? tf'dnP- Е Дfdnf
(2.52)
Поток г'-го компонента (/*) через мембрану со стороны (1) к (2) равен
jt = n\2) = -n{tl) (2.53)
и, следовательно,
ф = TSo6ta- = Е /, АД,- (2.54)
i
где Дг = р,у> — j^2> — разность электрохимических потенциалов i-го компонента с двух сторон мембраны6. Отметим, что так же, как в уравнении (2.47), диссипативная функция имеет форму суммы произведений сил и потоков. В нашем случае проникающим компонентом является вода, и единственным растворенным веществом может быть соль. Обозначая катион и анион
индексами 1 и 2 соответственно, а воду — w, получим
Ф = /шАм.ш + У1АД1 + /2Ац2 (2.55)
2.5. Диссипация свободной энергии в сопряженных скалярных и векторных процессах
Выше мы рассмотрели скорость диссипации свободной энергии отдельно в скалярных и векторных процессах. Однако в биологических системах скалярные и векторные процессы часто сочетаются. Например, метаболизм субстратов влечет за собой активный транспорт; с другой стороны, можно ожидать, что транспорт влияет на скорость сопряженной метаболической реакции. В таких сопряженных процессах свободная энергия, которая в других случаях должна была бы рассеиваться, будет в некоторой степени сохраняться. Таким образом, при активном транспорте химическая реакция, для которой vA больше нуля, может совершать электроосмотическую работу путем «переноса» г'-го компонента против его электрохимического градиента. В этом случае /,Ац(- меньше нуля. Тогда скорость производства энтропии равна
Предыдущая << 1 .. 3 4 5 6 7 8 < 9 > 10 11 12 13 14 15 .. 155 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed