Второй закон термодинамики. Энергия Гиббса

Второй закон (второе начало) термодинамики определяет на­правленность и пределы протекания самопроизвольных процес­сов, в том числе и биохимических. Сначала рассмотрим изоли­рованную систему, где исключен обмен энергией и веществом. Допустим, что в изолированной системе находятся два любых газа, например гелий и аргон, которые не взаимодействуют ме­жду собой и не перемешаны. Естественно, эти два газа будут са­мопроизвольно и необратимо смешиваться, а все свойства систе­мы останутся без изменения, за исключением ее энтропии. В ис­ходном состоянии системы, когда газы еще не смешались, ее энтропия S_Haч меньше, чем энтропия S_K0H состояния после смешивания газов, характеризующегося неупорядоченностью рас­положения и движения молекул газов. Следовательно, в ре­зультате самопроизвольного необратимого процесса в изолиро­ванной системе ее энтропия возросла: AS - S_K0H - S_Haч > 0. На основе этого сформулирован второй закон термодинамики для изолированных систем.

В изолированных системах самопроизвольно могут со­вершаться только такие необратимые процессы, при которых энтропия системы возрастает, т. е. S > 0.

Для неизолированных систем нужно учитывать не только изменение энтропии, но и изменение энергии. Поэтому необхо­димо рассматривать две тенденции, определяющие направление самопроизвольно протекающих процессов:

1) стремление системы к достижению минимума энергии;

2) стремление системы к максимуму энтропии, т. е. к не­упорядоченности.

Все процессы, при которых энергия в системе уменьшается, а энтропия возрастает, протекают самопроизвольно. Самопроиз­вольность других процессов зависит от того, какая из этих двух тенденций - энергетическая или энтропийная - окажется более эффективной, какая из этих противоборствующих тенденций получит перевес над другой. В этом проявляется противоречи­вость материального мира.

Для однозначной формулировки условие протекания само­произвольных процессов в любых системах необходимо ввести еще одну термодинамическую функцию, которая характеризо­вала бы одновременно и энергетику, и неупорядоченность дан­ных систем. Впервые такую термодинамическую функцию ввел Д. У. Гиббс, и в память об этом выдающемся американском уче­ном ее назвали энергией Гиббса.

Энергия Гиббса. Биохимические реакции обычно происхо­дят при изобарно-изотермических условиях. В этих условиях энергетическое состояние системы характеризуется энтальпией, а мерой неупорядоченности системы будет произведение ее эн­тропии и температуры. Функцией, учитывающей обе эти ха­рактеристики и противоположность в тенденции их изменения при самопроизвольных процессах, является энергия Гиббса G:

Энергия Гиббса являетсяобобщенной термодинамической функцией состояния системы, учитывающей энергетику и неупорядоченность системы при изобарно-изотермичес­ких условиях.

Энергию Гиббса называют также изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией.

Подобно другим термодинамическим параметрам и функ­циям, характеризующим состояние системы, изменение энер­гии Гиббса в результате любого процесса определяется только конечным и начальным состоянием системы, независимо от пу­ти процесса:

Для полной энергетической
характеристики вещества при стандартных условиях используют стандартную энергию Гиббса образования вещества G⁰, значение которой дано в справочной литературе. Для простых веществ в термодинамически устой­чивой форме стандартная энергия Гиббса их образования ус­ловно принята равной нулю.

Изменение энергии Гиббса в результате химической реак­ции при стандартных условиях вычисляют по уравнению:

где - стандартные энергии Гиббса продуктов реакции Y_j и исходных веществ Х_l;V_j; и v - соответствующие стехиометриче-ские коэффициенты в уравнении химической реакции.

Изменение энергии Гиббса для биохимических процессов в условиях, отличных от стандартных, можно рассчитать на основе экспериментальных значений АН и AS для этих процессов по уравнению:

где Н - характеризует полное изменение энергии системы при р, Т = = const и отражает стремление системы к минимуму энергии; TAS -характеризует ту часть энергии, которую нельзя превратить в работу, и отражает стремление системы к максимуму неупорядоченности; G -характеризует ту часть энергии, которую можно превратить в работу, и является термодинамическим критерием возможности самопроиз­вольного протекания любых процессов при р, Т = const.

Соотношение между из­менениями важнейших тер­модинамических параметров и функций, описывающими химические и биохимические процессы при р, Т = const, представлено на схеме и в табл. 4.1.

Второй закон термодинамики для любых систем формули­руется следующим образом:

В системе при постоянной температуре и давлении са­мопроизвольно могут совершаться только такие процес­сы, в результате которых энергия Гиббса уменьшается, т. е. G_KOH < G_Haч, или G < 0.

Таким образом, в соответствии со вторым законом термоди­намики самопроизвольно ( G_p < 0) протекают все экзотермиче­ские реакции ( Н_р < 0) при любой температуре, если они сопро­вождаются увеличением энтропии ( S_p > 0). Эндотермические реакции ( H_V > 0), сопровождающиеся уменьшением энтропии ( S_p < 0), не могут протекать самопроизвольно при любой тем­пературе, так как в этих случаях Gp > 0.

Биохимические реакции, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса ( G_p < 0), называют экзэргоническими реак­циями, они могут совершаться самопроизвольно. Если в течение экзэргонической реакции энер­гия Гиббса только понижается, как показано на рис. 4.1, то та­кая реакция протекает в данных условиях самопроизвольно и не­обратимо. Чем больше значение энергии Гиббса биохимической системы в начальном состоянии

Рис. 4.1. Изменение энергии Гиб­бса в закрытой системе в необ­ратимых экзэргонических реакци­ях, совершаемых самопроизвольно (р, Т = const)

Рис. 4.2. Изменение энергии Гиббса в закрытой системе в необра­тимых эндэргонических реакциях (р, Т = const)

Gнач по сравнению с ее значени­ем в конечном состоянии G_KOH, тем больше химическое сродство между реагентами в рассматри­ваемой системе, т. е. их реакци­онная способность.

Критерий G_p < О свиде­тельствует только о термодина­мической возможности протека­ния данного процесса и ничего не говорит о скорости процесса и необходимых условиях для его начала. Например, горение гра­фита С + О2 -> СO2 по законам термодинамики может происхо­дить в стандартных условиях, так как Gp = -393,5 кДж/моль. Но графит при 298 К с кислородом не реагирует, а чтобы реак­ция пошла, необходимо создать определенные условия (запал, катализатор) для увеличения ее скорости.

Биохимические реакции, сопровождающиеся увеличением энер­гии Гиббса (рис. 4.2), называются эндэргоническими ( G_р > 0), и они невозможны без внешнего подвода энергии. Для того чтобы подобная реакция происходила, надо постоянно подво­дить энергию. Например, процесс фотосинтеза в растениях идет только под воздействием солнечной энергии:

В живых системах эндэргонические реакции происходят за счет их сопряжения с экзэргоническими реакциями.