Класична термодинаміка: поняття вільної енергії

Закони класичної термодинаміки визначають властивості систем, які поводяться подібно ідеальним газам. Вони були розвинені для опису процесів, пов’язаних із змінами тиску і об’єму системи і тією роботою, яка при цьому проводиться системою або повинна бути здійснена над нею. Таким чином, предметом термодинаміки є вивчення законів взаємних перетворень різних видів енергії, пов’язаних, наприклад, з переходами енергії між тілами у формі теплоти і роботи. У зв’язку з цим в перший час студент буде відчувати великі труднощі, намагаючись застосувати рівняння, що описують ці перетворення, до біологічних процесів. І дійсно, цей зв’язок можна простежити лише при дуже узагальненому розгляді біологічних проблем. Закони термодинаміки дозволяють визначити лише крайні межі, обмежують область, усередині якої можуть функціонувати живі системи. Проте вони становлять велику цінність для кожної освіченої фізіолога, і тому ми дуже коротко розглянемо основні рівняння термодинаміки. Їх висновок, проведений у найзагальнішому вигляді, буде побудований таким чином, щоб студент зміг зрозуміти деякі передумови, що лежать в основі виведення цих рівнянь, і оцінити допустиму область їх застосування.

У рамках класичної термодинаміки енергія системи може проявлятися у вигляді механічної роботи і теплоти. Якщо ми маємо справу з суто механічною системою, то теплоту можна не брати до уваги, і тоді енергія системи визначається її здатністю до скоєння роботи. Кінетичну енергію тому можна розглядати як роботу, що здійснюються системою безпосередньо в даний момент часу, а потенційну енергію – як роботу, яка може бути проведена системою в майбутньому. Але про яку б енергії ми не говорили, мова йде про роботу, яка може бути проведена системою. Найпростіший вид такої роботи відбувається при розширенні газу. Величина її визначається добре відомим рівнянням А = рАV (передбачається, що змінюється тільки обсяг, а величина р залишається незмінною). Цілком очевидно, що повна енергія системи більше тієї її частки, яка може бути перетворена в роботу. Як правило, обсяг системи не може зростати необмежено, у зв’язку з чим деяку кількість потенційної енергії завжди буде залишатися

в системі. За відповідних умов її можна використовувати для здійснення роботи над какойнибудь іншою системою. Можна, звичайно, спробувати створити такі умови, які дозволили б витягти всю (у тому числі залишилася пов’язаної) енергію. Неважко помітити, що для цього нам довелося б почекати, поки молекули розширюється газу не заповнили б весь Всесвіт. Очевидно, що така спроба є абсолютно нереальною. Однак її аналіз дозволяє нам чітко відмежувати повну внутрішню енергію системи від тієї її частини, яка може бути перетворена в роботу. Величину»доступною»енергії можна визначити через роботу, досконалу системою, або через відповідне цій роботі зміна внутрішньої енергії системи.

Повинно бути досить ясно, що повну внутрішню енергію системи визначити неможливо, точно так само як неможливо визначити, скільки ангелів вміститься на кінчику голки (якщо нам невідомі абсолютні розміри тіла ангела). Однак визначити зміну внутрішньої енергії системи можна.

З формулювання першого закону випливає, що зміна внутрішньої енергії системи однозначно визначається її станом і не залежить від шляху, пройденого системою (перед тим як вона прийшла в цей стан). Як і всі закони науки, перший закон термодинаміки представляє собою узагальнення властивостей природи, а не теорію, розвинену з якогось»основоположного принципу».

Посилання на основну публікацію