Концепции современного естествознания. Шпаргалки

В классической термодинамике рассматриваются изолированные (замкнутые) или равновесные системы. Для замкнутых систем характерны простейшие расчетные уравнения, основанные на ряде характеристик: объем (V), работа (A), давление (P), температура (T), теплота (Q), внутренняя энергия тела (U). Для этих систем Т является производной от энергии, а запас энергии всегда имеет положительную величину, поскольку даже при Т = 0 К существует колебательное и вращательное движение молекул (то есть их тепловое движение).

Теплота является одной из форм энергии, которую получает или передает система, работа выражается равенствами А = F · S, A = P · V и определяется силой действия на систему, а внутренняя энергия тела состоит из суммы энергии атомов, молекул, электронов:

U = Uпоступ движ молек+ Uядер+ Ue + …

Ек и Еп данной системы в целом не учитывается. Классическая термодинамика сводится к двум началам термодинамики :

1) закону сохранения и превращения энергии (Q = U + A, где U – изменение внутренней энергии);

2) закону максимального роста энтропии при необратимых процессах до достижения системой равновесия

Живые системы не являются замкнутыми. Открытость системы – главное условие для ее существования, то есть если бы законы классической термодинамики выполнялись в открытых живых системах, они были бы обречены на смерть. Но этого не происходит, хотя законы термодинамики работают. Для живых систем в расчеты включается также и среда, с которой обменивается энергией живое существо, таким образом, термодинамические процессы существуют для единого комплекса: живая открытая система + внешняя среда = замкнутая система.

Согласно первому закону термодинамики получаемое организмом количество энергии существует в виде: а) выделяемого тепла; б) совершаемой работы или выделяемых веществ; в) теплоты сгорания веществ, синтезированных за счет энергии, поступившей извне.

Согласно второму закону термодинамики энтропия изменяется в ходе процессов, происходящих в самой живой системе при обмене веществом и энергией с окружающей средой, и не разрушает систему, а переходит во внешнюю среду; при высокой скорости роста энтропии организм погибает.

78. Теорема Пригожина для открытых термодинамических систем

По теореме Пригожина: в открытой термодинамической системе, предоставленной самой себе, при неизменных условиях прирост энтропии уменьшается до тех пор, пока она не достигнет стационарного динамического равновесия; в состоянии динамического равновесия прирост энтропии минимален.

В открытой живой системе на протяжении ее существования происходит распад элементов, приводящий к росту положительной энтропии (то есть неупорядоченности системы), поэтому живая система компенсирует неупорядоченность внутренней работой (синтез элементов взамен распавшихся) и процессом с негэнтропией (отрицательной энтропией), который противодействует росту положительной энтропии и создает упорядоченность системы. Живые системы, запуская негэнтропию, стремятся к стабильности.

Гетеротрофные организмы (потребляющие для жизни только органическую пищу) получают энергию в результате химических реакций; низкая энтропия связана с тем, что для питания они используют высокоструктурированные органические вещества, обладающие низкой энтропией (высокой

степенью упорядоченности), а выводят из организма отходы жизнедеятельности с высокой энтропией. Гетеротрофные организмы упорядочивают себя благодаря самой структуре питательных веществ. Автотрофные организмы (синтезирующие питательные вещества из неорганических соединений с помощью фотосинтеза) получают энергию из солнечного света, то есть электромагнитного излучения с низкой энтропией, их существование зависит от условий среды (нет света – нет фотосинтеза, гибель). Живые системы, в которых происходят необратимые термодинамические процессы, способны существовать только благодаря наличию обмена веществ, который не дает расти энтропии. Живые системы нельзя рассматривать в отрыве от окружающей среды, вместе они составляют устойчивые термодинамические системы, для которых второе начало термодинамики справедливо: живая система берет из внешней среды продукты питания и отдает во внешнюю среду продукты распада, поэтому в комплексе «живая система + среда» энтропия растет. Для живой системы это означает, что внутри нее существует упорядоченность, а во внешней среде за счет деятельности живой системы упорядоченность уменьшается.

79. Саморегуляция живого организма