afe8e2fa_1termodinamika


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ЦЕЛЬ КУРСА ЛЕКЦИЙ ПО ХИМИИ


Фундаментальная

общехимическая

подготовка

студентов

медицинского

ВУЗа

и

формирование

химической

картины

природы

в

общем

контексте

естествознания

и

медицины
.



Умение

прогнозировать

основные

химические

свойства

веществ,

возможность

протекания

химических

процессов

разного

типа,

в

том

числе,

в

организме
;



понимать

значение

химических

знаний

и

умений

(компетенций)

во

всей

последующей

профессиональной

медицинской

деятельности
.




Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

РОЛЬ ХИМИИ В МЕДИЦИНСКОМ ОБРАЗОВАНИИ

Химия

закладывает

физико
-
химические

основы

понимания

функционирования

биологических

систем

человека,

определяет

возможность

изучения

на

молекулярном

уровне

процессов,

происходящих

в

организме

в

норме

и

при

различных

патологиях
.



Список рекомендуемой литературы
:

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов : учебник
для студентов вузов [Рекомендовано Министерством образования] / ред. Ю. А.
Ершов.
-
7
-
е изд.,стереотип.
-
М.: Высшая школа, 2009.
-
559с
.

2. Методические пособия кафедры



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение в общую химию. Термодинамические системы. Внутренняя
энергия
U
.

Первый закон термодинамики. Теплота
Q
. Энтальпия
H
.
Закон Гесса. Расчет теплового эффекта химической реакции. Второй
закон термодинамики. Энтропия
S
. Свободная энергия Гиббса
G



связь
с энтальпией и энтропией. Состояние равновесия системы. Критерий
самопроизвольности процесса
.


Термодинамика организма человека


биоэнергетика. Баланс по
веществу. Катаболизм и анаболизм. Источники энергии. Запасы энергии
в организме (макроэрги). Основной энергообмен человека
.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Термодинамика

изучает

процессы

взаимодействия

любых

макрообъектов,

в

т
.
ч
.

в

живом

организме
.

Важно

понимать,

как

сохраняется

постоянство

параметров

в

живом

организме

(гомеостаз)

под

действием

законов

термодинамики

и

какие

патологии

возникают

при

нарушении

гомеостаза
.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Цель лекции по термодинамике
:

Изучить
основные понятия и законы термодинамики,
ознакомиться с их применением к человеческому
организму.

Термодинамика



наука о наиболее общих свойствах
любых макроскопических систем и происходящих в
них процессах.

Распространение законов термодинамики на
химические и физико
-
химические процессы изучает
химическая термодинамика
.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Термодинамическая система

Термодинамической

системой

называют

совокупность

объектов,

отделенную

от

внешней

среды

реальной

или

воображаемой

поверхностью

раздела
.



Выделяют


-

изолированны
е,


-

закрытые,


-

открытые

т/д

системы
.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Изолированная система
не может обмениваться со средой
ни веществом, ни энергией, значит, обладает
постоянной
массой и
энергией
.

Примером
условно изолированной
системы может быть
термос.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Закрытые

системы

не

обмениваются

со

средой

веществом
,

но

могут

обмениваться

энергией

(запаянная

ампула

с

раствором)
.


Открытая

система

обменивается

со

средой

и

энергией,

и

веществом

(открытый

сосуд

с

раствором,

снежинка)
.



Организм

человека

является


открытой

системой
.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Понятия и обозначения в термодинамике

Термодинамическая система обладает
внутренней энергией
U
, которую составляет сумма энергий молекул, атомов, их
ядер и электронов, энергий взаимодействий между ними.
Численно посчитать ее нельзя, но можно определить ее
изменение
Δ
U

=
U
2

-

U
1
.

Работа

А



способ передачи энергии, обусловленный
действиями над макротелами.

Тепловой эффект
Q

химической реакции


количество
теплоты, выделяющееся или поглощающееся при
протекании химической реакции.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Химическая

термодинамика

-

раздел

физической

химии,

рассматривающий

зависимости

термодинамических

свойств

веществ

от

их

состава

и

агрегатного*

состояния
.


Химическая

термодинамика

включает

в

себя

термохимию,

учение

о

химическом

равновесии

и

свойствах

электролитов,

теорию

электродных

потенциалов
.



Химическая

термодинамика

базируется

на

первом

и

втором

началах

(законах)

термодинамики
.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ЗАКОНЫ (НАЧАЛА) ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое
начало
термодинамики
следует из закона
сохранения энергии
и вещества
. Оно дает возможность
определения
тепловых эффектов
процессов
.

Второе
начало
термодинамики
позволяет
определить
возможность

и
направление

самопроизвольного
протекания процессов.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Первый

закон

термодинамики

-

один

из

фундаментальных

законов

природы
.


Он

указывает

на

невозможность

совершения

работы

A

без

соответствующей

затраты

теплоты

Q

из

окружающей

среды,

т
.
е
.

на

невозможность

создания

вечного

двигателя

первого

рода
.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Первый закон
термодинамики

Энергия

не

возникает

и

не

исчезает,

а

переходит

из

одного

вида

в

другой

в

строго

эквивалентном

количестве
.

Его

математическое

выражение



Q

=

Δ
U

+

A


означает,

что

теплота

Q
,

подведенная

к

системе,

расходуется

на

совершение

работы

А

или

на

увеличение

внутренней

энергии

системы

Δ
U
.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

РАВНОВЕСИЕ Т/Д СИСТЕМЫ

Если

в

т/д

системе

скорости

прямых

и

обратных

реакций

равны,

то

состояние

системы

равновесное
.

Если

же

скорости

не

равны,

то

состояние

системы

неравновесное
.


Если

скорости

прямых

и

обратных

реакций

не

равны,

но

постоянны

в

течение

некоторого

времени,

то

состояние

системы

можно

охарактеризовать

как

неравновесное

стационарное
.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Организм здорового человека


открытая

термодинамическая
система, находящаяся в
неравновесном стационарном
состоянии
.

Это справедливо в отношении каждого отдельного органа, ткани
или клетки.

При
заболевании

нарушается
стационарность

т/д системы.

В живом здоровом организме поддерживаются постоянные
давление и температура, поэтому все процессы протекают в
изобарно
-
изотермических

условиях.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

СЛАЙД №16

ЭНЕРГИЯ ГИББСА

В процессе жизнедеятельности любая система совершает работу
А
, на которую расходуется либо энергия, поступившая извне


теплота
Q
, либо часть внутренней энергии системы
Δ
U
.

Часть внутренней энергии системы, которая может
использоваться на совершение работы, называется
свободной
энергией
или
энергией Гиббса
Δ
G
.

В организме человека величина
Q

соответствует суточной
калорийности питания
.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

№ 17

СВЯЗЬ ТЕПЛОТЫ И
ЭНТАЛЬПИИ

Химический

процесс

характеризуется

либо

выделением

тепла

(
экзотермическая

реакция),

либо

поглощением

тепла

(
эндотермическая

реакция)
.


Мерой

теплоты

системы

при

постоянном

давлении

является

энтальпия

H
.

Изменение

теплоты

реакции



это

изменение

энтальпии

(
Δ
H
)
.

Если

система

теряет

тепло

(экзотермическая

реакция),

то

Δ
H

является

отрицательной

величиной
.

Если

система

поглощает

тепло

(эндотермическая

реакция),

то

Δ
H



положительная

величина
.


В

организме

человека

изменение

энтальпии

Δ
H

соответствует

величине

теплообмена

при

постоянной

температуре
.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

№ 18
ПРИМЕРЫ

2

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ЭНТРОПИЯ

В

ходе

химических

реакций

в

системе

может

увеличиваться

или

уменьшаться

число

молекул,

может

изменяться

агрегатное

состояние

веществ,

т
.
е
.

степень

беспорядка

в

системе

может

увеличиваться

или

уменьшаться
.


Мерой

беспорядка

(хаоса)

является

энтропия

S
.

Изменение

энтропии

Δ
S

может

быть

оценено

качественно

и

количественно
.

Например,

появление

газообразных

продуктов

в

системе



признак

увеличения

энтропии,

а

уменьшение

числа

молекул

в

ходе

реакции



признак

уменьшения

энтропии
.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

Любая

т/д

система

стремится

занять

состояние

с

максимальной

энтропией

(мера

необратимого

рассеивания

энергии)
.


Поэтому

т/д

состояния

самопроизвольно

меняются

только

в

сторону

роста

энтропии
.



Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ

№ 21

U, G, H, S

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

(Δостулат Клаузиса)

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

УРАВНЕНИЕ ГИББСА
-
ГЕЛЬМГОЛЬЦА

Математическое выражение второго закона термодинамики:


Δ
G

=
Δ
H


T
Δ
S



Т


температура по Кельвину
:




Т =
t˚C + 273˚


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

НАПРАВЛЕННОСТЬ ПРОЦЕССА В Т/Д СИСТЕМЕ

Знак
Δ
G

определяет возможность протекания химической реакции
в данных условиях.

Δ
G
0
, реакция идет
самопроизвольно
,

Δ
G
�0
, реакция

не может протекать самопроизвольно,


Δ
G
=0
, система находится
в равновесии
, т.е. скорости прямой и
обратной реакций равны.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ЗАКОН ГЕССА

Тепловой эффект реакции (изменение энтальпии

Δ
H
) не
зависит от пути процесса, а зависит только от начального и
конечного состояния веществ и их природы.

Следствие из закона Гесса
:

Тепловой эффект реакции равен разности энтальпий образования
продуктов и энтальпий образования реагентов.

Реагентами (субстратами) называют исходные вещества.



Q

=

Δ
H
º

=

Σ

ν
i

Δ
H
º
обр
.

прод
.



