БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 200-201
ПИСЬМА В РЕДАКЦИЮ =
УДК 577.152.6
СИСТЕМЫ С ГРАДИЕНТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕ ИМЕЮТ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ, НО СПОСОБНЫ ПР ОИЗВОДИТЬ ПОЛЕЗНУЮ РАБОТУ
© 2015 г. Н.М. Бажин
Институт x имической кинетики и горения им. В .В. Воеводского C О РАН, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 3; Новосибирский государственный университет, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2
E-mail: ЪагЫп8999@ктгис$.тс.ги Поступила в p едакцию 21.05.14 г.
Системы с градиентом концентрации не обладают потенциальной энергией для производства теплоты или полезной работы. Тем не менее с их помощью можно производить полезную работу благодаря адсорбции теплоты из окружающей среды с помощью специальных инструментов, например электродов в концентрационных элементах. Вто рой закон термодинамики при этом не нарушается, так как производство работы за счет теплоты окружающей среды сопряжено с процессом выравнивания концентраций.
Ключевые слова: концентрационный градиент, второй закон термодинамики, обратимый процесс энергия Гиббса, полезная работа.
Системы с концентрационным градиентом играют важную роль при описании биохимических процессов, например, в современных представлениях об окислительном фосфорили-рования [1]. Во многих учебниках (например, [1,2]) можно прочитать, что градиент концентрации является источником энергии для про -изводства полезной работы, которая используется, напр имер, при синтезе АТФ. Обычно полагают, что полезная работы выполняется за счет различий в энергии Гиббса [1,2]:
w = AG = RTln (C1 / C2)
(1)
(для простоты система считается идеальной). Однако необратимое смешивание двух идеальных растворов с различными концентрациями (С*1 и С2) не приводит к выделению теплоты (д = 0) или к производству работы (^ = 0) в соответствии с определением понятия идеального раствора [3]. С ледовательно, раствор ы различной концентрации не имеют потенциальной энергии для выполнения работы или выделения теплоты. Тем не менее хорошо известно, что концентрационные элементы производят электроэнергию благодаря различию в концентрациях. Возникает вопрос о природе источника энергии в концентрационном элементе. Ответ очевиден - энергия Гиббса, но это неверно.
ПОЧЕМУ ЭНЕРГИЯ ГИББСА НЕ МОЖЕТ С ЛУЖИТЬ И С ТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Существенно, что ур авнение (1) выполняется только для обратимого процесса, так как обратимый процесс всегда должен сопр овождать-ся производством полезной работы ([2], с. 91). В случае необратимого процесса работа не про -изводится.
Энергия Гиббса является функцией состояния. Поэтому изменение энергии Гиббса не зависит от типа процесса: обратимый или нет, с производством работы или нет. Если бы энергия Гиб-бса служила источником энергии, то ее изменение зависело бы от типа процесса: в случае обратимого процесса с совершением работы ее изменение должно превышать изменение для необратимого перехода между этими же состояниями [4]. Однако такое поведение энергии Гиббса противоречило бы понятию функция состояния.
Далее, основная характеристика энергии - ее сохраняемость. Энергия может переходить из одной формы в другую, но ее величина обязана сохраняться. Энергия Гиббса не удовлетворяет этому требованию, так как не сохраняется. П ро-стейший пример - расширение идеального газа в вакуум [5,6]. В ходе расширения в вакуум работа не производится, энергия идеального газа не меняется, но величина энергии Гиббса уменьшается. Поэтому необходимо согласиться с мне-
СИ C ТЕМЫ C ГРАДИЕНТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ
201
нием [6], что энергию Гиббса нельзя тр актовать как истинную энер гию. Следовательно, энер гия Гиббса, не являясь энергией, не может служить источником энергии для совершения работы.
И СТОЧНИК РАБОТЫ В СИ С ТЕМАХ С КОНЦЕНТРАЦИОННЫМ ГРАДИЕНТОМ
Если энергия Гиббса не может выступать в качестве источника энергии, то что же является источником энергии для производства работы?
Рассматриваемая система со стоит из двух частей. Внутр енняя часть содержит растворы с различными концентрациями и инструменты для выполнения работы. Внешняя часть состоит из термостата (или окружения). Е сли источник энергии не находится внутри растворов с различными концентр ациями, то он должен нахо -диться во внешней части - в термостате. Но термостат обладает только термической энергией. Поэтому необходимо заключить, что источником энергии является термическая энергия термостата и что полезная работа производится за счет охлаждения термостата. Если это так, то с первого взгляда возникает противоречие со вторым законом термодинамики. Однако второй закон термодинамики запрещает производство работы в процессе, единственным результатом которого является поглощение теплоты из резервуара и полная конверсия этой поглощенной теплоты в работу ([7], с. 94). В системах с концентрационным градиентом поглощение теплоты из резервуара сопряжено не только с производством работы, но (что очень важно) с процессом выравнивания концентраций. Поэтому нарушения второго закона не происходит.
Поглощение теплоты, производство работы и выравнивание концентраций должно быть организовано с помощью специальных инструментов. Например, в концентрационных элементах электроды являются этими инструмен-
тами (для деталей см. [8,9]). Так как в системах с концентрационным градиентом внутренние источники энергии отсутствуют, то работа равна теплоте, поглощенной из резервуара
д = - ^ = ЯГ1п (Сх / С2) (2)
в соответствии c законом сохранения энергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полезная работа систем с концентрационным градиентом производится только за счет охлаждения окружающей среды в обратимом процессе с помощью инструментов, способных конвертир овать теплоту окружения в работу в процессе выравнивания концентраций. Уравнение (1) служит при этом только для расчета величины данной полезной работы.
СПИС ОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Д. Нельсон и М. Кокс, Основы биохимии Ленинджера (Бином, М., 2013), т. 2.
2. P. Atkins, The Elements of Physical Chemistry, 3rd ed. (Oxford University Press, Oxford, 2001).
3. И. Пригожин и P. Дефэй, Химическая термодинамика (Наука, СО, Новосибирск, 1956)
4. Б. Крэбтри и Д. Тейлор, в кн. Биохимическая термодинамика, под ред. М. Джоунс (Мир, М., 1982), сс. 373-426.
5. S. Lover, сЬеш1 virtual textbook Шр:// шшш.сЬеш1.сош/ acad/webtext/virtualtextbook.html
6. L. E. Strong and H. F. Halliwell, J. Chem. Edua 47 (5), 347 (1970).
7. P. Atkins and J. de Paula, Physical Chemistry, 9th ed. (Oxford University Press, Oxford, 2010).
8. N. Bazhin, in: Thermodynamics — Fundamentals and Its Application in Science, ed. by R. Morales-Rodriguez (InTeA, Rijeka, Croatia, 2012), рр. 29-44. DOI: 10.5772/50119.
9. N. M. Bazhin, J. Eng. Thermophysics 20, 302 (2011).
Systems with a Concentration Gradient Have no Potential Energy but Have the Ability to Do Useful Work
N.M. Bazhin
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,
ul. Institutskaya 3, Novosibirsk, 630090 Russia
Novosibirsk State University, ul. Pirogova 2, Novosibirsk, 630090 Russia
The systems with the concentration gradient have no potential energy for heat and useful work production. Nevertheless, they have the ability to do useful work due to the heat dragged from the environment using, for instance, electrodes in the concentration cells. The second law of thermodynamics is not violated: work process occurred due to the heat dragged from the environment is coupled with the process of concentration leveling.
Key words: concentration gradient, second law, reversible process, Gibbs energy, useful work
БИОФИЗИКА том 60 вып. 1 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.