Страница 74 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука - Философия на vuzlib.su
Тексты книг принадлежат их авторам и размещены для ознакомления Кол-во книг: 64

Разделы

Философия как наука
Философы и их философия
Сочинения и рассказы
Синергетика
Философия и социология
Философия права
Философия политики

  • Статьи

  • align=left style='text-align:left'>Полумистическая абсолютизация роли свободной энергии в существовании жизни

    Как многократно подчёркнуто выше, энергия есть функция состо­я­ния системы и существуют её разные формы. Даже, когда их только две, гра­фическое изображение термодинамических процессов становится че­ты­­рёх­мерным, что явно не наглядно и неудобно (напомню, что термо­ди­намическую многомерность не надо путать с мно­го­мерностью фазового пространства).

    Для функций со­стояния результаты процессов не зависят от путей, по которым они до­стигаются. Поэтому можно использовать принцип “сту­пенек”, о котором говорилось в параграфе 1 этой главы. В част­но­с­ти, для любых не­об­хо­ди­мых в данной задаче комбина­ций пере­мен­ных можно образовать свои ко­­ор­динатные плоскости, имеющие свой “верх” и “низ”, и заме­нить не наглядный многомерный анализ изобра­же­ни­ями на обыкно­вен­ных плоскостях – листах бумаги. Существует стро­гий ма­те­матический аппарат – преобразования Лежандра – кото­рый   поз­во­ляет реа­лизовать вы­бор плоскостей, а также удобного “верха” и “низа” для них (независи­мых и сопряжённых переменных). Этот выбор закреп­ляет­ся понятием о термодинами­чес­ких потенциалах (конкретизирующих оп­ре­деление энер­гии в данной задаче). Им дают разные назва­ния. Сво­бод­ная энер­гия или сво­бодная энтальпия есть термодина­ми­чес­кие потен­ци­алы, удоб­ные и наг­ляд­ные с точки зрения “верха” и “низа” в за­да­чах о рав­новесии при тепловых процессах или хими­чес­ких реакциях.

    Например, в таблице 6.1 дана сводка возможных выборов наза­ви­си­­мых и сопряженных переменных в термоди­на­мических задачах для слу­­чая двух форм энергии – тепловой S и механической PV. При боль­шем числе форм энергии таблица станет более громоздкой, но прин­цип её по­с­троения сохранится. Напомню, что полная энергия в термо­ди­на­мике обо­значается буквой U, а буква H (в отличие от механики) ис­поль­зуется для обозначения энтальпии. Уравнение состояния, записанное от­но­сительно самих переменных задачи, есть первооснова всех термодина­ми­ческих потенциалов.

    Когда шарик скатывается на дно лунки, то его начальное и конеч­ное состояние отличается величиной единственной формы энергии – по­тен­циальной. Ша­рик в равновесии будет всегда на дне лунки потому, что этому отве­чает минимум его потенциальной механической энер­гии. Но в этом случае уравнение состояния в механике записано относительно приращений переменных, а не их самих (см. выше в этой книге и [11]). К таким задачам неприменимы термодинамические потенциалы типа таб­­ли­цы 6.1. Это утверждает аксиома о невозможности вечного дви­га­те­ля первого рода. К сожалению, до моих работ это понято не было. 

    Как видно из таблицы 6.1, даже добавление к задаче о равно­весии только тепловой энергии требует описания системы с помощью четырёх разных потенциалов. Исчезает од­нозначность, подобная минимуму по­тен­­­циальной энергии как условия равно­весия в аналогии шарика. Появ­ля­ет­ся необ­хо­димость в разных термодинамических потенциалах, экст­ре­му­мы кото­рых отвечают равновесию при разных условиях. Можно их вы­би­рать так, чтобы при данных условиях и данном потенциале равно­ве­сию соот­вет­ствовал именно его минимум.

    В классической термодинамике энтропия определена в виде функ­ции действительного переменного. Экстремумы и направление самопро­из­вольных процессов рассматриваются в ней раздельно – или как функ­ции энтропии, или как функции термодинамических потенциалов (энер­гии).

    В частности, при изотермических и од­но­временно изохорических условиях определяющий термодинамический потенциал есть свободная энергия F (её часто называют – свободная энергия Гельмгольца). Са­мо­про­извольные процессы определяет условие  (умень­шение сво­­бод­ной энергии). Равновесию отвечает мини­мум свободной энергии  F.

    Свободная энергия F, как один из возможных термодинамических по­тенциалов, обладает тем свойством, что в задаче о цикле Карно раз­ность свободных энергий  F  выражает максимально возможную работу как ре­зуль­­тат замкнутого цикла.

    Для изотермической и одновременно изобари­чес­кой системы, в которой определяющий тер­модинамический потенци­ал есть свободная эн­тальпия  dG (свободная энергия Гиббса), самопроизвольные процессы задаёт ус­ло­вие , а рав­новесие – минимум свободной энталь­пии  G.

    Соотношения Максвелла (опубликованные им в 1883 г. в работе “Те­ория тепла”) записаны в правой части таблицы 6.1. Они позволяют убе­диться, что в данной задаче уравнения состояния типа (6.2), если они получены на основе экспериментальных данных, адекват­ны зада­че. На­пом­ню, что уравнения состояния есть условие связи между со­бой неза­ви­симых переменных задачи, необходимое для существования функций состояния.

    Термодинамическая система может быть адиабатической, то есть не обмениваться с ок­­ру­жением теплом (в общей постановке задачи – ко­ли­чест­вами энтропии-ин­фор­мации как физической переменной). Как подчерки­ва­лось в главе I, такая система без нарушения адиабатичности мо­­жет об­ме­ни­ваться с окру­же­нием энергией. Ес­ли в задачах, кро­ме теп­ло­вой и ме­ха­ни­ческой энергии, участвуют другие формы энер­гии, то (в зави­си­мо­­сти от усло­вий) рав­­­но­ве­сие определяют ми­ни­мумы раз­ных по­тен­ци­а­лов с боль­шим числом членов, чем в таблице 6.1.

    В частности, если в задаче участвуют химические реакции, то по­тен­циалы в та­б­лице 6.1 дополняются ещё одной формой энергии – химической. Они при­нимают вид (сохраняя названия и обозначения их аналогов при двух формах энергии):

     

    ,

    (6.8)

     
    ,

    ,

    .

    Соответственно химический потенциал (подобно таблице 6.1) мо­жет быть определён четырьмя видами частных производных:

    = = = = ,          (6.9)

    где индекс . Здесь независимые переменные – ni , nj , а сопря­жен­­­ные переменные есть химические потенциалы  i . Если в (6.8) при описа­нии химической энергии зависимые и сопряженные переменные по­ме­нять местами, то соответственно увеличится количество потен­ци­а­лов, по­­с­троенных аналогично замене переменных в таблице 6.1. Их чис­ло ещё больше возрастёт в задачах, для которых необходим учёт элект­ри­чес­кой и других форм энергии, но принцип преобразования потенциалов друг в друга и оп­ре­деления сопряженных переменных останется тем же. Соот­вет­­ст­венно новые формы энергии и изменения в них независимых и соп­ря­жен­ных переменных скажутся на определении экстремумов, от­ве­ча­­ю­щих равновесию с учетом всего комплекса форм энергии. Но ещё раз под­черкну, что механическая потенциальная и кинетическая энергия прин­­ципиально отличаются от всего написанного выше уравнением сос­тоя­ния относительно приращений, а не самих переменных.

                Повторю и то, что выбор независимых переменных и отвеча­ю­щей им фор­мы тер­мо­динамического потенциала (как осно­вы описания дан­ной за­да­чи) опре­деляется наг­лядностью представления “верха” и “низа”, то есть направления самопроизвольных процессов и знаков экст­ре­­мумов в данной задаче. Существо процессов от этого не из­меняется.

