Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой

• Название: 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
• Анкор: Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат.pdf
• Дата: 22.01.2018
• Размер: 1.47 Mb.
• Имя файла: Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат.pdf
• Тип: Экзаменационные вопросы; #14799
• Категория: Физика
• страница: 5 из 12

Испарение. Уравнение теплового баланса
Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообраз- ное (пар). Тепло, отдаваемое организмом посредством испарения, вы- числяется по формуле:
m
L
Q
и


где:
L
- удельная теплота испарения (для воды
кг
Дж
L
6 10 26
,
2


);
m
– масса жидкости, испарившейся с поверхности тела.
Испарение является наиболее эффективным видом теплообмена ор- ганизма при высокой температуре и низкой влажности внешней среды.
При повышении температуры окружающейся среды испарение увели- чивается.
Все остальные виды теплообмена функционирует лишь при темпе- ратуре внешней среды более низкой по сравнения с температурой кожи человека. При температуре внешней среды более высокой, чем темпера-

Ответы на экзаменационные вопросы
39 тура кожи человека, они способствуют дополнительному нагреву орга- низма.
Сказанное представлено в уравнении теплового баланса орга-
низма человека
0





R
т
к
и
Q
Q
Q
Q
M
, где:
M
– теплопродукция, определяемая интенсивностью обмена ве- ществ. Знак «+» при температуре среды более высокой, чем температу- ра кожи
кожи
среды
Т
Т

, знаки « - » при
кожи
среды
Т
Т

Виды работ, совершаемых организмом
1.
Синтез белка (40% всей работы организма)
2.
Поддержание физико-химических градиентов на клеточных мем- бранах (20% работы организма) – активный транспорт требует энер- гозатрат
3.
Механическая (мышечная) работа
Энерготраты организма. Калориметрия.
Энерготраты организма – это полное количество тепла, отдавае- мое живым организмом окружающей среде. Зная энерготраты, можно определить потребность организма в энергии.
Энерготраты существенно зависят от условий, в которых находится организм, и от характера его деятельности, так как это влияет на обмен веществ. Чем интенсивнее работа, тем выше темп энерготрат.
Относительно постоянный уровень энергетических затрат в услови- ях физического и эмоционального покоя называется основным обме-
ном. По существу, основной обмен – это минимальные энерго- траты организма .
Для определения энерготрат организма необходимо найти количе- ство тепла, которое выделяет организм во внешнюю среду за опреде- ленное время. Существуют два метода определения эенрготрат: прямая и непрямая калориметрия.
Метод непрямой калориметрии основан на оценке энергетиче- ского обмена по количеству потребляемого кислорода и выделяемого углекислого газа в контролируемых условиях. (Этот метод рассматрива- ется в курсе нормальной физиологии).
Метод прямой калориметрии позволяет непосредственно изме- рять количество тепла, выделяемое живым организмом при помощи специальных калориметров. В 1788 г. Лавуазье и Лапласом по скорости таянья льда, окружавшего калориметр, была найдена теплота, выделен- ная животным, которое находилось в этом калориметре. В некоторых современных системах прямой калориметрии в калориметре циркули- рует жидкость. Тепло, выделяемое находящимся в калориметре живот-

Физика
стоматологический факультет
40 ным, нагревает эту жидкость. Для вычисления количества выделенного организмом тепла используется данные о количестве протекающей жидкости и изменению ее температуры.
12. Второе начало термодинамики для изолированных
систем. Энтропия и термодинамическая вероятность.
Вто-
рое
начало термодинамики
для
живых
организмов.
Ста-
ционарное
состояние
и
термодинамическое
равновесие.
Первый закон термодинамики позволяет определить количествен- ные соотношения между различными формами энергии, которые участ- вуют в данном процессе. Однако, он ничего не говорит о возможности протекания данного процесса и о направлении, в котором он будет про- текать. Ответ на этот вопрос дает второе начало термодинамики. Оно говорит о том, что все процессы превращения энергии протекают с рас- сеиванием некоторой части энергии в виде тепла.
Термодинамический процесс – это изменение состояния системы при изменениях каких-либо параметров системы. Термодинамические процессы бывают обратимыми и необратимыми.
Обратимым считается такой процесс, который можно осуществ- лять в обратном направлении без каких-либо изменений в окружающей среде, при этом система проходит через одни и те же промежуточные состояния, только в обратной последовательности. Такой переход в первоначальное состояние не требует дополнительной затраты энергии, например, чисто механические процессы, которые протекают без трения
(математический маятник). Обратимыми являются и термодинамиче- ские равновесные процессы.
Необратимым является такой термодинамический процесс, в кото- ром обратный переход системы в первоначальное состояние связан с необходимостью затрат энергии извне. Все реальные процессы проте- кают с превращением части энергии в тепло. Чем больше энергии переходит в тепло, тем более необратимым является пр о- цесс. Примерами необратимых процессов являются расширение газа в пустоту, процесс диффузии, процесс теплоотдачи от более нагретого тела к холодному.
Энтропия (S) – внутренний, аддитивный параметр, функция со- стояния. Энтропия – мера беспорядка.
Физический смысл: чем больше энтропия, тем больше беспоря- док.
Изменение энтропии при изотермической передаче:
T
Q
dS


К
Дж
S

]
[
При бесконечно малых изменениях состояния закрытой системы изменение энтропии имеет вид

Ответы на экзаменационные вопросы
41
T
Q
dS


(1), где знак «=» соответствует идеализированным обратимым процессам знак «>» - реальным необратимым процессам.
В изолированной системе не происходит обмена энергией с окру- жающими телами, то есть ∂Q=0, и изменение энтропии имеет следую- щий вид
0

dS
(2)
Уравнения (1), (2) представляют собой математическую запись
второго закона термодинамики. Согласно ему,
в изолированной системе энтропия сохраняет пост оянное
значение для обратимых процессов, возрастает при нео б-
ратимых процессах и достигает максимального зн ачения
при термодинамическо м равновесии.
Второй закон термодинамики для необратимых процессов указыва- ет направление процесса. Необратимые процессы всегда идут в направ- лении возрастания энтропии.
Второй закон термодинамики по Клаузису. Невозможен с а-
мопроизвольный (без изменения в ок ружающих телах) пе-
реход от тела с меньшей теплотой к телу с большей те п-
лотой.
Второй закон термодинамики по Томсону. Невозможен ве ч-
ный двигатель второго рода, т.е. такой периодический
процесс, единственным результатом которого, является
преобразование тепла в работу.
Энтропия и термодинамическая вероятность
Второе начало термодинамики для изолированных систем.
Опыт показывает, что все процессы являются переходом системы из неравновесного состояния в равновесное. В соответствии с теорией вероятностей это переход является переходом из состояния менее веро- ятного в наиболее вероятное. Вероятность состояния системы зависит от числа способов реализации, то есть от числа микросостояний. Это число называется термодинамической вероятностью.
Термодинамической вероятностью (W) данного макросостояния называется число возможных микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние. В соответствии со вторым законом термодинамики все процессы, происходящие в изолированных систе- мах, сопровождаются увеличением энтропии. В равновесном состоянии она максимальна. Таким образом, между S и W существует явная функ- циональная зависимость, т. е.
 
W
f
S


Физика
стоматологический факультет
42
Найдем вид этой функции. Допустим, имеются две системы. Эн- тропия и термодинамическая вероятность одной системы равны S
1
и
W
1
, второй - S
2
и W
2
. вероятность и энтропия сложной системы, со- стоящей из этих двух систем – S и W.
Общая энтропия равна
2 1
S
S
S


Поскольку
 
W
f
S

, запишем это равенство таким образом:
 
   
2 1
W
f
W
f
W
f


Общая вероятность сложной системы в соответствии с теорией ве- роятности равна произведению вероятностей, то есть
2 1
W
W
W


, а значит


   
2 1
2 1
W
f
W
f
W
W
f



такому равенству удовлетворяет только логарифмическая функция


2 1
2 1
ln ln ln
W
W
W
W



Таким образом
W
S
ln

, и окончательно
W
k
S
ln


где
k
– постоянная Больцмана (
К
Дж
k
23 10 38
,
1



)
Принцип Больцмана. Согласно ему, возрастание энтропии
системы обусловлено ее переходом из мене е вероятного со-
стояния в более вероятное . В результате самопроизвольных про- цессов любая изолированная система стремится достичь состояния, от- вечающего наибольшему беспорядку (Smax).
При равновесии происходят флуктуации, которые вызывают ло- кальное уменьшение энтропии. Но в системе возникают такие измене- ния, которые возвращают ее в равновесное состояние. Следовательно, стремление энтропии к S
max является главным эволюционным принци- пом изолированной термодинамической системы.
S
max t
Флуктуации
Рис. 18. График изменения энтропии изолированной системы при достижении состояния термодинамического равновесия.
S

Ответы на экзаменационные вопросы
43
Второе начало термодинамики для живых организмов
Постулируется, что изменение открытой системы можно предста- вить в виде суммы двух слагаемых
S
d
S
d
dS
e
i


, где где
S
d
i
– изменение энтропии, производимой самой системой;
S
d
e
- изменение энтропии, поступающей извне или уходящей в ок- ружающую среду. В этом состоит исходное положение термодинамики необратимых процессов. Если внутри системы протекают обратимые процессы, то они не сопровождаются возникновением энтропии и
0

S
d
i
. Для всех случаев необратимых изменений
0

S
d
i
В изолированной системе обмена со средой не происходит, т.е.
0

S
d
e
, и поэтому
0


S
d
dS
i
, что соответствует классической формулировке второго закона термодинамики для изолированных сис- тем.
В открытой системе общее значение энтропии
dS
может быть по- ложительным, отрицательным или равным нулю в зависимости от того, преобладает ли поток энергии из среды над оттоком или нет. Ес- ли
0

