Биологиядағы термодинамиканың І – ші заңы. Гесс заңы

Термодинамиканың І – ші заңы бойынша системаның жасаған жұмысы, жылу мөлшері мен ішкі энергия өзгерісінің айырымына тең болады.

ΔА = ΔQ – ΔU → ΔQ = ΔU + ΔA, dQ = dU + dA. (1)

Системаға берілген жылу мөлшері системаның ішкі энергиясын арттыруға және системаның сыртқы денелерде атқаратын жұмысына жұмсалады.

Сандық форма жағынан термодинамиканың І –ші заңы энергияның сақталу заңын айқындайды. Сонымен термодинамиканың І – ші заңы бойынша ішкі энергия түсінігіне молекулалардың Хаосты қозғалысының кинетикалық энергиясы, молекулалардың өзара әсерлесуінің потенциалдық энергиясы және ішкі молекулалық энергия кіреді. Ішкі энергияға сонымен қатар молекуланың, ілгерлемелі және айналмалы қозғалысының және атомның тербелмелі қозғалысы мен молекулалардың өзара әсерлесу энергиясы мен ішкі ядролық энергиялардың қосындысы жатады.

Термодинамиканың бірінші заңы бойынша энергияның бір түрі оның екінші түріне айналғанда тұйық система энергиясының жалпы мөлшері өзгерместен тұрақты шама күйінде қалады.

Термодинамиканың І – ші заңынан жұмыс – системаның ішкі энергиясының өзгеруімен немесе системаға белгілі бір мөлшерде берілген жылу мөлшері есебінен жасалады.

Тірі системада бүтін организм немесе жеке орган болсын (мыс. бұлшық еттер) істелінген жұмыс сырттан берілген жылу есебінен жасалынбайды, яғни тірі организм жылу машинасы сияқты жұмыс істей алмайды.

Мысалы: Жылу машинасының п.ә.к. мына теңдеу бойынша анықталады.

(2)

Т₁ - қыздырғыштың температурасы

Т₂ – суытқыштың температурасы

Бұлшық еттің (Т₁) температурасын анықтайық ол үшін оны жылу машинасы сияқты +25⁰С – п.ә.к. = 30% - жұмыс істейді деп есептейік.

T₂ = t + 273 = 25 + 273 = 298⁰K η = 30% = 0,3 =

Осы мәліметтерді (2) теңдеуге қойып Т₁ – ді табайық

(3)

Сонымен бұлшық ет жылу машинасы сияқты берілген осы жағдайда жұмыс істейтін болса, онда ол + 174⁰ С– ге дейін қызып кетер еді.

Бұл мүмкін емес себебі белоктар немесе адам клеткалары 40-60⁰С температурада ыдырай бастайды. Сондықтан тірі организмдерде істелінген жұмыс жүйеде өтетін әртүрлі биохимиялық процесс кезінде ішкі энергия өзгерісі немесе энтропиялық факторлардың өзгерісі нәтижесінде жасалады. Cондықтан тірі организмдерде істелінген жұмыс жүйеде өтетін әртүрлі биохимиялық процесстердің нәтижесінде өзгеретін ішкі энергия есебінен немесе энтропиялық факторлардың өзгерісі нәтижесінде жасалады.

Термодинамиканың І – ші заңының биология үшін дұрыс орындалатындығын білдіретін дәлелдеулер 18 ғ. жүзеге аса бастады. Онда тірі организмді қоршаған ортадан изоляциялап, одан бөлініп шығатын жылуды өлшеп оны организмнің ішінде өтетін биохимиялық реакциялар кезінде бөлінетін жылу эффектісімен салыстырған.

Осы мақсатта 1780ж Лавуазье мен Лаплас теңіз шошқасын мұзды калориметрге салып одан бөлінетін жылу мен СО₂–нің мөлшерін өлшеген. Бұдан кейін бастапқы қоректік – азық түліктерді СО₂ бөлініп шыққанша жағып, одан бөлініп шығатын жылудың мөлшерін анықтаған. Бұл екі тәжірибеде де бір-біріне ұқсас нәтижелер алынған, бұл нәтижелер организімде өтетін зат алмасу кезінде бөлінетін Химиялық энергия мен организмнің сыртқы ортаға бөліп шығаратын жылулық энергиясының бір-біріне эквивалентті екендігі дәлелденді. Лавуазье мен Лаплас әдісі түзу емес калорийметрлік әдіс деп аталды.

Бұл әдіс жылы қанды организмдерде қалыпты О₂ - пайдалану мен СО₂ – нің бөлініп шығуы арасында және пайдаланылатын азық түліктердің бөлетін жылуы мен тығыз корреляциялық байланыс бар екендігін дәлелдеді. Лавузье – Лаплас әдісінен гөрі өте дәл нәтижелерді 1904 жылы Этуотер алған, ол тәжірибе үшін арнайы жасалған камераны пайдаланып түзу калориметрлік әдісті қолданған.

