Химическая термодинамика, как теоретическая основа биоэнергетики

Предмет, методы и основные понятия химической термодинамики

Термодинамика как научная дисциплина сложилась в начале ХIХ века и является одной из составных частей физической химии. Термодинамика изучает общие законы взаимного превращения энергии из одной формы в другую в результате протекания физических, химических или физико-химических процессов.

Термодинамика включает в себя следующие разделы:
1) общую или физическую термодинамику, изучающую наиболее общие законы превращения энергии; 2) техническую термодинамику, рассматривающую взаимопревращения теплоты и механической работы в различного рода машинах и двигателях;
3) химическую термодинамику, предметом изучения которой являются превращения различных видов энергии при протекании химических реакций, процессов растворения, испарения, кристаллизации, адсорбции.

Химическая термодинамика количественно определяет тепловые эффекты вышеперечисленных процессов, выясняет возможность самопроизвольного их протекания в том или ином направлении и условия, при которых химические реакции будут находиться в состоянии равновесия.

Причем изучение происходящих превращений не требует, с позиций термодинамики, сведений об их механизмах, представлений о строении молекул, участвующих в реакциях веществ. Достаточно только знать начальное состояние системы и те внешние условия, в которых она находится.

Следует подчеркнуть также, что термодинамика не может ответить на вопросы о том, с какой скоростью и по какому механизму будет протекать тот или иной процесс, какое количество времени потребуется для достижения в нем химического равновесия.

В настоящее время термодинамический метод исследования является одним из наиболее надежных и эффективных средств для изучения обмена веществ и энергии, происходящего в клетках животных, растений и человека.

Живые организмы усваивают поступающие к ним из окружающей среды вещества, перерабатывают их, синтезируют и накапливают новые высокомолекулярные соединения для создания и обновления клеток и тканей, аккумулирования больших запасов химической энергии. Совокупность всех процессов называют ассимиляцией или анаболизмом (рис. 1).

Рис. 1. Энергетические потоки в живых системах

Одновременно в организме протекают противоположные процессы – диссимиляция или катаболизм, сводящиеся к разложению сложных органических соединений, окислению их до Н₂О, СО₂ и высвобождению при этом энергии.

В раннем периоде развития в организме человека, как и во всем живом, процессы ассимиляции превалируют над диссимиляцией, но по мере приближения к старости начинают доминировать процессы диссимиляции, что приводит к уменьшению в организме запасов химической энергии.

Изучением и решением всех этих вопросов занимается биоэнергетика, которую можно рассматривать одновременно и как часть биохимии и как часть биофизики.

Теоретической же основой биоэнергетики и инструментом, с помощью которого она решает свои задачи, является химическая термодинамика.

Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные

При изложении основных положений термодинамики пользуются набором определенных строго сформулированных понятий, начальное из которых – понятие термодинамической системы, являющейся объектом исследования в термодинамике.

Под термодинамической системой подразумевают избранную совокупность тел или веществ, состоящую из большого числа структурных единиц (молекул, атомов, ионов) и отделенную от окружающей внешней среды определенной границей или поверхностью раздела. Внешнюю среду или внешний мир представляет собой то, что находится вне оболочки системы.

Выделение термодинамической системы из окружающей среды или внешнего мира весьма относительно. Менее сложные системы, являясь самостоятельной структурной единицей, могут одновременно быть составными частями более сложных систем, в этом случае они часто называются подсистемами. Это можно проиллюстрировать на примере биологических систем, расположенных в порядке усложнения в следующем иерархическом ряду: органелла – клетка – ткань – орган – система органов – организм – популяция – биоценоз – биосфера.

Границаилиповерхность раздела термодинамической системы может представлять собой какую-нибудь реальную оболочку. Например, стенки сосуда, в котором осуществляется химическая реакция, мембрана животной и растительной клетки. Но чаще всего эта граница бывает воображаемой или условной и наделенной заранее заданными свойствами. Так, она может быть проницаемой или нетеплопроводной, механически жесткой или нежесткой, т.е. способной изменять свои размеры.

В зависимости от свойств поверхности раздела, термодинамические системы делятся, в первую очередь, на изолированные, закрытые и открытые (рис. 2).

Изолированные системы не могут обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытые системы обмениваются с внешним миром только энергией, а открытые – и веществом, и энергией.

Рис. 2. Примеры закрытой (а), открытой (б) и изолированной (в) систем

Следует подчеркнуть, что реальные системы никогда не бывают абсолютно изолированными, они лишь в той или иной степени приближаются к данному понятию, но полностью с ним не совпадают.

Некоторые системы можно поместить (реально или мысленно) в условия, которые делают их искусственно изолированными. Примером такой изолированной системы можно считать химическую реакцию, идущую в термостате. Изменение энергии в ходе протекания реакции компенсируется включением или выключением нагревателя, в результате чего общая энергия системы будет оставаться постоянной.

Закрытые и открытые системы могут существовать реально, причем наиболее распространенными системами в природе являются открытые системы. К их числу относятся все биологические системы: животные и растительные клетки, организмы, человек и т.д. Примером закрытой системы является любой герметический сосуд, в котором протекает та или иная химическая реакция.

Термодинамика открытых систем описывается с помощью сложного математического аппарата, который до настоящего времени полностью не разработан. Закрытые и особенно изолированные системы имеют более простое математическое описание, и полученные на их основе результаты часто успешно используются для прогнозирования протекания аналогичных физико-химических процессов в открытых системах.

В зависимости от своего состава термодинамические системы подразделяются на простые или однокомпонентные и сложные или многокомпонентные (рис. 3).

Рис. 3. Различные виды термодинамических систем:
а – однофазная гомогенная система, состоящая из воды;
б – двухфазная однокомпонентная система «вода – пар»;
в – трехфазная однокомпонентная система «лед – вода – пар»;
г – трехфазная многокомпонентная система «СаСО₃ – СаО – СО₂»;
д – четырехфазная многокомпонентная система «ртуть – вода – бензол – пар»; е – неустановившаяся система с неопределенным числом фаз

Простые системы состоят только из одного вещества, сложные системы включают в себя несколько различных химических веществ.

Если между отдельными частями системы не существует физических, т.е. реальных границ раздела, то такие системы называются гомогенными (однородными). Свойства данных систем, находящихся в состоянии равновесия, одинаковы во всех их точках.

Существуют также системы, между отдельными частями которых имеются границы раздела. При переходе через них многие свойства меняются скачкообразно. Такие системы называются гетерогенными .

Совокупность всех однородных по составу и физико-химическим свойствам частей гетерогенной системы, отделенной четкой и определенной поверхностью раздела, называется фазой. Гомогенные системы всегда состоят из одной фазы, а гетерогенные являются многофазными: двухфазными, трехфазными и т.д. Очень часто вещества, находящиеся в различных фазах, отличаются друг от друга агрегатными состояниями (рис. 3). Но могут быть и гетерогенные системы, в которых разные фазы находятся в одном и том же агрегатном состоянии. Например, три несмешивающиеся между собой жидкости: бензол, вода и ртуть (рис. 3).