po Meditsinska... · Web viewПри равновесното състояние, всеки...

Медицинска физика. Иван Танев Иванов. Тракийски университет. 2016

УЧЕБНИК ПО МЕДИЦИНСКА ФИЗИКА

П Р Е Д Г О В О Р

Медицинската физика е част от приложната физика в която се описват принципите и методите на физиката, използвани в медицината. Най-интензивно развиващата се област от медицинската физика е измерването на физиологичните параметри у човека.

Много процеси в човешкото тяло представляват чисто физични явления или имат значима физична страна. Такива процеси най-добре ще бъдат изяснени с помощта на физичните понятия и закони. Тук се включва движението на кръвта; възприемането на звукови, светлинни и топлинни сигнали; дихателната дейност на белия дроб; деформацията на различните тъкани; поддържането на строго постоянна телесна температура, увреждането на тъканите от много външни фактори с физична природа, използването на някои физични фактори за нуждите на терапията и др. Изучавайки Медицинска физика, студентът ще има възможност да разбере основите на много нови методи за изследване, диагностика и лечение, които са физични по своята същност. Тук могат да се изброят методите на спектралния анализ (абсорбционна и флуоресцентна спектроскопия), рентгеновия микроанализ, мас-спектроскопията, измерване на биопотенциали и електродни потенциали, методи за диагностика с рентгенови лъчи и ултразвук, оптична и електронна микроскопия, радиоизотопни методи за диагностика, лазерни методи за диагностика и лечение, методи за лъчетерапия, диференциална сканираща микрокалориметрия, методи за разделяне на молекули (електрофореза, центрофугиране, мембранни методи) и др. Съвременният лекар трябва да знае не само устройството и функциите на органите на човешкото тяло, както и патологичните отклонения от тях. Той трябва да познава в необходимата степен и инструментите с които ще получава информация за тях и ще ги лекува. Понятието медицински инструментариум се отнася за такива физични уреди, които се използват за събиране и запис на информация за структурата и дейността на различните органи на човешкото тяло. Тези уреди и апарати спомагат за диагностиката и правилното лечение на заболяванията. Като примери за модерни медицински инструменти могат да се посочат електрокардиографа и електроенцефалографа, измерващи електричната дейност на сърцето и главния мозък и спомагащи за диагностиката на заболявания на сърцето и мозъка; спирометъра измерващ дейността на белия дроб и диагностициращ заболявания на дихателната система; рентгеновия апарат за получаване на рентгенови снимки на вътрешни органи; сцинтилационния брояч за детектиране на тумори чрез измерване поемането на радиоизотопи от различни органи; компютъризираната рентгенова томография за детектиране на нарушения, които са засенчени от нормалните тъкани и поради това невидими за класическите рентгенографи; ултразвукови устройства които регистрират “ехото” на ултразвуковите вълни минаващи през човешкото тяло и по този начин детектират тумори в мозъка, положението на плода по време на бременност и нарушения в периферното кръвообращение; ендоскопа позволяващ да се правят както наблюдения така и хирургични манипулации във всяка една кухина на тялото. Пациенти хоспитализирани в съвременните отделения за интензивна помощ могат да се контролират автоматично чрез измервателни системи, при което електрокардиограмата се записва автоматично заедно с данните за кръвно налягане, пулс, телесна температура, скорост на дишане и компоненти на кръвта. При някои такива системи, информацията от голям брой пациенти се представя на монитор в централната станция на медицинската сестра и при отклонение на тези важни показатели от нормата се включва алармена сигнализация. При написването на учебника е използвано минимално количество формули. Съотношенията между различните величини са обяснени с думи, с много графики и рисунки. Учебникът има за цел да даде основни знания, които да легнат в основата на медицинското образование на бъдещите лекари.

ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИКА


1.1. Т оплина и температура. Т ермична и вътрешна енергия. И змерване на топлина и температура при живите организми. М едико-биологични приложения.

Всички тела са изградени от атоми, молекули или йони, които участват в едно извънредно интензивно движение с хаотичен характер, наречено топлинно движение. В състояние на равновесие, температурата на тялото представлява мярка за средната кинетична енергия на изграждащите го частици ( молекули ), т.е., за средната скорост на тяхното топлинно, хаотично движение . При едноатомните молекули това е скоростта на тяхното постъпателно движение. При дву- и многоатомните молекули, освен скоростта на постъпателно движение, тук се включва и скоростта на въртене на всяка молекула около оста, минаваща през центъра на нейната маса, както и скоростта на трептене на нейните съставни атоми. Температурата е интензивна величина. Тя не зависи от масата на тялото, а само от това, с каква средна скорост се движат и трептят отделните частици. Повишаването на температурата довежда до усилване на молекулните движения и ускоряване на процесите, в които тези молекули участват. Ето защо температурата е важен физичен параметър, влияещ на много физични, химични и биологични процеси (дифузия, химични реакции, клетъчен метаболизъм).

Табл. 1.1.1. Температурни скали с най-голямо приложение.

СкалаРеперни точки Брой деления между

реперните точкиТопене на леда Кипене на водатаМеждународна

практическа (Европейска)0 оС 100 оС 100 градуса Целзий оС

Термодинамична 273,15 К 373,15 К 100 градуса Келвин КАмериканска 32 оF 212 оF 180 градуса Фаренхайт оF

Стойностите на температурата могат да се дефинират чрез еталонно тяло, което в зависимост от температурата може да бъде в няколко добре определени и възпроизводими състояния. За такова се избира определено количество вода и тейните състояния на кипене и замръзване. Измерената температура може да се представи чрез няколко температурни скали – по Целзий (oC), Фаренхайт (oF), Келвин (К) и др. (табл.1.1.1). Всяка скала съдържа две основни (реперни) точки, съответстващи на температурата на топенето

на леда и кипенето на водата. При отделните скали, стойността на температурата на реперните точки и разстоянието между тях са предмет на избор. Привеждането на температурата от една скала в друга става по следните формули: toC =T K - 273.15 = 5/9 toF – 32 или графично (фиг.1.1.1).

Фиг. 1.1.1. Графична връзка между най-често използваните температурни скали.

При много процеси температурата е основна величина и трябва да се измерва много точно. Това става с подходящ термометър. За получаване на достоверни резултати е необходимо чувствителния край на термометъра да има малка маса спрямо измерваното тяло и да бъде в добър контакт с него. Промяната на

температурата предизвиква изменение в някакъв физичен параметър на термометъра – обем, налягане и др. За големината на температурната промяна може да се съди по това, колко много се е изменил съответния


физичен параметър. През 1595 г. в гр. Пиза Галилей изобретява първият термометър, при който се използва разширението на спирт при нагряване. Течностните термометри използват разширението на подходяща течност, поставена в тънка капилярка успоредно до скала, която е разграфена направо в избраните единици за температура. Колкото е по-висока температурата, толкова разширението е по-голямо и показанията са повече. Течният живак се използва за измерване на температури в широк обхват от –40 оС до 356оС, докато органичните разтворители са подходящи за много по-ниски температури (спирта до -80оС и пентана до -200оС). За измерване температурата на човешкото тяло се използват специални живачни термометри, които имат по-голям резервоар за живак и по-тънка капилярка. Това увеличава чувствителността и точността и позволява измерване на температурни промени в много тесен обхват около физиологичната температура (35-42оС) и деление от 0.1оС. При някои болестни състояния телесната температура се мени между две гранични стойности, максимална и минимална. За измерване на достигнатата максимална и минимална температури, в медицината се използват т.н. максимални и минимални термометри, които понякога се комбинират в един корпус. Максималният термометър представлява живачен термометър, който съдържа късче стомана плуващо върху повърхността на живака. Когато живакът се разширява, стоманеното късче се изтласква нагоре. При спадане на температурата живака слиза надолу, но късчето остава в най-горната достигната точка, показвайки максималната температура. Като минимален термометър служи спирт с потопено в него късче стъкло. Когато спиртът се свива, стъкленото късче се придърпва надолу. Обратното движение е невъзможно и при загряване късчето остава в най-долното достигнато положение. Краят на стъкленото късче показва минималната температура. Освен течностните термометри, на принципа на топлинното разширение работят и газовите и биметалните термометри. Газовите термометри се състоят от метален балон, изпълнен с подходящ газ и манометър измерващ налягането на газа. С увеличаване на температурата, газовото налягане нараства и показанията на манометъра дават направо температурата. Чувствителният елемент на биметалните

термометри се състои от две пластини, изработени от различни метални сплави, закрепени в единия си край. При загряване те се удължават различно. Това предизвиква раздалечаване на свободните им краища, което се взема като мярка за температурата. Фиг. 1.1.2. Принципна схема на калориметър

Температурата може да се определи и чрез измерване на електричното напрежение на термодвойка или съпротивлението на резистор. Термодвойката представлява два проводника, направени от различни метали, метални сплави или полупроводници, които са съединени в единия си край (работна точка). Например, при желязо-константановата термодвойка, единият проводник е от желязо, а другия от сплавта константан. Ако работната точка е при температура (t), по-висока от температурата на двата свободни

края (to), между свободните краища на термодвойката се генерира електрично напрежение с големина U = k. (t – to). Това напрежение се измерва и представя направо в оС. Главното предимство на този термометър е, че размерите и масата на работната точка са много малки, което позволява измерване температурата на малки обекти, на повърхността на тела (например кожна температура), на подвижни обекти и др. Полупроводниковите термодвойки генерират много по-високо напрежение от металните, но не могат да работят при по-високи температури. За по-голяма чувствителност, вместо една термодвойка понякога се използват голям брой термодвойки, свързани последователно в еднакъв ред (термобатерия). Използват се и полупроводникови термобатерии, които генерират по-високо напрежение от металните.

При съпротивителните термометри се използва зависимостта на съпротивлението от температурата. Чувствителният им елемент е метално или полупроводниково съпротивление (резистор). Платиновият термометър представлява резистор от тънка навита платинена нишка. Електричното съпротивление на този резистор нараства с температурата практически линейно. Това съпротивление се измерва чрез мост на Уитстоун (схема от четири резистора, един от които е платиненото съпротивление). Получената стойност е градуирана направо в оС. С този термометър се измерват температури в много широк


обхват (от -100оС до +1200оС) с точност около ±0.01°C. В някои случаи, вместо платинено съпротивление се използва полупроводников резистор (термистор), който има по-висока чувствителност. Температурата на повърхността на тялото може да се определи и чрез нанасяне на тънък слой от подходящ по състав течен кристал (естери на холестерола). В зависимост от локалната температура, той променя структурата си и придобива характерен цвят. Получената цветова картина може да се фотографира и запази като документ. Физиологичните системи на човека могат да функционират правилно само в тесни граници около нормалната телесна температура от 36.7оС. За кратко време поносими са отклонения в телесната температура между 33 и 42оС - температурни граници на живот при човек. Над 43оС бързо настъпва смърт на клетките и некроза на тъканите. Хипертермията (43оС и повече) се използва като техника за локално некротизиране на туморна маса. Под 33оС (дълбока хипотермия) се нарушава говора и чуването, свиването на сърцето и мускулите. Под 20оС се прекъсва провеждането на нервни импулси. Това се прилага за локално анестезиране при микрохирургия на окото, зъбите, нерви окончания и др. При хипотермията се забавя рязко метаболизма и изразходването на хранителни вещества. Това се използва при операции на мозъка, когато е необходимо да се спре временно неговото кръвообращение - криохирургия. Ниски температури (+4оC) се използват за съхранение на банки за кръвопреливане без криопротектори. Отрицателни температури от -10 -30оС се използват за продължително съхраняване на клетки (кръвни клетки, полови клетки), тъкани и органи в незамръзващи среди, съдържащи криопротектори (глицерин, DMSO, етилен гликол). Свръхниски температури (течен азот) се прилагат за локална некроза на повърхностни тумори. Всяко едно тяло се състои от огромен брой градивни частици (атоми, молекули, йони). Вътрешната енергия на едно т я л о представлява сбора от всички видове енергии, които се съдържат в градивни те частици на тялото , т.е това е сборът от : 1. Кинетичната енергия на всички частици, известна още като термична енергия на тялото. Тук се включва кинетичната енергия на постъпателното движение, въртене и трептене на молекулите. 2. Потенциалната енергия на всички частици - зависи от силите, които действат между частиците и от разстоянията между тях; 3. Химичната енергия на всички частици - енергията на химичните връзки вътре в молекулите на тялото; 4. Вътреатомната енергия на частиците - енергията на електроните и ядрата на атомите. Обикновено тя не се отчита, защото се променя само в специални случаи.

Фиг. 1.1.3. Принципна схема на диференциален калориметър

Вътрешната енергия е адитивна (екстензивна) величина – колкото повече са градивните частици (масата) на тялото, толкова по-голяма е тази енергия.

Когато две тела с различна температура (с различна степен на нагрятост) се допрат, от по-топлото към по-студеното тяло се пренася порция термична енергия, наречена топлина. Преносът на топлина продължава до изравняване температурите на двете тела. Това позволява да се дефинира

количеството обменена топлина Q и да се даде метод за нейното измерване. Нека едното тяло, наречено еталонно, да има маса Mет и начална температура tнач. След контакт с другото тяло и изравняване на температурите на двете тела, крайната температура на еталонното тяло става tкр. Тогава, количеството обменена топлина е Q = Mет . Cет . (tкр -tнач), където Сет се нарича специфична топлоемкост на еталонното тяло. Като такова се избира обикновено водата. 1 cal топлина се обменя, когато 1g вода се нагрее с 1оС (между 15 и 16оС). Различните тела имат различна специфична топлоемкост С (табл. 1.1.2). За газовете се дефинира специфична топлоемкост при постоянно налягане, Сp, и специфична топлоемкост при постоянен обем, Сv. Телата изградени от многоатомни молекули имат по-голяма специфична топлоемкост спрямо телата, изградени от отделни атоми.

