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

36292. Журнализация изменений БД, файл журнала, контрольные точки 31.5 KB
  Это требование предполагает возможность восстановления согласованного состояния базы данных после любого программного или аппаратного сбоя. Типичная СУБД должна предоставлять такие функции восстановления как: механизм резервного копирования предназначенный для периодического создания копий базы данных; средства ведения журнала в котором фиксируются текущее состояние транзакций и вносимые в базы данных изменения; функция создания контрольных точек обеспечивающая перенос выполняемых в базе данных изменений во вторичную помять с целью...
36293. Восстановление базы данных 28 KB
  При этом надо устранить последствия операторов модификации базы данных которые выполнялись в этой транзакции. Ситуация характеризуется потерей той части базы данных которая к моменту сбоя содержалась в буферах оперативной памяти. Восстановление после поломки основного внешнего носителя базы данных жесткий сбой.
36294. Техническое задание. Основные разделы 36.5 KB
  Техническое задание это документ определяющий цели требования и основные исходные данные необходимые для разработки автоматизированной системы управления. требования к программе или программному изделию; требования к функциональным характеристикам; требования к составу выполняемых функций организации входных и выходных данных временным характеристикам требования к надежности; требования к обеспечению надежного функционирования обеспечения устойчивого функционирования контроль входной и выходной информации время восстановления...
36295. Состав и содержание работ на стадиях внедрения, эксплуатации и сопровождения проекта 39.5 KB
  Недостатком первого подхода является увеличение длительности внедрения что ведет за собой рост стоимости проекта. При использовании второго подхода сокращается время внедрения но возникает возможность пропуска ошибок в проектной документации поэтому чаще всего используют смешанный метод внедрения проекта ЭИС. Внедрение проекта осуществляется в течение трех этапов: подготовка объекта к внедрению; опытное внедрение; сдача проекта в промышленную эксплуатацию.
36296. САSЕ – средства, классификация 26 KB
  Аббревиатура САSЕ Соmputеrаidеd Softwre Епgineering автоматизированная разработка ПО обозначает специальный тип программного обеспечения предназначенного для поддержки отдельных этапов создания ПО таких как разработка требований проектирование кодирование и тестирование программ. Поэтому к САSЕсредствам относятся редакторы проектов словари данных компиляторы отладчики средства построения систем и т. САSЕтехнологии предлагают поддержку процесса создания ПО путем автоматизации которых этапов разработки а также создания и...
36297. Типы пользовательского интерфейса 27.5 KB
  Процедурно-ориентированный интерфейс использует традиционную модель взаимодействия с пользователем основанную на понятиях процедура и операция. Объектно-ориентированные интерфейсы используют модель взаимодействия с пользователем ориентированную на манипулирование объектами предметной области. Процедурноориентированные интерфейсы: 1Обеспечивает пользователю функции необходимые для выполнения задач; 2Акцент делается на задачи; 3Пиктограммы представляют приложения окна или операции; 4Содержание папок и справочников отражается с...
36298. Понятие рекурсии. Прямая и косвенная рекурсия 23.5 KB
  Рекурсия – это такой способ организации программы когда процедура или функция в ходе выполнения составляющих ее операторов обращается сама к себе. Примером программы с использованием рекурсии может быть программа вычисления факториала числа. Программы которые используют рекурсивные процедуры отличаются простотой наглядностью и компактностью текста. Максимальное число рекурсивных вызовов процедуры без возвратов которое происходит во время выполнения программы называется глубиной рекурсии.
36299. Работа с динамическими переменными 394 KB
  Использование идентификатора указателя в программе означает обращение к адресу ячейки памяти на которую он указывает. Выделение и освобождение памяти под динамические переменные выполняется стандартными процедурами New Dispose во время работы программы. Р В неопределенном состоянии указатель бывает в начале работы программы до первого присваивания ему или конкретного адреса или пустого адреса nil а также после освобождения области памяти на которую он указывает. b:=nil; Процедура New: выделяет область памяти соответственно тому...
36300. Теория автоматического управления 3.73 MB
  Управление по возмущению управление без обратной связи по регулируемой величине – разомкнутые системы управления. Управление по отклонению управление с обратной связью по регулируемой величине – замкнутые системы управления. Управление в разомкнутых системах может осуществляться: а в виде программного управления: при этом регулятор УУ действует по заранее заданной жесткой программе.