afe8e2fa_1termodinamika


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл 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