termodinamica ciuchi (2)

8/16/2019 termodinamica ciuchi (2)

1/9

Primul principiu al termodinamicii şi aplicabilitatea lui în lumea vie

• Principiul I al termodinamicii reprezintă o lege de conservare a energiei aplicată

proceselor termice.

• Într-un sistem fizic izolat, în care au loc procese mecanice şi termice, energia totală

a sistemului se conservă.

• Pentru sistemele închise dar neizolate (există schim de energie cu exteriorul!,

primul principiu al termodinamicii exprimă din punct de vedere cantitativ

dependen"a care există între varia"ia energiei interne ΔU şi celelalte două forme de

schim de energie# lucrul mecanic L şi cantitatea de căldură Q.

Cantitatea de căldură primită de un sistem duce la variaţia energiei interne a

sistemului şi la efectuarea de către sistem a unui lucru mecanic asupra mediului

exterior.

Matematic, primul principiu al termodinamicii se exprimă su forma#

Q = L + ΔU

• În cazul sistemelor vii, care sunt sisteme deschise, transferul de energie între

sisteme şi mediul încon$urător se realizează şi prin schim de sustan"ă, iar în acest

caz, odată cu schimul de molecule se transferă şi toate formele de energie

asociate cu acestea.

• %rganismele vii sunt sisteme a căror energie internă poate creşte sau poate săscadă în func"ie de diferite condi"ii, cum sunt v&rsta, starea fiziologică etc.

• 'plic&nd primul principiu la transformările gazului ideal, vom o"ine pentru , ) şi

*+ rela"iile cuprinse în următorul tael#

ipul de

transformare

) *+

Izoară (pconst.! P/0 12p/ 12v/Izocoră (0const.! 3 12v/ 12v/Izotermă (const.!

14ln i

f

V

V

14ln i

f

V

V 3

'diaată ()3! P/014/ 3 12v*

Bilanţul energetic al organismului

'plic&nd unui organism primul principiu al termodinamicii, se o"ine următorul ilan"

energetic#5m 6 ) 6 5d

+nde#


2/9

5m energia preluată din mediu (aportul energetic!

lucrul mecanic efectuat de organism

) căldura dega$ată de organism

5d energia depozitată în rezervele organismului

7itua"ia se simplifică dacă se lucrează în condi"ii de repaus a organismului#

• nu efectuează lucru mecanic ( 3! şi nu preia energie din mediu (5m 3!

În aceste condi"ii#

5d 6 ) 3

%rganismul dega$ă căldură pe seama propriilor sale rezerve energetice, care sunt

diminuate prin utilizare#

) - 5d 5u

unde 5u este energia utilizată de organism.

%87.

• %rganismul poate fi comparat cu o maşină termică func"ion&nd în condi"ii izoare

şi izoterme, iar energia necesară func"ionării lui rezultă în urma reac"iilor de oxido-

reducere.

• 2ompuşii acestor reac"ii provin din alimente

9. 't&t căldura, c&t şi diferitele forme de lucru mecanic sunt forme diferitede varia"ie ale aceluiaşi parametru de stare al sistemelor (energia internă! şi, de

aceea, se pot transforma reciproc unul în altul şi se exprimă amele în unită"i

de energie:

;. Între căldură şi lucru mecanic nu este o echivalen"ă calitativă,

deoarece la scară atomo-moleculară căldura exprimă varia"ia energiilor

dezordonate, în timp ce lucrul mecanic exprimă varia"ia unei energii ordonate în

sens macroscopic: de aceea, lucrul mecanic se poate transforma integral încăldură prin frecări, în timp ce căldura nu se poate transforma dec&t par"ial în

lucru mecanic.

Bilanţul energetic al unui organism, B(!, se poate determina dacă se cunosc aportul

"(! respectiv cheltuielile energetice #(!, rela"ia dintre ele fiind următoarea#

8(5! '(5! < 2(5!

