Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Математическая формулировка второго начала термодинамики тесно связана с понятием энтропии. Было показано, что отношение теплоты, полученной в ходе обратимого процесса, протекающего при постоянной температуре, к самой температуре dQ/T не зависит от того, каким образом протекал этот процесс. Следовательно, это отношение представляет собой изменение некоторой функции состояния, тогда как ни теплота Q ни работа A не являются функциями состояния. Эта функция состояния была названа энтропией (S)
dS = Sконеч. – Sнач. = dQ/T
Обозначим через Amax – максимально возможную работу, которую могла бы совершить термодинамическая система, если бы вся подводимая энергия без потерь могла превратиться в работу. Последнее уравнение описывает ту часть энергии, которая не используется для совершения работы, а превращается в тепло и рассеивается, уменьшая величину действительной работы (Aдейст.) до
Aдейст = Amax – Q = Amax – T dS
Тогда изменение энтропии характеризует величину энергии, рассеянной в виде тепла и не используемой для совершения полезной работы.
Второе начало термодинамики говорит о том, какая часть подведенной энергии может быть преобразована в полезную энергию, а какая деградирует. В соответствии с этим законом, изменение энтропии характеризует долю энергии, превращаемой в тепло в процессах трансформации энергии.
Деградированную энергию нельзя использовать повторно, не затратив при этом ещё большего количества энергии. Деградация энергии сопровождается деградацией массы и даже выбросом абиогенных веществ, загрязняющих биосферу. Именно эта часть энергии и является объективным, т.е. закономерным и не зависящим от нас с вами источником и причиной загрязнения биосферы и возникновения ряда глобальных экологических проблем.
На базе понятия энтропии также были даны различные формулировки второго закона термодинамики, в том числе
- для необратимых процессов возможно лишь одно направление движения времени, при котором энтропия возрастает;
- в изолированных системах энтропия возрастает;
- теплота не может переходить самопроизвольно от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой (Клаузиус);
- невозможно создать двигатель, полностью преобразующий тепло в работу (Карно);
- в ходе обратимого процесса суммарная энтропия остается постоянной.
2. Как объясняет термодинамика существование жизни?
живое существо или экосистема представляет собой неравновесную открытую систему, непрерывно обменивающейся энергией с внешней средой. Живые объекты должны непрерывно бороться с возможностью возрастания энтропии, т.е. непрерывно происходящим нарушением структуры, функции, выравнивании градиентов температуры и вещества. Чтобы избежать такого выравнивания, эквивалентного смерти, живому организму, как и экосистеме, необходим постоянный поток энергии, который бы и использовался для совершения работы и непрерывной борьбы с необратимой деградацией, а, следовательно, и с возрастанием энтропии. Жизнь – невероятное событие с точки зрения термодинамики. Для её существования, так же как и для существования экосистем и биосферы в целом, необходим постоянный поток энергии. Необходимость потока энергии через любую живую организованную систему в биосфере, будь это отдельный индивидуум или экосистема, – главный вывод термодинамики. Необходимость такого потока энергии нужна для поддержания неравновесного состояния биологических объектов с окружающей средой.
dS( измен.общей энтропии)= diS( изм.внутренней энтропии:уменьшается)+deS( изменение внешней энтропии: возрастает)
Вечный двигатель первого рода – воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запушенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Если нет подвода энергии в систему dQ = 0 и dA = – dU, т.е. работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии системы. Внутренняя энергия системы всегда конечна, уже отсюда следует невозможность создания вечного двигателя. Другими словами, вечный двигатель первого рода противоречит закону сохранения и превращения энергии, т.е. первому началу термодинамики.
Загрязнение окружающей среды и связанные с этим многие глобальные экологические проблемы являются неизбежным следствием второго начала термодинамики. Загрязнение – неизбежное следствие неэффективной трансформации энергии, как биологическими системами, так и техническими устройствами. В этом и заключается основная идея принципа Карно – при трансформации энергии в различных системах происходит её деградация, т.е. часть энергии используется для работы, а часть теряется в виде тепла.
