Жидко-мазоичная модель строения мембраны

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Пермский институт (филиал) ГОУ ВПО

«Российского государственного торгово–экономического университета»

Кафедра естественно-научных дисциплин

Контрольная работа по курсу «Концепции современного естествознания»

Выполнила студентка группы Эпи-12
факультет учетно-финансовый
Каменских К. С.
Вариант №10
Проверил
Золотухин И. А.

Пермь 2009

Оглавление

Первый закон термодинамики

Клетка

Организация и упорядоченность процессов в клетке

Биологические мембраны

Жидко-мазоичная модель строения мембраны

Функции мембран

Речь

Теории развития речи

Формирование человеческого общества как социальной формы организации материи

Использованная литература

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

∆U=Q-A

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Q=∆U+A

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

Q=∆U=U(T2)-U(T1)

Здесь U(T1) и U(T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением

A=p(V2-V1)=p∆V

Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:

Q= U(T2)-U(T1)+ p(V2-V1)= ∆+ p∆V

При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением

Q=A

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

A=-∆U

т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении.

В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид

pVγ=const

Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом. Для одноатомного газа γ=1.67 для двухатомного γ=1.4 для многоатомного γ=1.33/

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний:

A=CV(T2-T1)

Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией . Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.

Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия. Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде – вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температуры газа в начальном и конечном состояниях одинаковы – точки на плоскости (p, V, изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.

Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.

Опыты.

Чтобы лучше понять  суть первого закона термодинамики, рассмотрим примеры, иллюстрирующие взаимосвязь изменения внутренней энергии и совершения работы.

Опыт "воздушное огниво". Возьмем толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем измельченной "серы" от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы сильно сожмем воздух. В результате он нагревается настолько сильно, что серный порошок воспламеняется.

Объясним опыт. Удар длился очень недолго, поэтому передачей теплоты от воздуха в цилиндре наружу можно пренебречь. Из внешней среды теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал, то есть Q = 0. Тогда имеем: ΔU = 0 + A, то есть ΔU = A, что и означает изменение внутренней энергии (ΔU) за счет совершения механической работы (А).

Полученная формула ΔU = A или А = ΔU – частный случай первого закона термодинамики: при отсутствии теплообмена вся совершенная над телом работа идет на изменение внутренней энергии тела. В нашем случае работа, совершенная над воздухом, привела к возрастанию его внутренней энергии - воздух нагрелся.

Опыт "туман в бутыли". Для него нам потребуются бутыль и насос, изображенные на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить, накачивание прекращают и ожидают 5-10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман.

Разделим объяснение результатов этого опыта на три этапа. Рассмотрим их.

Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. По аналогии с объяснением опыта "воздушное огниво", первый закон термодинамики запишется: A = ΔU. Поскольку А – положительная величина, значит, и ΔU – положительная величина. Это говорит, что внутренняя энергия воздуха изменяется в большую сторону – то есть возрастает.

Затем 5-10 минут работу не совершали (A = 0), давая воздуху возможность охладиться. Следовательно, первый закон термодинамики запишется: ΔU = – Q. Величина – Q является отрицательной, значит, и равная ей величина ΔU тоже является отрицательной. Следовательно, внутренняя энергия воздуха изменяется в меньшую сторону – уменьшается.

Затем пробку отпускают, и она вылетает, подталкиваемая струей воздуха. Все это происходит очень быстро, поэтому не учитываем теплопередачу: Q = 0. Кроме того, работа совершена не над воздухом, а им самим, следовательно, первый закон термодинамики запишется так: ΔU = – A. Поскольку величина –A является отрицательной, значит, и ΔU тоже отрицательна. Следовательно, внутренняя энергия воздуха опять убывает. Он охлаждается ниже комнатной температуры, и в бутыли появляется туман.

Вечный двигатель первого рода не возможен – таков вывод из первого закона термодинамики.

Клетка

Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все ткани живых организмов либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами.

Организация и упорядоченность процессов в клетке

Исследование биологической формы движения материи в настоящее время, судя по состоянию молекулярных наук, сводится к изучению физико-химических процессов обмена веществ и энергии в живых системах, то есть к поиску путей и изучению прохождения тех многочисленных биохимических реакций, которые объединены общим понятием – метаболизм. Не случайно, одна из основных формулировок биологии, определяющая сущность жизни, гласит, что “жизнь - это обмен веществ и энергии в организме”. Поэтому, когда сегодня говорят о клетке как об элементарной структурно-функциональной единице всего живого, то под этим понятием, в первую очередь, понимают биохимическую часть её сущности. Именно с этой точки зрения, её изучают и исследуют различные биологические науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, генетика, геномика, цитология и многие другие дисциплины. Как мы видим, до сегодняшнего дня в изучении живой формы материи доминирует культ физико-химического направления. Между тем, следует отметить, что вся многосложная “паутина” целенаправленных и упорядоченных химических превращений в клетке формируется не сама по себе, а является результатом деятельности весьма сложной управляющей системы.

Ясно, что живая клетка должна обладать своими устройствами, предназначенными для “автоматизированной” переработки органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В противном случае эти процессы просто не могли бы иметь места. Поэтому многочисленные последовательности химических реакций основных путей клеточного метаболизма, по своей сути, могут относиться только к процессам управляемым. Очевидно, что в настоящее время молекулярная биология, в совокупности с другими дисциплинами, изучает и исследует только те процессы, которые в живой клетке являются вторичными, зависящими от работы системы управления. А первичные, – управляющие клеточные процессы, обеспечивающие управление и генерацию клеточного метаболизма, до сих пор практически не поддаются изучению. Между тем, только они составляют главную сущность живого, и только они обеспечивают все жизненные процессы клеток и организмов.

Следовательно, основная, фундаментальная часть живого по тем или иным причинам, почему-то, выпала из поля зрения молекулярных биологических наук. В силу этих обстоятельств, по вторичной, – управляемой части живого, современная наука накопила обширнейшие исследовательские данные, сведения и знания, полученные многочисленными биологическими науками.

Однако по первичной, самой фундаментальной и неисследованной части, в активе у биологических наук имеются лишь данные о структурно-функциональной организации ДНК, изученный генетический код и фрагменты репликации, транскрипции и трансляции генетической информации, указывающие на наличие в каждой живой клетке целостной молекулярно-биологической системы управления.