89660

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ

Доклад

Биология и генетика

Тепловая энергия образующаяся в организме представляет собой конкретную форму связанной энергии биологической системы. Следовательно степень неупорядоченного молекулярного движения зависит не только от температуры но и еще от какихто свойств системы. Тогда : откуда Энтропия это физическая величина характеризующая значение данной системы приходящаяся на единицу температуры. Более детальный анализ первого начала термодинамики показывает что уравнение 1 справедливо только для случая когда температура системы постоянная и объем...

Русский

2015-05-13

120.6 KB

0 чел.

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ.

Тепловая энергия, образующаяся в организме, представляет собой конкретную форму, связанной энергии биологической системы. В условиях жизнедеятельности не может быть преобразовано ни в одну из форм работ, которые совершаются организмом. зависит от степени неупорядоченного движения молекул или атомов, при этом, ее количественной мерой является температура. Связь между и температурой - пропорциональна. Однако, величинав различных системах, имеющих одинаковую температуру, не всегда одинакова. Следовательно, степень неупорядоченного молекулярного движения зависит не только от температуры, но и еще от каких-то свойств системы. Эти свойства Клаузис в 1865 г. выразил в виде коэффициента, который обозначил S и назвал "энтропией". Тогда :

откуда ,

Энтропия - это физическая величина, характеризующая значение данной системы, приходящаяся на единицу температуры. Тогда, уравнение для первого начала термодинамики приобретает вид:

  - .

Более детальный анализ первого начала термодинамики показывает, что уравнение (1) справедливо только для случая, когда температура системы постоянная, и объем системы - постоянен. Если объем системы меняется, то первое начало термодинамики переписывается так:

(T- const, V – меняется) - ,

При T=const и V=const уравнение (1) имеет вид:

В организме человека температура постоянна, а изменения , как правило, незначительны. В этой связи, при рассмотрении большого жизненного процесса, можно использовать понятие по Гельмгольцу (уравнение ()). Однако, при рассмотрении процессов, связанных с газообменом, необходимо использовать понятие по Гиббсу (уравнение (2)). На практике представляет интерес не сама по себе , а ее изменения. Тогда уравнение () и (2) можно записать:

    

Состояние любой системы характеризуется макроскопическими параметрами, такими, как температура, давление, объем и т.д. Однако каждому состоянию соответствует большое число возможных значений параметров, характеризующих положение и скорости молекул, входящих в данную систему. В термодинамике их называют микроскопическими параметрами. Если поменять местами две идентичные молекулы, входящие в состав данной системы, то макроскопические параметры системы в целом не изменятся. Вероятность состояния системы, определяется степенью ее упорядоченности. Состояния, для которых характерна высокая упорядоченность, имеют относительно низкую вероятность. Мало упорядоченные состояния имеют высокую вероятность существования. С другой стороны, степень упорядоченности системы характеризуется ее энтропией. Следовательно, между энтропией состояния и его вероятностью существует зависимость, которую Больцман выразил формулой:

- постоянная Больцмана

- термодинамическая вероятность, то есть, число возможных микроскопических состояний, которым может быть реализовано данное макроскопическое состояние.

В реальных телах число молекул огромно, следовательно, количество вариантов каждого состояния очень велико, и термодинамическая вероятность выражается огромными числами .

точно подсчитать можно только в простых случаях. Согласно формуле Больцмана, при повышении возрастает энтропия. Вместе с тем, высокой вероятности характерна большая энтропия, к которой стремится любая система, если на нее не действуют внешние силы. Таким образом, энтропия указывает направление естественного процесса. В изолированной системе эти процессы приводят к возрастанию энтропии. При этом доля, связанной энергии системы возрастает, а доля свободной энергии системы - уменьшается.

Изменение энтропии системы можно выразить через обобщение силы и обобщение координаты, которые характеризуют данную систему. Уравнение имеет вид:

Отсюда легко найти скорость изменения энтропии. Эту величину называют диссипативной функцией, то есть:

Если в системе действует несколько процессов, то диссипативная функция имеет вид:

Диссипативную функцию рассчитывают на единицу объема, называют удельной продукцией энтропии – :

Эту функцию считают количественной мерой необратимости процесса, то есть, чем больше , тем дальше процесс находится от обратимого.

УПОРЯДОЧЕННОСТЬ СТРУКТУР В СВЕТЕ ВТОРОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Преобладающей тенденцией эволюции материи на всех уровнях ее существования, от скопления галактик до атомов, является стремление к организации и образованию структур. Причина этого заключается в том, что в любой реальной системе заключена сила взаимодействия ее частиц и, кроме того, система обычно подвергается действию внешних сил. При наличии таких сил, более выгодной в энергетическом отношении, как правило, является не хаотическая, а упорядоченная структура, так как она обеспечивает системе минимум свободной энергии. Так, при кристаллизации, энтропия системы уменьшается, но одновременно, значительно снижается внутренняя энергия, так как все ионы и атомы попадают в положение соответствующее минимальному значению энергии взаимодействия. Однако, сказанное справедливо при сравнительно низких температурах. Когда в выражение свободной энергии первый член вносит более существенный вклад, чем второй - энтропийный. При повышении температуры значение энтропийного фактора возрастает, а при определенной температуре, его роль становится преобладающей. Вот тогда термодинамически выгодно оказывается неупорядоченное состояние. Что проявляется в плавлении кристалла, то есть, изменяется агрегатное состояние вещества.

Расчет показывает, что у вируса табачной мозаики (ВТМ) будет минимальным при спиральной структуре. Именно такое строение обеспечивает ВТМ минимально свободную энергию, что и наблюдается в реальных условиях. Для других вирусов оказываются более выгодны другие формы структур (сферические, цилиндрические и т. д.)

Сочетание генетических и термодинамических факторов в процессе роста и развития характерно для всех живых организмов, вплоть до высших.

Полное изменение энтропии открытой системы можно представить в виде двух частей:

- причиной первой из них служат внутренние процессы, которые необратимы и сопровождаются выделением энергии;

- вторая часть обусловлена обменом энергии и веществом между системой и окружающей средой.

Тогда изменение энтропии можно представить:

Аналогично можно записать изменение полной свободной энергии для открытой системы:

Так как все реальные процессы в открытой системе необратимы, то всегда больше 0, а всегда меньше 0, что касается и , то знаки этих величин в различных ситуациях могут иметь разные значения. В ходе обмена с окружающей средой свободная энергия системы () может и увеличиваться и уменьшаться. В организме первый случай имеет место при усвоении пищи, а второй - при неблагоприятных воздействиях на организм, которые вызывают дополнительные затраты . Необходимо отметить, что накопление в открытой системе (и, соответственно, уменьшение ее энтропии) всегда сопряжено с возрастанием энтропии в окружающей среде, то есть, в других телах, с которыми связана данная система.

В термодинамических открытых системах необходимо учитывать непрерывное изменение и энтропии, обусловленные связью такой системы с постоянно меняющейся внешней средой, поэтому, при формулировании второго начала термодинамики для открытых систем, целесообразно ввести величину скорости изменения энтропии, которая будет определяться следующим выражением:

 , где

  - называется продукцией энтропии;

 - называется потоком энтропии.

На основе данного выражения, можно сформулировать второе начало термодинамики для открытых систем:

- в открытых системах внутреннее изменение энтропии всегда положительно, а внутреннее изменение всегда отрицательно.

 .

Этим подчеркивается необратимость реальных термодинамических процессов в закрытых системах.

Для изолированной системы: ,

Для поддержания жизни необходимо непрерывное поступление в организм из окружающей среды, чтобы пополнить постоянную убыль самого организма, идущей на выполнение работы во всех ее видах и поддержания энтропии организма постоянной. Потребление пищи обеспечивает с точки зрения термодинамики постоянный приток в организм . Так, за 60 лет жизни человек съедает примерно 14 тонн углеводов, примерно по 2,5 тонны белков и жиров, и выпивает примерно 56 тонн воды.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53836. Сценарий утренника «Дорога к звездам» 65.5 KB
  1й ученик: Взлетят ракеты к звездам в небеса. 2й ученик: Простой земной наш человек Пройдет Венеру к Марсу путь направит И на Луне сомненья в этом нет Он первым из людей свой след оставит. 3й ученик: Рассвет. 4й ученик: Живем мы на нашей планете В такой замечательный век И первый из первых в ракете...
53837. Сценарій виховного заходу для учнів 3-4 класів „Краса Космосу” 191 KB
  Вони помітили що Сонце світить набагато яскравіше ніж Місяць що зміна дня й ночі має ритмічний характер. Уранці Сонце підіймається в певному місці проходячи при цьому визначений шлях. Запитання для бесіди: Чи розглядали ви колинебудь зоряне небо Чи бачили як падають зорі Чи розглядали як світить місяць на небі Як світить сонце Які почуття вас охоплюють коли ви дивитися у небо Чому на вашу думку люди іноді надовго затримують свій погляд у небі Що вони там бачать Про що мріють І учень. Я пропоную вам доповнитит це...
53838. Космический рейс. Посвящается 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина 1.86 MB
  Почему люди тянутся к звездам Почему в наших песнях герой – это сокол Почему все прекрасное что он создал Человек помолчав называет Высоким Ведущий 2 Так кто же такой Юрий Гагарин – первый космонавт планеты Земля бесстрашный рацарь космоса. Взгляд материнский устремляя к сини Не сомневаясь в стойкости его Следила благодарная Земля За яркой трассой сына своего. Оно во все врывается края Во все сердца как ласточка влетает И мать-земля дыханье затая Полет героя-сына наблюдает.
53839. Космічна мандрівка. Відкритий урок у початковій школі. Інтегрований урок з природознавства і математики (4 клас) 63.5 KB
  Це найближча до Сонця планета її відстань до Сонця змінюється від 46 до 70 млн. Це найшвидша планета адже за рік вона оббігає навколо Сонця аж 4рази. А дізнатися що ближче до Сонця: Земля чи Меркурій і на скільки ви зможете розв’язавши задачу: Відстань від Сонця до Землі в средньому 150 млн.км а від Сонця до Меркурія 58 млн.
53840. Закрепление изученного материала. Сложение и вычитание в пределах 100 43.5 KB
  Оборудование: Интерактивная доска презентация учебник цепочка чисел. 9 7 = 16 о 30 4 = 34 а 60 20 = 80 у 70 – 1 = 69 б 12 – 7 = 5 р 28 – 20 = 8 и 96 1 = 97 т 8 6 = 14 н Чему равна сумма чисел 9 и 7 16 Чему равна сумма чисел 60 и 20 80 Чему равна разность чисел 12 и 7 5 Чему равна сумма чисел 96 и 1 97...
53841. Адресовані людям вірші – найщиріший у світі лист, присвяченої творчості Ліни Костенко 108.5 KB
  Обладнання: мультимедійна апаратура портрет Ліни Костенко виставка книг поетеси плакати з висловами: Не забувайте незабутнє І не знецінюйте коштовне Не загубіться у юрбі. Костенко Не бійся прикрого рядка Прозрінь не бійсябо вони як піки Не бійся правди хоч яка гірка Не бійся смутків хоч вони як ріки. Костенко Творчість Ліни Костенко – приклад шляхетного служіння поезії.
53842. Анализ финансово-хозяйственной деятельности предприятия, классификация задач анализа 28.5 KB
  Анализ финансово-хозяйственную деятельность предприятия входит в число основных направлений деятельности финансового менеджера. Он формирует объективную основу успешного управления финансами организации.
53843. Коти – пухнасті улюбленці людей. Історія одомашнювання кішки. Породи котів 150.5 KB
  Історія одомашнювання кішки. Кішки Діти а у кого дома є кішечка або котик Розповіді дітей про своїх улюбленців. Історичні відомості з одомашнювання кішки розповідь учителя. Діти а чи знаєте ви що протягом багатьох століть кішки вважалися тваринами загадковими таємничими повязаними з надприродними силами.
53844. Сценарій виховного заходу за темою: «Наша мрія крилата – стати справжніми козачатами» 72 KB
  Не сумуйте гори й ріки Не журиться мами: Коли виростем великі – Будем козаками Приспів: Гей хто любить Наш козацький край З нами разом Козаком ставай Хлопець: Мамо моя За час за годину Свиснуть кулі заграють гармати. Звучить пісня Гей на горі та й женці жнуть. Для присяги звучить пісня Гей там на горі Січ іде: Гей там на горі Січ іде. Гей малиновий стяг несе.