    В частности, минимум свободной энергии Гиббса описывает хи­ми­­чес­кое равновесие. Но при описании живых систем нельзя абсолю­ти­зи­ро­вать его роль. Хи­ми­ческие реакции есть процессы на атомном уровне. Этот уровень пре­дыдущий по отношению к классической тер­мо­ди­­на­ми­ке, поэтому клас­си­ческая энтропия в физической химии его ото­б­ра­жает не полно. Соответ­ст­венно усложняется и роль свободной энер­гии. Как под­­чер­кивалось вы­ше, в этом случае запоминание при синтезе инфор­ма­ции определяют кри­терии устойчивости в комплексной плос-кос­ти, а клас­си­чески свобод­ная энергия описывается как функция дей­ст­­­ви­­тель­но­го пе­ре­менного.

                При участии в задачах  большего числа форм энергии, чем в табли­це 6.1, принцип “ступенек” увеличивает число соотношений Максвелла для каждого выбора независимых переменных. В условиях набора форм энер­гии таблицы 6.1 уравнение состояния “угадано” независимым обра­зом на основе истории исследований в термодинамике. Оно неоднознач­но (идеальный газ, реальный газ в разных приближениях). При большем числе форм энергии далеко не все в явном виде понимают даже необ­хо­димость в уравнении состояния вида (6.2).

    Соотношения Максвелла дают про­с­той и универсальный путь по­лу­­чения уравнений состояния на основе экс­перименталь­ных данных. На­­при­мер, в [109], [110] это использовано для получения уравнения со­с­тоя­ния в магнитострикционных процессах. Этим впервые стро­го объяс­не­ны извест­ные уже более 100 лет эффекты Джоуля и Виллари, а также введено по­нятия об отри­ца­тельном мо­ду­ле упругости. Он яв­ляет­ся ос­новой работы мышечных си­с­тем, а по­то­му пример [109], [110] для био­логии исключительно важен. ­

                Поясню это. В экспериментах можно равноправно получить дан­ные, необходимые для определения од­новременно обеих производ­ных од­ного равенства Максвелла и использовать незави­си­мо каждую из них в теоретическом анализе. Эксперимент всег­да содержит ошиб­ки. Даже ес­ли они исключительно малы, при незави­си­мом экспе­ри­мен­таль­ном оп­ре­делении производных такие ошибки стано­вят­ся прин­ци­пи­аль­но важ­ны­ми. Дело в том, что соотношения Максвелла выра­жа­ют закон сохранения энер­гии. Ошибки при экспериментальном неза­ви­симом оп­ре­делении пра­­вой и левой части данного соотношения Макс­велла есть вводимое в теорию заведомое нарушение закона сохранения энер­гии. Последствия такого, как правило, принципиальны.

                Однако, если даже с большей ошибкой экспериментально опреде­лить только одну из производных в составе соотношений Максвелла, а вторую получить вы­числениями, то выполнение закона сохранения энергии гарантировано, несмотря на ошибки экспериментов.

    Живые системы находятся в атмосфере или в воде, то есть в изо­ба­ри­ческой окружающей среде. Изменения давления по ме­те­ороло­ги­чес­ким причинам или при погру­же­нии на разную глубину в воду или атмо­сферу этому не противоречат, так как в пределе сво­дятся к бес­ко­нечно мед­ленному изменению внешних условий и со­про­вождающим его “од­но­кратным” переходным процессам.

