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

36409. Выведите формулы спектра дискретного сигнала и проанализируйте его свойства 27.04 KB
  Спектральная плотность дискретного сигнала xTjω будем называть спектром дискретного сигнала. Спектр дискретного сигнала в отличие от аналогового периодичен по частоте с периодом fдискр. k=0123∞ Периодизация спектра обусловлена дискретизацией сигнала по времени.
36410. Приведите алгоритм дискретной обработки и получите передаточные функции и импульсную характеристику дискретной САУ 535.95 KB
  При построении дискретной САУ реализуется 2 подхода: Частота с которой ПК рассчитывает процессы так велика что интервал гораздо меньше всех постоянных времен НЧ. Если при этом и шаг квантования мал то САУ практически не отличается от непрерывной системы и если исполнительный механизм и объект меняются то и цифровая САУ меняется. В этом случае САУ нужно считать дискретными и процессы в них необходимо описывать с применением специального математического аппарата.
36411. Поясните способы определения выходного сигнала в дискретной САУ 148.07 KB
  1 способ: Перейти от к можно несколькими способами 2 способ: представить zпреобразование выходного сигнала: по таблице Анализ: 1 Первый способ более простой однако он обладает двумя недостатками: При делении полиномов получаются бесконечные ряды. Для получения приемлемого резта необходимо рассчитать большое количество членов ряда Если интеграл дискретизации выбран неверно то произойдет наложение спектральных составляющих которые существенно исказит выходной сигнал 2Преимущество второго способа состоит в том что сразу получается...
36412. Системы подчиненного регулирования параметров электропривода 25.03 KB
  Системы подчиненного регулирования параметров электропривода. ‘ возможность ограничить любой параметр на любом уровне Система с последовательной коррекцией или система подчиненного регулирования СПР удобны в расчетах и в настройках характерным является то что даже при существующих ошибках в определении параметров объекта системы остаются работоспособными и обладают запасом устойчивости и точности. Каждому регулируемому параметру соответствует свой датчик регулятор и контур регулирования. Контура регулирования вложены друг в друга...
36413. Приведите нелинейные модели САУ 16.25 KB
  Каждая СУ состоит их линейных и НЛЗ. Наличие одного НЛЗ делает всю САУ нелинейной. По матму описанию процессов НЛЗ делятся на статиче и динамиче. Описывся алгебраичми зависимочтями выхй величины от вхй Динамиче НЛЗ процессы котх описся НЛ ДУ например: Принципы нелинейности: а коэфты уря зависят от перх б степень произвх выше 1 и самой произвой в коэфт К зависит от самой производной ДУ будет НЛ если присутт хотя бы один из признаков нелинейности.
36414. Способы определения параметров динамических моделей 21.97 KB
  В зависимости от вида переходной характеристики кривой разгона задаются чаще всего одним из трех видов передаточной функции объекта управления: в виде передаточной функции инерционного звена первого порядкагде K T и коэффициент усиления постоянная времени и запаздывание которые должны быть определены в окрестности номинального режима работы объекта.Для объекта управления без самовыравнивания передаточная функция имеет вид: Более точнее динамику объекта описывает модель второго порядка с запаздыванием Экспериментальные методы определения...
36415. Поясните методы анализа устойчивости равновесных режимов нелинейных САУ 16.92 KB
  методыне дают полн. Методы анализа динамики НС: 1.Точные методы исследия динамики: метод прова сост: фазовой плоскости; изоклин; метод припасовывания метод точечного преобразования 2.
36416. Типовые способы настройки контуров в системах подчиненного регулирования 17.06 KB
  Типовые способы настройки контуров в системах подчиненного регулирования. Оптимизация контура выбор такого закона регулирования и параметров этого закона который в наибольшей степени соответствует требованиям статическим и динамическим характеристикам контура регулирования. Определение вида звена регулирования П И ПИ который обеспечивает наилучшие статические и динамические характеристики. Определение параметров регулирования постоянной времени коэффициента усиления и т.
36417. Критерий абсолютной устойчивости В.М.Попова 56.49 KB
  Критерий Попова в геометрическом варианте: для абсолютной устойчивости состояния равновесия НСАУ с устойчивой линейчатого и нелинейчатого характеристика которой лежит в секторе 0к достаточно чтобы модифицированный годограф Попова целиком лежал справа от прямой проходящей через точку 1 к j0с произвольным угловым коэффициентом 1 х. Обобщенный критерий Попова на случай нейтральной или неустойчивой линейной части: в этом случае корень характеристического уравнения линейной части имеет либо = 0 корень либо хотя бы 1 полис расположенный в...