结构生物化学/第一定律

介绍

热力学第一定律是能量守恒原理的表达。它指出，一个系统及其周围环境的总能量是恒定的，能量可以转换，但不能创造或毁灭。

热力学第一定律可以通过将生物体视为一个系统来应用于生物体。一个系统在没有外部能量来源的情况下，不能输出超过其所含能量的能量。一旦碳水化合物和其他能量来源中锁定的势能被生物体转化为动能（正在使用或运动的能量），生物体将不会获得更多能量，直到再次输入能量。了解这一点很重要，因为细胞、核糖体、蛋白质等执行的各种任务，只有通过将预先组装的分子摄取和转化为能量才能实现。

描述该理论的一般方程为

$dU=\delta Q-\delta W\,$

其中dU是内能的变化，dq是交换的无穷小热量，dw是所做的无穷小功。功和热不是状态变量，而内能是。在这个等式中，它表明只有热量和功会导致系统内能的变化，内能定义为封闭系统内所有动能和势能的总和。这个等式也可以用文字描述为：尽管能量有多种形式，但能量的总量是恒定的；当能量以一种形式消失时，它会同时以其他形式出现。

除了功和外部势能和动能之外，通过认识到热量和内能是能量的形式，才有可能对机械能守恒定律进行推广。事实上，表面能、电能和磁能等例子都可以作为上述推广的延伸。大量证据支持了这种推广的有效性，将其提升为科学定律，被称为热力学第一定律。

重要的是要了解系统的内能如何在恒定压力和温度条件下发生变化，因为许多化学反应是在这些特定条件下进行的。使用内能的定义，并假设只进行膨胀功，我们可以写出

$dU=\delta Q-P*\delta V\,$

展开项得到

ΔU = U₂ - U₁ = Q_p + W = Q_p - P*ΔV = Q_p - P*(V₂ - V₁)

最后，重新排列Q_p得到

Q = (U₂ -P*V₂) - (U₁ - P*V₁)

由于U、P和V都是状态变量，我们可以将恒压下转移的热量Q_p定义为一个新的状态函数，称为焓，H。我们可以将这个新的状态函数表示为

H = U + PV

其中H、U和V是摩尔值或单位质量值。U表示系统的内能，P表示压力，V表示体积。

当向系统添加热量时，系统的内能会增加，这反过来又会增加焓。周围环境对该系统所做的功将产生类似的结果（正功）。相反，热量损失到周围环境或系统所做的功对于焓和功将得到负号。换句话说，系统能量的任何变化都必须导致周围环境能量的相应变化。因此，能量从系统转移到周围环境（宇宙的重置），或从周围环境转移到系统。因此，能量既不能创造也不能毁灭。

将热力学第一定律应用于给定过程时，该过程的影响范围被划分为两个部分。过程发生的区域被设定为系统；与系统相互作用的一切都是它的周围环境。一个系统可以是任何大小；它的边界可以是真实的或虚构的，刚性的或灵活的。一个系统通常由单一物质组成；但是，在科学和工程应用中也可能找到由多种物质组成的复杂系统。无论如何，热力学方程都是针对明确定义的系统编写的。人们经常关注特定过程，以及直接参与该过程的设备和材料。但是，热力学第一定律适用于系统及其周围环境；而不是系统本身。

结论

热力学第一定律是能量既不能创造也不能毁灭。

一般形式

• 累积 = 输入 - 输出
• 输入 = 能量（势能、动能、内能）输入系统的速率 + 热量进入系统的速率
• 输出 = 热量离开系统的速率 + 它以功离开的速率
• 累积 = 系统中能量的速率

参考文献

2.Smith, J.M. (2005). 化学工程热力学导论. 麦格劳-希尔. ISBN 978-007-127055-7. {{cite book}}: Text "coauthors+ H.C. Van Ness, M.M. Abbott" ignored (help)

3. Berg, Jeremy (2012). 生物化学. 弗里曼. ISBN 9781429229364. {{cite book}}: Text "coauthors+ John L. Tymoczko, Lubert Stryer" ignored (help)