• =acă aportul energetic este egal cu cheltuielile, atunci ilan"ul este egal cu zero,

B(!=$, adică ilan"ul este ec%ilibrat. 'ceasta este situa"ia în cazul organismelor

sănătoase, cărora le este specifică starea sta"ionară.


3/9


4/9

• @ A 9 → nu se poate ca întreaga cantitate de căldură preluată de la sursa

caldă să fie transformată integral în lucru mecanic, ci o parte din ea va trece la

corpurile încon$urătoare.

• 2arnot → printr-o transformare ciclică lucrul mecanic poate fi transformat

integral în căldură, invers nu este posiil (sens unic de desfăşurare al proceselor din

natură!.

• toate procesele spontane dintr-un sistem se desfăşoară în sensul scăderii

lucrului pe care l-ar putea efectua sistemul.

• dacă un sistem efectuează lucru mecanic pe seama scăderii energiei interne,

lucrul mecanic efectuat este mai mic dec&t energia internă, deoarece o parte din ea

trece în căldură.

• această energie este egală cu produsul dintre temperatura sistemului şi *7,

unde * reprezintă o nouă mărime fizică, ce este totodată o func"ie de stare, şi se

numeşte entropie# ) *7

• în orice proces spontan entropia creşte.

• =eci, sunt posiile numai acele procese termodinamice pentru care Δ* $

(inegalitatea lui 2lausius!.

Primul principiu devine

*7 *+ 6 %87.

=in energia internă a unui sistem aflat la temperatura poate fi transformată înlucru mecanic doar o parte şi aceea se numeşte energie liber, (-!.

B + < 7

În sistem izolat#

Proc. Izoterm# *B *+ < *7, + const.→

*+ 3, dar *7 C 3 şi rezultă că*B - *7 A 3.

#onclu&ie.

Potrivit principiului al II-lea al termodinamicii, prin orice proces care are loc într-un

sistem izolat, energia lieră scade şi entropia sistemului creşte.

/ransportul c,ldurii în organism

%rganismul uman produce căldură care se transmite din centrul corpului spre

suprafa"ă, iar de aici spre mediul exterior. 2antitatea de căldură şi temperatura din interiorul organismului diferă de la un organ

la altul. 2ăldura este transportată din locurile cu temperatura mai ridicată spre cele

cu temperatura mai scăzută prin conduc"ie şi convec"ie.


5/9

2onductiilitatea termică a "esuturilor este redusă, mai ales a celor groase, astfel

înc&t rolul principal în transportul căldurii îl constituie s&ngele.

ransmiterea căldurii prin intermediul s&ngelui este favorizată şi de căldura lui

specifică mare, fiind aproximativ egală cu cea a apei

(9 cal/ggrad sau D9EF GHggrad!.

• ransportul căldurii din interiorul organismului cu temperatura i spre suprafa"a lui cu

temperatura 7 este dat de rela"ia#

)9 29(i < 7!29 este capacitatea calorică a organismului în transferul căldurii din interior spre

suprafa"ă.

• ransportul căldurii de la suprafa"a corpului cu temperatura 7 în mediul exterior

cu temperatura e este dat de o rela"ie similară#

); 2;(7 < e!,

2; este capacitatea calorică a organismului în transportul căldurii de la suprafa"a lui

în mediul amiant.

În regim staţionar: )9 );, adică#

29(i-7! 2;(7-e!

=in care rezultă 2

1

2

1 ,C

C

T T

T T

C

C

S i

eS

−

−

=

se numeşte indice termic al circula"iei.

• ransmisia căldurii spre exterior se realizează prin conduc"ie, convec"ie, radiere şi

evaporarea apei prin transpira"ie.

• ransmiterea căldurii prin conduc"ie, convec"ie şi radiere reprezintă aproximativ J3 <

E3 K din totalul căldurii transmise mediului exterior, iar prin evaporare se cedează ;3 <

L3 K din aceasta.

• În condi"ii de efort fizic pierderea de căldură prin evaporare este de M3


6/9

a trecerea unui sistem termodinamic dintr-o stare de echiliru în altă stare de echiliru

parametrii de stare variază în timp: spunem că are loc un

proces. =atorită faptului că această varia"ie poate avea loc în multe moduri,este necesară

o clasificare a proceselor.

