Оѕтїстік Ќазаќстан мемлекеттік фармацевтика академиясы

Шымкент- 2014 ж.

1. Термодинамиканың бірінші заңы.

Термодинамикалық дене немесе жүйе деп белгілі бір көлемге ие болатын, онда жүретін үдерістерді қарастыруға ыңғайлы қоршаған ортадан шартты түрде бөлініп алынған денені айтады.

Жүйенің бір күйден екінші күйге бірнеше аралық сатылар арқылы өтуін термодинамикалық үдеріс (процесс) деп атайды.

Тура және кері бағытта өзбетінше жүретін үдерістерді қайтымды үдерістер деп атайды. Бұндай үдерістер тізбекті бірнеше тұрақты

Аралық күйдің ең болмаса біреуі тұрақсыз болатын және оны қайтадан бастапқы күйге келтіруге болмайтын үдерістерді қайтымсыз-үдерістер деп айтады.

Термодинамиканың бірінші заңы тұйық жүйеге берілген жылудың энергияның басқа түріне айналуының сандық сипатын көрсетеді

dQ =dU+dA

Тұйық жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге және сыртқы күшке қарсы жұмыс атқаруға жұмсалады.
Термодинамиканың бірінші заңы идеал газдардағы жүретін

үдерістерді қалай түсіндіреді?

1. Изохоралық үдеріс газдың көлемі тұрақты V=const, болған-да қысыммен температура арасындағы байланысты қарастырады, яғни газ сыртқы күшке қарсы жұмыс атқармайды dA=0. Газға берілген жалпы жылу мөлшері

2. Изобаралық үдеріс газдың қысымы тұрақты (Р=const) болғанда көлем-мен температура арасындағы байланысты қарастырады. Газға берілген жалпы жылу мөлшері ішкі энергияны өзгертуге және сыртқы күшке қарсы жұмыс атқаруға жұмсалады. Газ қызады да, ұлғаяды және сыртқы күшке қарсы жұмыс атқарады. dQ=dU+dA=dU+Pdv

3. Изотермиялық үдеріс газдың температурасы тұрақты (Т=const) болғанда қысымымен көлем арасындағы байланысты қарастырады. Газдың ішкі энергиясы U=0, dU=const өзгермейді. Газға берілген жалпы жылу мөлшері
dQ=dА тек сыртқы күшке қарсы жұмыс атқаруға жұмсалады.

4. Адиабаталық үдеріс деп тұйық жүйе сыртқы ортадан оқшауланса, онда жылу алмасу болмайтын, яғни dQ=0 жүйені айтады. Мұндай үдеріс кезінде жұмыс тек ішкі энергияның есебінен орындалады dA= –dU.

Дененің жылу сиымдылығы деп оны жылу қабылдағыштық қасиетін сипаттайтын физикалық шаманы айтады. Оның физикалық мәні дене температурасын бір градус Кельвинге өзгертуге қажетті жылу мөлшері.

Дененің жылу сиымдылығы термодинамикалық үдерістерге тікелей байланысты болғандықтан, изобаралық «Ср» және изохоралық «Сv» меншікті жылу сиымдылықтары қолданылады. Осы екі жылу сиымдылығының қатынасын G=Cp/Cv адиабата көрсеткіші деп атайды.

1. Изотермиялық үдеріс: dT=0, dU=0, dQ=dA C(t)=∞

2. Изобаралық үдеріс: dQ=dA+dU Cp=dU/dT+dA/dT=Cv+R

Cp-Cv =R - Майер теңдеуі

3. Изохоралық үдеріс: dA=0, dQ=dU Cv=dU/dT

4. Адиабаталық үдеріс: dQ= 0 dA=-dU CQ = 0

Термодинамиканың бірінші заңы тұйық жүйедегі энергияның бір түрден екінші түрге ауысуының сандық сипаттамасын береді.

Ал бұл заң тұйық жүйедегі үдерістер қай бағытта жүретендігің көрсете алмайды. Бұл сұраққа жауапты термодинамиканың екінші заңы көрсетеді.

Термодинамикалық үдірістердің жүру мүмкіндіктерін, олардын бағыттын және шегін энтропия, бос және байланысқан энергия деген шамалар сипаттайды.

Энтропия «S» деп изотермиялық жолмен өзгеретін тұйық жүйедегі жылу мөлшерінің «Q» сол абсолютті температураға «Т» қатынасы арқылы сипатталатын үдірісті айтады. S=Q/T

Заңдылықты сипаттау үшін энтропияның өзгерісі қолданылады: dS=dQ/T, бұдан dQ=Tds – бұл байланысқан энергия. Тұйық жүйе үшін термодинамика-ның бірінші заңы мына түрде жазылады.

Тұйық жүйенің ішкі энергиясы «dU» бос «dF» және байланысқан «TdS» нергияның қосындысынан тұрады dU=dF+TdS

Жүйеде бос энергия пайдалы жұмыс атқаруға жұмысалады, ал байланысқан энергия бейбірікет жылуы тұрінде бөлініп шығады. Тұйық жүйеде үдеріс ішкі энергиянын кему бағытында жүреді яғни бос энергия кемиді ал энтропия өседі dF<0, dS>0

Яғни жүйеде үдеріс бос энергия кеміп нөлге, ал энтропия өсіп ең жоғарғы (мах) мәнге жеткенше жүреді. Жүйенің мұндай күйін термодинамикалық тепе-теңдік деп атайды.

Ұзақ уақыт бойы термодинамиканың 1-ші заңы биологиялық жүйеге қолданылмай келді, себебі жүйедегі барлық үдірістер термодинамикалық тепе-теңдікке жақындайды. Бұл тәрі ағзада өлемге алып келеді. Ал биологиялық жүйенін жұмыс істеу мүмкіндігі ұақыт ішінде өзгермейді, олар жылдарға созылуы мүмкін.

Себебі биологиялық жүйе қоршаған ортамен әрі зат, әрі энергия алмаса алатын ашық жүйеге жатады. Ал классикалық термодинамиканың заңдары тұйық жүйеге арналып жазылған.

Сондықтан бұл заңды ашық жүйеге қолдану үшін бос энергия мен энтропия-ны екі құраушыға жіктеу қажет:

dF = dFi + dFe

dS= dSi +dSe

dU=dFi+dFe+TdSi+TdSe

«dFi» және «dSi» - құраушылары тұйық жүйеде жүретін биохимиялық және биофизикалық үдерістерді сипаттайды.

«dFе» және «dSе» - құраушылары жүйенің қоршаған ортамен энергия алмасуын сипаттайды.

Ағзадағы барлық биохимиялық, биофизикалық үдерістер қайтымсыз болғандықтан, энергияның бір бөлігі жылу түрінде босап шығады. Сондықтан dFi<0, Tdsi>0

Тірі ағза ашық термодинамикалық жүйе болғандықтан ол қалыпты күйде болады. Қалыпты күй деп (оны сипаттайтын шамалар) сыртқы қоршаған ортамен әрі зат әрі энергия алмаса отырып уақыт ішінде өзгермейтін жүйенің күйін айтады.

И.Пригожин ашық жүйені зерттей келіп, оның қалыпты күйін сипаттайтын мынадай тұжырым жасады: қалыпты күйде ағзада жүретін қайтымсыз үдерістерді сипаттайтын энтропияның өзгеру жылдамдығы мүмкін болатын мәндердің ішінен ең аз оң мәнге ие болады, яғни қалыпты күйде ұстап тұру үшін бос энергияның ішінен ең аз бос энергияның шамасын қабылдауды қажет етеді.

Яғни ағза өзіне тиімді энергетикалық деңгейде жұмыс істеуге тырысады.

Ағзада өзінін күйін бір қалыпты ұстап тірі үшін жоғарғы молекулярлы энтропиясы теріс тағам қолдану қажет.

5. Әдебиет:

1. 
   Антонов В.Ф. и др. Биофизика.- М.- 2000.
   
2. 
   Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика.- У.- 2004.
   
3. 
   Сәтбаева Х.Қ. және т.б. Адам физиологиясы –А.-2005.
   
4. 
   Рубин А.Б. Биофизика. - Т.1,2.- М.- 1987.
   
5. 
   Владимиров Ю.А. и др. Биофизика.- М.- 1983.
   
6. 
   Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика.- М.- 1978.
   
7. 
   Волькенштейн М.В. Биофизика.- М.- 1978.
   
8. 
   Корнеев Ю.А. и др. Медицинская и биологическая физика. – Новгород – 2001
   

1. Жылудың басқа энергия түрлеріне айналуы қалай жүреді?

1.Сұйықтардың ерекшеліктері.

1. Сұйық молекулалары бір орыннан екінші орынға оңай ығысып, өзінің пішінін тез өзгерте алады. Сұйық молекулаларының ығысқыштығы яғни сырткы әсерінен бір орыннан екінші орынға қозғалғыштығын оның аққыштық қабілеті деп атайды.

2. Сұйық молекулалары қозғалғыштығына олардың арасында өзара ілінісу немесе ішкі кедергі өз әсерін тигізеді. Сұйықтың мұндай қасиетін ішке кедергі немесе тұтқырлық деп атайды. (Толық зертханалық жұмыста қарастырылады).

3. Егер сұйық сырттан күш әсер етіп тұрған жабық ыдыста тұрса, қысымға ие болады. Егер сұйық қысымға ие болса, онда сұйық жұмыс атқара алатындай ішкі потенциальдық энергияға ие болады.

4. Стационарлық ағыс деп, сұйықтың кез келген жерінде оның бөлшектерінің жылдамдығы өзгермейтін (ν=const) ағысты айтады.

Бернулли теңдеуін анықтаушын сұйықтан жан-жағынан ток сызықтарымен шектелген ток түтігін бөліп алайық.

Аурлық күші өрісінде сұйықтың қысымы «P», жылдамдығы «ν» және горизонтпен салыстырғандағы сұйық молекуласының өзара орналасуы «h» - арасындағы байланысты анықтайық

Бірлік уақыт ішінде түтіктің кез-келген перпендикуляр көлденең қимасынан ағып өтетін сұйқтың ағысы стационар ағыс болғандықтан, оның көлемі (DV=ν×S=const) өзгермейді. Көлемі DV=S1Dl1=S2Dl2 сұйықтың аз бөлігі «1» жағдайдан «2» жағдайға орын ауыстырсын.

Бұл кезде жұмыс атқарылады:

DА = F1Dl1-F2Dl2 = P1S1 Dl1–P2S2 Dl2

мұндағы - S1Dl1=S2 Dl2 =Dv

Сонда: DA = Р1DV – P2DV=(P1-P2)DV

Яғни өндірілген жұмыс түтіктің ұштарындағы қысымның айырымына байланысты болады.

Бірінші жағдайды сипаттайтын шамаларды теңдіктің сол жағына екіншіні оң жағына шығарып, екі жағын тұрақты көлемге (DV=const) бөліп, тығыздықтын формуласын ескергенде төменгі теңдеу алынады: