|
|
Страница 80 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаКлетка для снабжения себя энергией использует термодинамические циклы на основе электрической и химической энергии. Но клетке нужны и химические синтезы веществ. Их реализуют химические термодинамические циклы типа рис. 6.5. Для их существования так же необходима термодинамическая машина, в которой разделяются во времени или в пространстве прямые и обратные составляющие циклов. Она реализуется с помощью белков-ферментов. Этот общий принцип детализирован в [1], [105] – [107], [123]. Поясню его, дополнив следствиями введеного выше в этой главе. Главное отличие белка-машины от тепловой машины состоит в используемых молекулярных степенях свободы рабочего тела. В работе тепловой машины тепло участвует как информация о движении по всем степеням свободы молекул газа – рабочего тела. Разделение прямых и обратных процессов цикла во времени или в пространстве невозможно иначе, чем реализацией машины с механическими деталями управления путями цикла. Эти детали несопоставимо велики по отношению к молекулярным масштабам. Машина организует потоки простейших молекул и тепла, которое отображает их случайные движения по всем степеням свободы. Как подчеркивалось неоднократно выше, тепловая машина использует в качестве рабочего тела энтропию-информацию о газе. Термодинамический цикл как комбинация состояний и путей рис. 6.3 даст одинаковый результат при любом веществе как рабочем теле. В химических термодинамических циклах тепло может участвовать, но оно не является определяющей формой энергии в цикле. Химические реакции есть превращения энергии конкретных внутренних степеней свободы молекул. Химическая термодинамическая машина должна управлять состояниями индивидуальных молекул. Биомолекулы имеют большие размеры. Они сложны и структурированы. В них происходят конформационные перестройки структуры, которые можно рассматривать как механические процессы. Попытки на этой основе сопоставить “автомобильный двигатель” и белок как термодинамические машины, казалось бы, упираются в тупик. Он возникает из-за того, что положения поршней и клапанов в тепловом двигателе задаются строго и затраты энергии на это пренебрежимо малы, а в индивидуальной молекуле принцип неопределённости Гейзенберга приводит иногда к затратам энергии на измерения, превышающим работу цикла. Возникает вывод, что молекулярные машины не могут работать обратимо. Для их работы необходимо изменять конструкцию при переходе от прямого к обратному циклу. Вывод правильный, но он аналогичен и для тепловой машины. Ведь прямые и обратные составляющие её цикла невозможны в одной и той же машине. Закрытые или открытые клапана автомобильного двигателя, разные направления движения в нём поршней описывают разные машины. Они объединены инженерами в одно изделие, но, кстати, не всегда. В паровых и газовых турбинах составляющие циклов действительно происходят в разных изделиях (котёл или камера сгорания, компрессор, турбина, конденсатор). Если эти изделия изготовлены и собраны вместе, то в обычных тепловых термодинамических циклах возникает некая “квантовость”. В котле рабочее тело нагревается до конкретной температуры. Компрессор его сжимает до заданной величины давления, и т.п. Но в этом случае очевидна возможность разбить реальный цикл тепловой машины на сумму циклов-составляющих и устремить их площадь к нулевому пределу. Обратимость тепловой машины создаёт именно эта идеализация, вопреки реализации машины как изделия и второму началу термодинамики в формулировке Каратеодори (параграф 3 этой главы, п. 7). Химические реакции имеют энергетические барьеры (пороги активации). Преодоление этих порогов нельзя представить с помощью предела последовательности циклов-составляющих. Как многократно подчёркивалось выше, тепловые термодинамические циклы содержат необратимость того же типа, что и химическая – неадиабатические переходы в термодинамике всегда содержат скачки. Их причина во втором начале термодинамики (в той его части, которую отображает формулировка Каратеодори) и в уравнении состояния (1.14), которое есть строгая замена эмпирического соотношения неопределённости Гейзенеберга. Они для практических задач тепловых циклов пренебрежимо малы. В адиабатических составляющих тепловых циклов возможно строго непрерывное изменение энергии. В неадиабатических составляющих – оно всегда дискретно, но величина ступеньки иногда может быть пренебрежимо мала. Для химических и химико-электрических циклов сопряжённые скачки рис. 6.5 есть основа их работы. При этом надо учитывать, впервые введенное в моих работах [3], [11] – температура есть обратное время, а потому адиабатичность и неадиабатичность на уровне единственной молекулы выражается сложнее, чем с помощью энтропии, используемой в физической химии. В тепловой машине содержится рабочее тело со своим уравнением состояния и собственно машина-изделие. Она необратима, но для неё возможна предельная обратимость (принцип безударности Лазаря и Сади Карно), реализуемая мысленной (другой) машиной-изделием. Химическая термодинамическая машина как изделие содержится в уравнениях состояния для её рабочего тела – индивидуальных молекул белка. Потоки веществ со своими химическими потенциалами i и концентрациями ni есть источник для работы такой машины. Белок (фермент) есть одновременно и машина, и её рабочее тело. Эти его функции нельзя разделить даже мысленно. В этом важны подробности, которые рассмотрены в [12]. Независимо от формы, конкретизация работы белков в живых системах является огромной по объёму самостоятельной работой. Часть сведений о ней изложена в учебном пособии [124]. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|