提纲-生物热力学
生物学中的热力学研究
生物学中的热力学研究在自然科学领域中，热力学是一门重要的学科，它主要研究热、能量及它们与物质之间的相互作用。
而在生物学领域中，热力学同样也占有重要的位置，它被应用于人类生理学、动物生态学、微生物生态学等不同领域的研究中。
本文将重点介绍在生物学领域中热力学的应用和研究。
一、生物热力学的基本概念生物热力学主要关注于生物体系吸收和释放热能的过程。
它是研究生物系统能量转化的一门科学。
在生物学中，生物体系与周围环境之间的能量交换主要通过热传递的方式完成。
而生物体内的各种化学反应都伴随着能量的变化，因此，热力学中的化学热力学也成为了生物热力学中的重要概念。
生物体系的热力学研究主要涉及到三个主要参数：温度、熵和焓。
在生物体系中，熵是非常重要的一个参数，它是指系统的混乱程度。
因此，熵的变化可以反映生物体系中能量流动的方向和过程。
另外，焓代表的是能量的总量，它可以体现出生物体系中的吸热和放热过程。
在生物体系中，焓一般作为一个状态函数，可以度量系统的热力学状态。
二、生物体系的热力学特征生物体系的热力学特征与其他物理化学体系的热力学特征存在很大的差异。
首先，生物体系中的物质是非常复杂的，它们之间存在着多种相互作用。
同时，生物体系中的物质也包含着相当多的稳态和非平衡态。
因此，热力学在研究生物体系时需要充分考虑其动态变化的特性。
另外，生物体系中的水是一个非常特殊的物质，它的化学性质和物理性质都非常复杂。
在生物体系中，水的存在对于化学反应和能量转移产生了广泛而深远的影响。
同时，水的密度和热容量也非常重要，它们对于物质传递和热传递都具有非常重要的作用。
三、生物热力学的应用生物热力学在不同领域的应用非常广泛，特别是在生态学、生物医学、皮肤生理学等领域中。
其中，生态学是最为重要的一个领域。
因为在生态学研究中，热力学可以用于分析生物群落之间的能量和物质交换，以及它们之间的关系。
在生物医学领域中，生物热力学已经成为了一项非常重要的技术。
第四章生物热力学要点
测量体核温度的部位通常为直肠、口腔、食管、耳膜以 及尿流，但所得的值却各不相同，因而没有一处温度可 认为是真正的体核温度。
食管温度: 能间接量度从心脏泵出的动脉血血温。 肛温: 直肠热惯性大, 不适于进行变化较快的温度量度。 耳膜温度: 耳膜热惯性小，能反映温度变化最快。 环境温度为5~30℃时，人体活动时的体核温度只是代谢 率的函数， 环境温度高于30℃ ，因出现热应激，体核温度上升。
(c) 温度进一步提高到45℃便会造成蛋白变性及死亡。
(2) 体温下降，有可能完全阻止酶的活性。体温下降至 33℃以下，神经功能便会受到抑制且知觉会消失。 30℃以下则会引起调温系统失灵，若降至28℃，更会 引起心室纤颤甚至死亡。
4.3.1 体温
1. 体核温度(core temperature) : 人体躯干核心的温度。
Log241=2
Log242=4 Log243=6
Log220=4.322bit
1950s, 物理学家伽莫夫（George Gamov）根据信息论提 出三联核苷酸密码编码20种氨基酸的推测。
1960s, 三联核苷酸编码得到证实，并逐一被破译。
第三节
体温与体温的控制
人类生存环境温度: -30 ~ +40℃。人体中央体温: 37±2℃。 恒温性：是指机体得热和失热各因素千变万化情况下， 机体维持深部温度或体核温度 (即内环境温度) 在一较窄 范围内的能力。
等温等压过程，引用态函数吉布斯自由能, G=E+pV-TS 根据热力学第一定律 Q=E+W 及第二定律 dS≥dQ/T，
最大功原理： dG≤pdV-dW 若dV 0，dW ≤ - dG 意义：等温等压过程，系统对外做功≤吉布斯自由能减少 （dW为非膨胀功）
生物热力学与生物反应研究
生物热力学与生物反应研究生物热力学是一个涉及热能转换和生物化学反应的领域，其研究目的是探究生命现象在分子层面上的基本机制和规律，了解生物体内各种化学反应及能量转换的过程和特征，从而为健康、环境保护、能源利用等多个领域提供理论和技术支持。
本文将从生物热力学与生物反应的基本概念入手，分别介绍有机物热力学、酶学反应和生命能量转换三个方面的研究进展及其应用前景。
一、有机物热力学有机物热力学是生物热力学的基础，它主要研究有机物（如蛋白质、核酸、糖类等）在温度、压力等条件下的热力学性质和热稳定性。
其中，蛋白质是细胞生命功能中最常见的有机物之一，其主要结构是由多肽链和螺旋、折叠等不规则结构所组成，结构的稳定性和功能性主要受到物理、化学条件的影响。
在实际应用中，这类研究对于人类生命保护和生物力学器件、医学仪器、药物开发有着重要的意义。
随着生物热力学和分子生物学的快速发展，有机物热力学领域的研究也逐渐向深入方向发展。
一方面是研究其结构与热稳定性之间的关系，探究不同破坏机制（如蛋白质水解、变性、聚集等）对生物体生命功能的影响；另一方面是寻找一些新的生物热力学指标，如微生物生长速率、生物反应速率等，探索其应用价值和简单实用的检测手段。
二、酶学反应酶学反应是指生物体内一类重要的催化反应，其过程中酶作为催化剂，能够降低反应的活化能，从而加速生物化学反应。
酶学研究的目的是揭示酶催化、反应物结构与酶的物理、化学属性之间的关系，研究酶的活性中心、机理、动力学，为新药物及生物技术开发提供理论和实验基础。
酶学反应的研究主要分为两个方面：一是研究酶的功能和结构特性，如催化速率、底物结构和酶与底物的相互作用等；二是确定酶的特异性和选择性，即酶对底物的选择性和对化合物异构异构体的特异性。
在应用上，酶学研究可以用于探测、测定和分离酶的特异性或选择性；酶学反应还可以用来制备各类食品的功能性成分、新型杀虫剂、医药和生物技术制品等，具有重大的经济和生态环境价值。
热力学提纲
热力学提纲热力学初步第一节热力学基本概念一、体系1．敞开体系；2．封闭体系；3．孤立体系。
二、环境三、状态及状态函数四、过程与途径五、广度（容量）性质及强度性质六、热力学第一定律，热和功七、化学反应的热效应(Q P Q v )、焓(H)1. 反应热（化学反应的热效应）2.焓（H）3.等压反应热（Q p）4.等容反应热5.ΔH的物理意义6. Q p与Q v之间的关系7. 适用条件8.反应热的测定9.热化学方程式10. 热力学标准态11．反应的焓变12．标准摩尔生成焓第二节盖斯定律，标准生成焓和反应热计算1. 盖斯定律2．应用条件3.①熔解热：②无限稀释溶液③离子生成热4.焓变的计算公式5.利用标准焓可计算某一化学反应的反应热6. 由燃烧热计算反应热7.键焓第三节过程的自发性, 熵, 热力学第二、三定律一、过程的自发性二、熵与熵变三、熵变与过程的方向1.热温熵2.熵的应用3．热力学第二定律4．⊿r H m&，⊿r S m&对反应自发性的影响5．结论第四节自由能与化学反应进行的方向一、自由能函数的定义二、吉布斯-赫姆霍兹方程三、标准生成自由能⊿f G m&四、化学反应中过程自由能变⊿f G m&的计算五、热力学函数的变化五、反应自发性的判断第五节热力学函数的计算及初步应用一、几个热力学函数二、计算及应用三、电池电动势与化学反应Gibbs自由能1、电池电动势与化学反应Gibbs自由能的关系2、电池标准电动势和平衡常数例1：用弹式量热计测得298K时，燃烧1mol正庚烷的恒容反应热为- 4807.12 kJ.mol-1,求其Qp值。
例2: 在101.3 kPa条件下，373 K时，反应2H2(g)+ O2(g) ==== 2H2O(g) 的等压反应热是- 483.7 kJ.mol–1，求生成1mol H2O（g）反应时的等压反应热Q P及恒容反应热Q V。
例3:计算CaCO3(s) =CaO(s) + CO2 (g)反应的热效应。
生物物理学中的热力学研究
生物物理学中的热力学研究生物物理学是研究生物体内物理现象的学科。
而其中热力学的研究则是非常重要的一部分。
因为从热力学的角度，我们可以揭示许多生物体内发生的物理现象，并且指导生物医学的发展。
本文将从热力学的角度分析生物物理学的研究，探究它对生物学科研的重要性。
1. 热力学在生物体内的运用生物体内众多的化学反应和生理现象都和热相关。
例如细胞利用ATP作为能量来源，就是因为ATP在水解反应过程中释放出的能量。
而这个过程也是热力学中的一个重要概念——氧化还原反应。
氧化还原反应就是将电子从一个物质转移到另一个物质的过程，它往往也伴随着能量的释放或吸收。
这也就是细胞释放或吸收能量的基本机制。
除了细胞内的氧化还原反应，热力学还可以解释生物体内的多种现象。
例如，生物体内的食物分解和吸收也涉及到热力学。
完全氧化1克葡萄糖需要产生多少 ATP 分子，可以根据熵变公式计算得出：ΔS = k ln (Wf / Wi) + q / T ，其中ΔS 是体系的熵变，k 是玻尔兹曼常数，Wf 和 Wi 分别是最终和初态的微观状态数，q 是体系的热量，T 是温度。
这就可以帮助我们了解身体在吸收食物时需要多少 ATP 分子。
除此之外，生命进化也可从热力学角度论证。
生命进化是一个如同化学反应般的过程。
生命的起源、进化和分化，都需要从低质量环境中吸收能量，将之转化为有结构的高质量状态，即把高熵状态转化为低熵状态。
这些过程也符合热力学中的熵变定律。
热力学的应用，让我们对生命的起源和演化有了更深刻的了解，也为探究生命之谜提供了一个新的角度。
2. 热力学在生物医学中的应用在医学领域，热力学的应用也是非常广泛。
热力学中的热容量、热传导、热流等概念，都和医学诊断、治疗密切相关。
例如，我们可以利用热的传导性质，来检测肿瘤。
肿瘤的细胞密度和新陈代谢比周围正常细胞高，因此会产生更多的热量，使组织的温度升高。
我们可以通过红外线扫描来检测组织温度的变化，从而发现肿瘤所在位置。
第7章生物热力学
G + ATP G6P + ADP
反应 ATP+H2O(l)ADP+Pi ADP+ H2O(l)AMP+Pi AMP+H2O(l)A +Pi G6P+H2O(l)G +Pi
H m ,298
0
0
=-30.4 kJ/mol
(kJ/mol) -30.9 -28.9 -1.2 -0.5
平衡的自由焓判据：
dGT , p 0
T ,p
即定温定压系统过程是向着自由焓变小（d G 0 ）的方 向进行，当 d G 0 时系统达到平衡。这一结论同样适 用于生物系统。 导出自由焓变化量和反应物及产物浓度间的定量 关系。 为简便，先从理想气体着手然后通过比拟推广到液 体反应。
T ,p
从气体工质导出的有关功、热一般概念和结论可以应用于 生物系统，不过精确的计算要比气体系统复杂得多。例如肌 肉伸展的功，只要知道肌肉伸展需要的力和伸展的距离，也 可以用上述公式计算肌肉伸展的功的数值。又如生物系统， 组织膜的两侧有电位差，离子越过膜作的功是-ZFΨ。Z是离 子价、F是电容（法拉第—96 485库仑/mol）、Ψ是电位。如 Na+越过膜，离开细胞和K+越过膜进入细胞的过程中，细胞膜 两侧将建立起70mV的电位，因此1mol K+进入细胞所需的电功 1×96489×0.07=6750 J。
ΔE=QP+QE+QC+QR−W
交换的功
摄入的食物、氧气的 发汗、对流、辐射等与外界的换热 总焓及排泄物、呼出 的二氧化碳的总焓的 差值（即代谢产热）
§7-2 赫斯定律和基尔霍夫定律
一、赫斯定律 —化学过程的热效应与其经历的中间状态无关，只 与物系的初始及终了状态有关。
生物热力学
2012-12-25
参考书目
Copyright 2010 Laboratory of Interfacial and Molecular Biotechnology. All rights reserved
热力学发展的简史
热力学的发展(1823-1882, core years)
– 一些此前建立的理论被推翻，取而代之以新的理论体系
Copyright 2010 Laboratory of Interfacial and Molecular Biotechnology. All rights reserved
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– 大量实验数据积累 – 应用电泳技术、园二色、酶活测定等 Pauling（鲍林）
第二个高潮（1981－1985）
– 折叠的中间结构的描述 – X射线衍射、红外光谱、内源荧光、质子 磁共振等
第三个高潮（1989－）
– 认识的深入 – 多种技术的综合应用、计算机技术的整合
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热力学第二定律讲课提纲.ppt
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那就是说，全宇宙将达到热平衡，进入“热寂（heat death）”状态.
“热寂说”在感情上和理智上都给人以强烈的冲击，以
致于引起人们的群起而攻之.但反对意见都未能击中要
害.当时批判“热寂说”的观点主要的有以下几种：
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一是玻尔兹曼提出“涨落说”，认为在宇宙的某些局部 可以偶然地出现巨大的涨落，在那里熵没有增加，甚至 在减少.这种说法有一定的吸引力，但尚缺乏事实根据.
亦即有
Q 2 T2 Q 1 T1
T1、T2为理想气体温标定义的温度．
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③ 卡诺定理的意义
指出了提高热机效率的途径：使实际的不可逆机过程 尽量地接近可逆机；尽量地提高两热源的温度差，实 际热机中，提高热机的效率应当从提高高温热源的温 度着手。
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二．热力学温标
讨论：
①这里的热源均指温度均匀的恒温热源；
②可逆热机必然是作卡诺循环的可逆卡诺机。
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1.用第二定律证明（见教材P374~）
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2.用熵增原理证明.
对任意的一个热机工作循环过程，工作物质从高
温热源（温度为T1）吸收热量为Q1，在低温热源 （T2）放出热量Q2，整个复合系统包括高温热源、 低温热源和工作物质三部分.由于高温热源和低温热
宇宙不但不会热寂，反而从早期的热寂（热平衡 态）下生机勃勃地复生.
固然，当今的宇宙学尚不能准确地预卜宇宙的 结局，但是折磨了物理学界和哲学界100多年的梦 魇——热寂说，作为历史的一页，可以尽管放心地 翻过去了.
2021/5/27
生物学中的热力学和动力学的研究进展
生物学中的热力学和动力学的研究进展生物学是关于生命的科学，热力学和动力学是其中重要的分支学科之一。
热力学研究热能和物质在热力学过程中的相互关系，动力学研究生物体内各种化学反应和能量转移的过程。
热力学和动力学在生物学的重要性不言而喻，本文将介绍生物学中的热力学和动力学的研究进展。
一、热力学的研究进展热力学是研究物质和能量转移的学科，包括热机、热力学循环、热力学势、热力学平衡等内容。
在生物学中，热力学很重要，因为生命体往往需要能量来维持生命活动。
此外，生物分子的功能也经常和热力学过程有关。
近年来，热力学在生物学研究中得到了广泛的应用和发展。
1. 生物分子热力学的研究生物分子是生命活动的重要组成部分，它们的功能往往与热力学过程有关。
离子通道是一种大分子蛋白，它负责调控细胞内外的离子浓度，从而影响多种生物过程，如肌肉收缩、神经传导等。
最近的研究发现，离子通道的热力学特性很重要，其中热容量、热稳定性和热滞回是最重要的参数。
研究人员通过热力学实验，揭示了离子通道受温度和离子浓度的影响，增进了我们对离子通道的理解。
类似地，还有许多重要的生物分子，如蛋白质和核酸，它们的函数和结构经常受到热力学过程的调控。
最近的研究在蛋白质折叠和稳定性、核酸分子的热稳定性和热解替等方面有了突破性进展，有助于我们更好地理解生物分子的结构和功能。
2. 生命体内的热力学循环生命体运作需要能量提供，同时产生的热量也需要排出。
生命体内的能量代谢过程和热力学循环密不可分。
最近的研究在此方面取得了重要进展。
研究人员发现，生命体内的能量代谢不仅涉及到热能和化学能，还涉及到电能和机械能等多种形式的能量交换。
这丰富的能量转换机制和生命体内复杂的代谢网络密不可分。
另外，生物体内的热能也需要排出体外，以保持身体温度稳定。
人类体内的排热过程是一种复杂的热力学循环，涉及到血液循环、肌肉收缩、代谢等多种生物过程。
最近的研究在此方面也有了新的突破，包括体表温度调节和内脏器官的温度平衡等。
热力学提纲
热力学初步第一节热力学基本概念一、体系1．敞开体系；2．封闭体系；3．孤立体系。
二、环境三、状态及状态函数四、过程与途径五、广度（容量）性质及强度性质六、热力学第一定律，热和功七、化学反应的热效应(Q P Q v )、焓(H)1. 反应热（化学反应的热效应）2.焓（H）3.等压反应热（Q p）4.等容反应热5.ΔH的物理意义6. Q p与Q v之间的关系7. 适用条件8.反应热的测定9.热化学方程式10. 热力学标准态11．反应的焓变12．标准摩尔生成焓第二节盖斯定律，标准生成焓和反应热计算1. 盖斯定律2．应用条件3.①熔解热：②无限稀释溶液③离子生成热4.焓变的计算公式5.利用标准焓可计算某一化学反应的反应热6. 由燃烧热计算反应热7.键焓第三节过程的自发性, 熵, 热力学第二、三定律一、过程的自发性二、熵与熵变三、熵变与过程的方向1.热温熵2.熵的应用3．热力学第二定律4．⊿r H m&，⊿r S m&对反应自发性的影响5．结论第四节自由能与化学反应进行的方向一、自由能函数的定义二、吉布斯-赫姆霍兹方程三、标准生成自由能⊿f G m&四、化学反应中过程自由能变⊿f G m&的计算五、热力学函数的变化五、反应自发性的判断第五节热力学函数的计算及初步应用一、几个热力学函数二、计算及应用三、电池电动势与化学反应Gibbs自由能1、电池电动势与化学反应Gibbs自由能的关系2、电池标准电动势和平衡常数例1：用弹式量热计测得298K时，燃烧1mol正庚烷的恒容反应热为- 4807.12 kJ.mol-1,求其Qp值。
例2: 在101.3 kPa条件下，373 K时，反应2H2(g)+ O2(g) ==== 2H2O(g) 的等压反应热是- 483.7 kJ.mol–1，求生成1mol H2O（g）反应时的等压反应热Q P及恒容反应热Q V。
例3:计算CaCO3(s) =CaO(s) + CO2 (g)反应的热效应。
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氧化还原反应
2.5 自自由能在生生物体系物理理平衡中的应用用
细胞新陈代谢过程中的热力力力学分析
葡萄糖氧化燃烧的自自由能变化
糖酵解作用用 三羧酸循环 呼吸链和氧化还原反应
ATP产生生的能量量 ATP在生生物体内的作用用 底物循环
透析
平衡透析 唐南平衡 跨膜运输
钠钾泵过程的热力力力学分析
钠离子子输运的自自由能 钾离子子输运的自自由能 总的自自由能 ATP水水解产生生的自自由能 肾小小管重吸收作用用
2.2 生生物热力力力学第二二定律律和熵
熵 热力力力学第二二定律律描述 熵增原理理
定义 统计学意义 意义：蛋白白质变性 热力力力学第三定律律
2.3 吉布斯自自由能和自自由能最小小理理论
等温等压 Gibbs自自由能 等温等容封闭系统 Helmholtz自自由能 非非共价键合Байду номын сангаас应的热力力力学分析
2.4 自自由能在生生物化学平衡反应中的应用用
核酸双链形成中的自自由能变化
双链形成中主要的相互作用用 双链DNA变性和复性温度曲线
PCR
反应过程 热力力力学应用用 分子子药理理学
测试药物和受体结合的能力力力 不不同绑定强度的药物阻断剂对配体受体结合的影响
生生物系统的复杂过程包括的重要单元 平衡状态
扩散状态和平衡状态
可逆过程——相变——脂类 化学势
标准自自由能 吉布斯自自由能和反应平衡常数
应用用
糖酵解 哈伯固氨法 液态丙酮酸 反应平衡系数和标准Gibbs自自由能的关系 反应自自由能变化和平衡常数关联
生生化反应过程中的标准状态
温度对平衡常数的影响
酸碱平衡
2. 生生物热力力力学
热力力力学的研究对象 热力力力学系统 系统的分类和状态的描述 热力力力学的平衡态
2.1 生生物热力力力学第一一定律律和焓
热力力力学第一一定律律的描述 热力力力学系统的内能
状态函数 热量量传递
热量量 热量量和内能的区别 做功 热力力力学第一一定律律的表达式 焓 恒容反应 恒压反应 标准焓 热力力力学第一一定律律在生生物学中的应用用 热容