Биофизика как наука. Современные достижения биофизики и их значения для биологии и медицины.Как показывает опыт интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону: I(x)=I0 e-аx,где I0 - интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x, α - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света. Величина α, в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в 1020 раз), С. И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения αуменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем 10-8 с.) находится в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается. Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Закон выражается следующей формулой: I(l)=I0e-kдлина волны l где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — коэффициент поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения κ, который связан с kλ формулой kλ = 4πκ / λ, где λ - длина волны). Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества. Оптическая плотность — мера поглощения света прозрачными объектами (такими, как фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография). Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося), т. е. это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения). Коэффициент пропускания среды равен отношению плотности потока излучения, прошедшего через среду, к плотности потока, попавшего на её поверхность: τ=Φ/Φ0 Где: τ — коэффициент пропускания; Φ — поток излучения; Φ0 — величина поверхности среды. Чаще всего понятием коэффициент пропускания пользуются для световых потоков. Значение коэффициента пропускания тела зависит от его размера, формы и состояния поверхности, а также от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (ультрафиолетовые лучи, УФ излучение), не видимое глазом эл.-магн. излучение, занимающее спектр. область между видимым и рентгеновским излучением в пределах длин волн l от 400 до 10 нм. Область У. и. условно делится на ближнюю (400—200 нм) и далёкую, или вакуумную (200— 10 нм); последнее назв. обусловлено тем, что У. и. этого диапазона сильно поглощается воздухом и его исследование возможно только в вакууме. Ближнее У. и. открыто в 1801 нем. учёным И. В. Риттером и англ. учёным У. Волластоном, вакуумное до 130 нм— нем. физиком В. Шуманом (1885— 1903), а до 25 нм — англ. физиком Т. Лайманом (1924). Промежуток между вакуумным У. и. и рентгеновским изучен к 1927. Спектр У. и. может быть линейчатым (спектры изолированных атомов, ионов, лёгких молекул), непрерывным (спектры тормозного или рекомбинац. излучения) или состоять из полос (спектры тяжёлых молекул; При взаимодействии У. и. с в-вом могут происходить ионизация его атомов и фотоэффект. Оптич. св-ва в-в в УФ области спектра значительно отличаются от их оптич. св-в в видимой области. Характерно уменьшение прозрачности в У. и. (увеличение коэфф. поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Коэфф. отражения всех материалов (в т. ч. металлов) уменьшается с уменьшением Источники У. и. Излучение накалённых до темп-р =3000 К тв. тел содержит заметную долю У. и. непрерывного спектра, интенсивность к-рого растёт с увеличением темп-ры. Более мощный источник У. и.— любая высокотемпературная плазма. Для различных применений У. и. используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы, окна к-рых (либо целиком колбы) изготовляют из прозрачных для У. и. материалов (чаще из кварца). Интенсивное У. и. непрерывного спектра испускают эл-ны в ускорителе. Естеств. источники У. и.— Солнце, звёзды, туманности и др. космич. объекты. Однако лишь длинноволновая часть их излучения (l>290 нм) достигает земной поверхности. Более коротковолновое излучение поглощается атмосферой на выс. 30—200 км, что играет большую роль в атм. процессах. У. и. звёзд и др. космич. тел, кроме того, в интервале l=91,2—20 нм практически полностью поглощается межзвёздным водородом. Применение У. и. Изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ области позволяет определять электронную структуру атомов, молекул, ионов, твёрдых тел. УФ спектры Солнца, звёзд, туманностей несут информацию о физ. процессах, происходящих в горячих областях этих космич. объектов. На фотоэффекте, вызываемом У. и., основана фотоэлектронная спектроскопия. У. и. может нарушать хим. связи в молекулах, в результате чего могут возникать разл. фотохим. реакции, что послужило основой для фотохимии. Люминесценция под действием У. и. используется для создания люминесцентных ламп, светящихся красок, в люминесцентном анализе, дефектоскопии. У. и. применяется в криминалистике и искусствоведении. Способность разл. в-в к избирательному поглощению У. и. используется для обнаружения вредных примесей в атмосфере и в УФ микроскопии. Биологическое действие У. и. У. и. поглощается верх. слоями тканей растений, кожи человека или животных. При этом происходят хим. изменения молекул биополимеров. Малые дозы оказывают благотворное действие на организмы — способствуют образованию витаминов группы D, улучшают иммунобиол. свойства. Большие дозы могут вызывать повреждение глаз и ожог кожи.
Рентгеновские излучения (икс-лучи) были открыты первыми из всех ионизирующих излучений и наиболее хорошо изучены. У них та же физическая природа (электромагнитное поле) и те же свойства, что и у гамма-излучений. Их различают прежде всего по способу получения, и в отличие от гамма-лучей они имеют внеядерное происхождение. Излучение получают в специальных вакуумных рентгеновских трубках при торможении (ударе о специальную мишень) быстро летящих электронов. Энергия квантов рентгеновских лучей несколько меньше, чем гамма-излучения большинства радиоактивных изотопов; соответственно несколько ниже их проникающая способность. Однако это второстепенные различия. Поэтому рентгеновские лучи широко используют вместо гамма-излучения, в частности для экспериментального облучения животных, семян растений и т. п. С этой целью применяют рентгеновские установки для облучения (просвечивания) людей. Лучшими защитными материалами от рентгеновских лучей являются тяжелые металлы и в частности свинец.В последние десятилетия появилась возможность получать электромагнитные излучения высокой энергии с помощью ускорителей заряженных частиц. Такое синхротронное излучение обладает теми же свойствами, что и рентгеновское и гамма-излучение.
Радиоактивность — это природное явление, когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения.По своей физической природе это потоки элементарных, быстродвижущихся частиц, входящих в состав атомных ядер, а также их волновое электромагнитное излучение. Эти излучения имеют большую энергию. Их общим свойством является способность ионизировать вещество, среду, в которой они распространяются: воздух, воду, металлы, человеческий организм и т. д. При этом нейтральные атомы и молекулы вещества распадаются на пары положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов.Основные типы радиоактивных излучений: альфа, бета, нейтронные (группа корпускулярных излучений), рентгеновские и гамма-излучения (группа волновых). Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна: длина пробега в воздухе составляет 3—11 см, а в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека.Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно.Бета-излучение — поток бета-частиц, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше, а скорость больше, чем у альфа-частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до 20 м, воде и живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см. На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц. Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже альфа-распад. По своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное поле с длиной волны 10~8—10~и см. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц.Зато гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества (слой половинного ослабления) толщиной: воды — 23 см, стали — около 3, бетона — 10, дерева — 30 см.Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении
Закон радиоактивного распада-закон,открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом.Во всех случаях,когда отделяли один из радиоактивных прод.и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещ-ва,из которого он образовался,было обнаружено,что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.Скорость превращ.все время пропорциональна кол-ву систем,еще не подвергнувшихся превращ. dN/dt= -длина волны N,которое означает,что число распадов за интервал времени t в произвольном вещ-ве пропорциональна числу имеющихся в образце атомов N.На практике использовать среднее время жизни неудобно из-за нецелочисленности отношения скоростей распада,разделенных временем,поэтому чаще используется другая временная хар-ка-период полураспада,равная времени,в течение которого число радиоактивных атомов или скорость распада уменьшаются в 2 раза.
.Ионизация вещества всегда сопровождается изменением его основных физико-химических свойств, а для биологической ткани — нарушением ее жизнедеятельности. Поэтому радиоактивные излучения и оказывают на живой организм поражающее действие.Для ионизации вещества требуется затрата определенной энергии внешних сил. Поэтому, проникая в вещество и ионизируя его, радиоактивное излучение постепенно теряет свою энергию.Ионизирующая способность радиоактивного излучения зависит от его типа и энергии, а также свойства ионизирующего вещества и оценивается удельной ионизацией, которая измеряется количеством ионов этого вещества, создаваемых излучением на длине в 1 см.Чем больше величина удельной ионизации, тем быстрее расходуется энергия излучений, т. е. тем меньший путь пройдет излучение в веществе до полной потери своей энергии. Поэтому чем больше ионизирующая способность излучения, тем меньше его проникающая способность, и наоборот.Поражение человека радиоактивными излучениями возможно в результате как внешнего, так и внутреннего облучения. Внешнее облучение создается радиоактивными веществами, находящимися вне организма, а внутреннее — попавшими внутрь с воздухом, водой и пищей. Очевидно, что при внешнем облучении наиболее опасны излучения, имеющие высокую проникающую способность, а при внутреннем — ионизирующую.Считают, что внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, от которого нас защищают стены помещений, одежда, кожные покровы, специальные средства защиты и др.Внутреннее же облучение воздействует на незащищенные ткани, органы, системы тела, причем на молекулярном, клеточном уровне. Поэтому внутреннее облучение поражает организм больше, чем такое же внешнее
Дозиметрия ионизирующих излучений раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Д. и. и. — совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин — их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений (Ионизирующие излучения). Основной дозиметрической величиной является Доза ионизирующего излучения и ее модификации. Задача Д. и. и. — описание дозного поля, сформированного в живом организме в реальных условиях облучения. Необходимость разработки Д. и. и. возникла вскоре после открытия Рентгеном (W.К. Röntgen) в 1895 г. излучения, названного его именем. Интенсивное накопление данных по биологическому действию рентгеновского излучения, с одной стороны, открывало реальную перспективу его применения в медицине, а с другой — указывало на опасность неконтролируемого облучения живого организма. В результате встал вопрос о дозиметрическом обеспечении практического применения источников ионизирующих излучений. В начале 20 в. основными источниками излучения были радий и рентгеновские аппараты, и Д. и. и. сводилась фактически к дозиметрии фотонного ионизирующего излучения (рентгеновского и гамма-излучения). Затем по мере развития технических средств ядерной физики, создания и усовершенствования ускорителей заряженных частиц и особенно после пуска в 1942 г. первого ядерного реактора число источников и связанных с ними видов ионизирующих излучений существенно расширились. В соответствии с этим появились методы дозиметрии потоков заряженных частиц, нейтронов, высокоэнергетического тормозного излучения и др. Стал расти и список дозиметрических величин, соответствующих задачам многообразного практического применения ионизирующих излучений различной природы. Физической основой Д. и. и. является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.Многообразие условий облучения и многофакторный характер его последствий не позволяют обходиться единственной дозиметрической величиной, приспосабливая ее к изменению этих условий и факторов. Необходим целый набор дозиметрических величин, из которых в зависимости от условий облучения и поставленной задачи выбирают наиболее адекватную меру радиационно-индуцированного эффекта. Примером такой величины является введенный.
Биофизика как наука. Современные достижения биофизики и их значения для биологии и медицины. Физика – наука, изучающая строения и свойства конкретных видов материи – веществ и полей – формы существования материи – пространство и время. Биофизика – наука, изучающая физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой. Задачи биофизики: 1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни. 2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения. 3. Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополиметов и других биологически активных веществ. 4. Создание и теоретическое обоснование физ-хим методов исследования биообъектов. 5. Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.) Разделы биофизики: 1. Молекулярная – изучает строение и физ-хим свойства, биофизику молекул. 2. Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем. 3. Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем. У истоков биофизики - работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945): - термодинамические основы жизни (организм - откр. сис-ма, поэтому для него не справедлив 2 закон термодинамики) - общие структурные особенности живых организмов (организм – апериодический кристалл, т.е. высокоупорядоченная система, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов) - соответствие биологических явлений законам квантовой механики (квантовая природа радиационного мутагенеза, но применение к.м. в биологии не тривиальны, т.к. организмы макроскопичны) Уже на начальных этапах своего развития биофизика использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические).Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам. Россия: 1927 первый Институт физики и биофизики в Москве, просуществовал недолго: в 1931 году его руководитель, академик Лазарев П.П., был арестован, и Институт закрыли. 1982 г. в стране > 20 кафедр биофизики. Современные области исследований биофизики. Интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др. Значение: 1. Среди биологических процессов можно выделить близкие к физическим (кровообращение – связанно с течением жидкости (гидродинамика), распространение упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работы сердца (механика), генерация биопотенциалов (электричество), дыхание (аэродинамика), теплоотдача (термодинамика), испарение (фазовые превращения). Понимание физики молекулярных процессов необходимо для правильности оценки состояния организма, природы некоторых заболеваний, действие лекарств. 2. По изменению физических свойств биологических объектов возможна диагностика заболевания (спектральные, изотопные, радиоспектроскопические). Современные медицинские приборы, основанные на волоконной оптике, позволяют осматривать внутри полости организма. Спектральный анализ используется в судебной медицине, генетике, фармакологии, биологии, рентгенодиагностика и методы меченных атомов – достижение ядерной и атомной физики. 3. Для лечения: видимый и невидимый свет (ультрафиолетовый и инфракрасный излучения), рентгеновское и гамма – излучения. Охлаждение (лед) и нагревание (грелка) условия лечения основаны на тепловой деятельности. Электрическое и электромагнитное воздействие применяется в физиотерапии. 4. Для изготовления протезов (зубы, сосуды, клапаны) необходимо знания механической прочности, устойчивости к многократным нагрузкам, эластичности, электропроводимости и другие. На современном этапе развития биофизики произошли принципиальные сдвиги, связанные с бурным развитием биофизики сложных систем и молекулярной биофизики. 5. Возбуждения мембраны описывается уравнениями.
2. Первое, второе, третье начала термодинамики. Определение понятия «температура». Предметом термодинамики является рассмотрение общих закономерностей превращение энергии при ее переносе в форме теплоты и работы между телами. 3 группы систем: ]) Изолированные - не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни массой, они полностью изолированы от влияния окружающей среды. 2) Закрытые - через свои границы обмениваются энергией с окружающей, средой, но не могут обмениваться массой. 3) Открытые - обмениваются с окружающей средой массой и энергией. Термодинамические параметры: T, V, Р, плотность. Изменение одного приводит к изменению термодинамического состояния системы в целом. Процессы, протекающие в системе и изменяющие ее состояние могут быть: I) Равновесными (обратные) процессы протекают в системе так, что вызванные ими изменения в состоянии системы могут пройти в обратном направлении без дополнительных изменений в окружающей среде (рассматривается главным образом в термодинамике). 2) Неравновесные (необратимые) - к ним относятся реальные превращения в природе и их протекание в обратном направлении сопровождается остаточными изменениями в системе. Функция состояния – функция, не зависящая от пути, а только от начального и конечного состояния - функция независимых параметров, определяющих равновесное состояние термодинамической системы; не зависит от пути (характера процесса), следуя которому система пришла в рассматриваемое равновесное состояние (т.е. не зависит от предыстории системы); к функциям состояния относят, в частности, характеристические функции системы: внутренняя энергия; энтропия; энтальпия и др. - термодинамическая работа и количество теплоты не являются функциями состояния, так как их значение определяется видом процесса, в результате которого система изменила своё состояние. Приращение функции тем меньше, чем меньше разница. В случае бесконечно малой – приращение = дифференциалу Первое начало термодинамики ( сер XIX века в результате работ Ю. Р. Майера, Джоуля и Г. Гельмгольца ). Невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. Количество теплоты, перешедшее системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы против внешних сил. Допустим, что некоторая система (газ, заключенный в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией U1, получила количество теплоты Q и, перейдя в новое состояние, которое характеризуется внутренней энергией U2, совершила работу А над внешней средой, т. е. против внешних сил. Будем считать количество теплоты положительным, если оно подводится к системе, а работа — положительной, если система совершает ее против внешних сил. В соответствии с законом сохранения энергии при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии ΔU=U2–U1 будет одинаковым и равным разности между количеством теплоты Q, которое получила система, и работой А, которую совершила система против внешних сил: δQ = dИ + δA, где dU — бесконечно малое изменение (приращение) внутренней энергии системы, δA — элементарная работа, δQ — бесконечно малое количество теплоты. dИ является функцией состояния: при совершении системой процесса, в результате которого она вновь возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии системы=0. В этом выражении dU является полным дифференциалом, а δA и δQ таковыми не являются. Количество теплоты и работу нельзя определить как разность, в общем случае δA включает работу против сил внешнего давления pdV и максимальную полную работу dA′ сопровождающую химические превращения: dA = dA′ тела + pdV. dA=pdV; pV=m/M*RT; dA= m/M*RT*dV/V; интегрируем (от V1 до V2). dA= m/M*RT*ln(V1/V2). Второе начало термодинамики. Невозможен процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему (Клаузиус) Невозможно существование вечного двигателя второго рода (Томсон), который работает за счет охлаждения одного тела. Из невозможности вечного двигателя 2-го рода следует, что кпд любого теплового двигателя не превосходит кпд Карно цикла (η) с идеальным газом, который газом зависит только от температуры награвателя (Tн) и холодильника (Тх). Цикл Карно состоит из четырёх стадий: 1. Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет TH. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается. 2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника. 3. Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее к тому времени TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX. 4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя. Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами. Обратный цикл соответствует работе холодильной машине, т.е. такой системе, которая отбирает теплоту от холодильника и передает большее количество теплоты нагревателю, этот процесс не может протекать сам собой, он протекает за счет работы внешнего тела.
где dS - приращение энтропии; δQ - минимальная теплота подведенная к системе; T - абсолютная температура процесса. Является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, в необратимых — её изменение всегда положительно.
Третье начало термодинамики (принцип Нернста) Невозможно достижение температуры абсолютного нуля. При стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия обращается в нуль. Формулировка Планка: энтропия выражается через термодинамическую вероятность (W) состояния системы S = klnW. При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии, для которого W = 1 (состояние реализуется единственным микрораспределением). Чем ближе система подходит к абсолютному нулю температуры, тем больше работы нужно затратить на ее дальнейшее охлаждение. В лабораторных условиях ученым удавалось получать температуры предельно близкие к нулевой. Нулевое начало термодинамики. В изолированной системе в конце концов установится термодинамическое равновесие, все её части будут иметь одинаковую температуру. Температура— мера беспорядочного движения частиц. 3. Термодинамика биологических систем. "Жизнь с точки зрения физики" (Э. Шредингер). Теорема Пригожина. Функция диссипации. Особенности организации живой системы: 1) Биологические системы открыты для потоков вещества и энергии. 2) Процессы в живых системах имеют неограниченный характер. 3) Живые системы находятся в неравновесном состоянии. 4) Биологические системы гетерофазны, структурированы, и отдельные фазы могут иметь небольшое число молекул.
Применимость законов термодинамики: 1. Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. 2. Второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим (Шредингер). Живые системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе развития каждого организма и филогенеза достигается состояние с более высокой упорядоченностью. Для живых систем изменение энтропии: dS = dSi + dSе, где dSi – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, dSe – скорость изменения энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой. Согласно второму закону термодинамики величина dSi может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dSe может быть положительной (DSe > 0, система получает энтропию) и отрицательной (dSe < 0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При dSe < 0 и | dSe| > | dSi |: dS = dSi + dSe < 0, что означает увеличение упорядоченности. Для живых систем рассматривается ход процессов во времени. Рассмотрим производную энтропии по времени, которую называют скоростью изменения энтропии. dS/dt = dSi/dt + dSе/dt. Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины): dS/dt =0, отсюда следует, что dSi /dt = -dSе/dt, т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dSi), должна полностью переходить во внешнюю среду. Теорема Пригожина. Если открытую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным, то есть dS/dt = min, т.е. достигает минимума диссипативная функция. Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией). Источником энергии для совершения негэнтропийной внутренней работы являются: для гетеротрофов – энергия в виде химических связей с низкой энтропией, для автотрофов – энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией. Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе. Если рассматривать систему «живой организм плюс среда», из которой берутся питательные вещества и в которую отдаются продукты обмена, то второй закон термодинамики справедлив: энтропия этой системы возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система создает внутри себя упорядоченность за счет того, что она уменьшает упорядоченность в окружающей среде.
Диссипативная функция (функция рассеяния) — функция, вводимая для учёта перехода энергии упорядоченного движения в энергию неупорядоченного движения, в конечном счёте — в тепловую. Скорость продукции энтропии на ед. объема. Положительная, но минимальная. diS/dt = SσdV > 0, мин. где σ- функция диссипации.
|
КПД цикла Карно: η = совершенной А / Q полученному от нагревателя, так как И = 0. А = Q1 + Q2. Обобщенный 2й закон:
Вывод: Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника. КПД тепловой машины всегда меньше 1.
Энтропия - мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального.