Тәжірбие кезінде адамнан бөлініп шығатын жылуды, жұтылған оттегі мөлшерін, бөлініп шыққан СO₂ – ні, азотты және (мочевина) несеп - зәрді өлшеген. Алынған нәтижелер бойынша белок, май, углеводтардың алмасу байланыстарын есептеп шығарған. (Кесте-1)

Есептеу кезінде 1г майдың толық тотығуы (окисление) яғни СО₂ мен суға толық айналуы үшін - 9,3 ккал, 1г аралас углевод үшін - 4,2 ккал, 1г блоктың тотығып зәрге айналуы үшін - 4,2 ккал энергия қажет екендігі ескерілген. Осы нәтижелер бойынша есептелген жылу мөлшері мен тәжірибе кезінде өлшенген жылу мөлшері арасында айтарлықтай айырмашылық болмаған, алынған нәтижелердің бір-біріне дәлдігі 1% болған.

Тірі организм – ашық жүйеге жатады. Ол жылу машинасы ретінде емес, химиялық машина ретінде жұмыс жасайды.

Организмге келіп түскен тамақтың тотығуы нәтижесінде пайда болған организмнің жұмыс істеуіне қажетті энергия – организмнің жұмыс істегенде жұмсайтын энергиясының мөлшеріне тең екендігі дәлелденді.

Шамамен алғанда тамақ арқылы берілген энергия (7854 кДж) денеден бөлінген энергияға (7771 кДж) тең екен.

Жан – жануарлардың организмінен бөлініп шыққан энергия оны қоршаған ортаға таралып кетеді. Осы энергияны өлшеу үшін биологиялық калориметр қолданылады. Ол биологиялық калориметр қабырғалары жылу өткізбейтін камерадан тұрады.

Камераға ауа мен су беріліп отырады. Су түтіктер арқылы камераға еніп, одан сыртқа шығып жатады. Осы биологиялық камераға мал қамап, оның денесінен бөлініп шығатын энергия түтіктегі суға берілгендіктен судың температурасы көтеріледі.

 

Кесте-1. Адамның 1- сөткедегі жылу балансы (ккал)

Кіріс	кДж	Шығыс	кДж
Берілген тамақ		Бөлінген жылу
Белок (56,82)		Газбен
Майлар (140,2)		Дәретпен
Көмірсулар 79,92		Дем алғанда
		Тері арқылы
		Әртүрлі түзетулер
Барлығы

Судың камераға кірердегі температурасы мен камерадан шығардағы температурасын өлшеп, мал денесінен бөлініп шыққан энергияны табуға болады.

Қазіргі таңда организмнің берілген уақыттағы бөлінетін жылуы шартты түрде 2- ге бөлуге болады.

1. негізгі жылу. 2. активті жылу.

1-ші бастапқы негізгі жылу зат алмасу кезінде қайтымсыз өтетін биохимиялық реакциялар нәтижесінде міндетті түрде пайда болатын энергияның жылулық шашырауы. Бұл бөлінген жылу организм оттегі мен азықтық өнімдерді сіңіріп – жұтқан кезде бірден пайда болады.

2- ші активті жылу – организмнің активті жұмыс істеуі кезінде пайда болады.

Қалыпты жағдайда организмде жылудың бұл түрлерінің арасында тепе-теңдік орнайды яғни 1-ші типті жылудың кемуі 2-ші типті жылудың өсуіне әкеп соғады немесе керісінше болады.

Термодинамиканың 1- ші заңының салдары ретінде Гесс заңы шығады.

Р түрлі тізбекті қатар арқылы өтетін химиялық реакциялардың жылулық эффектісі олардың өту жолдарында байланысты болмайды. Олар реакция өнімдерінің бастапқы және соңғы жылу шамаларының айырымына байланысты болады.

Гесс заңы бойынша организмдегі күрделі биохимиялық реакциялардың жылулық эффектісін олардың аралық даму жолдарын білмей-ақ бастапқы және соңғы өнімдердің (продукт) шамаларын білу арқылы өте дәл есептеуге болады.

Гесс заңы әр түрлі тамақтық өнімдердің жеке-жеке калориялығын есептеп анықтау үшін де қолданылады. Өйткені адам организміне сіңірілген тамақтық өнімдер метоболизмнің соңғы өнімдеріне айналу жолында күрделі өзгерулерге ұшырауына қарамай осы реакциялардың қосынды энергетикалық эффектісі әрбір пайдаланылған өнімді жаққандағы пайда болатын жылулық эффектіге тең болады.

Мысалы: Глюкозаның тотығуы СО₂ мен Н₂О айналуы – бөлінуі кезінде 678 ккал эквивалент энергия бөлінеді, бұл 1 моль глюкозаны калориметрлік бомбада – (құралда) жаққан кездегі бөлініп шығатын жылудың шамасына тең.

Организм мен калориметрлік құралдың ішінде өтетін реакция жолдары әр түрлі болғанымен олардың энергетикалық эффектісі бірдей.