Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию

ГБОУ ВПО «Челябинская государственная медицинская академия Росздрава»

Кафедра биохимия

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Тема контрольной работы «Неравновесная термодинамика живого организма. Правило Пригожина»

По дисциплине Химия

По специальности Стоматология

                                                    Работу выполнил Доценко Дмитрий Олегович

                                                    Домашний адрес: Комсомольский проспект, 74

                                                    Контактный телефон: 89080589894

                                                   Факультет: стоматологический Форма обучения: очная

                                                    Курс 1 № группы 171

                            Преподаватель: профессор Рябинин В.Е.

          Оценка                              Дата

Челябинск, 2013 год

Содержание

1.    Определение неравновесной термодинамики ………………………………….. 3

2.    История …………………………………………………………………………… 3

3.    Основные положения …………………………………………………………… 3

4.    Правило Пригожина ……………………………………………………………  6

5.    Выводы …………………………………………………………………………..  7

1.     Определение неравновесной термодинамики

Неравновесная термодинамика — раздел термодинамики, изучающий системы вне состояния термодинамического равновесия и необратимые процессы. Возникновение этой области знания связано главным образом с тем, что подавляющее большинство встречающихся в природе систем находятся вдали от термодинамического равновесия.

Объектом изучения неравновесной термодинамики является живой орга-

низм, который представляет собой открытую стационарную неравновесную систему.

2.     История

Необходимость в создании новой теории возникла в первой половине двадцатого века. Пионером в этом направлении стал Ларс Онзагер, в 1931 году опубликовавший две работы, посвященные неравновесной термодинамике. В дальнейшем значительный вклад в развитие неравновесной термодинамики внесли Эккарт, Майкснер и Райк, Д. Н. Зубарев, Пригожин, Де Гроот и Мазур, Гуров К. П. и другие. Следует отметить, что теория неравновесных систем активно развивается и в настоящее время.

3.     Основные положения

Классическая неравновесная термодинамика основана на фундаментальном предположении о локальном равновесии. Концепция локального равновесия заключается в том, что равновесные термодинамические соотношения справедливы для термодинамических переменных, определенных в элементарном объеме, то есть рассматриваемая система может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Данное предположение справедливо для очень широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики.

Концепция локального равновесия подразумевает, что все экстенсивные переменные (энтропия, внутренняя энергия, массовая доля компонента ) заменяются своими плотностями:

В то же время все интенсивные переменные, такие как температура, давление и химический потенциал должны быть заменены соответствующими функциями координат и времени:

при этом они определяются так же, как и в равновесном случае,  .

Далее, посредством введенных выше функций переписываются законы и соотношения из равновесной термодинамики в локальной форме. Первое начало (закон сохранения энергии):

,  — сумма плотностей кинетической и внутренней энергий,  — поток энергии.

Второе начало:

производство энтропии в каждой части системы, вызванное необратимыми процессами неотрицательно, т.е.

 .

Важную роль в классической неравновесной термодинамике играет локальная форма уравнения Гиббса—Дюгема:

Переписав на последнем соотношении с учетом локальной формы закона сохранения энергии, массы, и сравнив с локальной формой второго начала, нетрудно получить следующий вид для производства энтропии:

Здесь:

 — поток теплоты,

 — скорость центра масс,

 — поток диффузии,

Тензор вязких напряжений разложен следующим образом: , где тензор вязкого давления  разложен на объемное вязкое давление  и девиатор с нулевым следом ,

аналогично, тензор скоростей деформации может быть разложен следующим образом: ,

двоеточие  — двойное скалярное произведение тензоров,

 — химическое сродство реакции ,  — соответствующая степень полноты реакции,

 — электрическое поле в системе координат, движущейся со скоростью ,  — ток проводимости.

4.     Правило Пригожина

Принцип стационарности биологических систем сформулирован Пригожин в своем правиле:

«В стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах,

скорость продукции энтропии в системе постоянна во времени и минимальна по

величине».

В процессе эволюции живые системы стремились к поддержанию постоян-

ства, стационарности своих внутренних свойств за счет энергетически наиболее

экономного стационарного состояния и наконец выработали у теплокровных

систему регуляции, поддерживающую постоянную температуру.

Что касается насекомых (мухи, жуки и др.), то у них стационарность и рав-

новесность внутренней среды поддерживается за счет того, что осенью, перед

спячкой в них вода заменяется на глицерин, который синтезируется из гли-

когена.

Рыбы и другие животные северных морей поддерживают стационарность

и неравновесность за счет высокого содержания жидких, незамерзающих по-

линенасыщенных жирных кислот: арахидоновой, клупанодоновой. . .

Закон Иванова: жиры более северных животных и растений содержат

больше полиненасыщенных жирных кислот, чем жиры южных.

Правило Журавлева: нерафинированные жиры (липиды) более северных

животных и растений содержат больше жирорастворимых биоантиокислите-

лей, чем жиры южных.

Следствие: нерафинированные жиры (липиды) северных животных и рас-

тений обладают высокой пищевой ценностью, профилактическими и лечеб-

ными свойствами за счет высокого содержания полиненасыщенных жирных

кислот и биоантиокислителей.

Как в неравновесных системах в живых организмах имеются градиенты,

являющиеся движущими силами процессов: градиенты температур, концен-

траций, электрических потенциалов и т. д., создающие потоки тепла, вещества,

электрических зарядов и т. д. Неравновесные процессы неизбежно, хотя, со-

гласно Пригожину, для стационарных состояний и с минимальной скоростью

должны увеличивать энтропию ΔS > 0.

Однако в живом организме этого не происходит. В организме (кроме пе-

риода старения и умирания) энтропия либо неизменна, либо в процессе роста

уменьшается. Это определяется тем, что живой организм является открытой

системой и взаимодействует с внешним миром.

Из внешнего мира с пищевым рационом живые организмы получают отри-

цательную энтропию (−TΔS) в форме организованных структур-мономеров

и химической энергии пищевых продуктов.

Следует так же отметить, что изменение энтропии в биологиче-

ских системах в последнее время связывают с количеством информации, которая

заключена в этой системе, однако, этот вопрос еще недостаточно разработан и

требует специальных знаний, поэтому мы его не будем рассматривать. Хотя ос-

вобождение информации при  стремлении системы к стационарному равновесию

несомненно повышает качество диагностического процесса.

5.     Выводы

Термодинамика необратимых процессов используется для описания про-

цессов проникновения через биологические мембраны воды, электролитов и не-

электролитов. В  открытой биологической системе не может протекать обособ-

ленно какой-то один процесс, имеет место сопряжение многих процессов, кото-

рые взаимно влияют друг на друга и описывать их, особенно количественно, под-

час бывает очень сложно. В неживой природе такие процессы известны и изуче-

ны. Например, на стыке двух проводников возникает контактная разность потен-

циалов, которая зависит от температуры спая, а при пропускании тока через та-

кой спай, он нагревается или охлаждается (явление Пельтье). Для биологических

процессов взаимное влияние различных процессов друг на друга начал изучаться

сравнительно недавно. Наиболее распространенными процессами такого плана

являются проникновение ионов через поры мембран за счет электрического по-

тенциала, создаваемого за счет разной концентрации ионов по обе стороны мем-

браны и процесс диффузии воды через мембраны. При этом появляется электри-

ческий эффект и аномальный осмос.

                                                  Список литературы:

1.    ru.wikipedia.org

2.    www.omsk-osma.ru

3.    www.lbz.ru