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18章生物能学

第18章生物能学 有关热力学的一些基本公式 高能磷酸化合物 (一)体系: 1、概念:在研究中所涉及的全部物质的总称 2、环境:体系以外物质的总称。 3、体系的类型: ①开放体系:体系与环境间即有物质交换也有能量交换。 ②封闭体系:体系与环境间无物质交换只有能量交换。 ③隔离体系:体系与环境间即无物质交换也无能量交换。 4、体系的性质:包括压力、体积、温度、组成和表面张力等,用体系的这些性质来描述体系所处的状态,当体系的各种性质确定之后,体系也就有了确定的状态,热力学把体系的性质与状态之间的单值对应关系叫状态函数,体系所处状态的微小变化,都会引起状态函数的微小变化。 (二)能的两种形式——热和功 热和功是一个体系的状态在发生变化时与环境交换能量的两种形式: 1、热:是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递总是伴随着质点的无序运动。 2、功(W):除热的形式以外,各种被传递的能量。任何一种功都伴随着质点的定向运动。 (三)内能与和焓 1、内能(U或E)是体系内部质点能量的总和,体系的每个质点都与体系的性质、结构、运动状态等有关,所以U是体系的状态函数。 2、焓(H)是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。 焓的变化叫焓变,用△H表示,焓变与内能的关系为: △H= △U+ △PV △U:内能的变化,也可用△E表示。 △H:焓变 △PV:压力(P)和体积(P)的变化 (四)热力学第一定律 ★热力学第一定律(能量守恒定律:能量不会凭空产生,也步会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或从一个物体转移到另一物体,在转化和转移过程中总量不变。热力学第一定律的数学表达式为: △U=Q-W Q:体系变化时吸收的热量; W:体系所做的功 ★如果体系的内能发生了微小的变化,可用下式表达: dU=dQ-dW ★对于一个等压过程,体系只做体积功,不做环境功,于是dW=PdV代入上式得: dU=dQ- PdV dU:内能的微小变化, dQ:热量的微小变化,P:压力, dV:体积的微小变化,PdV:体系所做的微小体积功, ★对于只做体积功的体系,焓数学式为: dH=dQ+VdP 生物体内焓变与内能的关系 生物体系是个开放的体系,即该体系与周围环境既进行物质交换也进行能量交换,在生物体内,绝大多数生物化学变化过程都是在压力几乎不变的条件下进行的,即dP=0,根据公式dH=dQ+VdP,体系所吸收或放出得热量就是该体系的焓变;。 绝大多数生物化学过程都是在液体或固体中进行的,所以体积变化很小,可近似看成是在恒容环境中进行,即dV=0,根据公式dH=dQ+VdP,△H≈ △U 在生物化学中常常忽略△H和△U的差别,而往往说成是与某一反应伴随的能量变化 (五)热力学第二定律和熵 1、热力学第二定律:是指物理或化学的过程都自发地倾向越来越无序,即使体系和环境上的总熵增加.热的传导只能从高温物体到低温物体,热的自发逆向传导是不可能的,但从高温物体传导到低温物体是可自发进行的。 2、自发过程的的共同点是:能量都是向分散程度增大的方向进行,这个代表体系能量分散程度的状态函数,称为熵,用“S”表示 熵:代表体系质点的混乱程度,一个体系的混乱程度增加,熵值增加,“△S”表示熵的变化,是正值 1、自由能(G):生物体内用于做功的能,这些自由能来自于生物氧化所释放的自由能 2、自由能与焓变和熵变的关系: △G=△H —T△S △G:在恒温、恒压下,体系发生变化时的自由能变化 △H体系焓的变化 T体系的绝对温度 △S体系的熵变 3、当体系的△G<0时或-△G>0,这个过程不能进行,必须提供能量才能进行。 1、标准自由能变化:在标准条件(反应温度25℃,即298K;大气压力101325pa(1个大气压);反应物与生成物浓度都为1mol/L)下,化学反应自由能变化,叫标准自由能变化(△G0),在生物体内,标准状况还规定环境pH=7,这时标准自由能变化用△G0/表示 2、当反应处于平衡, △G0 =0时,△G0/与理想气体和平衡常数的对数的关系: △G0/ =2.303RTlgK/eq R:为气体常数,如果气体常数的能量单位是“卡”,这时R=1.98×10-3kcal/mol.K(此处K为绝对温度,等于298K,相当于25℃);则测得的△G0/用kcal/mol表示。如果气体常数的能量单位是kJ/mol这时R=8.31×10-3kJ/mol.K,则△G0/用kJ/mol表示。 K/eq:代表一定条件下,所测得的平衡常数,和热力学真正的平衡常数有一点差别,所以用K/eq表示 (三)标准生成

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