Химичната енергия на дадено тяло се мени при извършване на химични превръщания на неговите молекули. При това, променя се вътрешната енергия и се отделя (или поглъща) топлина, която се измерва с уреди, наречени калориметри. Калориметърът съдържа два съда А и Б (Фиг.1.1.2), контактуващи помежду


си и изолирани термично от околната среда. В съда А се намира изследваното тяло, което отделя топлина Q, а в съда Б – еталонното тяло (обикновено вода), което поема топлината Q. По промяната на температурата на еталонното тяло се изчислява Q използвайки горното уравнение. С такива калориметри е измерена топлината на пълно изгаряне на различни вещества в кислородна атмосфера до CO2, H2O и N2. Същата величина, отнесена спрямо 1 kg маса от изследваното вещество се нарича специфична топлина на горене, а при хранителните вещества тя се нарича калоричност на хранителните вещества. В табл. 1.1.3 е показана калоричността на някои основни храни.

Таблица 1.1.2. Специфична топлоемкост Cp на някои вещества при стайна температура

Вещество Cp ( kJ / (kg . K)) Вещество Cp ( kJ / (kg . K))

Парафин 1,6 Хартия 1,5Парафин течен 3,0 Дърво 1,2Плексиглас 1,5 Тухли 0,88Полиетилен 2,5 Пясък речен 0,84Гипс 1,06 Глицерин 2,35Стъкло прозоречно 0,67 Масло растително 1,5 – 2,0Бетон 0,84 Вода 4,2

Друг по-съвършен тип калориметри са т.н. диференциални калориметри. Те се състоят от два еднакви съда А и Б, изолирани термично един от друг и от околната среда (Фиг 1.1.3). В съда А се намира изследваното тяло, което отделя топлината Q. В съда Б е поставен електричен нагревател, който отделя същото количество топлина Q, така че разликата между температурите на двата съда да бъде нула. Q се изчислява като се измери електричния ток през нагревателя.

С такива калориметри е установено, че при пълен покой, живите организми отделят топлина, наречена основно топлообразуване, а при извършване на мускулни съкращения и на допълнително, активно топлообразуване. Основното топлообразуване се дължи на метаболитното разграждане на хранителните вещества до крайни продукти, които също съдържат в себе си химична енергия. Ето защо, метаболитното разграждане е непълно и отделената в него топлина in vivo, наречена физиологична топлина на изгаряне е по-малка отколкото пълната топлина на изгаряне in vitro.

Таблица 1.1.3. Калоричност на някои храни в сравнение със специфичната топлина на горене на бензина.

Вещество Енергия (kcal/kg) Вещество Енергия (kcal/kg)

Ябълки 580 Агнешко бутче 3130Бял хляб 2700 Прясно мляко 650Говежда пържола 4730 Печени картофи 930Масло 7160 Свинско 4100Мътеница 360 Спанак 230Печено пиле 2490 Захар 3850Фасул 3490 Бензин 11500

Диференциално-сканиращите микрокалориметри имат устройство, подобно на това на Фиг 1.1.3. В добавка, съдовете А и Б, които имат обеми около 1 ml, се загряват равномерно с еднаква скорост. В съда А се поставя разтвор на биополимер, а в съда Б - само разтворителя. При достигане на определена температура, Tm, в молекулите на биополимера се индуцира структурна промяна (конформационен преход), поглъща се топлина Qm, която се компенсира чрез електричен нагревател. Така се регистрират температурата на фазовия преход Tm и топлината на фазовия преход Qm, които са характерни величини за всеки биополимер.

С нарастване на температурата Т, топлинното движение на атомите и молекулите се усилва и поради това всички метаболитни процеси увеличават своята скорост. Температурната зависимост на скоростта К на протичане на голям брой процеси (физични, транспортни и биологични процеси, химични реакции) се описва с уравнението на Сванте Арениус К = А.ехр (– Еакт / RT). В това уравнение А е честотен фактор и Еакт е активационна енергия. Отделните частици участват в топлинното движение с различна енергия, освен това те непрекъснато обменят помежду си топлинна енергия чрез взаимни сблъсквания. При


тези взаимни удари в някои частици се натрупва значително по-голяма енергия от средната. Е акт има смисъл на онази минимална енергия, която трябва да се предаде на дадена частица (атом или молекула) за да се приведе тя в активирано състояние, когато ще бъде възможно да се транспортира или претърпи химично превръщане. Тъй като тази енергия се предава чрез взаимни удряния между частиците, честотният фактор А има смисъл на онзи среден брой сблъсъци, в които трябва да участва частицата, преди да се активира. Този закон предсказва, че едно слабо нарастване на температурата на процеса ще доведе до силно нарастване на скоростта на процеса, толкова повече колкото Еакт има по-голяма стойност. Еакт се определя от експерименталните стойности на скоростта К на процеса, измерени при две различни температури. Стойностите на Еакт за някои процеси са дадени в табл. 1.1.3.

Таблица 1.1.3. Активационна енергия на различни процеси.

Вид на процеса Еакт (kJ/mol)

Свободна дифузия Около 20Дифузия на йони през липиден бислой Около 50Ензимно катализирани метаболитни реакции 20-25Топлинна денатурация на мономерни белтъци 350 – 800

1. 2. М еханизми на топлообмен. Физични основи на терморегулация та при човек

Без външна намеса, топлината винаги се предава от по-нагрятата част на едно тяло към по-студената, или от по-нагрятото тяло към друго по-студено тяло. Количеството топлина Q, което се пренася през дадена повърхност с площ S за единица време t се нарича поток на топлината Ф. Под плътност на топлинния поток H се разбира топлинния поток Ф, който се пренася през единица площ, т.е, H = Q / (S. t).

Нормалната, физиологична температура във вътрешността на човешкото тяло е строго постоянна, равна на 36.7 0.5оC (температурна хомеостаза). Поради различната скорост на метаболитните процеси в отделните тъкани и органи на човешкото тяло, основното топлообразуване в тях обаче е различно. Най-голямо е топлообразуването в черния дроб, главния мозък и сърцето, където се потребява основното количество кислород и глюкоза. Допълнително, при съкращение на мускулите, рязко нараства и активното топлообразуване в тях. Въпреки това, при физиологичен покой и активна работа, човешкото тяло се намира в т.н. стационарно състояние. То се характеризира с относителна еднаквост и постоянство на температурата вътре в цялото тяло и равенство между вътрешното топлообразуване и изходящия навън поток топлина. Например, нормалната физиологична разлика в температурите на вътрешните органи е не-повече от 0.5оС. Поддържането на постоянна телесна температура е жизнено важен процес и неговото нарушаване е опасно за живота. Това изисква да се познават механизмите за пренос на топлина и уеднаквяване на температурата в цялото тяло и нейното поддържане в нормални граници.

Преносът на топлина между телата (топлообмена), се извършва по следните четири механизма: 1) Топлопроводност – пренос на молекулна кинетична енергия (топлина) чрез хаотично топлинно

движение на молекулите. Това е основен механизъм при твърдите и течните тела (Фиг. 1. 2. 1). Топлината преминава от единия, по-топъл край на тялото до другия (по-студен) край като се предава от една негова частица към друга без при това частиците да променят своето местоположение. Най-лесно това става при твърдите кристални тела, чийто градивни частици (молекули, атоми, йони) са разположени във възлите на една правилна твърда решетка. При всяка една температура, тези градивни частици участват в топлинното движение като трептят около равновесните си положения във възлите на кристалната решетка. Амплитудата на трептене нараства с температурата, но обикновенно не превишава 0.1 Å, което е около 5 % от равновесното разстояние между възлите. Топлинното трептене на частиците в по-горещия край на тялото е по-интензивно и се предава на съседните частици поради силите на взаимодействие между тях. Така се пренася топлина, без да се пренася (размества) вещество. В този случай H = k. T/x, където T/x = (T2-T1)/(x2-x1) - градиент на температурата, к - коефициент на топлопроводност (Фиг. 1.2.1)

Фиг. 1.2.1. Пренос на топлина по механизма на топлопроводност

Топлопроводността на течните


тела и водата е значително по-ниска, отколкото при кристалите, защото топлинното трептене на техните молекули повлиява много слабо околните молекули. При газовете енергията може да бъде предавана от една молекула на друга и то не много ефективно, само при взаимен сблъсък помежду им. Така, от всички материали най-ниска топлопроводност к имат газовете и въздуха, защото разстоянието между техните молекули е толкова голямо, че те рядко се сблъскват помежду си. Самите те, както и твърдите шуплести материали, съдържащи много въздушни шупли (платове, слоеве от пера и косми, дървен материал, строителни материали), служат като топлоизолатори. Биологичните тъкани имат топлопроводност, близка до тази на водата. Мастните тъкани имат три пъти по-ниска топлопроводност от тази на водата - те са топлоизолатори. Повечето метали имат стотици пъти по-висока топлопроводност спрямо водата. Наличието в тях на свободни електрони обуславя тяхната висока топло и електропроводност.

Таблица 1.2.1. Коефициент на топлопроводнист К на различни вещества при стайна температура.

Вещество Топлопроводност, K W/(m . K)

Вещество Топлопроводност, K W/(m . K)

Железобетон 0.7 Плексиглас 0.17Гипс 0.35 Стъкло 0.8 - 1.0Картон 0.23 Мед (метал) 400Тухли 0.6 Вода 1.0Дърво 0.10 Въздух 0.03

Някои вещества (кварцов пясък, езолит, разтопен парафин) имат голяма топлоемкост и много ниска топлопроводност. Това ги прави подходящи за контактно топлолечение, при което те се нагряват до 70оС и се допират до тялото на пациента. Поради високата си топлоемкост, те акумулират в себе си голямо количество топлина. От друга страна, ниската им топлопроводност осигурява бавно и безопасно предаване на тази топлина през кожата на пациента.

Фиг. 1. 2. 2. Пренос на топлина по механизма на топлинно излъчване.

2) Конвекция (топлопредаване) - основен механизъм за пренос на топлина при течности и газове. Затоплянето на едно микрообемче в тях довежда до промяна на неговата плътност и до неговото изместване от по-студено обемче. Заедно с преместването на обемчето става пренасяне на вещество и топлина. Освен естествена, конвекцията може да бъде и принудена - когато тя се съпровожда от изкуствено разбъркване с вентилатор, помпа и др. Кръвообращението при човек изпълнява ролята на принудена конвекция на топлина. Плътността на

топлинния поток H от нагрятото тяло с температура T1 към околната среда, която има температура T2 е H = h.(T1- T2) – формула на Нютон. Тук h е коефициентът на топлопредаване, а 1/h е топлинно съпротивление на граничния слой между тялото и околната среда.

3) Топлинно излъчване (Фиг. 1. 2. 2). При този механизъм не е необходима материална среда, защото предаването на топлина от тялото с по-висока температура Т1 към по-хладния радиационен екран с температура Т2 става чрез електромагнитни вълни от инфрачервения диапазон, известни като топлинно лъчение. За температури близки до 37оС, H = r. (T1 - T2). Тук r е коефициент на радиационен пренос.

4) Изпарение - при изпарението на 1 g вода, намираща се върху топла повърхност на дадено тяло, се отнемат 2520 J топлина, което води до силно охлаждане на тялото. В този случай, отнемането на топлина зависи силно от парния натиск Р на водната пара в близост до повърхността на тялото. При този механизъм, H = e. (P1 - P2), където P1 и P2 са парциалните налягания на водните пари до повърхността на тялото и далеч от него (Фиг. 1. 2. 3). Това е единственият механизъм, който позволява отнемане на топлина от тялото, даже когато околната среда е по-гореща от него. Във влажен въздух (P1 P2) изпарението е затруднено или невъзможно. В този случай, ако температурата на околната среда е равна или по-голяма от физиологичната, топлопроводността и конвекцията няма да могат да отведат топлината, произведена вътре в тялото и


температурата на тялото ще нарастне надкритично – ще настъпи топлинен удар.

Фиг. 1.2.3. Пренос на топлина по механизма на изпарение.

Нека означим с Q топлината, която се отделя вътре в човешкото тяло за време t, съответно Q/t ще бъде скоростта на топлообразуване вътре в човешкото тяло. Нека да означим с Фin топлинният поток, пренасян от вътрешността на тялото към неговата повърхност и с

Фex - външния поток топлина, пренасян от повърхността на тялото към околната среда. В стационарно състояние тези величини трябва да са равни помежду си, за да бъде постоянна телесната температура, т.е.,

Това е уравнението на топлинния баланс при човек.

В зависимост от състоянието на човек и двигателната активност, топлообразуването Q/t се мени. За да се запази температурната хомеостаза (постоянството на телесната температура), топлинните потоци Фin и Фex също трябва да се променят така, че уравнението на топлинния баланс да е винаги в сила.

Фin се пренася по два механизма - топлопроводност и принудена конвекция, които при физиологичен покой са равностойни (Фиг. 1. 2. 4). Топлопроводността на вътрешната среда при човек е близка до тази на водата, която е достатъчно висока. Тази топлопроводност обаче не може да се променя и не може да поеме допълнителния топлинен поток в случай на двигателна активност. Ролята на такъв регулатор играе втория механизъм - принудената конвекция, която се осъществява от движещата се кръв.

Кръвта има висока топлоемкост и топлопроводност, движи се в силно разклонена система от съдове и поради това осъществява ефективна конвекция на топлината и изравнява температурата на вътрешните органи. В случай на усилена физическа работа се задейства и активното топлообразуване и температурата на кръвта нараства. Това дразни рецепторите за топлина в хипоталамуса и те генерират нервноелектрични импулси. В резултат на това, сърдечната дейност и кръвният поток се усилват, отварят се и допълнителни кръвоносни капиляри в кожата. Това може да увеличи Фin от 5 до 7 пъти и е в състояние да възстанови топлинния баланс (Фиг.1. 2. 4).

