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

64288. ФУНКЦІОНАЛЬНИЙ ВЗАЄМОЗВ‘ЯЗОК МАСОГАБАРИТНИХ Й ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ТРАНСФОРМАТОРІВ 247.5 KB
  Зокрема в Україні як під впливом сусідства з Росією так й у зв‘язку з розвитком співробітництва в області трансформаторобудування із країнами Євросоюзу і в країнах Близького Сходу через відсутність у них власної електромашинобудівної індустрії...
64289. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ МАРШРУТИЗАЦІЇ З КОНВЕРСІЄЮ ДОВЖИНИ ХВИЛІ 850.5 KB
  Проте методи маршрутизації в повністю оптичних мережах з використанням конверсії довжини хвилі а також методи оптимального розташування конвертерів для мінімізації їх числа не зважаючи на величезне число робіт в даний час відсутні.
64290. ПСИХОЛОГІЧНІ ЧИННИКИ ДИНАМІКИ СУБ’ЄКТНОСТІ МАЙБУТНЬОГО ВЧИТЕЛЯ У ПРОЦЕСІ НАВЧАЛЬНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ 188 KB
  Розвиток людини як суб'єкта діяльності стає метою сучасної освіти та важливою проблемою психології. Категорія суб'єкт має давню історію у вітчизняній психології.
64291. ДОГОВІР ПРО НАДАННЯ ПОСЛУГ У МЕРЕЖІ ІНТЕРНЕТ 146.5 KB
  Актуальність теми дослідження зумовлена стрімким поширенням новітніх комунікаційних та інформаційних технологій та потребою віднайти адекватні правові форми для регулювання відносин щодо набуття зміни та припинення цивільних прав...
64292. БЕЗКОНФЛІКТНЕ УПРАВЛІННЯ ЕКОНОМІЧНИМИ ВЗАЄМОДІЯМИ НА ПРОМИСЛОВОМУ ПІДПРИЄМСТВІ 514 KB
  Відомо, що машинобудівний комплекс є сполучною ланкою між металургійною, гірничою, хімічною та багатьма іншими галузями промисловості і визначає рівень загального розвитку економіки країни.
64293. ЗАХИСТ ПРАВА ЛЮДИНИ НА ОСОБИСТУ СВОБОДУ В КОНТЕКСТІ ПРОТИДІЇ ТОРГІВЛІ ЛЮДЬМИ: ФІЛОСОФСЬКО-ПРАВОВІ ЗАСАДИ 136.5 KB
  Можна відзначити що сутність цього соціального феномену полягає в запереченні свободи людини у зв’язку з чим головною засадою протидії таким порушенням слід вважати відповідний захист свободи.
64294. РОЗВИТОК Я-КОНЦЕПЦІЇ ОСОБИСТОСТІ МАЙБУТНЬОГО СОЦІАЛЬНОГО ПРАЦІВНИКА У ВИЩОМУ НАВЧАЛЬНОМУ ЗАКЛАДІ 231.5 KB
  Забезпечення ефективності вирішення складного комплексу цих проблем вимагає повноцінних теоретичних концепцій соціальної роботи як професійної діяльності насамперед розвитку адекватної і гармонійної Я-концепції самого працівника соціальної сфери наявність...
64295. СПЕКТРАЛЬНІ ПРОЯВИ ВЗАЄМОДІЇ ІЗОХІНОЛІНОВИХ АЛКАЛОЇДІВ З ДНК 249.5 KB
  Взаємодія низькомолекулярних лігандів з ДНК має широкий спектр застосувань: медичні препарати зокрема протипухлинні та імуномодулюючі флуоресцентні зонди тощо.
64296. МЕТОДИКА ВИРОБНИЧОГО НАВЧАННЯ МАЙБУТНІХ КРАВЦІВ У ПТНЗ ЗАСОБАМИ ІНТЕГРОВАНИХ МІКРОМОДУЛІВ 269.5 KB
  Основи створення методичних систем виробничого навчання та підвищення ефективності професійної підготовки кваліфікованих робітників розроблено в працях В. Перспективним напрямком інтеграції при створенні методичних систем навчання є використання модульного та мікромодульного...