Су мен минералды тұздардың алмасуы

Минералды тұздар жасушаның құрамына кіреді және нәруыздардың, ферменттердің, гормондардың түзілуіне әсер етеді. Қанның, ұлпа сұйықтығының қысымын реттейді. Жүйкенің қозуы, бұлшықеттердің жиырылуы, қанның ұюы минералды тұздарға байланысты. Адамның дене салмағының шамамен 4%-ы минералды тұздар. Адам ағзасына көбірек қажетті элементтерге Na, K, Ca, Mg, Cl, P жатады. Бұл элементтер минералды тұздардың құрамына кіреді. Кейбір минералды тұздар өте аз мөлшерде болса да, ағза үшін маңызды рөл атқарады.

Зат алмасу қарқыны

• 
  Белок алмасу
  
• 
  Көмірсу алмасу
  
• 
  Май алмасу
  
• 
  Су алмасу
  
• 
  Минерал алмасу
  

Біздің жағдайда алтын құймасы бар үстелі бар шағын, жақсы оқшауланған ауа толтырылған бөлмені қарастырайық - біз алтынды қолданамыз, өйткені ол химиялық тұрғыдан біршама инертті, яғни реактивті емес. Темір торлар, мысалы, тот басуы мүмкін, бұл жағдайды қиындатады. Біздің модельде бөлме бастапқыда жайлы 70 ºF (~21 ºC) температурада және алтын құйма 200ºC температурада. Не болады? Жүйенің уақыт өте келе қалай әрекет ететінін сипаттайтын графикті құра аласыз ба? Біздің бірінші міндетіміз - жүйені, яғни ғаламның бізді қызықтыратын бөлігін анықтау. Біз жүйені алтын құйма немесе алтын құймасы бар бөлме ретінде анықтай аламыз. Егер біз қаласақ, жүйенің тарихы оның болашақтағы мінез-құлқына ешқандай әсер етпейтінін сенімді түрде көрсете алар едік - бұл биологиялық және қарапайым физика-химиялық жүйелер арасындағы маңызды айырмашылық. Әзірге біз оқшауланған бөлмені жүйе ретінде пайдаланатын боламыз, бірақ біз жүйені не деп санайтынымызды нақты анықтаған кезде бұл маңызды емес.

Термодинамиканың тарихы физика мен химия тарихымен түбегейлі байланысты және ақырында ежелгі жылу теориясынан бастау алады. Термодинамика заңдары ХІХ ғасыр мен ХХ ғасырдың басындағы осы саладағы жетістіктердің нәтижесі. Ақыр соңында термодинамиканың екінші заңына айналған бірінші бекітілген термодинамикалық принципті Сади Карно 1824 жылы өзінің оттың қозғаушы күші туралы рефлексиялар кітабында тұжырымдады. 1860 жылға қарай Рудольф Клаузиус пен Уильям Томсон сияқты ғалымдардың еңбектерінде ресімделгендей, қазір бірінші және екінші заңдар ретінде белгілі. Кейінірек, үшінші заң деп аталатын Нернст теоремасын (немесе Нернст постулатын) 1906–12 жылдар аралығында Вальтер Нернст тұжырымдады. Заңдардың нөмірленуі бүгінде әмбебап болғанымен, 20 ғасырдағы әр түрлі оқулықтар заңдарды басқаша нөмірледі. Кейбір салаларда екінші заң тек жылу қозғалтқыштарының тиімділігін қарастырады, ал үшінші заң деп аталатын нәрсе энтропияның жоғарылауына қатысты болды. Бірте-бірте бұл өздігінен шешілді және кейінірек температураның өзін-өзі анықтауға мүмкіндік беретін нөлдік заң қосылды. Қосымша заңдар ұсынылды, бірақ қабылданған төрт заңның жалпылығына қол жеткізе алмады және әдетте стандартты оқулықтарда талқыланбайды.

Термодинамиканың нөлдік заңы термодинамикалық жүйелердегі температураның эмпирикалық параметрі ретінде негізін қарастырады және жылулық тепе -теңдіктегі көптеген денелердің температуралары арасындағы өтпелі қатынасты орнатады. Заң келесі түрде көрсетілуі мүмкін:

Егер екі жүйе де үшінші жүйемен жылулық тепе -теңдікте болса, онда олар бір -бірімен жылулық тепе -теңдікте болады.

Заңның бұл нұсқасы ең көп таралған нұсқалардың бірі болғанымен, ол «нөлдік заң» деп белгіленген әр түрлі мәлімдемелердің бірі ғана. Кейбір мәлімдемелер температураның бір өлшемді екендігіне және денелерді суықтан ыстыққа дейін нақты сандар тізбегіне тұжырымдамалық түрде реттеуге болатындығының маңызды физикалық фактісін қамтамасыз ету үшін әрі қарай жүреді.

Бұл температура мен жылулық тепе -теңдік туралы түсініктер термодинамиканың негізі болып табылады және ХІХ ғасырда анық айтылған. «Нөлдік заң» атауын бірінші, екінші және үшінші заңдар кеңінен танылғаннан кейін, 1930 жылдары Ральф Х.Фаулер ойлап тапты. Заң температураны энтропияға, оның конъюгативті айнымалысына сілтеме жасамай, дөңгелек емес түрде анықтауға мүмкіндік береді. Температураның мұндай анықтамасы «эмпирикалық» деп айтылады.

Термодинамиканың бірінші заңы - термодинамикалық процестерге бейімделген энергияның сақталу заңының нұсқасы. Тұтастай алғанда, сақталу заңы оқшауланған жүйенің жалпы энергиясы тұрақты энергия екенін бір түрден екінші түрге айналдыруға болады, бірақ оны құруға да, жоюға да болмайды дейді.

Жабық жүйеде (яғни, жүйеге немесе жүйеден зат алмасу жоқ), бірінші заң жүйенің ішкі энергиясының өзгеруі (Δ)U_жүйе ) жүйеге берілетін жылу арасындағы айырмашылыққа тең ( Q ) және жұмыс ( W ) жасалды бойынша қоршаған ортадағы жүйе. (Ескерту, бұл мақалада қолданылмайтын балама белгілер конвенциясын анықтау қажет W орындалған жұмыс ретінде қосулы жүйе қоршаған орта бойынша):

Δ U s y s t e m = Q - W < displaystyle Delta U _ < rm > = Q-W>.

Заттың берілуін қамтитын процестер үшін қосымша мәлімдеме қажет.

Егер бастапқыда оқшауланған екі жүйе жаңа жүйеге біріктірілген болса, онда жаңа жүйенің жалпы ішкі энергиясы, U_жүйе , екі бастапқы жүйенің ішкі энергиясының қосындысына тең болады, U₁ және U₂ :

U s y s t e m = U 1 + U 2 < displaystyle U _ < rm > = U_ <1>+U_ <2>>.

Бірінші заң бірнеше принциптерді қамтиды:

• 
  Энергияны сақтау, яғни энергияны құруға да, жоюға да болмайды, тек формасын өзгертуге болады. Мұның ерекше салдары оқшауланған жүйенің жалпы энергиясы өзгермейді.
  

• 
  Ішкі энергия туралы түсінік және оның температурамен байланысы. Егер жүйеде белгілі бір температура болса, онда оның жалпы энергиясы кинетикалық энергия (жүйенің тұтастай қозғалысына байланысты энергия), потенциалдық энергия (сыртқы әсер етуші өрістің әсерінен болатын энергия) және ішкі энергия деп аталатын үш бөліктен тұрады. . Ішкі энергия ұғымының бекітілуі термодинамиканың бірінші заңын энергияны сақтаудың неғұрлым жалпы заңынан ерекшелендіреді.
  

• 
  Зат жүйеге көшірілгенде, онымен байланысты массалардың ішкі энергиясы мен потенциалды энергиясы тасымалданады.
  

• 
  Жылу ағыны энергия тасымалдаудың бір түрі болып табылады. Жылыту - бұл энергияны жұмыстан немесе зат алмасудан басқа жүйеге немесе жүйеге ауыстырудың табиғи процесі. Диатермалды жүйеде ішкі энергия тек энергия ретінде жылу түрінде ауысуы мүмкін:
  

Термодинамиканың екінші заңы табиғи процестердің қайтымсыздығын көрсетеді, ал көп жағдайда табиғи процестердің материя мен энергияның, әсіресе температураның кеңістіктік біртектілігіне әкелуі. Ол әр түрлі қызықты және маңызды жолдармен тұжырымдалуы мүмкін. Қарапайымдардың бірі - Клаузиус тұжырымы, жылу суықтан ыстық денеге өздігінен өтпейді.

Бұл термодинамикалық жүйенің энтропиясы деп аталатын шаманың болуын білдіреді. Бұл мөлшерде бұл оны білдіреді

Ғарыштың бөлек, бірақ жақын аймақтарында бастапқыда оқшауланған екі жүйе, әрқайсысы өзімен термодинамикалық тепе -теңдікте, бірақ міндетті түрде бір -бірімен өзара әрекеттесуге рұқсат етілгенде, олар ақырында өзара термодинамикалық тепе -теңдікке жетеді. Бастапқыда оқшауланған жүйелердің энтропияларының қосындысы соңғы комбинацияның жалпы энтропиясынан кем немесе оған тең. Теңдік екі бастапқы жүйеде барлық интенсивті айнымалылары (температура, қысым) тең болғанда ғана пайда болады, содан кейін соңғы жүйе де бірдей мәндерге ие болады.

Екінші заң қайтымды және қайтымсыз процестердің алуан түріне қолданылады. Екінші заңға сәйкес, қайтымды жылу алмасуда жылу элементі, δQ, температураның туындысы (Т.), жүйенің де, жылу көздерінің де, баратын жердің деdS) жүйенің конъюгациялы айнымалысы, оның энтропиясы (С.):

Қайтымды процестер пайдалы және ыңғайлы теориялық шектеу жағдайы болса да, барлық табиғи процестер қайтымсыз. Бұл қайтымсыздықтың жарқын мысалы - жылу өткізгіштік немесе сәулелену арқылы берілуі. Энтропия ұғымы ашылғанға дейін ұзақ уақыт бұрын белгілі болды, бастапқыда температурасы әр түрлі екі дене тікелей жылулық байланысқа түседі, содан кейін жылу бірден және өздігінен ыстық денеден суыққа өтеді.

Энтропияны жүйенің қозғалысы мен конфигурациясының микроскопиялық бөлшектеріне қатысты физикалық шара ретінде қарастыруға болады, тек макроскопиялық күйлер белгілі болғанда. Мұндай мәліметтер жиі деп аталады тәртіпсіздік микроскопиялық немесе молекулалық масштабта және сирек энергияның таралуы. Жүйенің макроскопиялық түрде көрсетілген екі күйі үшін «олардың арасындағы ақпараттық энтропияның айырмашылығы» деп аталатын математикалық түрде анықталған шама бар. Бұл екіншісінің макроскопиялық спецификациясын ескере отырып, макроскопиялық түрде көрсетілген күйлердің бірін көрсету үшін қосымша микроскопиялық физикалық ақпараттың қаншалықты қажет екенін анықтайды - көбінесе ыңғайлы түрде анықталған анықтамалық күй, ол анық айтылғаннан гөрі бар болуы мүмкін. Табиғи процестің соңғы шарты әрқашан процестің бастапқы жағдайының макроскопиялық спецификациясынан толық және дәл болжауға болмайтын микроскопиялық анықталатын әсерлерден тұрады. Сондықтан табиғи процестерде энтропия жоғарылайды - бұл макроскопиялық түрде көрсетілген бастапқы күйді соңғы макроскопиялық күйден ажырату үшін қанша қосымша микроскопиялық ақпарат қажет екенін көрсетеді. Эквивалентті түрде, термодинамикалық процесте энергия таралады.

Жүйенің энтропиясы тұрақты мәнге жақындайды, себебі оның температурасы абсолютті нөлге жақындайды.

Нөлдік температурада жүйе минималды жылу энергиясымен, негізгі күйде болуы керек. Бұл кездегі энтропияның тұрақты мәні (міндетті түрде нөлдік емес) жүйенің қалдық энтропиясы деп аталады. Назар аударыңыз, кристалды емес қатты заттарды қоспағанда (мысалы, көзілдірік) жүйенің қалдық энтропиясы әдетте нөлге жақын болады. Алайда, ол жүйе бірегей негізгі күйге ие болғанда ғана нөлге жетеді. Микростаттар мұнда жүйенің белгілі бір күйде болу ықтималдығын сипаттау үшін қолданылады, өйткені әрбір микростаттың пайда болу ықтималдығы бірдей деп есептеледі, сондықтан микростаталары аз макроскопиялық күйлер ықтималдығы аз. Жалпы алғанда, энтропия Больцман принципі бойынша ықтимал микростат санымен байланысты:

Қайда С. бұл жүйенің энтропиясы, k_B Больцман тұрақтысы және .. микростаттар саны. Абсолюттік нөлде тек 1 микростат мүмкін (..= 1, өйткені барлық атомдар таза зат үшін біркелкі, нәтижесінде барлық тапсырыстар бірдей, тек бір комбинация бар) және ln ⁡ (1) = 0 < displaystyle ln (1) = 0>.

Онсагердің өзара қатынастары термодинамиканың төртінші заңы болып саналды. Олар термодинамикалық айнымалыларды жергілікті тепе-теңдік жағдайында жергілікті түрде анықтауға болады деген болжам бойынша тепе-тең емес термодинамикадағы термодинамикалық ағындар мен күштер арасындағы байланысты сипаттайды. Бұл қатынастар микроскопиялық қайтымдылық принципі бойынша статистикалық механикадан алынған (магнит өрісі болмаған жағдайда). Экстенсивті параметрлер жиынтығы берілген X_мен (энергия, масса, энтропия, бөлшектер саны) және термодинамикалық күштер F_мен (температура мен қысым сияқты ішкі параметрлерге қатысты), Энергияны зерттегенде ғалымдар жүйе терминін экожүйе сияқты энергия тасымалдауға қатысатын зат пен оның ортасына қатысты қолданады. Тіпті жалғыз жасушалар биологиялық жүйе болып табылады және барлық жүйелер тәртіпті сақтау үшін энергияны қажет етеді. Жүйе неғұрлым реттелген болса, соғұрлым оның энтропиясы төмендейді.

Энтропия - жүйенің бұзылуының өлшемі. Барлық биологиялық жүйелер химия мен физика заңдарына бағынады, оның ішінде жүйелердегі энергияның берілу қасиеттері мен процестерін сипаттайтын термодинамика заңдары. Бірінші заң ғаламдағы энергияның жалпы көлемі тұрақты энергияны құруға немесе жоюға болмайтынын, бірақ оны түрлендіруге және беруге болатынын айтады. Екінші заңда кез келген энергия тасымалында жылу энергиясы сияқты жарамсыз күйдегі энергияның біршама жоғалуы, нәтижесінде жүйенің бұзылуы, мысалы, сіздің жатын бөлмеңіз бір апта ішінде болады. Осылайша, энергия тасымалдаудың толық тиімділігі жоқ. Біз фотосинтез мен жасушалық тыныс алуды зерттегенде бос энергияның қалай сақталатынын, берілуін және қолданылуын толығырақ қарастырамыз.

Термодинамика физикалық заттар қатысатын энергия мен энергия тасымалын зерттейді. Белгілі бір энергия тасымалдау жағдайына қатысты зат пен оның ортасы жүйе ретінде жіктеледі, және бұл жүйеден тысқары қоршаған орта деп аталады. Мысалы, пешке су құйылған ыдысты жылытқанда, жүйеге пеш, кастрюль мен су кіреді. Энергия жүйе ішінде - пеш, кастрюль мен су арасында тасымалданады. Жүйелердің екі түрі бар: ашық және жабық. Ашық жүйе - бұл жүйе мен оның айналасы арасында энергия тасымалданатын жүйе. Плита жүйесі ашық, себебі жылу ауаға кетуі мүмкін. Жабық жүйе - бұл энергияны айналасына жібере алмайтын жүйе.

Биологиялық организмдер - ашық жүйе. Олар мен қоршаған ортаның арасында энергия алмасады, өйткені олар энергия жинайтын молекулаларды тұтынады және жұмысты орындау арқылы қоршаған ортаға энергия бөледі. Физикалық әлемдегі барлық заттар сияқты, энергия да физика заңдарына бағынады. Термодинамика заңдары ғаламдағы барлық жүйелердегі энергияның берілуін реттейді.