Приращение внутренней энергии системы ΔE в некотором процессе равно теплоте Q, получен–ной системой, плюс работа W, совершенная над системой в этом процессе:
ΔE = Q + W.
В биологических системах теплота обычно отдается системой во внешнюю среду, а работа совершается системой за счет убыли внутренней энергии. Матема–тическую запись первого начала термодинамики удоб–но представить в виде:
-ΔE = –Q – W.
Все величины в приведенных формулах измеряются в джоулях (Дж).
3. Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики относится к числу фун–даментальных законов природы, которые не могут быть выведены из каких-то других законов. Его справедливость доказывают многочисленные эксперименты, в частности неудачные попытки построить вечный двигатель первого рода, т. е. такую машину, которая смогла бы как угодно долго совершать работу без подвода энергии извне.
В зависимости от условий протекания процесса в сис–теме используют различные функции состояния, которые выводят из первого начала термодинамики. При этом вместо сложных биологических систем для получения выводов о превращениях массы и энергии используют упрощенные модели. Давление в системе при этом под–держивается постоянным, оно равно внешнему давле–нию. Такие процессы, протекающие при р = const, назы–ваются изобарными. Работа расширения, совершае-мая при изобарном процессе, как известно, равна:
W = –ρΔV,
где ΔV – приращение объема системы, равное раз–ности объемов в состояниях 2 и 1.
Подставляя работу расширения в математическое выражение первого начала и проведя несложные пре–образования, получаем:
Q>ρ = ΔE + pΔV = (E>2 + ρV>2) – (E>1 + ρΔV>1)
где Qρ – теплота изобарного процесса;
1, 2 – индексы, относящиеся к началу и концу процесса.
Величина (E+ pV) – функция состояния системы, обоз–начаемая через Н и называемая энтальпией:
H = E + ρV.
Соответственно, выражение можно записать в виде:
Q>p = Н>2 – Н>1 = ΔH.
Из данного выражения следует, что энтальпия – функция состояния, приращение которой равно теп–лоте, полученной системой в изобарном процессе.
Измерение приращения энтальпии в некотором про–цессе может быть осуществлено при проведении это–го процесса в калориметре при постоянном давлении. Именно так проводили свои эксперименты А. М. Ла–вуазье и П. С. Лаплас, изучая энергетику метаболиз–ма в живом организме.
В тех случаях, когда изменение состояния системы происходит при постоянном объеме, процесс называ–ется изохорным. Изменение объема AV при этом рав–но нулю, и в соответствии с формулой работа расшире–ния W = 0. Тогда из математического выражения первого начала термодинамики следует:
