проект:    архи.всё -> энтропия
   Энтропия биосистем
Центр Исследования Хаоса Энтропия
Архитектурный журнал
прессслужба


Лекции
Строительство

 

Среди термодинамических функций, характери-

зующих энергетическое состояние биологического

объекта, исключительно важное место принадле-

жит энтропии. Понятие энтропии было введено в

1865 году Рудольфом Клаузиусом, и с тех пор эта

функция привлекает внимание физиков и физико-

химиков. Широко используется энтропия и биолога-

ми [1], что вполне понятно. Ведь живой организм –

это прежде всего энергетическая система, где дейст-

вуют те же законы термодинамики, что и в неживой

природе. Следует, однако, учесть, что живые орга-

низмы характеризуются некоторыми особенностя-

ми, которые отсутствуют у физических объектов.

Это, как известно, размножение, развитие и т.д. По-

этому энергетический обмен таких систем обладает

качественным своеобразием и требует специально-

го анализа.

Почему для этого анализа мы взяли именно энт-

ропию? Это связано с тем, что данная функция дает

наиболее полную и в то же время обобщенную ха-

рактеристику системы. Она может указывать, какие

процессы возможны в данных условиях и до какого

предела они могут идти.

oie iAaeO ucieeeau

Энтропия – очень “скользкая” термодинамиче-

ская функция. Многие о ней слышали, но далеко не

все представляют, что это такое. Конечно, можно

сказать (как это сделает физик), что изменение энт-

ропии системы при равновесном процессе равно

отношению теплоты, сообщенной системе, к абсо-

лютной температуре: dS = ?Q/T, что с повышени-

ем температуры (неадиабатическим путем) энтро-

пия системы возрастает, что она представляет собой

функцию состояния, то есть ее изменение не зави-

сит от формы пути и, следовательно, в замкнутом

контуре ее изменение равно нулю

и т.д.

Но все это мало удовлетворит биолога, поэтому нач-нем несколько издалека.

В биосистемах протекают самые разные энерге-

тические процессы: дыхание, фотосинтез, мышеч-

ное сокращение, транспорт веществ и т.д. Однако

при всем качественном разнообразии эти процессы

можно попытаться свести к двум типам: обратимые

и необратимые. Обратимый процесс – это такой,

при котором система в каждый данный момент вре-

мени находится в состоянии, бесконечно близком

к термодинамическому равновесию, и достаточно

 

лишь незначительно изменить условия, чтобы про-

цесс был обращен. При этом под термодинамичес-

ким равновесием понимают такое состояние систе-

мы, когда градиенты различных видов энергии

(химической, электрической) выровнены и способ-

ность системы совершать работу равна нулю. Обра-

щение обратимого процесса не вызывает остаточ-

ных изменений в окружающей среде.

В отличие от этого при необратимом процессе

система изменяется по направлению к конечному

состоянию (при самопроизвольном протекании

процесса – к состоянию равновесия) с определен-

ной скоростью. При этом часть свободной энергии

системы (то есть той энергии системы, за счет кото-рой может совершаться работа при постоянной температуре) теряется в виде тепла. Например, если совершается механическая работа, то часть затрачен-ной на нее свободной энергии теряется при трении.

Для того чтобы обратить данный процесс, необходи-

мо компенсировать эти потери. Следовательно, об-

ращение необратимого процесса связано с остаточ-

ными изменениями в окружающей среде. Потери

энергии при необратимых процессах, которые про-

исходят обычно в виде тепла, и характеризует энт-

ропия. Таким образом, энтропия отражает ту часть

энергии системы, которая рассеялась, деградирова-

ла в тепловой форме и не может уже быть использо-

вана для совершения работы при постоянной тем-

пературе. Из сказанного становится ясным, что при

обратимых процессах изменение энтропии равно

нулю (? S = 0), а при необратимых оно положитель-

но (? S > 0). Таким образом, чем меньше в системе

градиенты энергии и чем больше в ней рассеянной

в виде тепла деградированной энергии, тем больше

ее энтропия.

Особенностью биосистем является то, что в них

практически нет обратимых процессов. Все процес-

сы, которые в них протекают, носят необратимый

характер, то есть сопровождаются увеличением эн-

тропии. Следовательно, в биосистемах не вся затра-

чиваемая при данном процессе свободная энергия

переходит в полезную работу. Часть ее рассеивается

в виде тепла. Отношение количества совершенной

работы к количеству затраченной на нее свободной

энергии называется коэффициентом полезного

действия биологического процесса. Так, мышечное

сокращение совершается с КПД ?30%, гликолиз

?36% и т.д. Как видим, потери свободной энергии

при этих процессах весьма велики. Встречаются,

однако, и такие процессы, которые близки к обра-

тимым, то есть КПД которых высок. Например,

свечение некоторых тропических насекомых имеет

КПД 98–99%, разряд электрических рыб – 98%.

Причина такого высокоэффективного использова-

ния свободной энергии пока не совсем ясна. Таким

образом, мы приходим к выводу, что, чем больше

увеличение энтропии при данном процессе, тем бо-

лее он необратим.

 

Значение энтропии особенно четко проявляется

при рассмотрении второго принципа термодинами-

ки [1].
  . страницы:
1  >
2  
3  
4  
5  
  . содержание:
       архи. трансформер ( развернуть и cвернуть )
      
  . архи.поиск:
  . архи.другое:
проект Которосль
  . архи.дизайн:
 
  Семён Расторгуев ©  рaдизайн ©


    © В. А. ОПРИТОВ


    © 2007—2015, проект АрхиВсё,  ссылайтесь...
Всё.