4. Источники свободной энергии и виды работы, совершаемой в организме. Формулы для расчета различных видов работы. Коэффициент полезного действия животного организма.

На совершение работы используется около 40% энергии АТФ, или 20% от исходной энергии пищи. Остальная энергия опять-таки превращается в тепло и уходит из организма. Таким образом, КПД организма составляет около 20%.

5. Тепловой баланс организма, уравнение теплового баланса. Основные способы теплообмена организма. Формулы для расчета количества тепла, переданного этими способами. Понятие температурного гомеостаза. Виды терморегуляции

При образовании тепла в организме нужно его выводить для поддержания теплового баланса.

Свойство организма поддерживать постоянную температуру называется температурным гомеостазом. Различают химическую и физическую терморегуляцию. Химическая терморегуляция основана на изменении теплопродукции (скорости и характера биологического окисления, совершения мышечной работы – дрожь). Физическая терморегуляция основана на изменении теплообмена.

6. Энерготраты организма, основной обмен. Методы измерения теплопродукции организма.

• Энерготраты организма.

Основными направлениями затраты энергии являются:

1. Мышечная работа

2. Синтез сложных молекул, в первую очередь – белков. В организме человека каждый час распадается и синтезируется около 100 граммов белков, то есть белковый состав организма обновляется примерно в течение 3 суток. На это затрачивается значительная энергия, которую можно подсчитать по формуле: Gсинт = ν·Δμ,

где ν – число синтезированных молей,

Δμ – изменение химического потенциала при синтезе данного белка.

3. Поддержание разницы концентраций многих веществ (в первую

очередь ионов) в цитоплазме и в межклеточной среде. Для того, чтобы концентрации внутри и снаружи не выровнялись (что несовместимо с жизнью клетки), в мембранах клеток существуют особые механизмы (их часто называют насосами), которые переносят вещества против разности концентраций. На работу таких насосов тратится заметное количество свободной энергии, которое можно подсчитать по формуле

Gконц = v × RT × lnС1/с2,

где ν – число молей перенесенного вещества; С1 и С2 - концентрации по одну и другую стороны мембраны.

4. Поддержание разности потенциалов на мембранах клеток.

На создание потенциала покоя и потенциала действия нужна свободная энергия, которая в данном случае тратится на перенос ионов через мембрану против разности потенциалов U.

Эта энергия рассчитывается по формуле:

Gпот = q.U,

где q – заряд перенесенных ионов, равный: q = ν.z.U, где ν – число молей ионов, перенесенных через мембрану,

z – валентность иона, F = число Фарадея, то есть заряд одного моля одновалентных ионов (F = 96 500 Кл /моль).

Отсюда получаем: Gпот = ν.z.F.U

• Основной обмен.

В организме любого живого существа непрерывно выделяется тепло. Это тепло должно отводится в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет. Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению. Поэтому важно в любых условиях обеспечить наиболее выгодный темп теплоотдачи. Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, отдача же тепла идёт с поверхности тела (с кожи). Ткани организма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним, кровь отдаёт тепло наружу. Через подкожную клетчатку и через одежду тепло переносится за счёт теплопроводности.

Теплопроводность – это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.

Формула для переноса тепла путём теплопроводности.

Qтп = К × (Т1 - Т2)/ x × S × t,

где К - коэффициент теплопроводности,

х - толщина слоя,

S - площадь.

• Методы измерения теплопродукции организма.

Для измерения количества тепла, выделяемого организмом, существуют два метода: прямая и непрямая калориметрия.

В методе прямой калориметрии используются физические калориметры, сконструированные таким образом, что в них можно помещать животных или человека. Метод прямой калориметрии даёт богатую и точную информацию, но он трудоёмок и требует применения сложной дорогостоящей аппаратуры. Поэтому гораздо чаще используют непрямую калориметрию. В этом методе собирают воздух, выдыхаемый человеком за определённое время, и измеряют в нём содержание О2 и СО2. По этим данным с помощью специальных таблиц определяют теплопродукцию.

7.Лабораторная работа: «Определение энерготрат животного методом прямой калориметрии». Цели лабораторной работы, теоретические основы, описание метода, расчетные формулы.

8. Свободная и связанная энергия. Понятие энтропии. Энтропия как мера связанной энергии. Вычисление изменения энтропии через количество тепла, переданное в процессе. Вероятностный смысл энтропии. Формула Больцмана.

• Свободная и связанная энергия.

Внутренняя энергия любой системы состоит из двух разных частей:

1. Свободная энергия G – это та часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы (слова „в принципе“ означают, что хотя на практике обычно не удаётся всю свободную энергию использовать для получения работы, но в принципе это возможно).

2. Связанная энергия W_СВЯЗ, которую в данных условиях вообще нельзя превратить в работу. В большинстве случаев связанная энергия – это часть энергии теплового движения составляющих систему частиц.

Сказанное можно выразить в виде формулы: U = G + W_СВЯЗ

Ясно, что на практике в большинстве случаев интерес представляет именно свободная энергия.

• Понятие Энтропии

Энтропия - физическая величина, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в этой системе и являющаяся мерой их необратимости. Понятие энтропии введено в 1865 Р. Клаузиусом для характеристики процессов превращения энергии; в 1877 Л. Больцман дал ему статистическое истолкование.

• Энтропия как мера связанной энергии

Энтропия выражается формулой:

Энтропия S – это величина связанной энергии, приходящаяся на единицу температуры (по шкале Кельвина).

Размерность энтропии – Дж^.К ^–1.

W_СВЯЗ = T^.S и U = G + W_СВЯЗ = G + T·S,

откуда получаем связь между свободной энергией и энтропией:G = U – T· S

Для изотермических процессов (температура тела постоянна): ΔG = ΔU – T·ΔS

• Вычисление изменения энтропии через количество тепла, переданное в процессе.

1) Для изотермических процессов:

где:

_{ΔS1→2 - это изменение энтропии при переходе из состояния 1 в состояние 2;}

Q_1→2 - это количество тепла, полученного системой в ходе обратимого перехода из состояния 1 в состояние 2.

2) Если температура в ходе процесса изменяется:

(цифры 1 и 2 обозначают величины, характеризующие начальное и конечное состояния).

• Вероятностный смысл энтропии.

Вероятностный смысл энтропии - вероятность состояния системы определяется степенью ее упорядоченности: с высокой - имеет низкую вероятность, с малой - высокую. Степень упорядоченности характеризуется энтропией.

• Формула Больцмана.

Л.Больцман установил связь между вероятностью состояния и энтропией системы частиц.

Эта связь выражается формулой Больцмана: S = k · ln P_ТД

Здесь k – постоянная Больцмана (k = 1,37^.10 ^–23 Дж.К ^–1), а Р_ТД – термодинамическая вероятность данного состояния системы.