=upă mărimea varia"iei parametrilor, procesele se împart în#

- procese diferen"iale# sunt acele procese în care varia"iile parametrilor

sunt foarte mici (infinitezimale!, put&nd fi exprimate su forma unor diferen"iale

(dai, d'i!

- procese finite# sunt acele procese în care parametrii variază semnificativ,

nota"iile corespunzătoare fiind *ai sau *'i.

=upă natura stărilor intermediare, procesele se clasifică în#

- procese cvasistatice# sunt acele procese în care parametrii variază at&t de lent înc&t

orice stare intermediară poate fi considerată drept stare de echiliru. Pentru a caracteriza

din punct de vedere matematic stările cvasistatice se foloseşte un parametru care poartă

numele de timp de relaxare(Q!. 5l se defineşte ca fiind timpul necesar unui sistem pentru

a reveni spontan în starea de echiliru la dispari"ia factorilor perturatori, care l-au scos

din respectiva stare de echiliru.

=upă sensul în care se pot desfăşura procesele, se mai pot deosei#

- procese reversiile# procesele în care toate stările intermediare sunt stări de echiliru,

iar prin inversarea sensului de varia"ie al parametrilor se poate a$unge din starea finală în

starea ini"ială, trec&ndu-se prin aceleaşi stări intermediare ca şi la transformarea directă.

- procese ireversiile# procesele în care sistemul nu mai poate reveni în starea ini"ială

trec&nd prin aceleaşi stări intermediare.

O5'8%I7O+ 554N5I2. 8I'?+4I5 554N5I25 '5 %4N'I7O5%4

ermenul de metaolism este utilizat pentru desemnarea schimurilor care au loc în

organismele vii în cursul vie"ii lor. Oetaolismul energetic reprezintă totalitatea

c&ştigurilor şi pierderilor de energie care se produc între corp şi mediul amiant. Înfiziologia animală, treuie să luăm în considerare D feluri de energie# chimică, electrică,

mecanică şi termică: principiile care reglează corela"iile lor sunt identice cu cele ale

termodinamicii sistemelor fără via"ă. atura specială a mecanismelor prin care celulele îşi

desfăşoară metaolismul impune însă anumite limite transformărilor reciproce ale

diferitelor tipuri de energie, care în sistemele fizice pure pot să nu existe. 2elulele

animale utilizează pentru activate energia dintr-o singură sursă, şi anume reac"iile

chimice, în special acelea în care legăturile care unesc caronul şi hidrogenul sunttransformate în legături între caron şi oxigen (2%;! sau hidrogen şi oxigen (>;%!. %

parte din energia realizată poate fi de natură mecanică, electrică sau chimică, adică de

sinteză, iar o parte este întotdeauna su formă de căldură.


7/9

=eoarece corpul nu este o maşină termică, celulele ne utiliz&nd energia termică, rela"ia

dintre cantitatea de energie elierată şi cantitatea de căldură produsă reprezintă o

măsură a eficien"ei sistemului. 0aloarea medie a randamentului energetic celular este de

ordinul a L3K, put&nd să a$ungă p&nă la F3K, exist&nd însă şi situa"ii în care este practic

zero.

7ursa imediată de energie pentru orice reac"ie celulară dată o constituie compuşii

RmacroenergeticiR sintetiza"i în prealail şi depozita"i în interiorul celulei. 'lte depozite pot

exista în "esutul adipos sau în ficat. +tiliz&nd aceste rezerve, animalul îşi epuizează

resursele de energie pentru a asigura lucrul mecanic şi căldura necesară. În cele din urmă

energia treuie înlocuită pentru ca organismul să poată supravie"ui şi acest lucru se face

prin intermediul surselor de energie aflate în hrană, su forma legăturilor chimice

caronhidrogen,capaile de a fi scindate în condi"iile proprii activită"ilor celulare. u toate

legăturile caron < hidrogen existente în natură pot fi utilizate de organism, cel mai

simplu exemplu fiind acela al compuşilor petrolieri. În general,compuşii organici utili

organismelor sunt aceia care au configura"ii similare moleculelor constituente ale celulei.

