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第三章 能量与营养 第一节 能量转化 一. 能量转化的基本概念 热力学是研究能的转换和传递过程及其规律的科学。能量问题中，能量转换的定量关系属于热力学第一定律的范围。 在长期科学实践中，总结出能量守恒定律，也就是热力学第一定律，即能量从一种形式转换变到其他形式时，其总量不变。换言之，在一个变化过程中(光、电、化学能等)，如果这里少了若干能量，必然在其它地方多出了同样数量的能量。宇宙间能的总量是恒定的，而只是能量的转变和传递。能量守恒实际上是指包括体系(研究的对象)和环境在内的能量，若将体系和环境隔开，使两者不能交换能量，则体系就成了隔离体系，热力学第一定律也可表示为：在隔离体系中，能量的总值不变。 体系所放出或所吸收的热叫做过程的热效应。研究化学反应热效应的这部分叫做热化学。通常用焓变ΔH表示恒压热效应。例如： C+ O2 = CO2 ΔH=-94.050kcal(-393.50kJ) 表示1mol碳和1mol氧化合(碳燃烧)生成1mol CO2放出94.050kcal(-393.50kJ)的热。放热时ΔH用负号，吸热时用正号。 同一化学反应，不论其经历的过程如何(一步完成或几步完成)，只要体系的初态和终态一定，则反应的热效应总是相同的。 热力学的第二定律是关于能的递降原则。根据经验，自然界的许多过程都有一定方向。例如，水总是从高处自动流到低处，流动到没有水位差为止；热总是自动从高温物体传到低温物体，直到温度差消失为止；气体总是自动从高压地方流向低压地方，直到压力差消失为止。这些过程无须外力帮助就能自动进行，称为自发过程。每一自发过程都有其发生的原因(推动力)，如水位差、温差、压力差等。 自发过程自动向一定的方向进行，但它们不会自动逆方向进行，因此一切自发过程不能自动恢复原状。如借助于外力，则可逆向进行。例如，三磷酸腺苷(ATP)是细胞内一种含有高能鍵的化合物，其高能键断裂时可以释放33.47kJ/mol，同时形成1mol二磷酸腺苷(ADP)和1mol无机磷酸盐(Pi)，这种反应不需要外界供给能量。反之，如果要从ADP及Pi合成ATP时则必须从外界供给能量，其原因是由于ATP的位能级高，而ADP+Pi位能级低的缘故。 所谓能是指一个物体或一个系统中束缚着的能量，在一定条件下可以释放出来变为动能而作功。当物体或系统的势能发生变化时，他们的能级也就发生了变化。例如，葡萄糖的能位级高，燃烧后有很多势能转变化为动能(热)释放出来，剩下的二氧化碳和水的能级就变低了。动能是指以用于生命各个方面(物质运输、肌肉收缩、神经传导等)的能量。 热由高温物体A传入低温物体B，最后两者温度相等。如欲使这个过程逆向进行，恢复A、B的原状(即A温度高、B温度低)，就须从B取出热使之变成功，将此功加于A使A温度升高。但实践证明A的温度不可能靠这个办法恢复原状。根据这类经验总结成为热力学第二定律。其含意可概括为一切自发过程都是不可逆的，热不可能在无外加条件下从低温物体流到高温物体。 系统的势能蕴含在系统的秩序之中，系统愈有秩序则所蕴含的势能愈多。好比一堆积木(低能级)，当每块积木整齐地堆积起来(由外界供给能量)成为有秩序的状态(高能级)时，势能的增加便蕴含在积木堆积起来的秩序中。系统当由高能级转向低能级释放出能量的同时，系统的秩序便随之减小，或者说无序度加大了，热力学把这种无序度称之为熵(entropy)。等温过程的熵变为： ΔS= QR表示了逆过程所吸之热，T代表绝对温度 因此，也可把热力学第二定律看成，不需要外界供能的过程总是朝着系统的无序度增加，或朝着熵增大的方向进行。 系统的无序度与温度有很大关系，例如，温度愈高则分子远动也就愈快，系统的无序度(熵)也就愈大。理论上认为热熵在-273.15℃等于零，也就是不再存在有熵的温度，当温度上升时，熵也就增加。因此熵就是测量体系内部动能的运动。 当向一个系统输入或输出能量后，一部分可直接以动能的形式(如肌肉收缩等)表现出来或以某种形式传递给其它系统能量，这部分能量是系统在变化过程中可用来做功的能量，称为自由焓，另一部分则是有关系统的秩序调整的能量。可用下式表示： ΔH=ΔG+TΔS或ΔG=ΔH –TΔS 其中ΔH=输入或输出系统的总能量(Cal或J) ΔG=过程中自由焓的变化(Cal或J) T=标准温度(K) ΔS=过程中熵的变化(J·K -1) 在可逆过程中，当无外加能量时，系统的反应总是朝着自由焓减少和熵增大的方向进行。当系统达到平衡时，熵达到最大值，且自由焓的变化为ΔG=0。 例如：葡萄糖在标准条件下氧化： C6H12O6 +6O2→6CO2 +6H2O ΔH0= -2816 KJ∕mol ΔG0= -2878 KJ∕mol TΔS0= 2878-2816=62KJ/ mol 以乙