Г.А. Миронова, Н.Н. Брандт, А.М. Салецкий - Молекулярная физика и термодинамика в вопросах и задачах (1103598), страница 37
Текст из файла (страница 37)
При этомдело заключается не в падающей энергии. Последняя будет снова излученавплоть до пренебрежимо малой доли, подобно тому как человек не меняетсвоего веса, несмотря на принятие пищи. Условия нашего существованиятребуют известной температуры тела, и чтобы ее поддерживать, используется не увеличение энергии, а понижение энтропии».Биологическая система — это энергетическая система, подчиняющаясятем же законам термодинамики, что и системы в неживой природе.В биосистемах могут протекать как обратимые, так и необратимые процес2сы. Подавляющая часть процессов протекает необратимо. II начало термоди2намики подчеркивает различие между обратимыми и необратимыми процес2сами:1QdS 2— для обратимых процессов;(6.59)T1QdS 2— для необратимых процессов.(6.60)TВ изолированной системе самопроизвольные процессы могут протекатьтолько в направлении возрастания энтропии dS > 0 (закон возрастания энтропии), а процессы, идущие с уменьшением энтропии, термодинамическиневозможны.
Поэтому, например, ферменты (биологические катализаторы) только ускоряют биологические реакции, которые сами могут протекать и без участия ферментов, но со значительно меньшей скоростью. Ре2акции, которые в отсутствии ферментов невозможны, и при участии фер2ментов в данных условиях идти не могут. Это замечание касается реакций,протекающих в биосистемах, без энергетического сопряжения. Энергетиче2ское сопряжение дает возможность протекать таким реакциям, при которыхэнтропия уменьшается, а свободная энергия увеличивается: например, био2синтез АТФ (аденозинтрифосфата) и других макроэргов, активный транс2мембранный транспорт и др.То, что биосистемы представляют собой открытые системы, обмени2вающиеся энергией и веществом с окружающей средой (рис.
6.21), являетсяхарактерной чертой живых организмов. По определению М. В. Волькен2штейна: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой откры2тые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенныеиз биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».Полный дифференциал энтропии биологической системы с учетом ее связис окружающей средой может быть представлен в виде суммы двух слагаемых:dS = dSi + dSe,(6.61)где dSi — это производство энтропии (dSi > 0) за счет необратимости внут2ренних процессов (6.60) в системе (химических реакций, диффузии, тепло2188МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА В ВОПРОСАХ И ЗАДАЧАХпроводности и др.).
Второе слагаемоеdSe = dS1e + dS2e состоит из двух ча'стей: dS1e — изменение энтропии засчет потока тепла из внешней среды,переработки этой энергии и запасанияв виде богатых энергией соединений(например, в виде АТФ); dS2e — изме'нение энтропии за счет выделения наружу продуктов окисления, т. е. за счетпотерь энергии в тепловой форме или вформе бедных энергией конечных про'дуктов метаболизма.Энергетический обмен с внешнейсредой и запас энергии в виде АТФ, гра'диентов концентраций и др. приводитРис. 6.21к уменьшению энтропии (уменьшает'Обмен биосистемыся количество деградированной формыс окружающей средойэнергии).
Таким образом, энтропия от'крытой функционирующей биологической системы может даже уменьшать'ся со временем (т. е. возможно dS < 0). В этом смысле Шредингер в книге«Что такое жизнь с точки зрения физики» писал, что «организм питаетсяотрицательной энтропией».Для баланса энтропии в открытых системах И. Пригожин предложил сле'дующее уравнение:dS dSi dSe ,(6.62)12dtdtdtгде dS/dt — скорость изменения энтропии открытой системы; dSi/dt — ско'рость производства энтропии за счет необратимых внутренних процессов (на'пример, окисление глюкозы в процессе дыхания); dSe/dt — скорость, с кото'рой биосистема обменивается энтропией с окружающей средой.
Как указыва'лось выше, dSi/dt > 0, в то время как dSe/dt может быть как положительной,так и отрицательной.Биологические системы находятся в стационарных состояниях, в кото'рых приток и отток энтропии происходит с постоянной скоростью, так чтоэнтропия биосистем не изменяется во времени dS/dt = 0. В стационарномсостоянии биосистемы поддерживают свою работоспособность и постоянст'во во времени своих параметров (температуры, кислотности, содержания глю'козы в крови и т. п.). Стационарное состояние поддерживается благодарянепрерывно протекающим биологическим процессам.При этом возрастание со временем внутренней энтропии Si компенсиру'ется уменьшением энтропии Se за счет обмена с внешней средой:dSi/dt = –dSe/dt.(6.63)Стационарное состояние характеризуется разностью энергии стационар'ного состояния и энергии состояния термодинамического равновесия.
