定量生理 第1章 生物热力学.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,定量生理学,定量生理学,教材,：生理功能的工程分析黄诒焯，高教出版社,课程目的,：,以定量表示的方式对整个人体进行信息综合，通过物理和数学模型来检验总体效果。,课程内容,：,生物热力学、质量输运过程、神经的兴奋传导、血液循环动力学、心电,考查方式,：,平时作业：,30%,；考试：,70%,定量生理学简介,了解有关组织相互关系的数据；有关组织、细胞、亚显微结构的物理、生物、化学数据；有关调节、输运、通讯机制的信息,通过物理和数学模型来模拟和研究相关的现象。模型忽略一些次要因素，通过实验和理论分析得到系统的主要变量的关系。,通过对模型的分析来研究和掌握各种现象的规律。,理工知识与生理知识的交叉，本课程主要从定量、综合的角度来研究和分析生理系统的特性、调节过程和物理机理。,第一章 生物热力学,1-1 前言,1-2 热力学第一定律,1-3 基础代谢,1-4 热力学第二定律-熵,1-5 自由能最小原理,1-6 稀溶液的,Gibbs,自由能,1-7 肌红蛋白和血红蛋白的氧饱和度曲线,1-8 开放系统中的热力学过程,1-1 前言,热力学：研究热现象的宏观理论,热力学系统：大量分子、原子组成的物质体系,3类系统：孤立系统（无物质、无能量交换），封闭系统（无物质但有能量交换），开放系统,热平衡可以用系统各部分的纯宏观特性来描述，如：总质量、摩尔数、体积等。并用一些唯象的概念如压强、温度等来描述观察条件。,单相系均匀的单相（液态、固态或气态）的定量物质组成；复合系由一组内部边界分隔的单相系构成。单相系在内部热平衡在均匀温度和压强下，可用状态方程描述，如：,V=nv(T,P),任何系统都有一定的能量，在一定条件下可利用其对外做功，该能量成为系统内能。内能描述热力学状态的函数，简称态函数。,热量（分子碰撞所交换的能量）,1-2 热力学第一定律,系统的内能增量等于外界对系统所做的功与系统吸收热量的总和。,热力学第一定律,吸热,Q，,放热-,Q,对外做功-,W,对系统做功,W,内能：初态,E1，,终态,E2,不消耗系统本身的能量也不消耗外界的能量而对系统做功是不可能的。,1-3 基础代谢,（1）,生命活动遵从能量守恒和转换定律,人体由分解食物获取能量，此后人体可以对外做功，并产生一定的热量,假设人体在某一段时间内可视为封闭系统,做功过程描述为：,生命系统的转换是连续的，常用变化率描述,能量转换过程描述为：,生命系统内能的减少率又称为代谢率,1-3 基础代谢,（2）,代谢率与代谢功能有关,与生命体的体温有关、环境温度,散热率，环境温度，图1-2-1,与人体状态有关,表1-2-1，骑自行车比睡觉高,基础代谢,条件：在清醒、安静、热中区且消化和吸收活动完毕。,基础代谢率的异常变化是一些疾病的征兆,甲亢时，基础代谢率比正常标准高出25-80%,环境温度,代谢率,1-3 基础代谢,（3）,直接测量法,人体对外做功为0时，有：,间接测量法,尿氮含量-蛋白质量-脂肪耗氧量-葡萄糖耗氧量-热量,基本概念：,食物焦耳价：1,g,食物体外燃烧为物理焦耳价（燃烧热），在体内氧化分解产生的热量为生物焦耳价。,呼吸商,RQ：,呼出的,CO,2,和吸入的,O,2,之比。,氧热摩尔：消耗单位体积,O,2,产生的热量。,尿氮测定,蛋白质组成：,C53%,H7%,O23%,N16%,S1%,其中,N,全部随尿排出,1-3 基础代谢,（4）,间接测量计算,化学反应,葡萄糖：,C,6,H,12,O,6,+6O,2,-6CO,2,+6H,2,O +2872KJ,RQ=1 180g 134.4L 134.4L 108g,脂肪：,C,3,H,5,O,3,(OC,4,H,7,),3,+18.5,O,2,-15CO,2,+13H,2,O+8121KJ,RQ=0.81 302g 414.4L 336L 234mL,求蛋白质量,P，,葡萄糖耗氧量,S，,脂肪耗氧量,F，,热量,Q,设总的,O,2,和,CO,2,含量分别为,O,和,C,P=,尿含氮量/16%，则蛋白质耗氧量和,CO,2,量为,0.95,P,和,0.76,P。,由葡萄糖呼吸商,，,有：,求解,F,S=O-0.95P-F,Q=P*,蛋白质生物焦耳价+,S*,葡萄糖氧热摩尔+,F*,脂肪氧热摩尔,1-4,热力学第二定律 熵,（1）,Kelvin,不可能从单一热源取热使之完全变成有用的功而不产生其他影响。,Clausius,不可能把热从低温物体传送给高温物体而不产生其他影响。,热力学可逆性,可逆过程是指一个过程每一步都可在相反的方向进行，且不对外界产生影响。,1-4,热力学第二定律 熵,（2）,熵(,entropy),可逆过程不可逆过程,参照图1-4-1的可逆循环，,有：即：,积分值 与初始、终止状态有关，与路径无关,熵定义 微分形式,熵增原理,(,S-S,0,)=0,可逆过程,dS0,不可逆过程,1-4,热力学第二定律 熵,（3）,不可逆过程推导,一个不可逆过程总可以找到一个初始、终止状态与它相同的可逆过程与他组成一个循环过程,则有：,又,所以,对于孤立系统，,dQ=0，,因此有,dS0。,一切任何可能自发发生的不可逆过程都是沿着系统熵增加的方向进行,习题,何为基础代谢率？怎样用尿氮含量间接测量？,