Начала термодинамики
Если условия равновесного состояния биообъекта выполнены, то можно сформулировать два фундаментальных закона природы, известных как первое и второе начала термодинамики. Эти законы принято называть началами именно потому, что в рамках непротиворечивой логической схемы их невозможно вывести из более фундаментальных принципов.
Следует отметить, что многочисленные попытки с помощью опытов опровергнуть начала термодинамики, предпринимавшиеся на протяжении нескольких столетий, оказались неудачными. Этот факт подтверждает правильность начал термодинамики.
Наиболее коротко, хотя по современным представлениям и не вполне точно, два начала термодинамики были сформулированы Р. Клаузиусом: энергия мира постоянна, энтропия мира возрастает. Укажем на неточности, скрытые в этой формулировке. Во-первых, следует учитывать не только энергию, но и массу' мира. Согласно специальной теории относительности, энергия и масса взаимосвязаны. Во-вторых, неизвестно, является ли наш мир изолированным.
Уточненная обобщенная формулировка начал термодинамики может быть следующей: энергия и масса мира постоянны, энтропия мира возрастает, если он изолирован.
При термодинамическом описании биообъектов широко используют функцию состояния - энтропию. Нередко полагают, что энтропия системы всегда возрастает. Однако такое предположение ошибочно.
Из второго начала термодинамики ясно, что в изолированных термодинамических системах происходят только процессы, сопровождающиеся возрастанием или сохранением энтропии. В открытых системах, т. е. во всех живых системах, энтропия может и убывать, поскольку существуют стоки энтропии. В связи с этим непременным условием, которое обязательно должно упоминаться, если используется утверждение об увеличении энтропии, является явное указание на изолированность (открытость) системы.
Эквивалентность теплоты и механической работы, установленная Дж. Джоулем, представляет собой одну из форм закона со- хранения энергии, который и составляет суть первого начала термодинамики. В интегральной форме первое начало термодинамики формулируется следующим образом. Приращение внутренней энергии АЕ системы равняется сумме теплоты Q, подведенной к системе, и работы W”, совершенной над системой:
В соотношении (5.1) очень важны знаки.
В физике приращение понимается строго однозначно - из значения Хг, описывающего последующее состояние (2), вычитается значение Х9 соответствующее предыдущему состоянию (1): ДА" =
= Х2-Хх.
Если используется формулировка типа «теплота, полученная системой» или «теплота, подведенная к системе», то это означает, что теплота Q положительна.
Работа W, совершаемая над системой, также должна входить в соотношение (5.1) с положительным знаком.
Для биообъектов первое начало термодинамики удобнее записывать в несколько видоизмененной, но эквивалентной форме: следует поменять знаки в левой и правой частях равенства (5.1) на противоположные. Тогда первое начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: убыль внутренней энергии -АЕ системы равна сумме теплоты -Q, отданной системой, и работы -W, совершенной системой:
Как правило, в процессе жизнедеятельности теплоту невозможно получить «в чистом виде». Она выделяется из организма.
То же относится и к работе - организм совершает работу. Это происходит в результате затраты внутренней энергии организма (переработки пищи, глюкозы и т. д.).
В общем случае при соблюдении условий применимости законов термодинамики (см. параграф 5.1) можно указать достаточное число термодинамических аналогий между биообъектом и «обычными» тепловыми машинами.
В качестве примера рассмотрим решение следующей задачи. Рассчитать массу глюкозы, которую необходимо окислить в мышцах, чтобы 100 раз поднять груз массой 5 кг от пола на высоту поднятой руки (2,2 м). Если КПД мышц составляет г| = 40 %, то убыль внутренней энергии организма при окислении 1 г глюкозы - 16 кДж.
Основываясь на теореме Карно, Клаузиус ввел понятие энтропии S' системы и сформулировал второе начало термодинамики. Для изолированной системы приращение энтропии dS больше или равно приведенной теплоте dQ/T, сообщенной системе при температуре Т:
Знак равенства в (5.3) соответствует равновесному подведению теплоты к системе: теплота сообщается системе так, что не происходит образование градиентов температур - тепловые потоки между различными частями системы равны нулю.
В состоянии равновесия при постоянной температуре (Т = = const) приращение энтропии системы при равновесном процессе равно теплоте, отнесенной к температуре:
Энтропия - одна из функций состояния термодинамической системы.
