Организация теплового баланса и энергозатраты организма
При совершении физических действий организму требуется большое количество энергии. Около 40% этой энергии расходуется на формирование энергии АТФ, а 20% преобразуется в тепло и уходит из организма. Таким образом, коэффициент полезного действия (КПД) организма составляет примерно 20%.
Тепловой баланс и его уравнение
Для поддержания теплового баланса в организме необходимо эффективно выводить образующееся тепло. Организм способен поддерживать постоянную температуру благодаря явлению температурного гомеостаза. Существуют два основных способа терморегуляции: химическая и физическая. Химическая терморегуляция основана на изменении теплопродукции, в то время как физическая терморегуляция основана на изменении теплообмена.
Способы энергозатрат организма
Существует несколько направлений затраты энергии в организме:
Физическая активность – затраты энергии на выполнение физических упражнений.
Синтез сложных молекул – затраты на синтез белков и других сложных молекул. Для расчета энергии, затрачиваемой на синтез белков, используется формула: Gсинт = ν·Δμ.
Поддержание разности концентраций веществ – для сохранения разности концентраций ионов в клетках и внеклеточной среде требуется энергия. Эту энергию можно рассчитать с помощью формулы: Gконц = ν × RT × lnС1/с2.
Поддержание разности потенциалов на мембранах клеток – для создания потенциала покоя и потенциала действия требуется энергия, которая может быть рассчитана по формуле: где q = ν.z.U.
Энергозатраты организма определяются не только физической активностью, но и обменом веществ и поддержанием биологических процессов. Понимание и учет этих затрат позволяют более эффективно управлять своим здоровьем и энергией.
reference: studfile.net
Внутренняя энергия системы
Внутренняя энергия любой системы состоит из двух разных частей: свободной и связанной энергии. Понятие энтропии важно для понимания этих процессов. Энтропия рассматривается как мера связанной энергии в системе.
Формула для переноса тепла путем теплопроводности
Теплопроводность – это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе. Формула для переноса тепла путем теплопроводности выглядит следующим образом:
Qтп = К × (Т1 – Т2)/ x × S × t,
где
- К – коэффициент теплопроводности,
- x – толщина слоя.
Методы измерения количества тепла
Для измерения количества тепла, выделяемого организмом, существуют два метода: прямая и непрямая калориметрия.
Прямая калориметрия
Метод прямой калориметрии использует физические калориметры, где можно помещать животных или человека. Этот метод дает точную информацию, но требует сложной аппаратуры.
Непрямая калориметрия
Непрямая калориметрия осуществляется сбором выдыхаемого человеком воздуха и измерением содержания О2 и СО2 в нем. По этим данным определяется теплопродукция.
Определение энерготрат животного
Лабораторная работа Определение энерготрат животного методом прямой калориметрии позволяет изучить энергетические процессы в организме.
Свободная и связанная энергия. Энтропия
Энтропия рассматривается как мера связанной энергии. Изменение энтропии может быть вычислено через количество тепла, переданного в процессе. Формула Больцмана используется для расчетов.
Теплопроводность и энергетические процессы в организме являются важными для понимания жизненных функций. Измерение количества выделяемого тепла помогает следить за состоянием организма и его потребностями. Определение энерготрат животного позволяет более глубоко изучить энергетические процессы и механизмы, лежащие в их основе.
Внутренняя энергия системы и энтропия
Свободная энергия и связанная энергия
Свободная энергия G – это часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы. Хотя на практике обычно не удается использовать всю свободную энергию, в принципе это возможно.
В то время как связанная энергия WСВЯЗ нельзя превратить в работу в данных условиях. В большинстве случаев связанная энергия составляет часть теплового движения системы частиц.
Формула для выражения этого: U = G + WСВЯЗ
Интересующая нас энергия на практике обычно является свободной энергией.
Энтропия
Энтропия – это физическая величина, которая характеризует направление самопроизвольных процессов в системе и является мерой их необратимости. Понятие энтропии было введено в 1865 году Р. Клаузиусом для характеристики процессов превращения энергии, а затем в 1877 году Л. Больцман дал ему статистическое объяснение.
Энтропия S – это количество связанной энергии на единицу температуры (в кельвинах).
Формула и связь между свободной энергией и энтропией
Уравнение для связи свободной энергии и энтропии выглядит следующим образом: G = U – T·S
Для изотермических процессов (когда температура постоянна): ΔG = ΔU – T·ΔS
Вероятностный смысл энтропии
Вероятность состояния системы зависит от ее степени упорядоченности, то есть вероятность состояния системы определяется ее энтропией.
Л. Больцман установил связь между вероятностью состояния и энтропией системы частиц с помощью формулы: S = k · ln PТД, где k – постоянная Больцмана (k = 1,37·10^–23 Дж/К) и PТД – термодинамическая вероятность состояния системы.
И таким образом, понимание внутренней энергии системы и ее связь с энтропией играют важную роль в физике и термодинамике.