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

77942. КОНТРОЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 18 KB
  В лазерных технологиях существенное значение имеют параметры потоков жидкостей и газов: равномерность движения рабочего тела газового лазера расход охлаждающей жидкости квантрона твердотельного лазера параметры струи защитного газа параметры струи продуктов распада и испарения материала из зоны обработки Стабилизация параметров потока путем стабилизации параметров устройств формирующих поток исчерпала свои возможности. Компенсацию влияния процесса на параметы потока можно организовать при помощи системы...
77943. Эффективность функционирования маркетинговой деятельности организации 109.5 KB
  Контроль маркетинговой деятельности. Маркетинговый контроль позволяет выявить положительные и отрицательные моменты в конкурентных возможностях организации и внести соответствующие коррективы в ее маркетинговые программы и планы предпринимательской деятельности. Контроль маркетинговой деятельности как правило предполагает: контроль за реализацией и анализ возможностей сбыта; контроль прибыльности и анализ маркетинговых затрат; стратегический контроль и ревизию маркетинга.
77944. Товар и его маркетинговая характеристика 67 KB
  Качество совокупность характеристик продукта которые отвечают на вопрос: Какой продукт произведен. Казалось бы вопрос о качестве продукта прост. Потребители могут не замечать очень важных характеристик продукта которые действительно в нем присутствуют и дополнять свой образ качества продукта такими характеристиками положительными или отрицательными которые в продукте отсутствуют но включаются в понятие качества продукта . Качество продукта в маркетинговом понимании это множество совокупностей характеристик составляющих...
77945. Современная концепция маркетинга 70.5 KB
  Сущность определение и роль маркетинга Термин маркетинг появился в экономической литературе в США на рубеже XIX и XX столетий и в буквальном смысле означает рыночную деятельность работу с рынком. Существует более двух тысяч определений маркетинга это: предпринимательская деятельность; система взглядов; реклама; система управления сбытовой деятельностью философия бизнеса и др. Следует отметить что среди специалистов нет общепринятого определения маркетинга.
77946. Маркетинговая среда организации. Матрица SWOT 136.5 KB
  Факторы маркетинговой среды организации Факторы Характеристика 1 2 Экономические изменение ВВП; инвестиционная активность; изменение ставок; конъюнктура рынка; структура доходов и расходов между группами населения; темпы инфляции; уровень безработицы; нормы налогообложения платежный баланс норма накопления величина номинальной и реальной заработной платы Демографические численность населения; рождаемость; возрастная структура; численность населения; расселение по регионам; квалификация трудовых ресурсов Научнотехнические новые...
77947. ТИПЫ РЫНКОВ И МАРКЕТИНГОВАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ КОМПАНИИ 441 KB
  Стратегические и конъюнктурные приоритеты маркетинга Анализ рынка продукции. Комплексное исследование товарного рынка. Стратегические и конъюнктурные приоритеты маркетинга Стратегический маркетинг выполняет следующие функции: анализа рыночных возможностей; изучения конъюнктуры рынка; анализа возможностей конкурентов и их преимуществ; сегментации рынка и определения модели покупательского поведения; разработка прогноза спроса и предложения; определения стратегии маркетинга на рынке...
77948. Маркетинговые исследования и система маркетинговой информации 113.5 KB
  Система маркетинговой информации и методы ее сбора. Формулирование целей маркетинговых исследований Определение потенциальных источников информации Сбор информации и ее классификация Анализ собранных данных Формулирование результатов исследований Разработка рекомендаций руководству фирмы Рисунок. Информационное обеспечение систем маркетинга Комплекс средств и методов оформления маркетинговой документации организации хранения данных кодирования и поиска информации...
77949. Характеристика и основные элементы рынка 492 KB
  Характеристика и основные элементы рынка. Понятие рынка и емкости рынка. Наиболее простое определение рынка присущее любой модели рыночной экономики японской американской скандинавской и др. Однако это определение не выявляет глубинных свойств рынка как экономического феномена.
77950. Организация и управление маркетинговой деятельностью 154 KB
  Становится все труднее разрабатывать планы для каждого отдельного вида товара или рынка оценить эффективность различных рекламных мероприятий по каждому товару возникают проблемы с решениями о выходе на рынок с новыми товарами. Когда количество товаров и рынков превышает 7 9 на одного человека возникает реальная опасность того что некоторым товарам и рынкам не будет уделено достаточного внимания...