ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ НЕЗВОРОТНИХ ПРОЦЕСІВ

Дослідження біофізичних процесів, що відбуваються в реальних системах, методами рівноважної термодинаміки часто є неадекватним наближенням. У загальному випадку фізичні і біофізичні об'єкти не знаходяться в положенні рівноваги. В них з кінцевою швидкістю протікають незворотні процеси, які прагнуть повернути систему в стан рівноваги. Добре відомими прикладами можуть бути проце­си теплопровідності з характерним часом встановлення рівноваги або, як його ще називають, часом релаксації - лінійний розмір системи, - коефіцієнт температуропровідності, - коефіцієнт тепло­провідності, - густина, - ізобарна теплоємність); процеси дифузії з часом релаксації - коефіцієнт дифузії); процеси внутрішнього тертя з часом релаксації - кінематична в'язкість, - динамічна в'язкість) та ін.

Термодинаміка незворотних процесів, що є феномено­логічною основою для вивчення незворотних процесів у різних системах, в тому числі і біофізичних, спирається на такі положення та поняття: лінійний закон, принцип симетрії кінетичних коефіцієнтів, закони збереження, ви­робництво ентропії, спряження потоків, стаціонарний стан, теорема Пригожина та ін.

Лінійний закон

Лінійний закон становить узагальнення відомих емпі­ричних фактів, що формулюються у вигляді таких законів:

а) закони Фіка, що пов'язує потік частинок тобто кількість частинок, які за одиницю часу перетинають одиницю площі в перпендикулярному напрямку, і різницю (градієнт) концентрації за допомогою співвідношення

- коефіцієнт дифузії;

б) закон Фур'є, що пов'язує потік тепла і різницю (градієнт) температури за допомогою співвідношення - коефіцієнт теплопровідності;

в) закон Ома, що пов'язує потік заряду (густину електричного струму) і градієнт потенціалу електричного поля за допомогою співвідношення - коефіцієнт електропровідності.

Нагадаємо, що градієнт певної скалярної величини є вектор, який за модулем дорівнює максимальному значенню похідної а за напрямком співпадає з напрямком зростання величини

Процеси переносу, в яких градієнт даної властивості викликає потік цієї ж фізичної властивості, називаються прямими процесами переносу. Очевидно, що перераховані вище приклади відносяться саме до такого класу процесів переносу. Окрім прямих, існують непрямі (перехресні) процеси переносу, в яких градієнт однієї фізичної власти­вості викликає потік іншої фізичної властивості.

Розглянемо приклад так званих термодифузійних явищ. Нехай у деякому середовищі спостерігаються два градієнти: концентрації і температури Тоді в такому середовищі виникають потоки частинок і тепла, причому

Процес виникнення потоку частинок під дією градієнта температури називається ефектом Соре (другий доданок у рівнянні для Зворотний процес, пов'язаний з виник­ненням потоку тепла під дією градієнта концентрації, називається ефектом Дюфура. Ще одним прикладом непрямого процесу переносу є термоелектропровідність - виникнення потоку електричного заряду під дією градієнта температури.

Для узагальнення наведених вище емпіричних законів розглянемо:

а) термодинамічні сили