В условията на хипертермия (напр. при температура на тялото 39оС), в различните тъкани се увеличава синтезата на азотен окис NO, който е мощен дилатант, разширяващ кръвоносните съдове. Това е адаптивна реакция с цел разширение на периферните кръвоносни съдове и увеличение на Фin. Наличието на анестетици и алкохол в кръвта нарушава работата на центъра за температурна регулация. Това може да разстрои терморегулацията на човек и да доведе до топлинен удар при високи околни температури.

При продължителна хипертермия, кръвният поток в близост до кожата се увеличава за сметка на кръвоснабдяването на някои вътрешни органи (стомах). Продължителното намаление на кръвоснабдяването на стомаха може да доведе до нарушаване на неговата кръвна бариера и преминаване на бактерии от стомаха в кръвта (сепсис).

Фex се изнася главно по три механизма: топлинно излъчване, конвекция и изпарение. В състояние на покой, Фex се изнася главно чрез топлинно излъчване, а при активна работа - чрез изпарение (Фиг. 1. 2. 4). В някои случаи, когато човек е потопен във вода или контактува с топлопроводяща среда (метал, камък), участва и топлопроводността, която е в състояние да наруши силно топлинния баланс на тялото само за няколко часа. Потокът Фex е подложен и на волева (поведенческа) регулация с цел да се избегне прякото нагряване на тялото от слънчевите лъчи и други източници на топлина или да се използва допълнителна топлинна изолация (дрехи) при големи загуби на топлина.

Q / t = Фin = Фex


Фиг. 1. 2. 4 . Съотношение на топлинните потоци и топлообразуването при човек в състояние на покой и работа.

При ниски околни температури и в случаи на големи загуби на топлина, температурата на вътрешните органи и на кръвта пада. Това включва допълнителни механизми за нейното възстановяване: допълнителна топлопродукция чрез периодично свиване на мускулите (треперене); метаболизиране на мазнините; понижаване на Фin чрез намаление на кръвната конвекция (свиване на периферни съдове, забавяне на сърдечната дейност), както и

поведенческа регулация. При децата, които имат малка маса и съответно малка топлоемкост, охлаждането до критично ниски температури настъпва много по-бързо, отколкото при възрастните. Освен това, при бебетата на няколко месеца, механизмът на терморегулация още не действа ефективно и всяко едно охлаждане е изключително опасно.

1.3. О сновни термодинамични в еличини. П ърви принцип на термодинамиката

Термодинамиката е дял от физиката в който се изучава т общите закони на които се подчинява преноса на енергия от едно тяло в друго (или от едно състояние на тялото в друго) под формата на топлина и работа. Тя е макроскопична наука и не се интересува от молекулярния строеж на телата и механизма на преноса, а само от количествените и качествени промени на енергията при посочения пренос. Основно понятие на термодинамиката е понятието термодинамична (макроскопска) система. Това е геометрически обособено материално тяло, което се намира в съседство с една безкрайна, неизменяема околна среда. Най-простата термодинамична система се състои от определен, затворения обем газ (пара). Когато системата е в равновесие с околната среда, казва се, че тя се намира в равновесно състояние. Това състояние може да се опише изцяло с няколко експериментално измеряеми величини, наречени основни термодинамични параметри. При газовите системи това са температурата T, налягането p и обема V на системата. Много други параметри (плътност, специфична топлоемкост и др.) могат да се изведат или изчислят на основата на тези три основни параметъра. Когато термодинамичната система преминава от едно равновесно състояние в друго, казва се че тя извършва равновесен термодинамичен процес (преход). Енергията и работата са други две основни понятия на термодинамиката. Работа се върши когато тялото се премества под действието на определена сила или когато дадена система променя обема си преодолявайки някаква сила. Енергията на едно тяло отразява неговата способност да върши работа като следствие на неговото движение или положение спрямо действащите върху него сили. Енергията, свързана с движението на тялото се означава като кинетична, докато енергията свързана с положението на тялото спрямо силите представлява потенциална енергия. Сборът от кинетичната и потенциална енергия съставлява т.н. механична енергия. Освен като механична, енергията може да съществува и в други форми: топлинна, химична, електрична, атомна или лъчева.

Съобразно обмяната на енергия и вещество, термодинамичните системи биват три вида:а) изолирани - не обменят енергия и вещество с околната среда;б) затворени - обменят енергия но не и вещество с околната среда;в) отворени - обменят енергия и вещество с околната среда. Всички живи организми са отворени

термодинамични системи.


Енергията на една система може да преминава от една форма в друга чрез подходящ физичен процес, но това превръщане се подчинява на някои общи принципи, установени от термодинамиката. На основата на голям обем емпиричен материал, през XIX век термодинамиката постулира пет основни закона (постулата, принципа), на които се подчиняват всички процеси. а) Нулев принцип – дефинира параметъра температура като степен на нагрятост на телата. Когато една термодинамична система се намира в контакт с околната среда, след известно време настъпва топлинно равновесие. В състояние на топлинно равновесие, температурата във всички точки на системата е еднаква и е равна на температурата на околната среда. Когато две системи са в топлинно равновесие помежду си, те имат една и съща температура. Нулевият принцип гласи, че когато две системи поотделно са в топлинно равновесие с трета (наречена термометър), те са в топлинно равновесие помежду си. б) Първи принцип - дефинира величините топлина и вътрешна енергия. Топлината не е материална субстанция (невидим газ, течност или флуид), както дълго време се е мислело, а вид енергия, която може да се превръща в механична енергия (работа) или да се запасява като вътрешна енергия . Величината вътрешна енергия и нейната връзка с топлината и работата са подробно обяснени по-долу.

в) Втори принцип - дефинира величината ентропия. Това е важна величина, защото нейните промени са свързани с посоката на протичане на термодинамичните процеси. Същността на този принцип в подробности е обяснена в отделна тема.

г) Трети принцип. На основата на известните газови закони е открита т.н. термодинамична скала на абсолютните температури. За начало на тази скала се приема температурата -273.15оС, наречена абсолютна температурна нула. При тази температура всички атоми и молекули трябва да се намират в пълен покой, т.е., те не могат да трептят и да се преместват. Поради това, третият принцип гласи, че при абсолютната температурна нула, ентропията на тялото е равна на нула. Абсолютната температурна нула може да бъде приближена, но не и достигната с краен брой стъпки. д) Четвъртият принцип гласи: в една изолирана термодинамична система, всички п роцеси завършват с достигане на такова равновес но състояние , в кое то всички видове енергия са деградирали до топлина и повече никакви промени не са възможни (топлинна смърт на системата). Това състояние се нарича термодинамично равновесие.

Следва подробно описание на първия принцип на термодинамиката. Вътрешната енергия U на една термодинамична система е сумата от кинетичната, потенциална и химична енергия на всички молекули от които е изградена системата . Тя зависи само от броя на молекулите, от тяхната скорост и взаимно разположение, но не и от начина (пътя, процеса) по който системата е достигнала до състоянието, в което се намира. От представената дефиниция следва, че вътрешната енергия е функция на състоянието в което се намира системата, т.е., всяко състояние на системата се характеризира със своя стойност на вътрешната енергия U, която не зависи от пътя по който системата е преминала за да попадне в даденото състояние. Например, в състояние (1) системата ще има вътрешна енергия U1, а в състояние (2) съответно U2. Ако системата извърши преход от състояние (1) в състояние (2), промяната на вътрешната енергия ще бъде dU = U2 – U1. Промяната, означена с диференциал d (например dU) ще бъде една и съща независимо от вида на прехода, докато промяната означена с (например Q) зависи от вида на прехода. Теоретично са възможни голям брой различни термодинамични процеси с помощта на които системата може да премине от началното си състояние (1) в крайното състояние (2) – фиг.1.3.1. Нека системата осъществи преход от състояние (1) в състояние (2) с помощта на един от тези възможни процеси. При този преход системата ще извърши механична работа А1 и ще обмени топлина Q1 с околната среда. Забележете, че работата А1 и топлината Q1 зависят от конкретния процес, т.е., от пътя по който системата преминава от първото във второто състояние. При същия преход (1) (2), но извършен с помощта на друг вид процес, работата и топлината ще имат други стойности - А2 и Q2, при трети вид процес - А3 и Q3 и т.н. (фиг.1.3.1).

Съгласно първия принцип на термодинамиката, при всеки един процес, привеждащ системата от състояние (1) в състояние (2), сборът от топлината Q предадена на системата плюс работата A извършена върху системата трябва да бъде постоянна величина, равна на промяната на вътрешната енергия U2 – U1, т. е, Q + A = U2 – U1 = dU.


Фиг. 1.3. 1. Възможни пътища за преминаване на системата от едно състояние в друго чрез обмяна на енергия и работа с околната среда.

Първият принцип на

термодинамиката всъщност потвърждава закона за запазване на енергията, който гласи, че енергията не може да

бъде създавана или унищожавана, а само превръщана от една форма в друга. Според този принцип, топлината и работата са еквивалентни форми на енергията, защото и двете величини имат един и същ ефект - промяна на вътрешната енергия. Топлината и работата са двата механизма, чрез които системите обменят помежду си своята вътрешна енергия. Преди установяването на този принцип, топлината и работата са били измервани в различни единици, топлината в калории (cal), а работата в джаули (J). Тъй като топлината и работата са еквивалентни, експериментално е получено, че 1 cal = 4,186 J. Машините са устройства, които превръщат някаква форма на енергия (топлина, химична, електрична, лъчева и др.) в механична работа. Съгласно първият принцип на термодинамиката, не може да съществува машина (наречена перпетуум мобиле от първи род), която вечно да върши работа без да потребява външна енергия. Без външен приток на енергия (Q) системата може да извърши максимално само толкова работа (A), колкото е запасът от вътрешната й енергия (U). При разглеждане на втория принцип на термодинамиката ще видим, че даже не цялата стойност на вътрешната енергия може да се превърне в работа, а само част от нея – т.н. свободна енергия (несвързаната част от вътрешната енергия). Най-общо, работата A извършвана от една термодинамична система се изразява чрез промяната на нейния обем V, т.е., A = р. V, където р е налягането. Например, при една систола сърцето изтласква един ударен обем Vуд кръв в аортата и артериите. Тези съдове се разширяват с което се извършва работа A = Ркр . Vуд, където Ркр е кръвното налягане. Също, при разширение на белия дроб с V при дихателно налягане рдих

се извършва работа A = рдих. V. Следователно, първият принцип може да се изрази и така: dU = Q + A = Q + р. V. При много химични реакции се отделя или поглъща топлина. Законът на Хес гласи, че при постоянно налягане и обем на реагиращата смес, отделената или погълната топлина при една химична реакция (химичният ефект) не зависи от междинните етапи, а само от началното и крайно състояние на сместа. Това е така, защото при постоянен обем и налягане р. V = 0 и химичният ефект Q се равнява на промяната на вътрешната енергия dU = U2 – U1. При живите организми, този закон има следният еквивалент - при покой (A = 0), те отделят в околната среда толкова топлина (Q), колкото е енергията, получена при физиологичното окисление in vivo на приетите хранителни вещества до вода и СО2 (т.е., Q = U2 – U1). С това е доказано, че при живите системи не съществуват други видове енергия, освен тези известни на физиката. Общото количество енергия запасена в дадена система (тяло), която може да бъде предадена от нея на околната среда като топлина и работа се означава като енталпия H. Количествено, енталпията H = U + p.V, където p и V са налягането и обема на системата, съответно. В биологичните системи p и V обикновено не се менят и тогава H = U, т.е., промяната на енталпията съвпада с промяната на вътрешната енергия на системата. Енталпията на хранителните вещества се нарича топлосъдържание или енергосъдържание и се определя чрез тяхното окисление in vitro, по отделената топлина. Тя е важна величина за медицината и нейното измерване е предмет на диетологията.

При химичните реакции промяната на енталпията се дава с топлината, която се отделя или поглъща. Същото е и при физичните процеси, например при фазовите преходи, в частност преминаване от твърдо кристално състояние в течност, промяната на енталпията се дава със скритата топлина на прехода. При нагряване телата увеличават своята енталпия, като загряването на тялото с 1оС представлява нарастване на енталпията на величина, равна на специфичната топлоемкост на тялото.


1.4. В тори принцип на термодинамиката. Е нтропия , свободна енергия и подреденост.

Състоянието на една термодинамична система може да бъде равновесно или неравновесно. При

равновесното състояние, всеки параметър на системата (температура, налягане, плътност и др.) има една и съща стойност във всяка една точка на системата и не се мени с времето. В това състояние системата е в равновесие с околната среда и не взаимодейства с нея. Когато системата извърши преход от едно равновесно състояние в друго равновесно състояние казваме, че се извършва равновесен процес. Равновесните процеси са всъщност онези идеализирани процеси, които са много бавни във времето и всяка една промяна, която те предизвикват има безкрайно ниска скорост. Всеки равновесен процес е същевременно и обратим процес, защото той може самостоятелно (без външна помощ и енергия) да протече и в обратна посока. В края на всеки равновесен процес както системата, така и околната среда се връщат в изходното си състояние без в тях да е настъпила някаква промяна. Реалните процеси, особено тези протичащи с голяма скорост, са неравновесни и необратими.

При неравновесното състояние, поне един от параметрите на системата, например температурата, има различна стойност в отделните точки на системата, т.е., този параметър има градиент. Наличието на такива градиенти поражда неравновесни процеси на пренос (дифузия, топлообмен, дисипация на енергия в следствие на триене, вискозност). Неравновесните процеси са необратими, защото те не могат да протичат в обратна посока самостоятелно, без външна намеса. Ясна количествена мярка за обратимостта на процесите ни дава примера с т.н. цикличен (кръгов) процес.

Цикличен е този процес, при който системата се връща в началното си състояние при завършване на процеса. Например, системата ще извърши кръгов процес (цикъл), когато принудено премине от състояние (1) в състояние (2) и след това спонтанно се върне обратно в началното си състояние (1). Ако енергията изразходвана от околната среда за принудения преход (1) (2) се върне изцяло по време на обратния преход (2) (1), кръговият процес е обратим, ако се върне само частично - тогава той е необратим. Фактически само малка маст от процесите могат да бъдат разглеждани като обратими, при условие, че съпътстващите ги процеси на триене, съпротивление, вискозност и др. имат незначително влияние и могат да бъдат пренебрегнати.

При самостоятелното протичане на един процес в една изолирана система, първият принцип на термодинамиката постулира, че общата сума на енергията преди и след процеса трябва да бъде една и съща. Обаче, този принцип не указва посоката в която процесът ще настъпи. Вторият принцип на термодинамиката налага още едно ограничение върху термодинамичните процеси. Вторият принцип постулира една асиметрия на процесите в смисъл, че те могат да протичат самостоятелно само в една определена посока. Съществуват няколко формулировки на втория принцип:

1) Не е възможно топлината да премине самостоятелно от по-студено към по-топло тяло. Това е възможно да стане, но само принудено, с помощта на външна механична работа, както това става в хладилниците.

2) Ако една термодинамична система извърши кръгов процес, не е възможно в края на процеса тя да е произвела работа и едновременно с това да се е загряла. Машина, която би могла чрез кръгов процес да черпи енергия от едно по-студено тяло като произвежда работа в по-гореща среда е наречена перпетуум-мобиле от втори род. Съгласно тази формулировка на втория принцип, такава въображаема машина е невъзможно да се построи.

Горните две формулировки обаче нямат количествена форма и не са удобни за физиката. В показаните по-долу формулировки се използва величината ентропия и те вече имат количествена форма. Нека една затворена термодинамична система премине от състояние (1) в състояние (2) и след това да се върне обратно в състояние (1), т.е., да извърши кръгов процес (фиг.1.4.1). Нека преходът 1 2 да се извърши при температура Т1 и при този преход се обменя топлина Q1 с околната среда. Съответно, нека обратния преход 2 1 се извърши при температура Т2 и се обменя топлина Q2 с околната среда. Отношенията Q1/Т1

и Q2/Т2 първоначално са наречени приведени топлини, а по-късно промяна ентропията S на правия и обратния процес, съответно. Така Q1/Т1 = S12 и Q2/Т2 = S21 представляват промените на ентропията S на системата при правия и обратния процес, съответно. След завършване на кръговия процес, общата промяна на ентропията ще бъде S = S21 - S12.


Третата формулировка на този принцип (по Клаузевиц) гласи, че ако една изолирана термодинамична система извърши кръгов процес, общата промяна на ентропията ще бъде S ≥ 0, като знакът “> “ важи за необратимите, а знакът “=” за обратимите процеси. Тъй като реалните процеси са винаги необратими, в изолираните системи посоката на протичане на процесите е такава, че крайната ентропия на системата ще е винаги по-голяма от началната.

Фиг. 1.4. 1. Промяна на ентропията S на една затворена система при кръгов процес.

В уравнението U = A + Q, изразяващо първия принцип, заместваме Q = T.S и получаваме U= A+T.S.

Решаваме уравнението спрямо работата А и получаваме A = U-T.S = (U-T.S) = F. Както се вижда, изразът F = U-T.S има смисъл на работа и се нарича свободна енергия. Свободната енергия F представлява тази част от вътрешната енергия U на системата, която може да се превърне в полезна работа. От своя страна, изразът T.S се нарича свързана енергия – това е онази част от вътрешната енергия на системата, която не може да се оползотвори като работа. Колкото е по-голяма ентропията на системата, толкова свързаната енергия ще е по-голяма и толкова по-неработоспособна ще бъде тази система.

Ако една изолирана система извърши кръгов процес, то F = U - T. S. Тъй като процесът е кръгов, U=0, следователно F = -T. S. Съгласно втория принцип, S ≥ 0, следователно F ≤0. От тук се извежда една по-обобщена формулировка на втория принцип, а именно, в една изолирана термодинамична система настъпват само такива процеси, при които ентропията нараства, а свободната енергия и работоспособността на системата намаляват. В табл. 1.4.1 е показана възможността за самостоятелно протичане на даден процес като функция на промените в ентропията, свободната енергия и енталпията.

Физическият смисъл на понятието ентропия може да се изведе на основата на молекулния строеж на системите. Всяка термодинамична система се състои от огромен брой молекули от един или няколко различни вида. Тези молекули могат да заемат различни места, от тук се получават различни подреждания (микросъстояния) вътре в системата. При много от тези подреждания обаче, свойствата на системата са едни и същи, т.е., тези микросъстояния довеждат до едно и също макросъстояние. Нека с W означим броят на онези подреждания на молекулите на системата, при които макросъстоянието на системата е едно и също. Австрийският физик Болцман е извел, че ентропията S = k. lnW, където к е т.н. константа на Болцман. Колкото системата е по-подредена (структурирана, уникална), толкова W е по-малко и ентропията е по-ниска. В такъв смисъл ентропията е мярка за безпорядъка, хаотичността във вътрешната структура на системата. От горната формула следва, че ентропията S е функция на състоянието и се променя при смяна на това състояние. Фактът, че процесите протичат само в посока на нарастване на ентропията означава, че ако една система може да си избира едно от няколко възможни макросъстояния, тя с най-голяма вероятност ще се окаже в състоянието с по-голямо W. Затова, W се нарича още термодинамична вероятност.

От формулата F = U – T.S следва, че свободната енергия F също се явява мярка за вътрешната подреденост на системата. Ясно е, че по-подредените системи ще имат по-ниска ентропия, по-голяма свободна енергия и по-голяма способност да вършат полезна работа. Точно такива са живите организми, разглеждани като термодинамични системи, които имат висока вътрешна подреденост и уникална (неповторима) структура, която понякога се означава като апериодичен кристал.

От втория принцип на термодинамиката следва, ентропията може да служи като мярка за това, колко близко системата се намира до термо-динамичното равновесие. Съгласно този принцип в една изолирана система ентропията, т.е., безпорядъка, винаги нарастват. Когато системата достигне


максималната си ентропия, тя не може повече да се променя, защото тя е достигнала термо-динамичното си равновесие. По този начин природата показва, че тя “предпочита” безпорядъка пред подредеността.

Освен вътрешната енергия U, свързаните с нея величини ентропия S и свободна енергия F също представляват функции на състоянието в което се намира системата. Тези величини характеризират структурата на системата и зависят от вида на градивните частици, вида и броя на движенията, в които те участват, както и от потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. Те не зависят от това, по какъв път е достигнала системата в това състояние, а само от параметрите на това състояние (температура, налягане и обем).

Таблица 1.4. 1. Оценка на възможността за протичане на даден процес, съгласно втория принцип на термодинамиката.