2elulele sunt alcătuite din proteine, glucide şi lipide, iar sustan"ele nutritive se limitează

la aceleaşi grupe de compuşi.

=eşi corpul nu este o maşină termică şi nu arde sustan"ele nutritive la o flacără,

cantitatea de energie elierată su formă de căldură, în procesul arderii în corp, este

identică cu cantitatea de energie elierată c&nd materialul este oxidat prin ardere.

5tapele intermediare nu sunt importante în stailirea ilan"ului energetic al unui proces

termodinamic, lu&ndu-se în calcul doar con"inutul de energie al reactan"ilor şi produşilor

de reac"ie. 2&nd produşii sunt identici, cantitatea de energie cedată su formă de căldură

treuie să fie aceeaşi, indiferent de natura reac"iei. 'cest punct de vedere este important

în determinarea metaolismului energetic, deoarece con"inutul caloric al

alimentelor poate fi determinat mai uşor şi mai exact în afara corpului.

Procedeul este denumit calorimetrie, iar aparatul utilizat este oma calorimetrică a lui8ertholet. =eterminarea este complicată şi dificilă, deşi principiul este simplu.% cantitate

c&ntărită dintr-o proă este aşezată pe o s&rmă de platină, într-o atmosferă de oxigen, în

interiorul unei camere sau RomeR metalice. 2amera este apoi închisă etanş şi

suspendată într-o aie de apă. +n curent electric care trece prin s&rma de platină aprinde

proa,provoc&nd o ardere completă cu formare de >;%, 2%; şi, în cazul proteinelor,oxizi

de azot, sulf şi fosfor. =upă ce s-a făcut corec"ia pentru înmagazinarea de căldură în

diferi"ii constituen"i ai calorimetrului, căldura de ardere poate ficalculată pe aza greută"ii apei din aie şi a modificării temperaturii sale.

'plicarea unor corec"ii adecvate şi stailirea caracteristicilor calorimetrului constituie

dificultă"ile cele mai mari ale metodei. 4ezultatele sunt în general mai exacte dec&t este


8/9

necesar pentru ma$oritatea scopurilor în iologie. Biecare compus are o căldură de ardere

specifică, în func"ie de structura sa chimică. =e exemplu# pentru glucoză, această valoare

este L,JD, pentru sucroză L,SD,pentru glicogen D,9S iar pentru amidon D,9E calHg.

Prima lege a termodinamicii, care descrie constan"a cantită"ii totale de energie dintr-un

sistem sugerează că între cele patru variaile ale metaolismului energetic treuie să

existe o rela"ie simplă, şi anume#

Ingerarea de alimente pierdere de căldură 6 lucru mecanic 6 depozitare de energie

unde depozitarea are un semn negativ c&nd rezervele au fost utilizate. =acă ingestia de

hrană depăşeşte pierderea de căldură şi lucrul mecanic, energia suplimentară este

depozitată în corp: energia se pierde din depozitele energetice dacă ingestia de hrană

este mai mică dec&t pierderea de căldură 6lucrul mecanic.

+na din metodele frecvent utilizate pentru studiul ilan"ului energetic constă în

oservarea suiectului de experien"ă în stare de repaus şi pe nem&ncate. Ingestia de

hrană şi lucrul mecanic pot să nu fie luate în considerare, pierderea de căldură răm&n&nd

singura formă de consum energetic, iar depozitarea negativă de energie singura sursă. În

aceste condi"ii se determină intensitatea metaolismului azal

Pentru ca un organism animal să nu se supraîncălzească şi să se degradeze, şi nici să nu

se răcească su limitele la care procesele iochimice să nu mai fie posiile, treuie ca

intensitatea metaolismului său (O!,reprezent&nd căldura produsă prin oxidările

metaolice în unitatea de timp, să fie astfel înc&t să compenseze exact dega$area de

căldură în exterior# O d)Hdt. 4ezultă astfel că intensitatea metaolismului, şi în

particular, a metaolismului azal (O! sunt propor"ionale cu suprafa"a organismului.