Ве'личина этой разности формируется в процессе эволюции и обеспечиваетГЛАВА 6. ЭНТРОПИЯ. ВТОРОЕ И ТРЕТЬЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ189оптимальный энергетический обмен биосистемы с конкретной окружающейсредой.Пока биосистемы функционируют (живут), они находятся в неравновес8ном состоянии, в котором энтропия отлична от максимального значения.При равновесии с окружающей средой живое перестает быть живым. Состояние термодинамического равновесия для биологических систем означает их смерть.
А II начало термодинамики следует применять не к биосис8теме, которая не является изолированной, а к биосистеме, окруженной обла8стью среды, обеспечивающей ее нормальное функционирование, вместе скоторой они составляют изолированную систему (часто называемую условноизолированной). Если изолировать живой организм вместе с веществами,необходимыми для его существования, то энтропия такой системы будет воз8растать согласно II закону термодинамики.Стационарные состояния обладают достаточной устойчивостью. При от8клонении системы от стационарного состояния в определенных пределах онавозвращается в исходное состояние.И. Пригожин показал, что если энергия биосистемы не очень сильно от8личается от энергии термодинамического равновесия, то в стационарном со8стоянии dSi/dt в уравнении (6.62) имеет минимальное значение.
Таким об8разом, стационарное состояние характеризуется минимумом производства энтропии, т. е. обладает наибольшей устойчивостью. Поскольку, всоответствии со вторым началом термодинамики, избежать возрастания эн8тропии принципиально нельзя, живые организмы нашли наиболее выгод8ную форму существования — стационарные состояния.ЦЕЛЕСООБРАЗНАЯ УПОРЯДОЧЕННОСТЬЖИВОЙ МАТЕРИИУпорядоченность живых систем восхищает и поражает воображение.Является ли энтропия тем параметром, который характеризовал бы слож8ность живых объектов и удивительную целесообразность и согласованностьбиологических процессов?Л. А. Блюменфельд оценил, как изменяется энтропия структурных эле8ментов (мономеров, биополимеров, клеток...) при образовании организмачеловека.
Получилось, что упорядоченность человеческого организма состав8ляет приблизительно 300 энтропийных единиц, т. е. порядка измененияэнтропии простейшей системы — стакана воды при ее испарении.Парадокс: малое понижение энтропии при «сборке» человека из отдель8ных биополимеров и удивительная сложность и упорядоченность биологи8ческих структур и процессов.Причина этого парадокса (необычайно малого изменения энтропии приформировании организма человека) заключается в том, что энтропия харак8теризует только физическую сторону упорядоченности.
Она совершенно незатрагивает уникальность структур биологических систем, их целесообраз8ность. Взаимосвязанность, взаимосогласованность структур и процессов по8зволяют живым организмам выполнять необычайно сложные функции.Живая материя отличается высокой степенью внутренней организации со190МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА В ВОПРОСАХ И ЗАДАЧАХстрого определенными функциями у каждой составной части и неизбежно при'обретает качественные отличия от неживых форм существования материи.Поэтому использование энтропии как характеристики математической упо'рядоченности применительно к биосистемам не дает информации о биосисте'ме.
Биологические системы обладают «осмысленной» упорядоченностью.ЗАДАЧИДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯЭНТРОПИЯ И ВЕРОЯТНОСТЬЗадача D6.1. Один моль идеального одноатомного газа находится в сосу'де при температуре Т0. Газ изохорически нагревают на DТ. Во сколько разизменяется термодинамическая вероятность состояния? Чему равно измене'ние энтропии? Убедитесь, что при вычислении изменения энтропии исполь'зование статистического ((6.1) и (2.24)) и термодинамического (6.35) опреде'ления энтропии приводит к одинаковым результатам.21 3 34T 3.Ответ: 12 / 11 5 (1 6 4T /T0 )3 NA /2 , 4S 5 kB ln 7 2 8 5 R ln 271 612T0 89 19Задача D6.2.
Один моль идеального одноатомного газа изотермическирасширяется от объема V1 до V2. Во сколько раз изменяется термодинамиче'ская вероятность состояния? Чему равно изменение энтропии? Убедитесь,что при вычислении изменения энтропии использование статистического((6.1) и (2.24)) и термодинамического (6.35) определения энтропии приводитк одинаковым результатам.Ответ: 12 / 11 2 (V2 / V1 ) NA , DS = kВln(G2/G1) = Rln(V2/V1).Задача D6.3. Какое количество теплоты следует сообщить макроскопи'ческой системе в изотермическом процессе при температуре Т0, чтобы увели'чить термодинамическую вероятность состояния в a раз?Ответ: DQ = T0DS = kВT0ln(G2/G1) = kВT0ln a.Задача D6.4. В объеме V = 0,7 л при атмосферном давлении и температу'ре T = 298 К находятся кислород и два одинаковых графитовых стержня поm = 4 г каждый.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
