Biofyzika

3.1 Základní termodynamické pojmy

Termodynamický systém je určitá ohraničená část prostoru, která je předmětem zájmu a kterou je možno rozdělit na libovolný počet podsystémů. Od okolního prostředí je oddělen skutečnou nebo myšlenou hranicí, viz obrázek 3.1. Podle prostupnosti hranice systému pro teplo Q, práci W (např. mechanickou nebo elektrickou), látku i popsanou počtem molů ni, je tento systém uzavřený izolovaný (∆Q = 0, ∆W = 0, Σni  = 0), kde nedochází k výměně hmoty ani tepla s okolím; uzavřený neizolovaný (∆Q ≠  0, ∆W = 0, Σni  = 0), kde nedochází k výměně hmoty s okolím, pouze je možná výměna tepla s okolím; nebo otevřený (∆Q ≠0, ∆W ╪ 0, Σni ≠ 0), kde dochází k výměně hmoty s okolím. Biologické systémy jsou přirozeně otevřené.
Stavové funkce jsou takové funkce stavových proměnných, jejichž hodnota nezávisí na historii procesu a nezávisí ani na způsobu přechodu mezi těmito stavy. Vrátí-li se systém po vykonání určitého děje do původního stavu, vykonal kruhový děj. Stavové veličiny pak budou mít výchozí hodnoty a tedy při kruhovém ději je výsledná změna stavové funkce nulová. Stav, do kterého termodynamický systém dospěje, vyvíjí-li se izolován od svého okolí, je tzv. rovnovážný stav.
Termodynamický proces je spojen s vývojem termodynamického systému v čase a je popsán hodnotami termodynamických funkcí, jejichž průběhy splňují zákony zachování energie, elektrického náboje, hmotnosti, hybnosti a zákony evoluce systému obsažené ve stavových rovnicích.
Můžeme uvažovat vratný (reverzibilní) a nevratný (ireverzibilní) průběh termodynamického procesu. Vratným procesem rozumíme proces, u kterého docílíme původního stavu obrácením pořadí jednotlivých úkonů. U vratného děje můžeme nekonečně malou změnou určité stavové veličiny dosáhnout změny směru jeho průběhu. Např. uvažujeme zahřátý plyn v trubici uzavřené závažím. Objem plynu je funkcí teploty, jak vyplývá ze stavové rovnice ideálního plynu, pV = nRT. Byla-li na počátku teplota T1 větší než teplota T2 okolí, pak se při postupném ochlazování plynu jeho objem zmenšuje až při teplotě T2 bude V2 < V1. Plyn přitom prochází řadou rovnovážných stavů odpovídajících jeho teplotě v daném okamžiku. Dodáme-li během tohoto procesu plynu nepatrné množství tepla, můžeme směr změny jeho objemu obrátit. Proto také vrátné děje odpovídají rovnovážným stavům, zatímco nevratné stavům nerovnovážným. Skutečné procesy probíhající v přírodě jsou ovšem nevratné.
Nevratné procesy probíhají bez vnějšího působení pouze v jednom směru, tzn. původního stavu nelze dosáhnout přesně stejným postupem v obráceném pořadí. Při studiu libovolného nevratného děje probíhajícího v makroskopickém systému se setkáváme se dvěma typy fyzikálních veličin, charakterizujících tento proces. Tak např. tok difundující látky je podmíněn existencí gradientu koncentrace, tok elektrického náboje gradientem potenciálu, tepelný tok gradientem teploty. Gradient určité fyzikální veličiny je vektor udávající směr a velikost změny této veličiny, orientovaný ve směru od nižších k vyšším hodnotám této veličiny. Tak např. gradient teploty má směr normály k ploše spojující místa o stejné teplotě a je orientován ve směru rostoucí teploty. Jeho velikost udává teplotní spád. Gradienty koncentrace, teploty, apod., které způsobují transport látky, tepla, apod., se nazývají termodynamické síly.
 
 
Předchozí
Následující
Operace
Prohlédnout vše