Термо динамиканын бірінші бастамасы
Биологиялық термодинамика және энергияның сақталу заңы
Филогенетикалық және онтогенетикалық дамудың кез келген деңгейінде тірі ағзаның физиологиялық үдерістерінің негізінде физикалық заңдылықтар жатады. Сол заңдылықтарды зерттейтін биологиялық термодинамика жаратылыстану ғылымдарының іргетасы саналатын термодинамиканың бірінші бастамасынан бастау алады: энергияның сақталу және түрлену заңынан.
Негізгі қағида: энергия жоқтан пайда болмайды және жойылмайды; ол тек бір түрден екінші түрге айналады. Әлемдегі энергияның жалпы мөлшері уақыт өтуімен тұрақты шама болып қалады.
Тарихи қалыптасуы
Бұл заңның ерте тұжырымдарының бірі 1748 жылы М.В. Ломоносовтың Эйлерге жазған хатында айтылған. Тек шамамен жүз жыл өткеннен кейін неміс дәрігері Роберт Мейер табиғаттағы барлық күштердің бірлігі және жалпы «қозғалыс мөлшерінің» өзгермейтіндігі туралы қорытындыға келді.
Ломоносов, Гесс, Мейер, Джоуль, Гельмгольц еңбектеріне сүйенген бірінші бастама тұйық жүйелерде энергияның әртүрлі формаларының өзара айналуын сандық түрде байланыстыратын қатынастардың бар екенін көрсетті. Мұндай жүйеде энергияның жалпы мөлшері әрдайым тұрақты болып, тек қоршаған ортамен алмасу есебінен ғана артуы немесе кемуі мүмкін.
Бірінші заңдың мағынасы және ішкі энергия
Ішкі энергия деген не?
Жүйенің ішкі энергиясы — қарастырылып отырған жүйедегі энергияның барлық түрлерінің жиынтығы. Оған молекулалардың ілгерлемелі және айналмалы қозғалыс энергиясы, атомдар мен атомдар тобының молекулаішілік тербелмелі қозғалысы, молекулалардың құрылымдық энергиясы, атомдардағы электрондардың энергиясы, сондай-ақ ядролық энергия кіреді.
Нені өлшейміз: абсолют мән бе, әлде өзгеріс пе?
Ішкі энергия заттың массасына, табиғатына және сыртқы жағдайларға тәуелді. Алайда тәжірибеде ішкі энергияның абсолют шамасы емес, оның сандық өзгерісі өлшенеді.
Кейбір жағдайларда ішкі энергияның өзгерісін химиялық реакция барысында бөлінетін жылу мөлшері арқылы анықтауға болады.
Бірінші бастаманың негізгі тұжырымы
Жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі жүйенің жұтқан жылу мөлшері мен жүйенің жасаған жұмысының айырмасымен анықталады. Бұл — термодинамиканың бірінші бастамасын сипаттайтын негізгі теңдеу.
- Бастапқы күй: жүйенің бастапқы ішкі энергиясы.
- Соңғы күй: жүйенің соңғы ішкі энергиясы.
- Мағынасы: өзгеріс бастапқы және соңғы күйлердегі энергиялар айырымына тең.
Биологиялық жүйелерге қолданылуы және калориметрия
Термодинамиканың бірінші заңын биологиялық жүйелерге толық қолдануға болады. Ағзаның функционалдық іс-әрекеті сыртқы түрде байқалады: ағза немесе жеке орган атқаратын кез келген функция белгілі бір жұмыс түрінде көрініс беруі мүмкін, сондықтан оны модельдеуге болады.
Энергетикалық алмасуды өлшеу
Тірі жүйелер мен қоршаған орта арасындағы энергетикалық алмасуды анықтау үшін калориметрия қолданылады.
- Тура калориметрия: жылу бөлінуін тікелей өлшеу.
- Тура емес калориметрия: газ алмасу көрсеткіштері арқылы жанама бағалау.
Неліктен бағалау әрдайым бірмәнді емес?
Жекелеген заттардың қорытылу жылдамдығы мен олардың пайдалы қолданылуы айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Сонымен бірге тірі жүйеде кейбір заттар (майлар, көмірсулар, аминқышқылдар) синтезделеді.
Сондықтан жұтылған оттегінің жалпы мөлшеріне ғана сүйене отырып, белгілі бір уақыт аралығында қандай заттардың тотығуға ұшырағанын дәл анықтау әрдайым мүмкін бола бермейді.
Мысал: гальваникалық элементте химиялық энергия электр энергиясына айналып, белгілі бір жұмыс атқарады. Бұл энергия түрленуінің биофизикалық түсіндірулеріне жақын классикалық үлгі.