    Далеко не всеми биологами (и даже биомеханиками) пони­мается, что жизнь не есть изобарическая система. При процессах в жи­вых орга­низ­мах в качестве механических переменных, как правило, участ­вуют не внеш­ние или внутренние давления  P  и объёмы  V  (как клас­си­чес­кие тер­­моди­намические переменные), а эвивалентные им по термоди­на­ми­чес­кой роли величины – механические напряжения сжатия или рас­тя­жения   и механические относительные удлинения  m . Поэтому, на­при­мер, изо­ба­рич­ность или неизобаричность процессов в клетках и ор­га­нах жи­вых ор­га­низмов не определяется только изобаричностью окружа­ю­щей воздуш­ной или вод­ной среды [3]. Осмотическое давление, поверхност­ное натяжение мембран и тканей эквивалентны неизобаричности систем.

    Энергетика жизни не есть аналог тепловой машины, поэтому удоб­ство использования свободной энергии в форме F  по отношению к цик­лу Карно не создаёт особых преимуществ при описании живых систем.

    Постоянное (почти мистическое) употребление биологами термина – свободная энергия (под которым, кстати, они, как правило, понимают свободную энтальпию G, не уточняя конкретно участие в ней форм энер­гии, дополни­тель­ных к тепловой, механической и химической) в тер­ми­нах мета­бо­лиз­ма не имеет ос­но­ваний.

    Кстати, в самом простом смысле таблицы 6.1 свободная энергия не исчерпывается двумя формами – свободная энергия  F  Гельмгольца и сво­бодная энер­гия  G  Гиббса, так как в живых системах в составе тер­мо­ди­намических потенциалов надо учитывать электричес­кую энергию, ме­ха­ническую энергию деформаций, парциальные давле­ния и объёмы и, наконец, в некоторых случаях химическую энергию де­сят­ков или даже сотен реакций. Каждому выбору независимых пере­мен­ных для каждой из форм энергии будет соответствовать термодинамический потенциал со своими экстремальными свойст­вами и своим названием.

    Название – свободная энергия – возникло на основе выбора неза­ви­симой и сопряженной переменной в произведении   S.  Но этот выбор не исключает (в зависимости от постановок задач) любых комбинаций независимых и сопряжённых переменных для остальных форм энергии.  С учётом это­го чис­ло термодинамических потенциалов, которые по теп­ло­вым и механическим переменным принято называть сво­бод­ной энер­ги­ей, вы­ра­с­тет до десятков и сотен.  Какой именно из них считать знаме­ни­той мис­ти­ческой “свободной энергией”? От чего она сво­бодна, если цикл Карно не есть основа энергетики жизни, а химичес­кие реакции (на­при­мер, окислительно-восстанови­тель­­ные реакции в живых организмах) не всегда можно описать без учёта электрической энер­гии?

    Однако, как было показано в главе I, составляющая сво­бодной энер­гии есть семантическая информация. Поэтому сво­бод­­ная энергия мо­жет использоваться для косвенной оценки участия в данных задачах се­­ман­тической информации. В таком осмысленном по­ни­мании она мо­жет счи­таться для метаболизма выделенной формой энергии.

    Из­ло­женное в главе I об энтропии как функции комплексного пе­ре­менного и о применении в за­да­чах синтеза информации критериев ус­той­чивости в комплексной обла­сти позволяет оперировать собственно с семантичес­кой информацией, не переходя к энергии. Семантическая ин­формация (как она определена в главе I) есть оп­ре­деляющая переменная при описании возникновения и эволюции жиз­ни, а также её метабо­лиз­ма. Сво­бод­ная энергия как таковая – нет, но из-за связи с семанти­чес­кой ин­формацией может в частных случа­ях давать пре­и­мущества при реше­нии биофизических и биохимических задач. 

    Абсолютизация роли свободной энергии  G  в живых системах тав­тологична утверждению, что жизнь есть только и исключительно резуль­тат изобарических и одновременно изотермических химических равнове­сий. Это есть заблуждение.





     
    polkaknig@narod.ru ICQ 474-849-132 © 2005-2009 Материалы этого сайта могут быть использованы только со ссылкой на данный сайт.