Σ

ν
i

Δ
H
º
обр
.

реаг
.


Δ
H
º

-

стандартная энтальпия образования, полученная при стандартных
условиях (ν = 1 моль, р = 1 атм, Т=298
о
К или
t
=25
о
С),
ν
i



стехиометрические
коэффициенты реакции.
Δ
H
º
образования
простых веществ
равны
нулю.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

КАЛОРИЙНОСТЬ ВЕЩЕСТВ

Любое

вещество

может

дать

столько

энергии

при

окислении,

сколько

содержится

в

его

химических

связях
.


При

нагревании

1

л

воды

на

1

градус

расходуется

1

калория

энергии
,

отсюда

можно

вычислить,

сколько

калорий

выделится

при

сжигании

данной

массы

вещества
.


Удельная

калорийность



калорийность

единицы

массы

(
кал/г
)

или

1

моля

вещества

(
кал/моль
)
.


В

международной

системе

единиц

СИ

пользуются

единицей

энергии



джоулем

(ньютон
×
метр)
.


1

кал

=

4
,
184

Дж


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

УДЕЛЬНАЯ КАЛОРИЙНОСТЬ ОСНОВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ОРГАНИЗМА

№ 27

углеводы

белки

жиры


4,1 ккал/г

4,1 ккал/г

9,2 ккал/г


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ДЕЙСТВИЕ ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ

В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ


Макроэрг



соединение

с

высокоэнергетической

химической

связью
.

Энергия

макроэргических

связей

АТФ

используется

в

процессах

биосинтеза

веществ

с

участием

ферментов
.

При

этом

процесс

гидролиза

макроэрга

АТФ

+

H
2
O

=

АДФ

+

Ф

катализируется

тем

же

ферментом,

что

и

синтез

самого

вещества
.

Такие

реакции

называются

сопряженными
.

Δ
G

отдельно

взятой

реакции

биосинтеза

может

быть

и

больше

нуля,

но

Δ
G
,

рассчитанное

вместе

с

распадом

АТФ,

будет

обязательно

меньше

нуля
.

Поэтому

тепло

выделяется

как

в

ходе

реакций

распада

(
катаболизма
),

так

и

синтеза

веществ

(
анаболизма
)
.


Анаболизм

вместе

с

катаболизмом

составляют

метаболизм
,

т
.
е
.

обмен

веществ

в

организме
.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

№ 29
ЖИРОВАЯ ТКАНЬ

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

№ 30

Основной обмен человека


Человек (лежа натощак) выделяет за сутки в виде тепла
~1600

1800 ккал
, что достаточно для того, чтобы вскипятить 20 л
воды. Эта величина характеризует
основной обмен человека
.
Уровень основного обмена индивидуален и во многом
определяет потребность человека в пище.


Во время сна энергозатраты падают на 10
-
15%.


На величину основного обмена влияют гормоны щитовидной
железы (тироксин и трийодтиронин), гормон роста
(соматотропный гормон, СТГ), женские и мужские половые
гормоны. При повышении уровня этих гормонов основной
обмен возрастает, а при снижении


падает.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

№ 31

Основной обмен человека


Энергозатраты при обычном образе жизни
~

в 2 раза больше
основного обмена человека.


Резко увеличивается теплопродукция при физической нагрузке.
При тяжелой физической работе энергозатраты организма
возрастают на 30
-
50%.


У спортсменов при очень больших нагрузках энергозатраты
могут возрастать в несколько раз.


Умственная работа не оказывает заметного влияния на
энергозатраты организма, но стрессы резко увеличивают
теплопродукцию.
Почему?


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ГОМЕОСТАЗ

Постоянный

уровень

энтропии

нашего

организма

поддерживается

за

счет

окисления

продуктов

питания,

т
.
е
.

за

счет

повышения

энтропии

окружающей

среды
.


Живой организм является
открытой неравновесной
стационарной системой
. Способность организма
поддерживать основные характеристики (массу тела,
состав крови и тканей, АД, температуру тела, рН)
постоянными называется
гомеостазом
.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

БАЛАНС ПО ВЕЩЕСТВУ В ОРГАНИЗМЕ


Концентрации многих веществ в организме также
поддерживаются на постоянном уровне.


Баланс по данному веществу


это разность между количеством
поступившего и выделенного из организма вещества.


Баланс будет положительным, если вещество накапливается в
организме, и отрицательным, если выведение вещества
преобладает над поступлением. У детей баланс положителен
практически для всех веществ. У пожилых людей и у больных он
часто отрицателен. У взрослых здоровых людей наблюдается
равновесие


нулевой баланс.


Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С

позиций

термодинамики

можно

утверждать,

что

живым

организмам

присущи

процессы,

уменьшающие

энтропию

систем

и,

следовательно,

поддерживающие

их

высокую

организованность
.

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!

Д.Б.Н. ГИМАУТДИНОВА О.И.


Приложенные файлы

  • pdf 1166658
    Размер файла: 637 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий