Физиология растений - Лебедев С.И.
ISBN 5-10-000574-2
Скачать (прямая ссылка):
Такие состояния, называемые стандартными, и являются точками отсчета для измерений изменения состояний в системе. Стандартные состояния для каждого вещества избирают произвольно.
Термодинамика использует обозначения, необходимые для написания уравнений, в которых фигурируют те или иные формы энергии. Ниже приводятся символы, которые отражают следующие термодинамические функции: Е — внутренняя энергия (иногда ее обозначают U); Я—-энтальпия (теплосодержание); 5 —энтропия (превращение, рассеивание энергии); G — свободная энергия Гиббса (обозначают также буквой F); W — работа,; Q — теплота.
Функции Н, Е, G и Q имеют размерность энергии (Дж). Функцию 5 выражают в джоулях, деленных на градусы, следовательно, TS имеет размерность энергии (Дж).
Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии. Впервые был сформулирован Гельмгольцем в 1847 г. Со-
временные знания позволяют расширить содержание этого закона. В соответствии с уравнением А. Эйнштейна Е—тс2 его формулируют как закон сохранения энергии, закон эквивалентности работы и теплоты, когда разные формы энергии переходят одна в другую.
Согласно приведенному уравнению, коэффициент, связывающий массу и энергию при их взаимопревращениях, равен квадрату скорости света, т. е. один грамм массы может быть превращен в (1) - (с®) единиц энергии или 9• 1020 эргов.
Первый закон постулирует, что существует функция Е, называемая внутренней энергией, которая определяется состоянием системы в данный момент. Согласно этому закону, Е может изменяться только в процессе передачи энергии в виде теплоты или при совершении работы, иными словами, энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Математически первый закон термодинамики выражают так:
\Е=Е (продуктов) — Е (реагентов) =Q—W,
где Q — теплота, полученная системой из внешней среды; W — работа, совершенная системой над ее окружением; энергия, теплота к работа измеряются в одних н тех же единицах (Дж).
Работа, выполняемая системой, может быть механической (например, работа по изменению внешнего объема), электрической (зарядка аккумулятора) или химической (синтез полипептидов из аминокислот).
Для изолированной системы любое изменение ее внутренней энергии можно описать уравнением; AE = Q + W, тг е. увеличение внутренней энергии системы равно сумме тепла, переданного ей, и работы, совершаемой окружающей средой над системой.
Так, если свободный ион меди и молекула белка (Р) находятся в контакте друг с другом, то они могут спонтанно образовать комплексное соединение; Р + Сиа+-»-Р—Си2'1'. Для этой реакции АЕ составляет +12,54 кДж, т. е. внутренняя энергия комплекса Р—Си2'1" на 12,54 кДж больше суммарной энергии белка (Р) и Си2+, взятых в отдельности. В ходе превращения и образования комплексного соединения система спонтанно поглощает тепло (в данном случае 12,54 кДж) из окружающей среды.
Первый закон термодинамики позволяет составить общий баланс энергетических превращений, сопровождающих данный процесс. Итак, он гласит, что энергия не создается заново и не исчезает, а может переходить из одной формы в другую, при этом все формы энергии — химическая, механическая, электрическая или лучистая — взаимопревращаемы. Общее количество энергии любой изолированной системы остается постоянным. Первый закон термодинамики применим и к живым системам.
Энтальпия. Химические и биохимические реакции чаще протекают при постоянном давлении (обычно равном 1 атм), чем при постоянном .объеме. Поэтому в качестве термодинамической функции используют не внутреннюю энергию (Е), а энтальпию (Я), или теплосодержание, определяемую как Я = =E + PV (где Р — давление, V — объем).
Энтальпия Я характеризуется как функция состояния системы, и, поскольку абсолютные значения Я и Е неизвестны, для определения ее используют язык приращений: АН — &Е + + PAV.
Термин «энтальпия» введен для того, чтобы отличить Я от Е, Если работа по изменению объема настолько мала, что ею можно пренебречь, Е = Н.
Второй закон термодинамики. Энтропия и свободная энергия. Наблюдения, что тепло всегда переходит от теплого тела к холодному и никогда не происходит обратного процесса, принцип, сформулированный Клаузиусом, что тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретых тел к более нагретым без затраты работы над системой, привели к открытию второго закона термодинамики и к введению термодинамической функции — энтропии (S).
Второй закон отражает следующее положение: все системы самопроизвольно меняются таким образом, что уменьшается их способность к изменению, т. е. они стремятся к состоянию равновесия. Об этом свидетельствуют многочисленные примеры: вода течет сверху вниз, тепло переносится от нагретых тел к более холодным, электрический заряд проходит через сопротивление от высокого потенциала к низкому, растворяемое вещество равномерно распределяется по всему раствору, химические реакции протекают в том направлении, при котором возможно минимальное изменение термодинамических свойств реагирующих веществ, в живых организмах (по достижении определенного возраста) начинается самопроизвольный процесс старения.
