Термодинамикалық жүйе типтері

Презентация қосу

БИОЛОГИЯЛЫҚ
ЖҮЙЕЛЕРДІҢ
ТЕРМОДИНАМИКАСЫ
Жоспары:
1. Жүйе, энергия, жұмыс, ішкі энергия, энтальпия.
2. Термодинамиканың бірінші заңы. Биожүйелер үшін термодинамиканың бірінші заңы. Гесс
заңы.
3. Термодинамиканың екінші заңы. Термодинамиканың екінші заңының биожүйелер үшін
қолдану.
Пайдаланылған әдебиеттер.
Кіріспе.
• Биофизика – тірі жүйелердегі физико-химиялық
құбылыстарды және оның қоршаған ортамен байланысы
туралы ғылым.
• Биофизика – биологиялық жүйелердің әртүрлі
деңгейлерінде жүретін физикалық және физико-химиялық
процестер туралы ғылым
• Биофизиканың зерттеу нысаны – тірі жүйе (клетка
бөлшегі, клетка, мүше, мүшелер жүйесі, тұтас организм)
Биофизиканың
•
міндеттері:
Ашық жүйелер күй заңдылықтарын ашып көрсету.
Тіршіліктің термодинамикалық негізін теориялық тұрғыда
түсіндіру.
•Жеке және эволюциялық даму, өзін-өзі реттеу және өзін-өзі
жаңарту құбылыстарын ғылыми тұрғыда түсіндіру.
•Биополимерлер мен биологиялық активті заттардың
құрылысы мен функционалды қасиеттері арасындағы
байланысты анықтау.
•Биообъектілерді зерттеудің физико-химиялық әдістерін
жасау және теориялық негіздеу.
•Функционалды процестер кешендеріне физикалық
түсіндірме беру (нерв импульстарының генерациясы және
таралуы, бұлшықет жиырылуы, рецепция және т.б.)
Термодинамика – әртүрлі энергиялардың айналымдарын
сапалық және сандық сипаттаумен айналысатын физика
ғылымының бір бөлімі.

Термодинамика – макроскопиялық
материалдық жүйелердің ортақ қасиеттері,
термодинамикалық тепе-теңдік және осы
күйлердің арасында жүріп отыратын
айналымдар туралы ілім.
ы
о
қ Қазіргі таңда термодинамиканың екі негізгі бөлімі
ж
ш
ә
бар:
а
н
у
е
л
ү
а
ш
н
ғ
н
а
е
н
гі
ж
з
ү
гі
й
з
е
а
л
ң
е
ы
р
–
т
ү
е
ш
р
м
«
о
б
д
а
и
с
а
е
н
м
н
Жүйе – қандай да бір жолмен қоршаған ортадан шектелген
а
е
э
Ж
материалды
н л
әсерлесу
м
объектілердің жиынтығы. Қоршаған ортамен
сипатына байланысты термодинамикалық жүйелерді үш
з
ү е бөледі:
топқа
а
а
р
с
й
ап
и
т
г
а
е
яе
л
н
ж
да
ә
т
е
н
ы ,
е
нэ
з
,н
а
б
те
рі
а
р
г
л
иа
м
қя
а
м з
с
а
е
а
т
н т
да
ы
Тірі
е
н
л организмдердің барлығы ашық жүйеге
м
ж а
а
жатқызылады.
Термодинамикалық жүйе типтері

Сыртқы орта
зат

зат
жүйе зат
энергия
энергия
энергия

ашық тұйық оқшауланған

Жүйе энергиясы – жүйенің жұмыс атқару қабілеттілігі.

КЕЗ-КЕЛГЕН ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ
ЖҮЙЕ ПАРАМЕТРЛЕРДІҢ ЕКІ ТОБЫМЕН
СИПАТТАЛАДЫ:

Интенсивті Экстенсивті
термодинамикалық термодинамикалық
параметрлер параметрлер

қысым, температура жалпы энергия,
және т.б. энтропия, ішкі энергия

жүйедегі бөлшектердің жүйедегі бөлшектердің
саны мен массасына саны мен массасына
Күй параметрлерінің уақытқа байланысты
өзгеріссіз сақталуын термодинамикалық
тепе-теңдік деп атайды.
Егер оқшауланған жүйе тепе-теңдік күйден
шығарылса, онда ол тепе-теңдік күйге өздігінен
ұмтылады.

100⁰ С
60⁰ С

ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ
ПРОЦЕСС
• Термодинамикалық жүйеде
параметрлерлердің өзгеруін
термодинамикалық процесс деп атайды.
• Жүйе энергиясын (W) екі бөлшектін қосындысы ретінде
қарастыруға болады: жүйенің қозғалысы мен орнына тәуелді – толық
(Wт) және бұл факторларға тәуелсіз (U).

W=Wт + U
U – жүйенің ішкі энергиясы.
ІШКІ ЭНЕРГИЯ

• Ішкі энергияны өз кезегінде бос энергия және байланысқан
энергия деп екіге бөледі.
• Бос энергия (G) – жұмыс атқаруға жұмсалатын ішкі энергияның
бөлігі.
• Байланысқан энергия (Wбайл) – жұмысқа айналдырылмайтын ішкі
энергияның бөлігі.

U = G + Wбайл
Термодинамиканың бірінші заңы:
Термодинамиканың бірінші заңы – энергияның сақталу
заңының сандық көрінісі болып табылады.
Энергияның сақталу заңы:

энергия жоқтан пайда болмайды және
ешқайда жоғалмайды,
ол тек бір түрден екінші түрге айналады
.
Термодинамиканың бірінші заңы
Материалды жүйедегі энергияның жалпы
суммасы жүйеде жүріп жатқан өзгерістерге
тәуелсіз тұрақты сақталады.
Жүйедегі энергияның өзгерісі тек қана
қоршаған ортамен энергия алмасу арқылы
Термодинамиканың бірінші заңы
Жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі U жүйеге
берілген жылудың Q алгебралық суммасы мен
атқарылған жұмыстың A
қосындысына тең.
U= Q + A
немесе
Жүйеге берілген жылу мөлшері ( Q) жүйенің ішкі
энергиясын ( U) өзгертуге және сыртқы күштерге
қарсы жүйенің жұмыс ( A) істеуіне жұмсалады:
Q = U + A
Жүйенің жылу эффектісі –
энтальпия (H, H, dH)
– қысым р тұрақты болған жағдайда жүйеге
берілетін немесе одан алынатын жылу мөлшері :

H = U + p V
p және V тұрақты болған жағдайда, биохимиялық
процестерде
H = U,
H және U – жүйенің күй функциясы.
Энтальпия калориямен өлшенеді:
1 кал 1 г суды 1оС-қа
немесе
1 кДж 1 г суды 0,24оС-қа жылытады.
ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ ЗАҢЫН
БИОЛОГИЯЛЫҚ ЖҮЙЕЛЕР ҮШІН
ҚОЛДАНУ

• Термодинамиканың бірінші
заңын тірі жүйелер үшін
қолдану мүмкіндігі туралы
алғаш рет неміс
физиологы, әрі гигиенист
Макс Рубнер айтты.

Max Rubner
(1854-1932)
Термодинамиканың бірінші заңының биожүйелер
үшін тұжырымдамасы
Тірі организмдерде жасалатын жұмыстың барлығы АТФ
энергиясы есебінен атқарылады.
АТФ – әмбебаб энергия көзі:
АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 + 7,0 – 8,5 ккал
Темодинамиканың бірінші заңын
тірі организмдер үшін толықтай қолдануға болады.
Тірі жүйелер үшін
термодинамиканың бірінші заңы былай тұжырымдалады:

Тірі организмдердегі жұмыстың барлық түрі
қоректік заттардың тотығуы кезінде бөлінетін
энергияның эквивалетті мөлшері есебінен
атқарылады.
Заттардың биологиялық айналымы
(жайылым тізбегі мысалында қарастырылады)
R
R R R

0,2%
R

Фитофагтар І реттік ІІ реттік
зоофагтар зоофагтар
Продуценттер (консумент І) (консумент II) (консумент III)

жалпы таза
бірінші бірінші екінші екінші екінші
реттік өнім реттік өнім реттік өнім реттік өнім реттік өнім

D D D D
фотосинтез E
E E E
минералды
Детритофагтар және редуценттер
заттар
минерализация
R – тыныс алу барысында шығарылатын энергия
D – табиғи өлім
E – зат алмасу өнімдерімен шығарылатын энергия
Жайылымдық қоректік тізбек арқылы энергия айналымы
(барлық сандар кДж/м2∙жыл өлшемімен көрсетілген)
Химиялық айналымдар кезінде термодинамиканың
бірінші заңынан шығатын салдар: Гесс заңы.

Көптеген сатыдан өткен химиялық реакцияның
жылу эффектісі реакцияның жүріп өткен жолына
байланысты болмайды, ол тек қана химиялық
жүйенің бастапқы күйдегі энергиясы мен соңғы
күйдегі энергиясының айырмасына
Q5 байланысты
С болады. D
Q4
Q6
Q1
А В
Q2 Q3
К

Q1 = Q2+ Q3 = Q4 + Q5 + Q6

А – бастапқы өнім, В – соңғы өнім,
К,С, D – аралық өнімдер;
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 – жекелеген сатылардың жылу эффектісі
Термодинамиканың екінші заңының
жалпы анықтамасы:

Оқшауланған жүйеде өздігінен жүретін процесс егер
процесс қайтымсыз болса, бос энергияның азаюына алып
келеді, ал егер қайтымды болған жағдайда бос
энергияның мөлшері тұрақты немесе өте аз (минимум)
көрсеткішінде болады.

G 0.
Тірі жүйелер үшін
термодинамиканың
екінші заңы
Организм, ашық жүйе болып
есептеледі, сырттан энергияны
қабылдайды және оны
энергияға бай қосылыс (АТФ)
түрінде жинақтайды.
Бұл жағдайда жүйенің
энтропиясы төмендейді.

Қорға жиналған энергия пайдалы жұмыс жасау үшін жұмсалады.
Тірі организмдерде жүріп отыратын барлық процестер қайтымсыз
болғандықтан энтропия үнемі өсіп отырады. Бұл кезде
энергияның бір бөлігі энергиясы аз метаболизмнің соңғы өнімдері
түрінде сыртқа шығарылып отырады.
Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Интерактивное учебное пособие «Наглядная физика». МКТ и
термодинамика. Издательство «Экзамен», Москва, 2012.
2. Физика. Библиотека наглядных пособий. Под. ред. Ханнанова Н.К.–
М.: Дрофа.2004.
3. Открытая физика [текст, рисунки] http://www.physics.ru
4. Фестиваль педагогических идей
https://festival.1september.ru/articles/585938/
5. Сайт «Открытая физика»
http://www.college.ru/physycs/courses/op25part1/content/chapter3/sectio
n/paragraph12/ theory .html
Назарыңызға
көп рахмет!

Ұқсас жұмыстар

Термодинамикалық жүйе, процесс және тепе - теңдік

ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ ЖҮЙЕЛЕР

Жүйенің энергия минимумына ұмтылуы

Термодинамика анықтамалары және сыныптамасы

Полимерлердің еру термодинамикасы

Жүйе күйі

Гиббс энергиясы

Термодинамика анықтамасы

ТЕРМОДИНАМИКА ЗАҢДАРЫ

Термодинамиканың заңдары

Пәндер