Деградация означает постепенное ухудшение, снижение или утрату положительных качеств. Именно деградированная в процессе функционирования экосистем энергия является главной причиной и источником загрязнения окружающей среды
Всеобщее существование живых систем –это борьба против возрастания энтропии. Материально – технический прогресс уменьшает энтропию, следовательно , стремление человека к прогрессу приводит к возрастанию энтропии в окружающей среде, следовательно, ее загрязнение
Загрязнение окружающей среды и связанные с этим многие глобальные экологические проблемы являются неизбежным следствием второго закона термодинамики. Эта неизбежность возникает вследствие низкого коэффициента полезного действия использования энергии биологическими объектами и низкого коэффициента полезного преобразования энергии на различных трофических уровнях. При этом одновременно происходит деградация энергии: на выходе мы имеем дело с энергией меньшего качества, например, с теплом, чем на входе. Такую деградированную энергию нельзя использовать повторно, не затратив на это дополнительной работы. Это означает, что такая трансформация деградированной энергии окажется очень дорогим процессом, хотя уже сейчас известны несколько интересных схем повторного использования отходов, загрязняющих среду, без возвращения их на прежний высокоэнергетический уровень.
Живые объекты должны непрерывно бороться с возможностью возрастания энтропии, т.е. непрерывно происходящим нарушением структуры, функции, выравнивании градиентов температуры и вещества. Чтобы избежать такого выравнивания, эквивалентного смерти, живому организму, как и экосистеме, необходим постоянный поток энергии, который бы и использовался для совершения работы и непрерывной борьбы с необратимой деградацией, а, следовательно, и с возрастанием энтропии. Жизнь – невероятное событие с точки зрения термодинамики. Для её существования, так же как и для существования экосистем и биосферы в целом, необходим постоянный поток энергии. Необходимость потока энергии через любую живую организованную систему в биосфере, будь это отдельный индивидуум или экосистема, – главный вывод термодинамики. Необходимость такого потока энергии нужна для поддержания неравновесного состояния биологических объектов с окружающей средой.
dS = diS + deS, (Онзагер(1968).- Термодинамика необратимых процессов объяснила, что для существования жизни нужен большой поток энергии
dS( измен.общей энтропии)= diS( изм.внутренней энтропии:уменьшается)+deS( изменение внешней энтропии: возрастает)
Как было показано ранее, существование живых организмов и биосферы в целом возможно только при непрерывном потоке энергии. Постоянное потребление и преобразование энергии – характерное свойство живых существ. Поддержание сложной высокоструктурированной биологической организации, выполнение различных видов работ в живых системах осуществляется в результате наличия и преобразования «высококачественных» видов энергии (световой, химической, электрической) в менее качественную, а, в конечном счете, в тепловую. Необходимость работы в состоянии покоя объясняется тем, что организм в состоянии относительного покоя представляет собой термодинамически открытую систему, которая находится в постоянном термодинамическом неравновесии со средой. Поддержание этого неравновесия требует непрерывного притока энергии и её необратимого превращения (трансформации). Необходимость потока энергии через живую систему обеспечивает сохранение устойчивого неравновесия между биологическими объектами и окружающей средой.
Для существования живых организмов необходима не сама энергия (общее содержание энергии в биосфере постоянно), а её непрерывный поток через биологические системы, сопровождающийся её деградацией, т.е. превращением в менее качественную энергию. Необходимость непрерывного потока энергии через живую систему одновременно означает, что через неё должен осуществляться непрерывный поток веществ, являющихся источником энергии
два разных теоретических подхода для интерпретации необходимости потока энергии через живые системы
Геометрическое понятие «подобия» аналогично изометрическому изменению масштаба, когда можно записать S ~ L2, а L ~ S1/2 и V ~ L3, а L ~ V1/3. Поверхность (тела) может быть выражена через объем (массу тела) S ~ L2 ~ (V1/3)2 ~ V2/3~ V0,67. Рассмотрим конкретные примеры. Для куба V = L3 L = V1/3 S = 6L2 = 6 (V1/3)2 = 6V2/3 = 6 V0.67 Итак, для куба любых размеров S = 6 V0.67 S* = S/M = S/V = 6V-0.33. Аналогично, для шара любых размеров S= 4πR2 V = 4/3 πR3 Из последнего выражения R3 = 3V/4π Отсюда R = (3V/4π)1/3 или S = 4πR2 = 4π[(3V/4π)1/3]2 = 4.836V0.67 . Тогда S* = S/M = S/V = 4,836V-0.33
Если построить график зависимости площади поверхности куба от объема в логарифмическом масштабе, то мы получим прямую линию регрессии с наклоном 0,67. Если же вместо этого построить зависимость площади поверхности на единицу объема куба, то линия регрессии покажет уменьшение относительной площади поверхности с увеличением размера куба. Наклон этой линии составляет –0,33. Это означает, что меньше куб, тем больше отношение S/V. Аналогичные кривые можно нарисовать и для шаров различных размеров.
Мы можем сделать вывод, что в общем виде S/V = kV-0.33 – для любых геометрически (изометрически) подобных тел. Вывод: меньшие тела имеют бóльшие поверхности на единицу объема, чем крупные тела той же формы. Сюда пример с мелкой картошкой. У неё больше площадь поверхности на единицу веса, поэтому при её чистке остается больше отходов по сравнению с отходами от крупной картошки.
Продолжительность жизни млекопитающих и птиц в неволе (годы) в зависимости от массы тела (кг) описывается уравнением
Млекопитающие t(жизни) = 11,8·(Мт)0,20
Птицы t(жизни) = 28,3·(Мт)0,19
Эти два уравнения открывают поразительные факты. Сопоставление аллометрических уравнений, описывающих зависимости продолжительности жизни в зоопарках млекопитающих и птиц в зависимости от их массы, позволяет придти к выводу, что, во-первых, в обоих случаях продолжительность жизни увеличивается с увеличением размеров тела, а во-вторых, при одних и тех же размерах птицы живут примерно в 2,5 раза дольше, чем млекопитающие
Для мелких животных характерен более быстрый темп жизни, чем для крупных; они чаще дышат, их сердце бьётся чаще, они быстрее двигают ногами – всё у них происходит быстрее. Сердце землеройки бьется с частотой около 1000 раз/мин, а у слона всего лишь 30 раз/мин. 1000 ударов сердца слона занимает более получаса,а у землеройки то же число ударов происходит за 1 мин. То же самое относится и к другим физиологическим функциям. Это означает, что временная шкала животного может быть связана с его размерами.
Частота сердечных сокращений у млекопитающих [мин-1] fc = 241•(Mт)-0,25 [кг], а длительность каждого сердечного сокращения [t, мин] tс = 1 / [241•(Mт)-0,25] = k•(Mт)0,25
Частота дыханий у млекопитающих [мин-1] fд = 53,5•(Mт)-0,26 [кг], а длительность каждого дыхательного цикла tд = 1 / [53,5•(Mт)-0,26] = 0,0187•(Mт)0,26
Тогда отношение fc / fд = [241•(Mт)-0,25] / [53,5•(Mт)-0,26] = 4.5•(Mт)0,01
Показатель степени, равный 0,01 близок к нулю. Тогда мы встречаемся здесь с общебиологическим правилом, гласящим, что на один дыхательный цикл у всех млекопитающих приходится 4,5 удара сердца.
Птицы дышат медленнее, чем млекопитающие (дыхательный объём у них выше), и частота сердечных сокращений у них также ниже. Аналогичные оценки для птиц
[мин-1] fc = 155,8•(Mт)-0,23 [кг]
[мин-1] fд = 17,2•(Mт)-0,31 [кг]
Тогда отношение fc / fд = 9,0•(Mт)0,08
Эти оценки позволяют сделать вывод, что на каждый дыхательный цикл у птиц приходится 9 сокращений сердца, что в 2 раза превышает этот показатель для млекопитающих.
Тепло, выделяемое в организме за счет низкого к.п.д. биологической работы, не является энергетическим источником для выполнения биологической работы, поэтому оно должно выводиться из организма .
Одна из интереснейших закономерностей биоэнергетики заключается в неожиданно низком к.п.д. биологической работы. Благодаря этому, происходит значительное тепловыделение внутри организмов, обеспечивающее принципиальную возможность существования гомойотремных животных. Низкий к.п.д. биологической работы обусловливает уже известный нам факт, что даже в покое жизнь представляет собой тяжелую работу, а, в соответствии со вторым законом термодинамики, любой необратимый энергетический процесс сопровождается частичной потерей энергии в виде тепла. Любая форма энергии может полностью перейти в тепло, в то время как тепло может превращаться в другие формы энергии лишь частично, да и то с затратой дополнительной энергии.
Теплопрподукция может быть изменена за счет двух принципиально различающихся процессов. Первый мы только что разобрали выше – несократительный термогенез за счет разобщения процессов дыхания и фосфорилирования. Второй – сократительный термогенез.
Главным источником дополнительного (по сравнению с основным обменом) теплообразования является сократительный термогенез, подразделяемый на терморегуляционный мышечный тонус (тремор, - незаметная для глаза работа мышц) и холодовую дрожь.
Сократительный термогенез, т.е. специфическое повышение теплопродукции за счет специальных мышечных реакций в виде терморегуляционного мышечного тонуса, вносит главный вклад в повышение теплопродукции живых организмов.
Теплообразование (термогенез, термопродукция) в процессе метаболизма живых организмов является прямым следствием второго закона термодинамики. Тепло, выделяемое в организме за счет низкого к.п.д. биологической работы, не является энергетическим источником для выполнения биологической работы, поэтому оно должно выводиться из организма.
Главным источником дополнительного (по сравнению с основным обменом) теплообразования является сократительный термогенез, подразделяемый на терморегуляционный мышечный тонус (тремор, - незаметная для глаза работа мышц) и холодовую дрожь.
Сократительный термогенез, т.е. специфическое повышение теплопродукции за счет специальных мышечных реакций в виде терморегуляционного мышечного тонуса, вносит главный вклад в повышение теплопродукции живых организмов.
млО2 г-1 км-1 V(O2) = 0,26 (Мт(г))^(-0,23) г
Снегирь - 150 г
Лебедь - 15 кг = 15000 г
V(O2)снегиря = 0,26*150^(-0.23) = 0.082
V(O2)лебедя = 0.26*15000^(-0.23) = 0.029
Как и для млекопитающих, энергетическая цена полета птиц обратно пропорциональна массе тела, но в отличие от бега млекопитающих, эта цена зависит от скорости. Для оптимальной скорости энергетически наиболее выгоден полет, плавание – в 2-3 раза дороже, бег – дороже в 20-30 раз!
Аэродинамические оценки показывают, что для горизонтального полета мощность самолета возрастает пропорционально его массе (Мт)1,0, а для вертолетов даже быстрее (Мт)1,1. Поскольку реальный метаболизм птиц и насекомых возрастает пропорционально массе (Мт)0,72 и (Мт)0,77, это означает, что существуют максимально возможные размеры птиц для поступательного движения и насекомых или птиц для трепещущего полета, что и подтверждается реальными данными.
10. Что Вы понимаете под температурным гомеостазом?
Температурный гомеостаз – это динамическое постоянство температуры тела млекопитающих и птиц. Для его поддержания скорость теплопотерь должна равняться скорости теплопродукции. При составлении баланса тепловой энергии из потребляемой энергии нужно вычесть энергию на выполнение внешней работы. Превращения энергии внутри организма, в конечном счете, деградируют в тепловую энергию.