Жоспары:
- Ашық жүйедегі энтропияның қайтымсыз процестер нәтижесіндегі құраушысын есептеу проблемасы.
- Биологиялық құрылымдардағы энтропияның жұмсалу жолдары.
- Пригожин теоремасы және оның тірі жүйедегі орындалуы.
Лекция мәтіні:
Биохимиялық синтез жүріп жататын клетка бөлігіндегі энтропияның кемуі организмнің басқа бөліктеріндегі немесе сыртқы ортадағы энтропияның арқасында жүретін тірі жүйелерде қоректік заттар мен күн энергиясын пайдалану нәтижесіндегі энтропияның кемуі оларда бос энергияның өсуіне алып келеді. Сыртқы ортадан келетін теріс энтропияның ағыны тірі жүйелердің ұйымдасуын көтеріп қоректік заттардың ұйымдасуын төмендетіп қана қоймайды. Сонымен бірге осы заттардың деградациялануы ыдырауы организмге қажетті бос энергияның түзілуін қамтамасыз етеді. Заттардың химиялық құрамы өзгеріп тұратын процес тер өтетін ашық жүйелерде d i S мәнін есептеп шығару басты проблема болын табылады. Егерде ашық жүйеде температураның таралуы тұрғысында тепе – теңдік орнаса (бірақ реагенттің химиялық құрамы тұрғысынан тепе – теңсіздік болса) онда мұндай жүйе біршама тепе – теңсіздік күйде болады. Энтропияның жалпы өсуі бұл жағдайда
d s = de S + d i S (13)
Мұндағы de S= d Q /T
ашық жүйенің қоршаған ортамен тепе — тең жылу алмасу нәтижесінде өзгеретін энтропия d i S химиялық реакциялар нәтижесінде болатын энтропиянның өздігінен өсуі заттар алғашқы тепе – теңсіздік күйде болып, нәтижесінде пайдалы жұмыс атқарылады.Онда
d i S= d S -de S = d S-d Q /T (14)
Термодинамиканың І заңы
de S=dU +pdv(15)
Максимальды пайдалы жұмыс
dA=-( dĞ) Т,Р.
Термодинамика потенциалы деген ұғым бар
Ğ=UТРV-TS
Осыдан келтірілген теңдеулерге сәйкес тұрақты температура мен , қысымда ашық жүйелерде энтропияның түзілу жылдамдығы оның термодинамикалық потенциалының кему жылдамдығына тура пропорционал.
Біршама тепе – теңсіздік жүйеде қайтымсыздықтың жалғыз себебі оның термодинамикалық потенциалының азаюы , энтропиясының өсуінің себебі химиялық реакциялар болып табылады. Бұл реакцияның өздігінен жүруі жүйенің химиялық құрамының өзгеруіне және пайдалы жұмыстың орындалуына септігін тигізеді.Химиялық түрленулер үшін
d i S /dt=(1/Т)Аv >0 (16)
Мұндағы
v-химиялық реакцияның жылдамдығы ,А- химиялық реакцияның қозғаушы күші,
ол бастапқы және соңғы өнімдердің химиялық потенциалының айырмасы:
А= -Σ MRVR
R
MR-Химиялық потенциал
VR-R реагенттінің стехиометриялық коэффиценті
Демек, (16) теңдеуге сәйкес процестердің қозғаушы күші А реагенттердің бастапқы және соңғы химиялық потенциалдардың айырмасына байланысты болады.
Химиялық процестерде энтропияның түзілуі жылдамдылығы қозғаушы күш пен реакция жылдамдығына тура пропорционал. (16) теңдеу жүйеде әрқайсысының жылдамдығы мен қозғаушы күші әр түрлі бірнеше қайтымсыз процестер жүргенде де тура болады.
Биологиялық құрыдымдарда қор ретінде жинақталған энергияның бір бөлігі энтропия түзілуін кемітуге жұмсалады және реакцияның тізбектелу дәрежесімен анықталады.Сонымен бірге биологиялық процестердің маңызды айырмашылығы реакцияға қатысатын заттардың өздері құрылымдық өзгерістерге ұшырайды.Бұл реагенттердің өздерінің реакция барысында энтропиясының өзгеруіне алып келеді
Пригожин теоремасы :
“Біршама жартылай теңдестірілген ашық жүйелерде өзгермейтін орта жағдайларында термодинамикалық тепе теңдікке жақын стационарлық күйде энтропияның ішкі қайтымсыз процестер нәтижесінде өсу жылдамдығының мәні нөлден өзге тұрақты минималдық оң шамаға тең болады”
Энтропияныңөсуінің минимум принципы немесе Пригожин теоремасы ашық жүйеде өздігінен жүретін өзгерістердің жалпы бағытын көрсететін сандық критерий немесе басқаша айтқанда жүйенің эволюциясының критерийі болып табылады.Әр секундтағы энтропия өсімінің мәнінің өзгеруі бойынша жүйенің соңғы стационарлық күйге өтуін болжауға болады.
Айтылған термодинамикалық қайтымсыз процестер негізінде биологиялық құбылыстарды анализдеуге арналған көптеген жұмыстар бар.Бұл теорияларға сай организдердің өсуі мен дамуы өздігінен және үздіксіз жүреді ,соңғы стационарлық күйге жетуге бағытталған боладынәтижесінде энтропияның түзілу жылдамжығы азаяды да соңғы стационарлық күйде минималды мәнге ие болады.