第18章生物能学课件.pptVIP

一、有关热力学的一些基本概念 （一）体系的概念、性质和状态 体系：热力学中所指的体系是在研究中涉及的全部物质的总称。 环境：又称外界，指的是，除规定体系以外的物质的总称。 开放体系：与环境之间有物质交换和能量交换的体系。 封闭体系：只有能量传递而不发生物质交换的体系。 隔离体系：与环境不发生任何形式作用，即无能量传递又无物质交换的体系。 二、能的两种形式——热与功 热是由于温差而产生的能量传递方式，伴随着质点无序运动。 功是体系与环境间另外一种能量交换方式。 （三）内能和焓的概念 内能：是体系内部质点能量的总和，通常用符号U（或E）表示。 内能的本质是由于分子的平均能、转动能、振动能、电子能、电子与核的相对静止质量及分子间相互作用的势能等等所形成。它的值是无法测量的。但内能只与体系的状态有关，而与如何达到这个状态无关。 焓：是一个体系内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。用符号H表示。 焓所涉及到的是体系内质点之间的相互作用和质点自身的能量。焓的变化称为焓变，用△H表示。焓变和内能变化之间的关系可用Δ H= Δ E+ Δ PV表示。 （四）热力学的两个基本定律和熵的概念 热力学第一定律 基本内容：一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。虽然能的形式可以转变，但不会消灭。 ΔE=Q-W 如果体系的体积不变，它所吸收的热量在数值上等于该体系内能的改变量。如果体系的压力不变，它所吸收的热量在数值上等于体系的焓变量。 热力学第二定律 基本内容：热的传导只能由高温的物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能，具有一定的方向性，即由高温流向低温。 当热自高温物体传给低温环境时，把原来集中于高温物体的能量分散到与它相联系的环境的质点中，这是是一个自发的过程。它的特征就是所有这些过程都向能量分散程度增大的方向进行。我们用熵（符号S表示）来表示体系的分散程度。 公式： 一个过程只有当其体系和周围环境的熵总和增加时才能自发进行，即Δ S= ΔS体系+ ΔS环境≥0 （五）自由能的概念 自由能G的基本方程式： ΔG= ΔH-TΔS 式中Δ G为在恒温（T）恒压下（P）下反应体系的自由能变化， Δ S为熵的变化。并没有涉及环境的性质。 由于焓的变化： Δ H= Δ E+ Δ PV 对于化学反应和生物化学反应，体积和压力的变化很小，因此Δ PV ≈0，因此Δ H= Δ E。 所以： Δ G ≌Δ E-TΔS 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： ΔG0，反应能自发进行； ΔG0，反应不能自发进行； ΔG=0，反应处于平衡状态。 二、自由能的变化、标准自由能变化及其平衡常数的关系 （一）化学反应的标准自由能变化及其平衡常数的关系 标准自由能变化：在反应物和产物浓度都为1.0mol/L，反应的温度为25℃或298K，大气压为100kPa（一大气压）时，反应物和产物之间的自由能变化即标准自由能变化，用符号ΔG?表示。 该反应标准自由能的变化为： 标准自由能变化和自由能变化概念的区别： 自由能变化时可以观察到的实际表现数值，并且随着反应物和产物的浓度发生变化，是一个变量。 标准自由能变化对一个特定化学反应，在标准温度下都是一个特定的常数。只有当所有反应物和产物都已1.0mol/L开始才能相等。 对于反应： 的自由能变化为： 当反应达到平衡点时 即 令 即得 或 若反应条件中温度为25℃，pH=7 （二）能量学用于生物化学反应中一些规定的概念 水作为反应物或产物时，水的浓度通常规定为1（实际浓度约为55.5mol/L）。 生物体系的pH规定为7.0，称作生物体系的标准自由能变化，用ΔG??表示。如果反应体系的pH不等于7.0，就不能使用ΔG?? 。 标准自由能的单位用kJ/mol表示： （三）标准自由能变化的可加性 偶联化学反应标准自由能变化是可以相加的，如A→B+C的ΔG?? =+21kJ/mol，B→D的ΔG?? =-34kJ/mol，则A→C+D的ΔG?? =-13kJ/mol，反应可以自发进行。 （四） ΔG??， ΔG?和平衡常数计算举例 反应G-1-P?G-6-P在380℃达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG?? 。如果反应未达到平衡，设[G-1- P]=0.01mol.L， [G-6-P]=0.001