ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ БИООБЪЕКТОВ

В течение многих лет применимость законов термодинамики к биообъектам - предмет научной дискуссии. Термодинамическое описание живых систем (биотермодинамика) используется довольно часто, однако полученные результаты, и особенно их интерпретация, зачастую оказываются неверными.

Главная причина некорректностей в биотермодинамике (помимо простого непонимания сути законов термодинамики и специфичности живых систем) - игнорирование границ справедливости законов термодинамики в их традиционной формулировке. В связи с этим исходным условием использования термодинамических моделей биообъектов является анализ самих законов термодинамики и условий их применимости к таким специфическим объектам, как живые системы.

Законы термодинамики и условия их применимости в биологии

Обычно для термодинамического описания живых систем (биоэнергетика) используют следующие основные понятия: равновесие, открытость, термодинамические функции и параметры состояния. Следует иметь в виду, что в термодинамике любой объект рассматривается как система, содержащая большое число частиц N » . Именно это обстоятельство наиболее часто упускается из вида.

В зависимости от числа частиц в системе флуктуация наблюдаемой физической величины Xоценивается следующим образом:

При малом числе частиц N « 1 наблюдают существенные отклонения (Д XIX » 1) от законов термодинамики, что объясняется их статистическим характером. В системах с большим числом частиц N » 1 законы термодинамики выполняются с большой точностью (Д XIX « 1).

Главное условие применимости классических законов термодинамики к количественному анализу энергетики биообъекта - равновесность состояния биообъекта и равновесность процессов, протекающих в нем. Строго говоря, только для равновесных процессов в биообъектах справедливы законы термодинамики, сформулированные в виде равенств. В других случаях запись законов термодинамики требует применения неравенств.

Процессы в биообъектах, не удовлетворяющих условиям равновесности, описываются законами неравновесной термодинамики. При описании открытых систем методами неравновесной термодинамики очень важно определить, насколько эта система близка к состоянию термодинамического равновесия.

Потоки вещества и энергии через открытую систему могут быть велики, а значения переменных сильно отличаться от равновесных, поэтому такие системы нельзя описывать термодинамическими параметрами. Вместе с тем отдельные части сильно неравновесных систем могут быть близки к равновесию (локальное равновесие). Для таких частей термодинамическое описание также применимо.

Следует отметить, что в настоящее время при решении практически важных задач изучения биообъектов законы термодинамики открытых систем применяют сравнительно редко. Более широко используют мультикомпартментные модели.

Мупьтикомпартментные модели основаны на представлении неравновесной системы в виде нескольких локализованных, взаимодействующих между собой подсистем (отсеков, компартмен- тов). Взаимодействие локально-равновесных подсистем между собой и с окружающей средой описывается уравнениями баланса вещества и энергии.

Из изложенного выше ясны необходимые условия применимости к биообъекту законов классической термодинамики:

  • • большое число частиц в объекте 1;
  • • нахождение объекта в равновестном состоянии.

Только при соблюдении этих условий биообъект может характеризоваться единым набором макроскопических параметров: давлением Р, объемом V, температурой Т, числом частиц N. Если объект не находится в равновесном состоянии, то его невозможно охарактеризовать макроскопическими параметрами, например, давление и температура в разных частях такого объекта будут различными.

Таким образом, термодинамические параметры являются характеристиками объекта в целом, непротиворечиво описывают только объекты в равновесном состоянии с большим числом частиц.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >