Оқу-әдістемелік материалдар «Кіріспе. Биофизика пәні және оның мәселелері. Термодинамика» Биофизика пәні және оның мәселелері



бет1/5
Дата26.04.2016
өлшемі0.69 Mb.
  1   2   3   4   5
Оқу-әдістемелік материалдар
«Кіріспе. Биофизика пәні және оның мәселелері. Термодинамика»
1.Биофизика пәні және оның мәселелері.

Биофизика- әртүрлі сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан

физикалық және химиялық процестерді зерттейтін ғылым. Биофизиканың зерттейтін объектісі биологиялық материалдар, яғни тірі организмдер. Олай болса физиканың өлі табиғат үшін ашылған заңдарын өзгеріссіз тірі организмге қолдануға болмайды. Оның себебі тірі организм – биологиялық жүйе, үнемі динамикалық қозғалыста болады және гетерогендік әртекті жүйе болып саналады. Биофизиканың ғылым болып қалыптасуына физика, химия, физиология, математика, биохимия тәрізді ғылымдардың зор ықпалы тиді. Осы ғылымдардың негізінде дүниеге келген биофизиканың өз заңдылықтары, өз әдістері бар. Биофизиканың мынадай салалары бар: 1) молекула биофизикасы, ол организмді түзетін биологиялық молекулалардың құрылысы мен физикалық қасиеттерін қарастырады. Сол сияқты биологиялық процестердің кинетикасы мен термодинамикасын қарастырады; 2) клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың ультрақұрылысын, оның физикалық және химиялық ерекшеліктерін және клетканың өтімділігін, биологиялық потенциалын қарастырады; 3) күрделі жүйе биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің биофизикасы). Сонымен қатар, биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін, иондалған сәуленің биологиялық әсерін (рабиобиология), көз оптикасын, қозғалыс, тыныс алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс әрекетін қамтиды. Биофизика ғылым ретінде бүгінгі күн кең дами бастады.

2 Термодинамиканың негізгі түсініктері.

Термодинамика физиканың материя қозғалысының жылулық формасын және сонымен байланысты физикалық құбылыстарды зерттейтін бөлімі. Термодинамикадағы басты орында тұрған ол энергия мен жұмыс арасындағы қатынас. Термодинамикалық жүйе деп өзара бір-бірімен және басқа денелермен зат, энергия алмаса алатын макроскопиялық денелер жиынтығын айтады. Егер осындай алмасулар жүйеге енетін денелер арасында ғана болса, ондай жүйе оңашаланған жүйе деп аталады. Егер жүйе сыртқы ортамен осындай алмасулар жасайтын болса, ондай жүйе ашық жүйе деп аталады. Ал жүйе өзін қоршаған ортамен тек қана энергия алмаса алатын болса, онда оны тұйық жүйе деп атайды. Жүйенің күйі макроскопиялық физикалық шамалардың өзгеруін көрсететін параметрлермен беріледі. Маңызды параметрлерге көлем, температура, қысым, сонымен қоса электрлік поляризация, магниттеліну және т.б. жатады. Жүйенің жалпылама күй теңдеуі



Күй теңдеуіне мысал ретінде идеал газға арналған Менделеев- Клапейрон теңдеуін алуға болады:



Тепе-теңдік күй немесе термодинамикалық тепе-теңдік күйге дене жеткілікті уақыт өткеннен кейін өздігінен өзі келеді, егер жүйе оңашаланған болса. Тепе-теңдік күйде барлық қайтымсыз процестер тоқталады, жүйе күйін сипаттайтын параметрлер уақытқа байланысты өзгеріссіз қалады. Жүйенің бір күйден екінші күйге өтуі термодинамикалық процесс деп аталады.

Бірақ табиғаттағы барлық процестер қайтымсыз процестер. Энергияның біраз бөлігі жылуға айналатын болса, ондай процесс қайтымсыз, себебі жылу қайтадан энергияға айнала алмайды. Сонымен, кез келген процесс қайтымды болу үшін үйкеліс болмауы керек, Қайтымсыз процестер тек бір ғана бағытта жүреді.

Ішкі энергия жүйеге кіретін барлық бөлшектердің кинетикалық және потенциалық энергияларының қосындысы. Термодинамикада ішкі энергия ұғымының өзі емес, оның өзгерісі басты роль атқарады.

Энтропия энергияның қайтымсыз шашырауының өлшем бірлігі және термодинамикалық жүйе күйі функциясы болып табылады. Процестерді зерттеген кезде оның өзгерісі ерекше қызығушылық тудырады. Энтропия мынаған тең

Қайтымды процестер үшін энтропия тұрақты, ал қайтымсыз процестер үшін өседі.

Сонымен,

Бұл Клуазиус теңсіздігі. Энтропия жүйедегі ретсіздік өлшемі болып табылады. Оны былайша да өрнектеуге болады:



Мұндағы -Больцман тұрақтысы, -жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдылығы. Бұл Больцман формуласы деп аталады. Жүйені макрокүйге түсіру қанша микро күйден өткенін көрсететін санды жүйе жүйенің термодинамикалық ықтималдығы деп атайды.

Еркін энергия бұл жүйенің ішкі энергиясының бір бөлігі, осының есебінен жүйе қайтымды изотермиялық процесте жұмыс жасауы мүмкін.

мұндағы шамасын кейде байланысқан энергия деп те атайды. Егер жүйе тепе-теңдік күйге жетсе, онда еркін энергия минимал, ал энтропия максимал болады. Термодинамикалық тепе-теңдік күйде барлық макроскопиялық процестер тоқтайды да, жүйедегі денелерге ортақ температура орнайды.

Термодинамиканың бірінші заңы энергияның сақталу заңы болып табылады. Жүйеге берілген жылу оның ішкі энергиясын арттыруға және сыртқы күштерге қарсы жұмыс істеуге кетеді:

Егер жүйе бернеше күйлерде бола отырып, өзінің алғашқы күйіне қайтып келсе, онда ішкі энергия нолге тең



Сонымен жүйе оған берілген жылу мөлшері есебінен ғана жұмыс жасай алады.

Термодинамиканың бірінші заңы табиғатта болып жатқан процестердің бағыты жөнінде ешқандай мағлұмат бермейді. Термодинамиканың екінші заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағлұмат береді. Анықтамалары:

«Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді».

«Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау мүмкін емес».

Термодинамика заңдарын тірі табиғатқа да қолдануға болады. Организмге келіп түскен тамақтан пайда болатын энергияның мөлшері организм жұмыс істегенде кететін энергияның мөлшеріне тең екені анықталды. Шамамен алғанда берілген энергия (7854 кДж) денеден бөлінген энегияға (7771 кДж) тең екен. Олай болса организм энергияның жаңа көзі болып саналмайды екен. Осыдан келіп, термодинамиканың бірінші бастамасы биологиялық жүйелерге де жарай береді деген қорытындыға келеміз. Жан-жануарлардың организмінен бөлініп шыққан энергия оны қоршаған ортаға таралып кетеді.

Жан-жануар организміне түскен тамақтың күрделі биохимиялық реакцияға түсетіні мәлім. Соның нәтижесінде ол тамақ әсерінен қанша энергия бөлініп шығатынын қалай табуға болады дегне заңда сұрақ туады. Бұл сұраққа 1836 жылы ашылған Гесс заңы жауап береді.

Көптеген сатылардан өтіп келген химиялық реакцияның жылулық эффектісі реакцияның жүріп өткен жолына байланысты болмайды, ол тек қана химиялық жүйенің бастапқы күйдегі энергиясы мен соңғы күйдегі энергиясының айырмасына байланысты болады:



Мұндағы - реакцияның бастапқы энергиясы



-реакцияның соңғы энергиясы

Ол үшін тамақты өртейді. Ол құралды калориметриялық бомба деп атайды. Сонда бөлініп шыққан жылуды өлшеп алады. Ал осы тамақты адам жесе, онда тамақ организмде биохимиялық реакцияға түсіп, жылу бөліп шығарады. Гесс заңы бойынша осы екі жылу біріне-бірі тең болуға тиіс.



Тірі организмдердегі энергияның түрленулері


Түрленетін энергия түрлері

Осы түрленулер өтетін организм бөліктері


Химиялық энергия механикалық энергияға

Бұлшық еттерде

Химиялық энергия электр энергиясына

Барлық клеткаларда

Химиялық энергия жарық энергиясына

Балықтар мен жәндіктердің сәуле шығаратын еттері

Жарық энергиясы химиялық энергияға

Көз қарашығы фоторецепторлары, тері клеткалары, бактериялар, өсімдіктер жапырақтары

Акустикалық толқындардың механикалық энергиясының электр энергиясына

Ішкі құрақтағы Корти органында

Барлық энергия түрлерінің жылу энергиясына

Барлық клеткалар мен еттерде

Өзін-өзі тексеру сұрақтары.

  1. Биофизика пәні, оның мақсаты?

  2. Термодинамикалық жүйе дегеніміз не?

  3. Термодинамиканың бірінші бастамасы?

  4. Термодинамиканың екінші бастамасы?

  5. Гесс заңы?

  6. Айналмалы қозғалыс кезіндегі жылдамдық пен үдеудің формулалары.

Дәріс № 2 «Термодинамикалық тепе-теңдік күй»

1 Термодинамикалық стационар күй.

Термодинамика заңдарын биологиялық жүйелерге қолданғанда тірі организмнің ерекшеліктеріне аса көңіл бөлу керек: 1) заттар мен энергия ағынына биологиялық жүйелер ашық; 2)Тірі жүйелердегі процесстер қайтымсыз; 3) тірі жүйелер тепе-теңдіктен алыс; 4) биологиялық жүйелер гетерофазалы, құрылымдық және жеке фазалары аздаған молекулалар санынан тұруы мүмкін. Биологиялық жүйелер қасиеттерін нақты түрде сипаттау үшін қайтымсыз процестер термодинамикасы теориясы қолданылады. Оның негізіг салушылар Л.Онгазер мен И. Пригожин. Процестің уақытқа тәуелділігіне мысал ретінде: иондарының концентрациясы клетканың ішіне қарағанда сыртында көп. Бірақ концентрациясы градиенті мен потенциалодар айырмасының болуы индарының ішке еніп кетуіне әкеледі, сондықтан концентрациясы тұрақты болып қалады.

Стационарлық күй сипаттамалары:

Жүйеге енген зат мен одан бөлініп шыққан заттың тұрақтылығы;

Еркін энергия шығынының тұрақтылығы, олар жүйедегі заттар концентрациясын тұрақты етіп ұстап тұрады.

Стационар күйдегі термодинамикалық параметрлердің тұрақтылығы.

Ашық жүйе стационар күйде зат мен электр зарядтары ағыны есебінен ғана өмір сүре алады.

Сызықты тепе-тең емес термодинамика негізін қалаған Л.Онзагер мен И.Пригожин болды. Ол тепе-тең күйге жақын процестерді қарастырады, процестерден пайда болған жылдамдықтар мен күштердің арасында сызықтық байланыстар болған кездегі.

Биологиялық жүйелер градиент санының артықтығымен сипатталады (осмостық, электрлік, концентрлік және т.б.

Қандай да бір термодинамикалық параметрдің градинті ара қашықтыққа байланысты өзгереді.





– үлкен параметрден кіші параметрге дейінгі бағыт.

Биологиялық жүйе оның градиенті болса, онда оның жұмыс істей алу мүмкіндігі бар. Градиентті энергия қоймасы деп айтуға болады.

Еркін энергия


Каталог: ebook -> umkd
umkd -> Семей мемлекеттік педагогикалық институты
umkd -> 5 в 020500 «Бастауыш оқытудың педагогикасы мен әдістемесі»
umkd -> «Баспа қызметіндегі компьютерлік технологиялар»
umkd -> Гуманитарлық-заң, аграрлық факультетінің мамандықтарына арналған
umkd -> 5B050400 «Журналистика» мамандығына арналған
umkd -> Әдебиет (араб тілінде «адаб» үлгілі сөз) тыңдарман, оқырманның ақылына, сезіміне, көңіліне бірдей әсер беретін дарынды сөз зергерлерінің жан қоштауынан туған көрнек өнері
umkd -> 5В020500 «Филология: қазақ тілі» мамандығына арналған ХІХ ғасырдағы қазақ әдебиеті пәнінің
umkd -> «Өлкетану тарихы және мәдениеті»
umkd -> Қазақстан республикасы білім және ғылым министрлігі шәКӘрім атындағы семей мемлекеттік
umkd -> 5 в 011700 : -«Қазақ тілі мен әдебиеті» мамандығына арналған


Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3   4   5


©netref.ru 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет