Таблица 1.4. 1. Оценка на възможността за протичане на даден процес, съгласно втория принцип на термодинамиката.
Н
|
S
|
F
|
Оценка на възможността процесът да протече
|
-
|
+
|
< 0 при всяка температура
|
Процесът може да протече при всяка една температура
|
-
|
-
|
< 0 при ниски температури
> 0 при високи температури
|
Процесът е възможен само при ниски температури
|
+
|
+
|
> 0 при ниски температури
< 0 при високи температури
|
Процесът е възможен само при високи температури
|
+
|
-
|
> 0 при всяка една температура
|
Процесът е невъзможен при коя да е температура
|
Съгласно третия принцип на термодинамиката, при температура равна на абсолютната температурна нула (-273.15оС), ентропията на всяко едно тяло е равна на нула. Това дава възможност да се определи стойността на ентропията на дадено тяло при кое да е негово състояние. При кристалните тела, колкото е по-сложна кристалната решетка, толкова е по-ниска ентропията. Ролята на ентропията да дава оценка на подредеността в атомно-молекулния строеж на телата се вижда от Таблица 1.4.2 и Фиг. 1.4.2. При различните компоненти на живите организми (белтъци, нуклеинови киселини, липиди), стойностите на ентропията са измерени за 1 мол количество вещество и носят ценна информация за структурата на тези вещества и нейната промяна при загряване, промяна на рН, денатурация и др. Най-често обаче се измерва промяната на ентропията при фазов преход между две състояния. В процеси, завършващи с намаляване на структурираността на телата, ентропията расте, S > 0. Това са топене, изпарение, разтваряне, загряване, образуване на газообразни продукти, образуване на утайка. Обратно, процеси предизвикващи нарастване на подредеността, ентропията намалява, S < 0. Тук се включват кондензация, кристализация, охлаждане, намаление на газовите съставки.
Особено важно приложение намира величината свободна енергия при химичните и биохимичните реакции. Нека реакцията A + B C + D протече спонтанно (самостоятелно, самопроизволно) до достигане на равновесни концентрации на участващите изходни вещества (A и B) и крайни продукти (C и D). Равновестната константа К на тази реакция се дефинира като отношение на равновесните концентрации на участващите вещества K = [C].[D]/[A].[B]. Очевидно К 1, защото в края на реакцията концентрациите на предшествениците [A] и [B] ще бъдат по-ниски от концентрациите на продуктите[C] и [D]. Ако реакцията е протичала при стандартни условия, изменението на свободната енергия на реакцията ще бъде F = - R.T ln K, където R е газовата константа и Т е абсолютната температура. От условието К 1 следва, че F 0, което е в съгласие с втория принцип на термодинамиката. Това показва, че в получените продукти вече се съдържа по-малко свободна енергия и повече ентропия, отколкото в изходните вещества. Разликата в енергията се отделя като топлина, която се явява като деградирала и неизползваема енергия. Ако К 1, следва че F 0 и реакцията протича под външно въздействие в обратна посока, като в равновесното състояние ще присъстват главно изходните вещества.
Вещества които са неразтворими във водна среда се означават като хидрофобни. В биофизиката, свободната енергия се използва за оценка на качеството хидрофобност на различни вещества (липиди, аминокиселини). Нека молекулите на дадено вещество са диспергирани във водна среда и чрез подходящ опит те се пренесат в друга по-малко полярна среда, например етанол. При този пренос се измерва промяната на свободната енергия F на системата разтворител/разтворено вещество и тази промяна се взема като мярка за хидрофобността на веществото. Съгласно вторият принцип на термодинамиката, ако F (свободната енергия на прехода) е отрицателна, преминаването на подобни молекули от водна среда към неполярна (хидрофобна) среда ще стане спонтанно, без използване на външна енергия. Такова вещество се счита хидрофобно. Ако свободната енергия на прехода е положителна, веществото е хидрофилно и лесно разтворимо само във воден разтвор.
Таблица 1.4. 2. Специфична ентропия на различни тела и нейната промяна след фазов преход.
Вещество
|
S (J / K.mol)
|
Кристал
|
Течност
|
Газ
|
Елмаз
|
2.44
|
-
|
158
|
Графит
|
5.69
|
-
|
158
|
Алуминий
|
28.3
|
37.8
|
164.4
|
Вода
|
43.9
|
66.9
|
188.7
|
При протичане на термодинамичните процеси се отделя топлина, която бива първична и вторична. Вторична е тази топлина, до която деградират в крайна сметка всички видове енергия. Първична топлина се отделя на началните етапи при извършване на всеки необратим процес, като разлика в недоизвършената работа спрямо напълно обратимия процес. Ето защо коефициентът на полезно действие на всеки реален необратим процес е по-нисък от единица. В живите организми протичат само необратими процеси. Първичната топлина, която се отделя при тях не е обаче съвсем безполезна. Установено е, че тя представлява еволюционен стимул за живите организми да се развиват в посока на нейното намаляване. Освен това, при хомеотермните организми тя се включва в механизма за терморегулация.
Биоенергетиката изучава процесите чрез които клетките използват, запасяват и освобождават енергия. Понеже при тези процеси енергията преминава от един вид в друг, тези процеси трябва да се подчиняват на принципите на термодинамиката. Тъй като жизнените процеси протичат при постоянно налягане и температура, живите организми не могат да превръщат топлината в полезна работа.
Единствени източници на енергия при живите организми са химичната енергия и енергията на светлинните фотони. При онези от тях, които не могат да фотосинтезират, единствен източник на енергия са химичните връзки в хранителните вещества. Ето защо, при тях първият принцип на термодинамиката трябва да се формулира така: енергията, необходима за извършване на всички видове работа се взема от вътрешната енергия на органичните вещества при тяхното окисление. В такъв смисъл, тези организми представляват химични машини, които превръщат химичната енергия на хранителните вещества в работа и частично в топлина, съгласно законите на физиката.
Фиг. 1.4. 2. Промяна на ентропията на водата при загряване. С пунктирна линия е означена смяната на агрегатното състояние, топене (273 К) и изпарение (373 К).
Вторият вид организми - растителните клетки използват енергията на слънчевата светлина за синтеза на въглехидрати от прости неорганични вещества. Така, лъчевата енергия на светлината се превръща в запасена химична енергия, понижена ентропия и увеличена свободна енергия. От растенията тази химична енергия и ниска ентропия преминават в животните, където чрез химично разграждане тя се превръща в движение (кинетична енергия), телесна топлина (топлинно лъчение), активен транспорт на вещества, нервни импулси (електрична енергия) или в нови химични връзки (синтез). При всяко едно от тези превръщания, част от енергията се губи в околната среда като първична топлина, а ентропията нараства. Тази загубена енергия не може отново да се оползотвори защото се е превърнала в неподредена форма. Вторият закон на термодинамиката гласи, че всяка система има склонност да се саморазпада и става по-хаотична с времето. Затова е необходим един постоянен поток от слънчева енергия за да може чрез фотосинтезата да се създават нови химични връзки и да се поддържа едно ниско ниво на ентропията при растенията и от тях, под формата на храна, те да преминават и при животните на Земята.
Сподели с приятели: |