Основні види роботи, які здійснюються в живому організмі

 

I. Основні види роботи, які здійснюються в живому організмі

1. Термодинаміка живих організмів
2. Перший закон термодинаміки
3. Види робіт які виконуються в організмі
4. Стани живих організмів

ІІ. Ізотонічні м’язові скорочення відбуваються:

 

 

1.1. Ізотонічні м’язові скорочення відбуваються:

а)при незмінній напрузі; 

б)при незмінній довжині м’яза;

в)при незмінній температурі;

г)без затрат енергії.

 

Усі живі організми існують за рахунок одержання ними енергії з навколишнього середовища. Рослини використовують енергію світла, яке надходить від Сонця. Тварини використовують енергію, яка надходить з їжею. У процесах життєдіяльності ця отримана енергія частково витрачається на здійснення різного виду робіт, а частково розсіюється у вигляді тепла. Здійснення будь-якої роботи організмом - це корисне використання енергії, отриманої ззовні. Виділену ним теплоту, в основному, можна віднести до другорядних, але неминучих втратах енергії, які відбуваються в результаті різних процесів, що перебігають в організмі. Таким чином, вивчення життєдіяльності організму або його окремих частин потребує кількісного опису процесів перетворення одних видів енергії в організмі в інші, зв'язку цих перетворень енергії зі здійсненням роботи та передачею теплоти. Саме ці питання вивчаються в розділі фізики, який називається термодинамікою.

Термодинаміка вивчає взаємні перетворення різних видів енергії в макроскопічних системах, що пов'язані з передачею теплоти або (та) зі здійсненням роботи.

Тіло (або система тіл, або, навпаки, частина тіла), що розглядається з погляду перебігу в ньому зазначених процесів, називається термодинамічною системою. Усе, що існує поза цією системою (тобто вся інша частина всесвіту), вважається навколишнім середовищем.  Говорячи надалі про системи, ми будемо мати на увазі саме термодинамічні системи. Розрізняють такі види систем: ізольовані, закриті та відкриті [5].

Ізольовані системи не обмінюються з навколишнім середовищем ані енергією, ані речовиною. Закриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, але не обмінюються речовиною. Відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем і енергією, і речовиною.

Процеси перетворення енергії в термодинамічних системах, обміну енергією із зовнішнім середовищем, здійснення системою роботи підкоряються універсальному (тобто притаманому для всіх процесів у всесвіті) закону збереження енергії. Закон збереження енергії, сформульований щодо процесів, які розглядаються термодинамікою, називається першим законом термодинаміки. Перш ніж сформулювати цей закон, необхідно згадати деякі поняття.

Розглянемо спочатку внутрішню енергію системи. Якщо  казати точно, то внутрішня енергія системи - це вся її енергія крім кінетичної енергії системи як цілого (кінетичної енергії центра мас системи) та потенціальної енергії взаємодії системи з навколишнім середовищем. Таким чином, до внутрішньої енергії системи входить і кінетична енергія теплового руху молекул системи (тобто їхнього руху відносно центра мас системи), і потенціальна енергія взаємодії молекул системи між собою, і енергія взаємодії атомів у молекулах, і енергія взаємодії електронів атомів з їхніми ядрами, і т. ін. Однак у термодинаміці зазвичай під внутрішньою енергією розуміють ту частину внутрішньої енергії, яка може змінюватися при термодинамічних процесах. Це означає, що, з погляду термодинаміки, внутрішня енергія - це кінетична енергія теплового руху молекул системи та потенціальна енергія взаємодії молекул системи між собою. Разом з тим, біологічна термодинаміка повинна враховувати й процеси перетворення енергії хімічного зв'язку атомів у молекулах у тепло й у роботу [1].

Термодинаміка розглядає зміни внутрішньої енергії системи, які відбуваються внаслідок або здійснення роботи (роботи системи проти зовнішніх сил або роботи зовнішніх сил над системою), або передачі теплоти від однієї системи до іншої. Напрямок передачі теплоти визначається температурами взаємодіючих систем. Тепло завжди переходить від системи з вищою температурою до системи з нижчою температурою. За рахунок теплоти, що передана системі, може змінюватися її внутрішня енергія, системою може виконуватися робота, можуть відбуватися обидва ці процесі. Процес передачі теплоти системі (системою), не пов'язаний зі здійсненням системою роботи, називається теплообміном, або теплопередачею.

Для кількісної характеристики процесу теплообміну використовується поняття кількості теплоти. Кількість теплоти – це кількість енергії, що передана системі (або віддана системою) при теплообміні. Енергія, передана при теплообміні, йде на зміни внутрішньої енергії системи. Тому говорять, що кількість теплоти – це фізична величина, яка дорівнює зміні внутрішньої енергії системи при теплообміні. Звідси випливає, що кількість теплоти, як і енергія, вимірюється в джоулях. У термодинаміці часто використовується також позасистемна одиниця вимірювання кількості теплоти – калорія (кал). Варто пам'ятати, що 1кал = 4,2 Дж [3].

 

 

Існують різні формулювання  першого закону термодинаміки. Одне з них таке: кількість теплоти, що передана системі, дорівнює сумі зміни внутрішньої енергії системи та роботи, що виконана системою проти зовнішніх сил. Математично це відповідає такій формулі:

 

де Q – кількість теплоти, - зміна внутрішньої енергії, А – робота системи проти зовнішніх сил. 

Як зазначалося раніше, людський організм, який є відкритою системою, існує за рахунок споживання енергії, запасеної в їжі. У процесі складних біохімічних реакцій в організмі харчові речовини (у першу чергу, вуглеводи та жири), які мають великий запас внутрішньої