2-ой закон термодинамики в биологии

Изменение энтропии и свободной Е в открытых системах. Доказательство применимости 2 з. термодинамики к биосистемам. Принцип минимума прироста энтропии (теорема Пригожина). Стационарное состояние открытых систем Общие понятия Одна из классических формулировок 2 з. термодинамики ученый Клоузиус — не возможен переход теплоты от тела с более низкой темп. к телу с более высокой темп.

Градиент — векторная величина, в математики ее определяют как разность величин какого-либо параметра в 2-ух точках отнесенному к расстоянию между ними.

С1 L С 2, условия С2 >C1 (конц) Градиент = C2 -C1 / L.

В биологии живая клетка характеризуется множеством градиентов:

• · концентрационный — связан с неодинаковой конц. В-в в клетке и вне ее.
• · осмотический — определяет тургор и осмотическое давление клетки.)
• · электрический — обусловлен неравномерн. распределением заряда внутри клетки и снаружи.

Т.о наличие градиента в клетке создает возможность совершать работу. Следствием 2 з. термодинамики явл. утверждение: самопроизвольно могут протекать лишь процессы, связанные с переносом Е от более высокого уровня к более низкому.

При переходе разл. видов Е в теплоту (Q) происх. своеобразное обесценивание Е.

Изменение энтропии и свободной Е в открытых системах.

Потеря Е при необратимом процессе, которая обычно превращаются в теплоту, называют энтропия (S).

Энтропия — термодинамическая характеристика мера не упорядоченности системы .

Изменение энтропии (S) с суммарной поглощенной системой Е и с температурой.

(Дж / моль* К).

Для обратимых процессов ДS?0 .Если s = 0, то система в состоянии термодинамического равновесия.

ДS?, 0, то процесс не идет самопроизвольно, но возможно протекание обратной р-ии. Энтропия имеет вероятностную природу. Любой самопроизвольный процесс с огромной степенью вероятности сопровождается увеличением энтропии.

Связь S с вероятностью была установлена Больцманом.

ТД вероятность имеет большие числовые значения и зависит от числа вероятностых состояний с-мы.

Вводят термодинамические потенциалы, которые выводятся из записи 1 и 2 з. термодинамики.

Свободная Е системы — та Е, которая тратится на выполнение работы.

Величину ДG надо отличать от величины ДF ('энергия Гельмгольца или изохорно-изотермический потенциал. При v, t — const.

ДF = ДU — T * ДS.

В большинстве случаев в живых системах, изменение объема и давления не значительны. ДG примерно равно ДF.

Т.о по протеканию хим. реакций, в т. ч. и биохимич. можно судить по величинам ДG, ДH, ДS.

ДG=ДH-T*ДS.

Для живых систем характерно:

— не имеют макс. изменения E, при этом есть обмен энтропии и изменение энтропии за короткий период времени при минимальном изменении. Температура может равняться 0 — такое состояние называется — стационарное .

Характеристика стационарного состояния живых систем. Теорема Пригожина.

Второй закон термодинамики применим к живым системам, а живые организмы — открытые системы. Проблема применимости 2 з. термодинамики. к живым системам была решена И. П. Пригожиным. Он предложил рассматривать живые организмы в комплексе с частью окр. среды, кот. позволяют данному живому организму нормально существовать в определ. промежуток времени.

К условно — изолированной системе можно применить 2 з. термодинамики, где ключевое место занимает энтропия. Пригожин предложил разбить общее изменение энтропии на 2 слагаемых :

dS = deS + diS, где.

deS — изменение энтропии за счет обмена энергией и веществом с окруж средой.

diS — изменение энтропии за счет протекающих в системе необратимых процессов, и оно всегда больше нуля: diS> 0.

Если внутренние процессы идут обратимо и равновесно, тогда diS>0.

Т.к для изолированных с-м deS=0.

diS=0, deS=0, т о dS=0.

Пригожин т о показал применимость 2 з ТВ к живым системам как условно изолированным.

В зависимости от соотношения скоростей изменения deS и diS общая энтропия dS открытой системы может либо увеличиваться, либо уменьшаться со временем.

dS/t = ДeS/dt + ДiS/dt. — уравнение Пригожина Таким образом, постулат И. П. Пригожина состоит в том, что общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой (deS), либо вследствие внутренних необратимых процессов (diS): dS=deS+diS.

Характеристика стационарного состояния:

• 1. При стационарном состоянии приток и отток энтропии происходят с постоянной скоростью, поэтому общая энтропия системы не меняется во времени (dS / dt = const)
• 2. Свободная Е (ТД потенциал ДG и ДF) в стационарном состоянии не равны 0. Тоже имеют определённое постоянное значение. Следовательно, открытая система при выходе из стационарного состояния способна совершать работу до того, как она достигнет нового стационарного состояния.
• 3. В стационарном состоянии V создания энтропии за счет внутренних процессов= V ее обмена с окр. средой.

Стационарное состояние необходимо живому организму, т.к.

• 1. происходит непрерывный обмен Е с окр. средой
• 2. нет ТД равновесия, т. о стацион. уровеньэто низший из возможных Е-ких уровней, на кот. энтропия системымакс.
• 3. Обеспечивается работоспособность организма
• 4. Поддерживается постоянство параметров
• 5. Способность к авторегуляции процессов

Установленные уровни стационарных состояний не случайны, а возникли в процессе эволюции. Стационарные состояния обеспечивают организму наиболее выгодный обмен в-в в данных конкретных условиях среды.

Стационарные состояния могут быть достаточно устойчивы, т. о 2 з. термодинамики для живых систем определяется как уравнение Пригожина: скорость изменения энтропии живого организма = сумме скоростей возникновения энтропии за счет внутр. необратимых процессов и энтропии, поступившей из среды в организм.