9. Второе начало термодинамики для изолированных систем. Термодинамическое равновесие. Научное и практическое значение второго начала термодинамики.
Второе начало термодинамики для изолированных систем.
Изолированными называют системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Абсолютно изолированных систем не бывает, но во многих случаях (например, для вещества в хорошем термосе) можно практически считать систему изолированной.
В изолированной системе общее изменение энтропии всегда положительно (то есть общая энтропия изолированной системы всегда возрастает).
По формуле ΔG = ΔU – T·ΔS видно, что если энтропия возрастает (ΔS> 0), то свободная энергия системы уменьшается (ΔG <0).
Поэтому второе начало можно сформулировать и по-другому:
В изолированной системе общее изменение свободной энергии всегда отрицательно (то есть свободная энергия изолированной системы
всегда уменьшается).
Термодинамическое равновесие.
Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Отличают тепловое, механическое, радиационное (лучистое) и химическое равновесия.
Научное и практическое значение второго начала термодинамики.
Законы термодинамики имеют большое значение для понимания самых разных сторон жизнедеятельности организма. Методы термодинамики успешно используются при исследовании самых разнообразных процессов, связанных с превращениями энергии в организме (питание, мышечное сокращение, обмен веществ, возникновение и проведение нервных импульсов, работа органов чувств и многое другое). Поэтому знание основных положений биологической термодинамики будет необходимо нам при изучении большинства дисциплин.
10. Формулировка второго начала тд для биологических (открытых) систем в трактовке Пригожина. Продукция энтропии и поток энтропии. Стационарные состояния. Теорема Пригожина.
Формулировка второго начала термодинамики для открытых систем (в трактовке Пригожина).
Открытыми называются такие системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. К открытым системам относятся все живые организмы.
В открытой системе изменение внутренней энергии за счёт процессов внутри системы всегда отрицательно, а изменение энтропии за счёт процессов внутри системы всегда положительно.
ΔGI < 0 ; ΔSI > 0
Продукция энтропии и поток энтропии.
Во многих случаях представляет интерес скорость изменения энтропии, которая выражается производной энтропии по времени.
dS/dt = (dS/dt)i + (dS/dt)e
Первый член справа называют продукцией энтропии (больше 0), а второй член - потоком энтропии.
Стационарные состояния. Теорема Пригожина.
Стационарным состоянием системы называют состояние, в котором процессы в системе так сбалансированы, что основные величины, характеризующие систему, остаются постоянными.
Живые организмы большую часть времени проводят именно в стационарном состоянии (точнее – переходя время от времени из одного стационарного состояния в другое, например – из состояния сна в состояние бодрствования и наоборот).
Это свойство живых существ называют гомеостазом.
Пригожин доказал положение, которое называется теоремой Пригожина: в стационарном состоянии продукция энтропии минимальна. Минимальная продукция энтропии соответствует минимальной диссипации свободной энергии (минимальным потерям энергии), то есть максимальному КПД. Поэтому можно сказать, что в стационарном состоянии КПД системы наибольший. Это тоже важное свойство стационарных состояний.
11. Лабораторная работа «Исследование влияния поверхностно-активных веществ на свободную энергию поверхности жидкости». Цели лабораторной работы, теоретические основы, описание метода, расчетные формулы.