S
d
e
и по абсолютной величине больше
S
d
i
, то общее изменение энтропии отрицательно – энтропия системы уменьшается, увеличивает- ся упорядоченность.
В связи с этим в термодинамику открытых систем был введен но- вый параметр – время
dt
deS
dt
diS
dt
dS


где:
dt
diS
- продукция энтропии;
dt
deS
- поток энтропии.
Это уравнение является математическим выражением второго
закона термодинамики для живых организмов. Он гласит:
скорость измене ния энтропии в организме
dt
dS
ра в на а лге б-
раической сумме скорости возникновения энтропии внутри

Физика
стоматологический факультет
44
системы
dt
diS
и с коро с ти о бме на энтро пи ей м е жду ор г а-
низмом и окружающей ср едой
dt
deS
.
Продукция энтропии в единичном объеме называется локальным
производством или локальной продукцией энтропии

.
dt
diS
V
1


Локальное производство энтропии означает возникновение энтро- пии внутри малого элементарного объема за счет протекания необрати- мых процессов.
Произведение
dt
diS
T

называют функцией диссипации или дис-
сипативной функцией термодинамических сил. Она характеризует рассеяние энергии
dt
diS
T



Функция диссипации, отнесенная к объему, получила названия
удельной диссипативной функции
dt
diS
V
T



Термодинамическое равновесие и стационарное состояние
.
Термодинамическое равновесие – состояние системы, при кото- ром ее параметры не меняются со временем и отсутствуют потоки ве- щества и энергии в систему и из нее.
Стационарное состояние – состояние системы, при котором ее па- раметры не меняются со временем, но существуют потоки вещества и энергии в систему и из нее. Например, протекание постоянного элек- трического тока.
В таком состоянии энтропия S постоянна, а, следователь- но,
0



S
d
S
d
dS
e
i
, т.е.
S
d
S
d
e
i


dt
deS
dt
diS


Если система выведена из стационарного состояния, то к новому стационарному состоянию она может переходить по-разному. Можно выделить 3 основных типа перехода.

Ответы на экзаменационные вопросы
45
Рис. 16. График перехода системы из одного стационарного состояния в другое
(объяснение в тексте).
Кривая 1 – простой экспоненциальный переход от одного уровня стационарного состояния к другому (например, частота дыхания и сердцебиения человека при равномерном изменении интенсивности фи- зической работы).
Кривая 2 – кривая с избыточным отклонением, когда промежу- точный уровень выше конечного (например, изменение артериального давления крови человека при резком увеличении интенсивности физи- ческой работы).
Кривая 3 – такое изменение, когда уровень сначала понижается, а затем возрастает до конечного стационарного состояния.
Термодинамическое состояние
Стационарное состояние

Свободная энергия и работоспособ- ность системы минимальны и равны нулю.

Закрытая система. Нет притока ве- ществ в систему.

Энтропия в системе максимальна

Отсутствие градиентов в системе

Свободная энергия и работоспособ- ность системы постоянны и не равны нулю.

Открытая система, постоянный приток веществ в систему и удаление про- дуктов реакции.

Энтропия в системе постоянна и не равна максимальному значению.

Наличие постоянных градиентов в системе.
Теорема Пригожина
В открытой системе имеются потоки энергии и массы. В условиях стационарных процессов имеем:
dt
deS
dt
diS


Умножим левую и правую части равенства на T:
X
1 2
3 t
A
B

Физика
стоматологический факультет
46
dt
deS
T
dt
diS
T




в термодинамике необратимых процессов:
 


i
i
i
X

Поэтому можем написать для двух процессов, протекающих в сис- теме:
2 2
1 1
I
X
I
X
dt
diS
T





Пусть имеем сопряжение двух процессов – теплопередачи и массо- переноса.
gradT
X
I
I
Q


1 1
,
gradC
X
I
I
m


2 2
,
В этом случае
2 12 1
11 1
X
L
X
L
I


2 22 1
21 2
X
L
X
L
I


Если организм находится в стационарном состоянии, то его масса постоянна, и, следовательно,
0 2

I
2 2
22 1
21 1
2 12 1
11
)
(
)
(
X
X
L
X
L
X
X
L
X
L





По принципу взаимности Онсагера
21 12
L
L

, поэтому
2 2
22 2
1 12 1
2 11 2
X
L
X
X
L
X
L




Покажем, что при стационарном состоянии скорость и значение эн- тропии (производство энтропии) минимальны. Для этого частная произ- водная

по соответствующей обобщенной силе X, должна быть равна нулю. Температурный градиент во время эксперимента задается посто- янным
const
X

1 0
)
(
2 2
22 1
12 2





X
L
X
L
X

Первая производная равна нулю, что определяет существование экстремума.
Вторая производная
0 2
22 2
2 2




L
X

Следовательно, функция

имеет минимум.
Эти выводы справедливы для
dt
diS
и локального производства эн- тропии


Ответы на экзаменационные вопросы
47
Аналогичным образом можно получить условия стационарности и для другого потока
0 1



X

,
const
X

1