Н S F Оценка на възможността процесът да протече

- + < 0 при всяка температура Процесът може да протече при всяка една температура

- - < 0 при ниски температури> 0 при високи температури

Процесът е възможен само при ниски температури

+ + > 0 при ниски температури< 0 при високи температури

Процесът е възможен само при високи температури

+ - > 0 при всяка една температура

Процесът е невъзможен при коя да е температура

Съгласно третия принцип на термодинамиката, при температура равна на абсолютната температурна нула (-273.15оС), ентропията на всяко едно тяло е равна на нула. Това дава възможност да се определи стойността на ентропията на дадено тяло при кое да е негово състояние. При кристалните тела, колкото е по-сложна кристалната решетка, толкова е по-ниска ентропията. Ролята на ентропията да дава оценка на подредеността в атомно-молекулния строеж на телата се вижда от Таблица 1.4.2 и Фиг. 1.4.2. При различните компоненти на живите организми (белтъци, нуклеинови киселини, липиди), стойностите на ентропията са измерени за 1 мол количество вещество и носят ценна информация за структурата на тези вещества и нейната промяна при загряване, промяна на рН, денатурация и др. Най-често обаче се измерва промяната на ентропията при фазов преход между две състояния. В процеси, завършващи с намаляване на структурираността на телата, ентропията расте, S > 0. Това са топене, изпарение, разтваряне, загряване, образуване на газообразни продукти, образуване на утайка. Обратно, процеси предизвикващи нарастване на подредеността, ентропията намалява, S < 0. Тук се включват кондензация, кристализация, охлаждане, намаление на газовите съставки.

Особено важно приложение намира величината свободна енергия при химичните и биохимичните реакции. Нека реакцията A + B C + D протече спонтанно (самостоятелно, самопроизволно) до достигане на равновесни концентрации на участващите изходни вещества (A и B) и крайни продукти (C и D). Равновестната константа К на тази реакция се дефинира като отношение на равновесните концентрации на участващите вещества K = [C].[D]/[A].[B]. Очевидно К 1, защото в края на реакцията концентрациите на предшествениците [A] и [B] ще бъдат по-ниски от концентрациите на продуктите[C] и [D]. Ако реакцията е протичала при стандартни условия, изменението на свободната енергия на реакцията ще бъде F = - R.T ln K, където R е газовата константа и Т е абсолютната температура. От условието К 1 следва, че F 0, което е в съгласие с втория принцип на термодинамиката. Това показва, че в получените продукти вече се съдържа по-малко свободна енергия и повече ентропия, отколкото в изходните вещества. Разликата в енергията се отделя като топлина, която се явява като деградирала и неизползваема енергия. Ако К 1, следва че F 0 и реакцията протича под външно въздействие в обратна посока, като в равновесното състояние ще присъстват главно изходните вещества.

Вещества които са неразтворими във водна среда се означават като хидрофобни. В биофизиката, свободната енергия се използва за оценка на качеството хидрофобност на различни вещества (липиди, аминокиселини). Нека молекулите на дадено вещество са диспергирани във водна среда и чрез подходящ опит те се пренесат в друга по-малко полярна среда, например етанол. При този пренос се измерва

Таблица 1.4. 2. Специфична ентропия на различни тела и нейната промяна след фазов преход.

Вещество S (J / K.mol)

Кристал Течност Газ

Елмаз 2.44 - 158Графит 5.69 - 158

Алуминий 28.3 37.8 164.4Вода 43.9 66.9 188.7


промяната на свободната енергия F на системата разтворител/разтворено вещество и тази промяна се взема като мярка за хидрофобността на веществото. Съгласно вторият принцип на термодинамиката, ако F (свободната енергия на прехода) е отрицателна, преминаването на подобни молекули от водна среда към неполярна (хидрофобна) среда ще стане спонтанно, без използване на външна енергия. Такова вещество се счита хидрофобно. Ако свободната енергия на прехода е положителна, веществото е хидрофилно и лесно разтворимо само във воден разтвор.

При протичане на термодинамичните процеси се отделя топлина, която бива първична и вторична. Вторична е тази топлина , до която деградират в крайна сметка всички видове енергия. Първична топлина се отделя на началните етапи при извършване на всеки необратим процес, като разлика в недоизвършената работа спрямо напълно обратимия процес. Ето защо

коефициентът на полезно действие на всеки реален необратим процес е по-нисък от единица. В живите организми протичат само необратими процеси. Първичната топлина, която се отделя при тях не е обаче съвсем безполезна. Установено е, че тя представлява еволюционен стимул за живите организми да се развиват в посока на нейното намаляване. Освен това, при хомеотермните организми тя се включва в механизма за терморегулация.

Биоенергетиката изучава процесите чрез които клетките използват, запасяват и освобождават енергия. Понеже при тези процеси енергията преминава от един вид в друг, тези процеси трябва да се подчиняват на принципите на термодинамиката. Тъй като жизнените процеси протичат при постоянно налягане и температура, живите организми не могат да превръщат топлината в полезна работа.

Единствени източници на енергия при живите организми са химичната енергия и енергията на светлинните фотони. При онези от тях, които не могат да фотосинтезират, единствен източник на енергия са химичните връзки в хранителните вещества. Ето защо, при тях първият принцип на термодинамиката трябва да се формулира така: енергията, необходима за извършване на всички видове работа се взема от вътрешната енергия на органичните вещества при тяхното окисление. В такъв смисъл, тези организми представляват химични машини, които превръщат химичната енергия на хранителните вещества в работа и частично в топлина, съгласно законите на физиката.

Фиг. 1.4. 2. Промяна на ентропията на водата при загряване. С пунктирна линия е означена смяната на агрегатното състояние, топене (273 К) и изпарение (373 К).

Вторият вид организми - растителните клетки използват енергията на слънчевата светлина за синтеза на въглехидрати от прости неорганични вещества. Така, лъчевата енергия на светлината се превръща в запасена химична енергия, понижена ентропия и увеличена свободна енергия. От растенията тази химична енергия и ниска ентропия преминават в животните, където чрез химично разграждане тя се превръща в движение (кинетична енергия), телесна


топлина (топлинно лъчение), активен транспорт на вещества, нервни импулси (електрична енергия) или в нови химични връзки (синтез). При всяко едно от тези превръщания, част от енергията се губи в околната среда като първична топлина, а ентропията нараства. Тази загубена енергия не може отново да се оползотвори защото се е превърнала в неподредена форма. Вторият закон на термодинамиката гласи, че всяка система има склонност да се саморазпада и става по-хаотична с времето. Затова е необходим един постоянен поток от слънчева енергия за да може чрез фотосинтезата да се създават нови химични връзки и да се поддържа едно ниско ниво на ентропията при растенията и от тях, под формата на храна, те да преминават и при животните на Земята.

po Meditsinska... · Web viewПри равновесното състояние, всеки...

Documents

Transcript of po Meditsinska... · Web viewПри равновесното състояние, всеки...