Первый закон термодинамики основывается на большом экспериментальном материале – т.е. является обобщением многочисленных опытов – от Ломоносова до Гельмгольца. Он формулируется так: Общая сумма энергии материальной системы остается постоянной величиной независимо от изменений, происходящих в системе. Изменение в системе возможно только в результате обмена энергией с окружающей (внешней) средой. Таким образом, первый закон термодинамики является количественным выражением закона сохранения энергии, который формулируется так:
Энергия не исчезает и не возникает, а только переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах.
Мерой передачи энергии в процессе теплообмена является количество теплоты Q, dQ, DQ, а мерой передачи энергии при совершении работы – является работа A, dA, DA (передача энергии в этом процессе).
Внутренняя энергия U, dU, DU – это общая сумма всех видов энергии в данной системе (тепловой, механической, химической, электрической). Внутренняя энергия является функцией состояния системы и для данного состояния имеет определенное значение: DU есть разность двух значений внутренней энергии, соответствующих конечному и начальному состояниям системы.
Обычная запись первого закона термодинамики имеет вид Q = U + A и означает, что теплота Q, поглощенная системой из внешней среды, идет на увеличение внутренней энергии U и совершение работы A против внешних сил.
Первый закон термодинамики: Теплота dQ, поглощенная системой из внешней среды, идет на увеличение внутренней энергии системы dU и совершение работы dA : dU = dQ + dA
В реальных ситуациях значения U, dQ, dA, dU, DQ, A, могут быть как положительными (теплота передается системе внешними телами, внутренняя энергия увеличивается), так и отрицательными (теплота отнимается от системы, внутренняя энергия уменьшается).
Первый закон термодинамики для живых систем. Первичным источником энергии в организме для производства всех видов работ является химическая энергия пищевых веществ (белков, жиров, углеводов), выделяющихся при их окислении. Для растений первичным источником энергии является энергия солнечного излучения, запасаемая в процессе фотосинтеза. Эта же энергия переходит к животным, питающимся растениями. Но ни энергия солнечного излучения, ни энергия, выделяющихся при окислении пищевых веществ, не используется непосредственно для совершения всех видов работ в организме. Вначале энергия солнечного излучения и пищи трансформируется в энергию макроэргических связей некоторых веществ, главным из которых является аденозинтрифосфорная кислота – АТФ. Таким образом, основной источник энергии для всех процессов жизнедеятельности – энергия, запасенная в высокоэнергетических соединениях, прежде всего в молекулах АТФ. Расщепление, гидролиз АТФ при отщеплении одной фосфатной группы выделяется от 7 до 8,5 ккал/моль (30 – 38 кДж/моль).
Т.е. все виды работы, совершаемые в живом организме, совершаются за счет энергии АТФ. АТФ – это универсальный источник энергии. В живом организме все виды энергии в конечном итоге переходят в тепло – тепловую энергию. Она бывает первичной (пассивная) – т.е. непосредственно сразу переход в тепло необратимо, и вторичная (активная) – энергия сначала идет на совершение работы с последующим переходом опять-таки в тепло. Например, прокачивание крови по сосудам – механическая работа с преодолением трения и рассеянием в виде тепла. Т.к. в организме все время совершаются различные виды работы, то в конечном итоге вся энергия переходит в тепло. Первые попытки установления законов термодинамики для живых организмов были предприняты еще в XVIII в. Лавуазье и Лаплас, измеряя количество тепла и углекислого газа, выделяемых морской свинкой в ледяном калориметре, пришли к выводу, что окисление веществ в организме и прямое сжигание этого вещества в калориметрической бомбе дают примерно одинаковые тепловые эффекты. Последующие измерения подтвердили этот основной вывод.