Основные понятия и исходные положения термодинамики.

24.

25.Физические принципы определения давления и скорости движения крови. Регуляция давления и скорости кровотока на входе в капил­ляр осущ. за счет сужения или расшир. артери­ол.Различн. органы имеют разную ультраструктуру капилля­ров.Диаметр пор в капиллярной стенке-100 нм.Про­ницаемость изменяется вдоль капилляра, возрастая от артери­ального конца к венозному.Нарушения гемодинамических показателей сосудистой сис­т.при­водят к нарушению обмена в-в.Различают два основных механизма переноса вещ-в:1.транскапиллярный диффузионный обмен молекулами, обус­ловленный различием концентраций этих мол-л по разные стороны стенки сосудов и2.фильтрационно-реабсорбционный механизм - движение вместе с жидкостью через поры в ка­пиллярной стенке под действием градиента давления Резуль­тирующие скорости переноса в-ва тем и др механ-­мом связаны между собой, поск. градиенты давлений и концентраций связаны через осмотич. эффекты.При фильтрационно-реабсорбционных процессах вода и растворен­ные в ней соли проходят через стенку капилляра благодаря нео­днородности ее структуры.Направл-е и скорость движения воды через различн. поры в капиллярн. стенке опред-ся гидростатическим и онкотическим давлениями в плазме и в межклеточной жидкости:q = f((P -Р )-(Р -Р )),где q – объемн.скорость движ-я воды через капиллярн. стенку,Р_га — гид­ростатическое давление в капилляре,Р^- гидростатич.давлен. в тканевой жидкости, Р_от -онкотическое давлен.тканевой жидкости,Р_ок– онкотич.давлен.плазмы в ка­пилляре.Коэффициент фильтрации (коэффициент проницае­мости) f опред-ся вязкостью фильтрующейся жидкости, размерами пор и их кол-вом.Под действием Р^, Р_от жидк-ть стремится выйти из капил­ляра в ткани (фильтрация), а под действ. Р , Р_ок - возвратить­ся обратно в капилляр (реабсорбция). Если знак q положит., то происх.фильтрация, если отриц.-реабсорбция.При норм.условиях давление в нача­ле капилляра Р_а=30-35мм рт. ст., а в конце егоР=13-17мм рт.ст.Гидро­стат.давл. в межклеточн.жидкости обычно не бо­лееР=3мм рт.ст.Т.к.стенки капилляров пропускают небольшие мол-лы, концентрация этих мол-л и осмотич.давл.в плазме и в межклеточной жидкости примерно одинаковы.Крупн.мол-лы белков плаз­мы с большим трудом прохо­дят через стенки капилляров, в рез-те выравнивания кон­центрац.белков за счет диффузионных процесс.не происходит. Между плазмой и межклеточной жидкостью со­здается градиент концентрации белков,и гра­диент коллоидно-осмотического (онкотического) давления.Онкотич.давл.плазмы Р_ок=25мм рт.ст.,а онкоти­ч.давл.в ткани Р_от=5мм рт.ст.Градиент гидростатич.давл.вдоль капилляра при норм.физиологич.условиях приводит к тому,что фильтрация происх.в артериальном конце, а реаб­сорбция - в венозном конце капилляра.

 

26.

 

27. Особенности молекулярного строения жидкостей.Жидкости изотропны,они явл-ся аморфными телами.Внутри жидк.нах-ся молекулы.Расстояние между мол-ами невелики,силы взм-я значительны,это приводит к малой сжимаемости:уменьшение расстоян.между мол-ами вызывает появл.больших сил межмолекулярного отталкивания.Жидкости мало сжимаемы,обл.большой плотностью.Такой хар-р св-в жидкост.связан с особенностями теплового движения.Мол-ы жидкост.колеблются около положений равновесия,однако эти положения не явл-ся постоянными.Вычислим ср.расстояние между мол-ами жидк.δ=1\ ,где δ-ср.расст.между мол-ами жидк.;Объем жидкости:V= δ³N,где N-общее кол-во мол-л жидк.; N=nV,где n-концентрац.мол-л. Ср.время мол-ы наз-т временем релаксации τ.С повышением температуры и понижением давления время релакс.ум-ся,что обеспеч.большую подвижность мол-л жидк.и меньшую её вязкость.Для того чтобы мол-а жид.перескочила из одного положения равновесия в др.,должны нарушится связис окружавшими её мол-ами и обр-ся связи с новыми соседями.Процесс разрыва связей требует затраты энергии(E-активации),выделяемой при образовании новых связей.

 

28.Поверхностное натяжение,единицы измерения коэфф.пов.натяжения.Для перемещения мол-л из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу.Поверхн.натяжение(коэфф.пов.натяж)опред-ся отношением работы,затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре,к площади этой поверхности: σ=A\S Условием устойчивого равновесия жидкостей явл-ся минимум энергии пов.слоя,поэтому при отсутствии внешних сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь миним.площадь поверхности при данном объеме и принимает форму шара.Поверхн.натяжение может быть определено не только энергетически.Стремление пов.слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое касательных сил-сил поверхностного натяжения.Пов.натяжение =отношению силы пов.натяжения к длине отрезка,на котором действует эта сила: σ=F\L. (Н\м) Пов.натяжение зависит от температуры.Снижения пов.натяжения можно достигнуть введением в жидкость поверхносно-активных вещ-в,уменьшающих энергию поверхностного слоя.

 

29.Явления смачивания и несмачивания.Капиллярные явления.Давление Лапласа.Газовая эмболия.На границе соприкосновения различн.сред набл-ся смачивание и несмачивание.Если F притяжения тв тела- жидкости> Fж-ж, то жидкость будет растекаться по поверхности-смачивание.еслиFж-тв<Fж-ж, то ж не будет растекаться по пов-сти тв тела,а будет уменьшать свою пов-сть, собир в каплю.-несмачивание На поверхностях раздела каждых сред действуют силы поверхн.натяжения.Если эти силы разделить на длину окружности капли,то получ-ся σ₁₃ ;σ₂₁ ;σ₃₂.Угол Ѳ между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости наз-т краевым.За меру смачивания принимают величину: cos Ѳ=( σ₁₃- σ₃₂)/ σ₂₁.Если σ₃₂< σ₁₃,то Ѳ<π\2, и жидкость смачивает тв.тело,поверхность кот-ого наз-ся гидрофильной.Если σ₃₂< σ₁₃,то Ѳ>π\2, жидкость не смачивает тело,поверхн.его наз-т гидрофобной.Несмачивающая жидкость не протекает через малые отверстия в тв.теле.Если краевой угол определить нельзя,то капля растек-ся по поверхности тв.тела до тех пор,пока не покроет всей его поверхности или пока не обр-ся мономолекулярный слой.Это наз-ся идеальным смачиванием(растекание спирта или воды по стеклу).Под действием сил пов.натяж.пов-ый слой жидкости искривлен и оказ-т дополнит.давление ∆р.Искривление поверхности(мениск)возникает в узких(капиллярных)трубках в рез-те смачиван.или несмач.При смач.обр-ся вогнутый мениск.Рассм.поведение пузырька воздуха,находящегося в капилляре с жидкостью.Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково,то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны,и силы дополнит.давления будут уравновешивать др.друга.При избыточн.давлении с одн.стороны(при движение жидкости),мениски деформируются,изм-ся радиус кривизны,дополн.давл.станет неодинак.Это приведет к воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха,которое затруднит или прекратит движение жидкости.Такие явления могут происходить в кровеносной системе чел-ка. Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган.Это явление наз-сяэмболией.Так,воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен:проникший в кровь воздух обр-т воздушный пузырь,препятств.прохождению крови.Газовая эмболия-(водолазы-при подъеме с глубины на поверхность)обусловлена переходом газов крови из растворенного состояния в свободное

30.Поверхностные явления в альвеолах.Сурфактант. в лёгких происходит газообмен.Структурная единица лёгкого, в кот происх этот процесс- альвеола.при вдохе объём альвеол увелич благодаря работе дых мышц, давление в них стан меньше атмосфи это способств их заполнению воздухом.После выоха объём альвеол уменьш, добавочное давл увелич, что должно было бы сильнее уменьшить объём альвеол и препятствовало след вдоху.Но этого не происходит благодаря спец в-ву- сурфактанту., покрывающему внутр пов-сть альвеол.он снижает поверхностное натяжение альвеолярных стенок.Т.о сурфактант обеспеч возможность дыхания

 

31. Методы измерения коэфф-та поверхностного натяжения.Поверхн. натяж-е определ-ся отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при пост-нной температуре к площади этой пов-сти. б=А/S. Пов-стное натяж-е может быть определено не только энергетически, т.е. условием для устойчивости жидкости явл-ся минимум энергии пов-ного слоя. Стремление поверхн. слоя жидкости сократиться означ.: наличие в этом слое касат-ных линий - сил поверхн. слоя. Поверхн. натяжение = отношению силы поверхн. натяж-ия к длине отрезка, на кот-ом действует эта сила: б=F/l . Поверхн. натяж-е зависти от температуры. Вдали от критич-кой тепмературы значение его убывает линейно при увелич-ии темпер-ры. Снижение поверхн. натяж-я можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных вещ-тв, уменьш-щих энергию поверхн. слоя.

 

32. .Деформации и их виды. Закон Гука для упругих деформаций.Деформация – изменение взаимного располож-ия точек тела, которое приводит к изменению его формы и размеров. Деформации бывают: упругие, если после прекращения действия силы она исчезает, Пластические, если деформация сохраняется и после прекращения внешнего возд-вия, и упругопластическая – промежуточный случай,т.е. неполное исчезновение деформации. Виды деф-ции: 1.растяжение – например: возникает в стержне при действии силы, направленной вдоль его оси. 2. Сдвиг – сила,касательная к одной из граней примоуг-го параллел-педа, вызывает его деформацию, превращая в косоугольный параллел-пед. Упругие малые деформации подчин-ся закону Гука,согласно кот-му напряжение пропорционально деформации. Для двух случаев (растяжение, сжатие) исп-ется 2 формулы: б=Еε и G, где Е-модуль Юнга, а G-модуль сдвига.

 

33. Механические свойства биотканей (мышечн. и костная ткани, кровен.сосуды).Под механич. св-вами биотканей понимают 2 разновидности. 1)одна связана с процессами биологической подвижности. Эти процессы обусловлены химич-кими процессами и энергетически обеспечив-ся АТФ. – это группа – активные механические св-тва биологич.систем. 2) Пассивные механич. св-ва биологич. тел. Костная ткань- Кость – основной материал опорно-двигат.аппарата. Гидроксилапатит . в кости дает твердость, упругость, прочность. Минеральное содержимое обеспеч-ет быструю деформацию,а полимерная часть (коллаген) – ползучесть. Если в кости или в ее механич. модели быстро создать постоянную деформацию,то скачкообразно возникает и напряжение. Мышцы – в состав входит соединит.ткань. =>Механические св-ва мышц подобны св-вам полимеров. Гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению размеров полых органов. Скелетная мускулатура – при быстром растяжении на определ-ную величину напряжения резко возрастает, а затем уменьшается до  Сосуды – Механич. св-ва определ-ся главным образом св-вами коллагена,эластина и гладких мышечных волокон. Рассмотрим деформацию сосуда, из-за давления на стенку сосуда изнутри с помощью ур-ния Ламе: = , где h-толщина стенки, r-радиус внутр.части, p-давление.

 

34.

 

35.

 

36.

 

37.