'ceasta înseamnă că intensitatea metaolismului azal este practic propor"ională cu

pătratul razei medii a organismului. 2um masa este propor"ională cu volumul

organismului, deci cu cuul razei medii, rezultă că între intensitatea metaolismului azal

şi masa organismului există o rela"ie de forma# O T m;HL. Prin logaritmare, rela"ia dă

dependen"a dulu logaritmică dintre O şi m prezentată în Big.F.L, exist&nd şi o unăconcordan"ă între pantele o"inute experimental şi valoarea propusă prin rela"ia de mai

sus, de ;HL. =e fapt, dependen"ele sunt mult mai complicate, numărul parametrilor care

influen"ează metaolismul fiind foarte mare. =e exemplu, speciile din zonele reci treuie

să aiă un metaolism mai ridicat dec&t cele din zonele calde, iar organismele care

dispun de o hrană aundentă sau ogată energetic au un metaolism mai ridicat dec&t

cele care se hrănesc mai rar.

F.J. 54O%45N'45' %4N'I7O++I +O''şa cum am văzut mai sus, metaolismul oferă organismului o cantitate de energie care

să compenseze pierderile şi care să asigure una func"ionare a acestuia. +n simplu ilan"

energetic nu poate însă explica modul în care temperatura organismului răm&ne aproape


9/9

constantă în condi"ii foarte diferite de efort fizic sau de temperaturi exterioare şi de aceea

treuiesc luate în considerare şi mecanismele proprii de termoreglare.

7chimurile de căldură ale organismului se fac la două niveluri#

- la nivel intern, între "esuturile mai profunde şi cele apropiate de suprafa"ă, prin

conduc"ie în interiorul "esuturilor şi prin convec"ie datorită s&ngelui:

- la nivel extern, între "esuturile periferice şi mediul exterior, în principal

prin convec"ie şi prin radia"ie.

2a ordin de mărime, pierderea de căldură prin convec"ie, în aer la 9JU2 este de

aproximativ ;F V, în timp ce pierderea de căldură prin radia"ie este de ordinul a c&teva

zeci de Wa"i.

In lumea animală, există două tipuri de reglare a temperaturii#

- speciile poiiloterme sunt acele specii la care temperatura internă a organismului

variază în func"ie de temperatura amiantă:

- speciile homeoterme sunt acele specii la care temperatura internă a organismului

răm&ne constantă într-un anumit domeniu de temperaturi amiante.

Pentru a păstra temperatura aproape constantă, speciile homeoterme necesită existen"a

unui sistem de reglare iologică.=in punct de vedere iologic, speciile homeoterme se

găsesc pe o treaptă superioară a evolu"iei. 5xisten"a unei temperaturi constante permite

o func"ionare enzimatică optimă. =in punct de vedere termic, iată care suntlimitele de

func"ionare ale organismului uman#

- DL,L U2 - temperatura limită de desfăşurare a proceselor iologice

- D9,9 U2 - convulsii

- LM < LJ U2 - temperatura normală

- L9 U2 - pierderea cunoştin"ei

- ;9 < ;E U2 - risc de firila"ii cardiace mortale

- 9E U2 - oprirea completă a circula"iei sanguine

a temperaturi ridicate, procesele iologice sunt limitate de distrugerea prindescompunere a enzimelor. =in fericire, răcirea corpului nu are un efect similar, procesele

iologice fiind însă mult încetinite. 'cest fenomen este folosit în unele cazuri în chirurgia

cardiacă, în scopul prote$ării inimii în perioada în care aceasta nu este alimentată cu

s&nge.

>omeotermia nu presupune existen"a unei temperaturi constante ci doar varia"ia acesteia

în limita a c&teva grade.=acă temperatura normală a corpului este de ordinul a LM

termodinamica ciuchi (2)

Documents

Transcript of termodinamica ciuchi (2)