ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Несколько определений из "Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики" Продолжим теперь формулировки определений, полезных для понимания идей в последующих главах. Читатель должен иметь в виду, что эти определения и их интерпретация принадлежат к области классической термодинамики и могут оказаться не вполне верными для биологических систем. [c.15] Система называется гомогенной, если она состоит из одной фазы. Химические вещества в системе называются компонентами. [c.15] Система называется гетерогенной, если она состоит из нескольких фаз, т. е. частей, имеющих разные сюйства и отделенных друг от друга четкими границами раздела. Толщина этих границ значительно меньше размера фаз. [c.15] Термодинамика изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц. Размеры и времена жизни таких систем должны быть достаточно велики, чтобы их сюйства могли бьпъ измерены. [c.15] Состояние системы определяется значениями ее макроскопических параметров, т. е. количественными характеристиками ее сюйств. Существуют два типа параметров экстенсивные и интеисивные. Экстенсивные параметры, например энергия, объем и т. п., суммируются при объединении отдельных систем. Интенсивные параметры, например, давление, температура и т. п. в1 равниваются после объединения. [c.15] Общепринято считать, что все системы можно подразделить на три типа. Изолированные системы не способны обмениваться с окружением ни материей, ни энергией. Таких систем на самом деле нет. Эта идеализация позволяет упростить описание систем, слабо взаимодействующих с окружающим миром. Фактически это означает, что реальные системы рассматриваются в течение достаточно короткого промежутка времени, что позюляет пренебречь изменениями системы за счет взаимодействия с окружением. Такое офаничение времени наблюдения (как сверху, так и снизу) довольно часто юзникает при рассмотрении энергии и ее трансформации. [c.15] Закрытые системы обмениваются с окружением энергией, но не материей. [c.15] Открытые системы обмениваются с окружением и материей, и энергией. [c.15] Состояния, в которых параметры системы не меняются во времени, называются стационарными. Стационарные состояния изолированных систем называются равновесными. [c.16] Несколько слов о неравновесных стационарных состояниях. В некоторых условиях, как в вышеприведенном примере, их можно считать равновесными. Это не исключает того, что рассматриваемая система имеет более стабильное, более равновесное состояние, недостижимое в исходных условиях, но легко доступное в других, позволяющих преодолеть кинетический барьер. При таком подходе мы можем сказать, что смесь юдорода с кислородом находится в неравновесном состоянии, отделенном от равновесного высоким кинетическим барьером, который препятствует релаксации системы к равновесию. Такие кинетически неравновесные состояния и их релаксация играют важную роль в биологических системах. Их следует отличать от термодинамически неравновесных систем, которые остаются в неравновесном состоянии благодаря постоянному поступлению материи или энергии из окружения. Типичный пример приведен на рис. 2.1. Металлический брусок нагревается с одного конца. Неравномерное распределение температуры сохраняется, пока нагрев постоянен. [c.16] Очень важно в термодинамических проблемах взаимодействие изучаемой системы (классической или квантоюй) с большим диссипативным окружением. В зависимости от масштаба энергии это окружение можно называть физическим вакуумом или термостатом. [c.16] Термостат взаимодействует с изучаемой системой благодаря тепловому контакту и настолько велик, что тепловой обмен с системой не меняет его температуру. [c.17] Удобно рассмотреть основные законы и уравнения термодинамики на примере идеального газа. Идеальный газ — это система, состоящая из невзаимодействующих частиц (допустимы только упругие столкновения). Размеры частиц пренебрежимо малы по сравнению с размерами системы. Их можно считать материальными точками. В то же время они не исчезающе малы, поскольку сталкиваются. [c.17] Здесь п — число молей газа, а R — универсальная газовая постоянная (8,31431 Дж/моль). [c.17] На рис. 2.2 представлена эта кривая (сплошная линия) для перехода между состояниями (p,,F ) и Для реализации этого процесса можно использовать цилиндр с поршнем в термостате (рис. 2.3). Под поршнем (положение /г,) находится 1 моль идеального газа в объеме F,, при давлении р,, над поршнем — вакуум. Для того чтобы система находилась в равновесии, на поверхность поршня помещен груз, давление которого на поршень равно p . Примем, что сам поршень ничего не весит, а трение пренебрежимо мало. Очевидно р, = gM /A, где g — ускорение силы тяжести, я А — площадь поверхности поршня. Заменим мгновенно М, на меньший вес М2- Поршень поднимется до нового положения / 2, и система затем перейдет в состояние (рз, 1 2). При этом механическая работа по подъему груза М2 на высоту / 2 компенсируется тепловой энергией, поступающей от термостата. Кривая этого процесса не совпадает с теоретической гиперболой. После мгновенного падения внешнего давления система переходит в неравновесное состояние (Р2 У ), а газ расширяется до равновесного состояния (р2, 2), Такие переходы через промежуточные неравновесные состояния называются неравновесными. [c.18] Аналогично можно проанализировать равновесный и неравновесные процессы сжатия идеального газа с увеличением веса груза от М2 до Му с передачей тепла в термостат. [c.19] Понятие равновесного процесса является идеализацией, поскольку невозможно изменять параметры системы на бесконечно малую величину. Для многих физических и химических процессов эта идеализация вполне себя оправдывает. Мы увидим далее, что в биохимии и в биофизике она не всегда работает . [c.19] В этом случае Л и Q являются полными дифференциалами, если либо р, либо V — постоянны. [c.20] Теплота, полученная системой, может привести к увеличению ее внутренней энергии (например, к повышению температуры) и/или к производству работы. [c.20] Вернуться к основной статье