 

Термодинамика изучает общие законы взаимного превращения эн. из одной формы в другую в рез-те протекания физических, хим. или физико-хим. процессов. Термодинамика включает в себя следующие разделы:
1) общую или физ. термод-ку, изуч. наиболее общие законы превр-я эн; 2) техническую термод-ку, рассматр. взаимо-превр-я теплоты и механич. работы в различ. рода машинах и двигателях; 3) хим.термод-ку, изуч. превр-я различ. видов эн. при протекании хим. р-ций, пр-сов растворения, испарения, кристаллизации, адсорбции. Хим. термод-ка колич-но опред. Тепл. эффекты вышепереч. пр-сов, выясняет возм-ть самопро-извольного их протекания в том или ином напр-и и условия, при кот. хим. р. будут нах. в сост-и равновесия. Под термодин. с-мой подразумевают избранную сов-ть тел или в-в, сост. из бол. числа структур. единиц (молекул, атомов, ионов) и отделенную от окруж. внеш. среды определ. границей или пов-тью раздела.Граница или поверхность разделатермодинамической системы может быть проницаемой или нетеплопроводной, механически жесткой или нежесткой, т.е. способной изменять свои размеры. Термодин. с-мы делятся на изолированные, закрытые и открытые. В зав-ти от своего состава термодин. с-мы подраздел-ся на простые или одно-компонентные и сложные или многок-ные.Если между отдельными частями с-мы не сущ. физ, т.е. реальных границ раздела, то такие системы наз. гомогенными. Сущ. также с-мы, между отдельными частями кот. им. границы раздела. При переходе через них многие св-ва меняются скачкообразно. Такие системы наз.гетерогенными. Сов-ть всех однородных по составу и физ-хим. св-вам частей гетерогенной системы, отделенной четкой и определ. пов-тью раздела, наз. фазой. Гомогенные с-мы всегда сост. из одной фазы, а гетерогенные являются многофазными: двухфазными, трехфазными и т.д.

 

39. 2. Биоэнергетика. Биотермодинамика.

Биоэнергетика -раздел биофизики, изучающий вопросы обеспечивания организма энергией за счет ресурсов внешних источников.

Биотермодинамика –раздел биофизики, изучающий обмен энергией между телами термодинамической системы без учёта строения тел системы.

Живые ор-мы усваивают пост-щие к ним из окруж. среды в-ва, перераб-вают их, синтезируют и накапливают новые высокомолек. соед-я для создания и обновления клеток и тканей, аккумулирования бол. запасов хим. эн. Совок-ть всех пр-сов наз. ассимиляцией или анаболизмом . Одновременно в ор-ме протекают противоположные процессы – диссимиляция или катаболизм, сводящиеся к разложению сложных орган. Соед-й, окислению их до Н₂О, СО₂ и высвобождению при этом эн. В раннем пери-оде развития в ор-ме чел, как и во всем живом, пр-сы асси-миляции превалируют над диссимиляцией, но по мере прибли-жения к старости нач. дом-ть пр-сы дис-ции, что приводит к уменьшению в ор-ме запасов хим. эн. Изучением и решением всех этих вопросов заним. биоэнергетика, кот. выступ. одновременно и как часть биохимии и как часть биофизики. Теоретич. же основой биоэн-ки и инструментом, с помощью кот. она решает свои задачи, явл. хим. термодинамика.

 

40. 3. Первое начало термодинамики и его применение к живым системам.

Частным случаем закона сохр. эн. (Во всехявленияхпр-ды энергия не может исчез. бесследно или возн-ть из ничего.) в прим-и к процессам, сопр-ся тепловыми явлениями, выступаетпервое начало(или 1закон)термодинамики : подведенноек системетепло Qидет на увел-е ее внутр. Эн. ΔU и на совершение сис-темой работы Апротив внешних сил:Q = Δ U + А. Системаможет перех. из одного сост-я в др. различ. путями. Но всоот-ветствии с законом сохр. эн. изменение внутр. эн. ΔU системы не зав.отпути перехода: оно одинаково во всех случаях, если одинаковы начал. и конеч. сост-я с-мы. На основании 1 начала т-ки можно сделать несколько важных выводов. 1. В изолир.С-ме сумма всех видов энергии есть вел-на const. 2. Невозможно создатьвечный двигатель первого рода, кот. производил бы работу без подведения эн. извне, т.к. производимая с-мой работа будет всегда меньше, чем теплота,затраченнаянаее производство

 

41.

 

42. Тепловой баланс организма. Способы теплообмена.

Биообъекты – открытые термодинамические сист., обмен-щиеся с окр.средой Е и вещ. Тепловой баланс орг.-соотношение между получаемым и отдаваемым во внеш. среду кол-вом тепла за определ. период времени (обеспечивающее постоян. деят-сть органов и тканей). Способы теплообмена (переноса тепловой Е): конвекция, теплопроводность (кондукция), излучение. Обычно существуют одновременно. Конвекция- перенос тепла при перемещении объемов газа или жид. в пространстве. Теплообмен между жидк. или газ. и поверхностью тв.тела - конвективный теплообмен. Накопив теплоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде( отличие конвекции от теплопроводности, когда вещ.-проводник тепла само остается на месте).Теплопроводность- молекулярный перенос тепла в сплошной среде, обусловленный разностью t⁰. В этом случае теплота передается за счёт непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную t⁰. Что приводит к обмену Е между молек., ат.или свободными е^-. Механизм теплопроводности: Q = A × ΔT/R, где Q — количество передаваемой тепловой Е, А — площадь сечения теплопроводящего тела, ΔT — разность t⁰ между 2точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу. Тепловое излучение –процесс распространения теплоты с электромагнитными волнами. Обусловлен превращением внутр.Е вещ. в Е излучения, переносом излучения (в форме электромагнитных волн) и его поглощением вещ. Тип излучения зависит от t⁰ тела.

 

43. 6. Термометрия. Прямая и непрямая калориметрия.

Термометрия –отдел прикладной физики, в которой изучаются методы измерения температуры и связанные с этим вопросы.

Термометры –устройства для измерения температуры - состоят из чувствительного элемента, в котором реализуется термометрическое свойство, и измерительного прибора.

В зависимости от измеряемых интервалов температур наиболее распространены жидкостный, газовый термометры, термометр сопротивления.

Калориметрия – ряд методов, совокупность которых применяют для измерения количества теплоты, выделяющегося или поглощаемого в различных физических, химических и биологических процессах.

Типы калориметров:

1.калориметры, в которых количество теплоты определяют по изменению температуры;

2.калориметры, у которых температура постоянна и количество теплоты определяют по количеству вещества, перешедшего в другое фазовое состояние.

 

44.Энтропия(Э) и ее св-ва.

Энтропия –функция состояния и системы, разность значений которой для двух состояний равна сумме приведенных количеств теплоты при обратном переходе системы из одного состояния в другое.

(Больцман 1872) Э-ф-ция состояния сист., разность значений которой для 2 состояний=сумме приведенных количеств теплоты при обратимом переходе сист из одного состояния в др. ∆S=S₂-S₁=²∫₁, где S₁ и S₂- Э в конечном2 и начальном1 состояниях. Статистическая физика связывает Э. с вероятностью осуществления данного макроскопического состояния системы. Э. определяется через логарифм статистического веса W данного равновесного состояния S= k ln W (E, N), где k — постоянная Больцмана (k=1,38•10^–23 Дж/К), W(E, N) — число квантовомеха-нических уровней в узком интервале энергии DЕ вблизи значения энергии Е системы из N частиц. Св-ва Э.: *является аддитивной( равно сумме значений величин, соотв-щих его частям) величиной; *есть ф-ция состояния макросистемы; *э. изолированной сист. при протекании необратим. процессов возрастает; *э. макросистемы, находящейся в равновесном состоянии, max. *Изотермическое сжатие вещ. умен., а изотермическое расширение и нагрев.-увелич. Э.

 

45Свободная и связанная энергия в организме.

Свободная энергия- max возможная работа, которую может совершить система, обладая каким-то запасом внутр.Е (внутр.Е системы U = сумме свободной (F) и связанной Е (TS):U=F+TS. Свободная Е Гельмгольца для системы с постоянным числом частиц: F=U-TS, где U-внутренняя Е, T- абсолютная t⁰, S-энтропия. Свободная Е Гиббса:G=U+PV-TS, где P-давление, V-объем. Связанная энергия –часть внутр.Е, которая не может быть превращена в работу, – это обесцененная часть внутренней энергии. При одной и той же температуре связанная энергия тем больше, чем больше энтропия. энтропия системы-. мера той энергии, которая не может быть превращена в работу.