Физиология растений - Лебедев С.И.
ISBN 5-10-000574-2
Скачать (прямая ссылка):
Энтропия системы (от греч. еп — в, внутрь, trope — превращение) — это мера приближения ее к равновесию.
В. Уильямс и X. Уильямс разъясняют это. так. Сжатая пружина, например, имеет низкую энтропию, а эта же пружина, но раскрученная, обладает высокой энтропией. В условиях постоянства энергии у системы сильно выражена способность к' изменению своего состояния — ее энтропия мала, если же система находится в равновесии, то ее энтропия относительно высока.
Энтропия (5)—это не какая-то материальная величина, как, например, объем или масса какой-либо жидкости, газа или твердого тела, а показатель состояния системы, математическая функция, зависящая от ряда переменных величин
(температуры, давления, состава среды), которые можно определить экспериментально. Совокупность изменений всех этих величин характеризуется функцией энтропии. Энтропию следует рассматривать как показатель состояния системы, ее способность к самопроизвольным превращениям: чем больше исчерпывает система свою способность к спонтанным изменениям, тем больше ее энтропия, чем в большей степени система утратила свою способность к самопроизвольным изменениям, чем больше эта способность исчерпана, тем выше ее энтропия.
Математическая формулировка второго закона термодинамики может быть разной.
В замкнутой системе:
1) AS (система + ее окружение) =0 — для обратимых равновесных процессов;
.2) А5>0 — для реальных необратимых процессов, или yl<Gi—G2, где А — работа; знак неравенства относится к необратимым процессам, знак равенства — к обратимым.
Энтропию выражают в энтропийных единицах (э. ед.) — кДж-К"1-моль-1 для 25°С (298,16 К), т. е. i°2g8.
Второй закон определяет одновременно энтропию S и термодинамическую шкалу температур: dSoa^r — dq/T, где dq — бесконечно малое количество поглощенного тепла.
Для обратимого фазового перехода, каким является, например, плавление льда при постоянных давлении и температуре, изменение энтропии НгО в точности соответствует АН/Т. Поскольку плавление льда — обратимый процесс, второй закон утверждает, что энтропия окружения уменьшается на ту же величину, на которую возрастает энтропия воды. Для воды при 0°С ТА5 энтропия численно равна теплоте плавления льда—¦ 6,008 кДж-моль-1. Когда лед плавится, энтропия возрастает,, поскольку структура становится менее упорядоченной.
Энтропия увеличивается при переходе вещества в состояние с большей энергией:
AS сублимации>А5 парообразования>Д5 плавлеиия>
>AS полиморфного превращения.
Например, энтропия воды в кристаллическом состоянии равна 11,5 э. ед., в жидком—16,75, в газообразном — 45,11 э. ед.
Понятие энтропии, как показал впервые Э. Щредингер, существенно для понимания явлений жизни. Организм и протекающие в нем физико-химические процессы можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном стационарном состоянии. Для организмов характерна сбалансированность процессов, ведущих к увеличению энтропии, и процессов обмена, уменьшающих ее. Однако жизнь не сводится к простой совокупности физико-химических процессов, ей свойственны процессы саморегулирования (субстратное, аллостерическое, генетическое). Поэтому с помощью по-
нятия энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность растительного организма в целом, но оно вполне применимо к таким процессам, как водообмен, дыхание, фотосинтез и др. Второй закон термодинамики позволяет выделить ту часть энергии, которая способна производить работу.
При объединении первого и второго законов термодинамики получают следующее уравнение:
ДЕ+ЯДУ—ГД5=ДО<0.
Левая часть этого уравнения носит название «изменение функции свободной энергии Гиббса» и обозначается AG. Если AG меньше нуля, то реакция может протекать лишь при получении необходимого дополнительного количества энергии иа внешней среды — свободной энергии Гиббса (G), или, как ее часто называют, химический потенциал. Таким образом, AG — = AE+PAV—T AS,
Если значение AG для данной реакции отрицательное, то реакция может протекать самопроизвольно, если AG = 0, то система находится в равновесии, а если значение AG положительное, то реакция (процесс) не может происходить спонтанно, Однако, если каким-то образом этот процесс связан с другим процессом, который сопровождается уменьшением свободной энергии, то второй процесс послужит движущей силой для первого. Такие процессы наблюдаются в организмах при сопряженном протекании экзергонических и эндергонических реакций обмена веществ и энергии.
Физический смысл понятия «свободная энергия» заключается в том, что макроскопическая работа при изотермическом процессе, определяемая разницей свободной энергии между двумя точками в системе, способна превратиться в работу
В растительных клетках с участием ферментов самопроизвольно могут протекать экзергоническне реакции, характеризующиеся отрицательным изменением химического потенциала (—AG). Наряду с этим в клетках постоянно идут эндергониче-ские процессы синтеза белков из аминокислот, полисахаридов из простых углеводов, жиров, алкалоидов, гликозидов, пигментов и других сложных соединений из более простых, которые требуют затраты энергии и получают ее за счет сопряженных экзергонических .процессов,
