Втори принцип на термодинамиката в биологичните системи. Баланс на ентропията в отворените системи. Теорема на Пригожин



Дата23.10.2018
Размер40.13 Kb.
Втори принцип на термодинамиката в биологичните системи. Баланс на ентропията в отворените системи. Теорема на Пригожин.
Свободна енергия

Един от важните термодинамични потенциали е свободната енергия, въведена от Хелмхолц, чрез термодинамичните параметри на системата тя има вид:

F=U-T.S , където U е вътрешната енергия, T – температурата, S – ентропията.

От това определение може да се направи извода че при изотермични процеси (T=const), свободната енергия е онази част от вътрешната енергия, която системата може да превърне в работа. Произведението T.S се нарича свързана енергия и представлява онази част от вътрешната енергия U, която не преминава в работа, а се разсейва във вид на топлина. Ако процесът протича при постоянна температура Т=соnst, както е при биологичните обекти, то свързаната енергия ТS се определя от ентропията. Колкото S е по-голяма, толкова свързаната енергия е по-голяма, толкова по-голямо е разсейването и във вид на топлина и толкова по-необратим е процесът. Следователно ентропията е мярка за разсейването, деградацията на енергията.

Ако системата извършва работа, то това е за сметка на свободната и енергия.

При необратим процес извършената работа е по-малка от изменението на свободната енергия, тъй като част от свободната енергия се превръща в топлина. Вторият принцип на ТД обобщава изказаното положение. Той гласи: Всеки произволен необратим процес в изолирана система води до намаление на свободната енергия. Съответно с това настъпва увеличаване на свързаната енергия. Общото количество на енергията в системата не се променя, което е в съответствие с I-я принцип на термодинамиката.

Дълго време се е считало че вторият принцип на термодинамиката е неприложим за биологични системи. Всъщност прилагането му в отворени системи, където протичат неравновесни процеси, е свързано с редица трудности. Така например в изолираните системи крайна цел е термодинамичното равновесие, отворените системи пък и на първо място биологичните престават да функционират в състояние на равновесие, това за тях е равносилно на смърт.

Живите организми, приемайки храна, увеличават свободната си енергия, която използват за растеж и извършване на работа. Това не противоречи на втория принцип, тъй като свободната енергия не може да се увеличава само в изолирани системи. Принципът в този случай трябва да се прилага към изолираната система организъм и околната му среда. Тогава в живата част на тази система свободната енергия расте, а ентропията намалява, като в същото време в неживата част енергията намалява повече, отколкото нараства в живата и част. Аналогично се обяснява и намаляването на ентропията в живите системи. Така например, при индивидуалното развитие на организмите (онтогенеза) както и при тяхното еволюционно развитие (филогенеза) ентропията намалява тъй като се увеличава подредеността, свързана с диференциацията на клетките, със специализацията на клетъчни структури, с появата на по-висши организми. Растежът обаче се съпровожда с непрекъснато отделяне в околната среда на топлина и отпадъчни продукти. Това отделяне води до по-голямо увеличение на ентропията в средата от намалението на ентропията в организма, което се получава за сметка на развитието и растежа.

Отворените биологични системи при изменението си преминават през редица неравновесни състояния, което води до изменение на техните термодинамични параметри, а това е възможно за сметка на съществуващите в тях потоци вещество и енергия. За да се прилагат принципите на термодинамиката към отворените системи трябва да се отчета че:


  • те са отворени системи за потоци вещество и енергия,

  • процесите в тях имат необратим характер,

  • те се намират в неравновесни състояния,

  • процесите се описват в зависимост от времето.

Изменение на ентропията:

S = Si + Se , където частта Si е изменението на ентропията вследствие на вътрешни необратими процеси, а Se е изменението и поради обменни процеси с околната среда. (i-internal-вътрешни, e-external-външни)

Ако запишем това във времето: S/t = Si/t + Se/t , в този израз всяка величина има смисъл на поток на ентропия. От необратимостта на процесите в системата следва че винаги Si/t  0 – това е производство на ентропия, докато другото събираемо е потокът на ентропия обменян с околната среда. Той може да бъде приток на ентропия ако е 0 или отток на ентропия ако е насочен навън от системата и е 0 (понякога ентропията в този случай може да се срещне с името негентропия) .

Ако се случи че S/t =0, това съответства на стационарно състояние на системата, произведената в системата ентропия, точно компенсира оттока на ентропия във външната среда. Това е и стремежа на живите организми, да се намират в стационарно състояние, наречено хомеостаза. Понякога за живите организми казват че се хранят с отрицателна ентропия.

Неравновесната термодинамика приложима за живите системи е развита през втората половина на 20 век от Пригожин и Онзагер. Пригожин е доказал и следната теорема: В отворена система, намираща се в стационарно състояние близо до термодинамичното равновесие, производството на ентропия Si/t има постоянна и минимална положителна стойност, различна от нула. От тази теорема може да се направят изводи че при стационарно състояние скоростта на нарастване на ентропията е минимална, т.е. минимално се разсейва свободна енергия и организмът работи в най-изгоден енергиен режим! По изменението на Si/t може да се предскаже еволюцията на системата. Системите притежават свойството автостабилизация, винаги гледат да се върнат в стационарно състояние.
Коефициент на полезно действие КПД := извършена работа А / изменение на свободната енергия за извършване на това количество работа F

КПД при обратими процеси = 1

КПД при необратими процеси < 1

КПД на някой процеси: окислително фосфорилиране = 55%

Фотосинтеза 75%

Мускулно свиване 40%



Светене на бактериите 90%


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница