Термодинамика

Термодинамика изучает превращение одного вида энергии в другой. Химическая термодинамика изучает аналогичные превращения, происходящие в ходе химических реакций. Биохимическая термодинамика называется биоэнергетикой.

Термодинамической системой называют совокупность объектов (например, раствор в пробирке), отделенную от внешней среды реальной или воображаемой поверхностью раздела. Выделяют изолированные, закрытые и открытые термодинамические системы.

Изолированная система не обменивается со средой ни веществом, ни энергией. Примером условно изолированной системы может быть закрытый сосуд с раствором, находящийся в термостате. Истинных изолированных систем в природе не существует, так как полностью предотвратить теплообмен невозможно.

Закрытые системы не обмениваются со средой веществом, но могут обмениваться энергией. Примером такой системы может быть запаянная ампула с раствором.

Открытая система обменивается со средой и энергией, и веществом. Примером открытой термодинамической системы может быть открытый сосуд с раствором. Организм человека также является открытой системой.

Если в системе скорости прямых и обратных реакций равны, то состояние системы равновесное. Если же скорости не равны, то состояние системы неравновесное. Если скорости прямых и обратных реакций не равны, но постоянны в течение некоторого времени, то состояние системы можно охарактеризовать как неравновесное стационарное.

Организм здорового человека – открытая термодинамическая система, находящаяся в неравновесном стационарном состоянии.

Это справедливо в отношении каждой отдельной клетки, ткани или органа. При заболевании нарушается стационарность термодинамической системы.

Термодинамическая система обладает внутренней энергией U, которую составляет сумма энергий молекул, атомов, их ядер и электронов, энергий взаимодействий между ними. Численно посчитать ее нельзя, но можно определить ее изменение Δ U.

U – это функция состояния, она не зависит от путей образования вещества, но зависит от его природы и от параметров системы: давления, температуры, объема и количества вещества. U выражают в ккал/моль или в кДж/моль: 1 ккал = 4, 184 кДж.

В живом организме поддерживаются постоянные давление и температура, поэтому все процессы протекают в изобарно-изотермических условиях.

В процессе жизнедеятельности любая система совершает работу (А), на которую расходуется либо энергия, поступившая извне – теплота Q, либо часть внутренней энергии системы. Часть внутренней энергии системы, которая может использоваться на совершение работы, называется свободной энергией или энергией Гиббса (Δ G). В организме человека величина Q соответствуетсуточной калорийности питания. Свободная энергия ГиббсаΔ G в организме измеряется в моль АТФ, поскольку гидролиз АТФ чаще всего является источником энергии для совершения любого вида работы. В живом организме совершается множество видов работы: механическая (сокращение мышц), осмотическая (транспорт ионов через мембраны), транспорт питательных веществ и продуктов метаболизма через мембраны, генерация нервных импульсов, синтез различных веществ, деление клеток.