Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 2. ТЕРМОДИНАМІКА БІОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ТА СИСТЕМ

2.4.Термодинамічні потенціали. Поняття електрохімічного та хімічного потенціалів

Стан кожної термодинамічної системи може повністю визначатися за допомогою термодинамічних потенціалів. Кожному з них притаманний певний набір незалежних параметрів стану. Крім внутрішньої енергії U, ентальпії Н та ентропії S, до термодинамічних потенціалів належать: вільна енергія Гельмгольца F, вільна енергія Гібса G, які можна визначити за формулами:

де P - тиск; V- об’єм; S - ентропія; T- температура.

Другий закон термодинаміки дає змогу встановити напрямленість процесів у системі. Але за зміною термодинамічних функцій ΔU і ΔS не можна визначити величину виконаної роботи.

Об’єднуючи перший та другий закони термодинаміки

вводимо дві нові функції стану системи:

- якщо процеси відбуваються за умов Т = const; V = const (pdV = 0), тоді максимальна корисна робота в системі виконується за рахунок зміни вільної енергії Гельмгольца F(ізохорно-ізотермічний потенціал):

- якщо процеси відбуваються за умов Т = const; р = const, тоді максимальна корисна робота в системі виконується за рахунок зміни вільної енергії Гібса G (ізобарно-ізотермічний потенціал): dG = dH - TdS. Вільну енергію Гібса вживають для опису біологічних систем. Корисна робота в таких системах виконується за рахунок зменшення потенціалу Гібса.

Для хімічних реакцій важливим є хімічний потенціал μ, який виражає зміну будь-якої з термодинамічних функцій (U, Н, F, G), яка виражає кількість речовини:

де μο - стандартний хімічний потенціал (за умов P_i = 1 атм, С_i = 1 моль/л). Зміну вільної енергії Гібса можна подати у вигляді

Величину вільної енергії Гібса, що припадає на один іон речовини під час його транспортування, називають електрохімічним потенціалом μ, який включає хімічну, осмотичну та електричну енергії, що становлять:

де z - валентність іона; F - число Фарадея; F = 96485 Кл/моль; μ - потенціал на межі «клітина-середовище».

Електрохімічний потенціал натрію, калію і деяких інших речовин відіграє вирішальну роль у такому важливому процесі, як перенесення речовин у мембранах клітин. Зміну електрохімічного потенціалу під час транспортування йонів через мембрану із фази А у фазу В визначають так:

де Δφ - різниця електричних потенціалів на мембрані.

Рівновагу в системі визначають за рівністю електрохімічних потенціалів: