第四章 生物热力学
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）
(10)热力学第四章2
说明
1.虽然多变过程能高度概括地描述更多的实际过程， 比前面四种基本过程更为一般化，但也并非任意的过 程，它仍然依据一定的规律变化：即整个过程服从过 程方程式pvn=const，其中n为某一定值。
2.实际过程气体状态参数的变化规律并不符合多变过
程，n值很难保持为定值。对于多变指数n是变化的实
IV区压缩、升压、吸热、温升 IV’区膨胀、降压、放热、温降；
6. n 值的确定
若对一多变过程，已知其初、终态参数
p1v1n
p2
v
n 2
ln( p1v1n ) ln( p2v2n )
n ln p2 / p1 ln v1 / v2
wt nw
例题
• 空气以0.012kg/s的流速稳定流过压缩机，入口参 数0.102MPa，305K，出口参数0.51MPa，然后进 入储气罐。求1kg空气的焓变和熵变，以及压缩机 的技术功率和每小时散热量。比热取定值。
Tvk1 const
T k1 const pk
p2 ( v1 )k pvk ( pv)vpk11 RvgT2 vk1 const
T2 ( v1 )k1
T1 v2
pvk
ppkkv1Tk 2(R(pgpkT21))k
const
k 1 k
T1 p1
4、在p-v图或T-s图上表示
v
n=±∞
T
1
n=0
2n＝1
0
3n=k
s
0-1: q>0，w<0，∆u>0；
0-2: q>0，w>0， ∆u>0 ；
0-3: q<0，w>0， ∆u>0 ；
热力学第四章
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生物系统热力学的建模与分析
生物系统热力学的建模与分析热力学是物理学的一个分支，用来研究热、功、能的关系及其转化规律。
而生物系统热力学则是将热力学的基本原理和方法应用于生物系统分析的一门学科。
通过对生物系统中的化学反应、能量转化及运动等过程进行建模与分析，可以更好地理解生命活动的本质和机理。
一、热力学的基本概念在了解生物系统热力学之前，我们先来回顾一下热力学的基本概念。
热力学有三个基本规律：热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
其中，热力学第一定律描述了能量在转化过程中的守恒，即能量不能被创建或消失，只能从一种形式转化为另一种形式；热力学第二定律描述了能量转化的方向性，即任何一个孤立系统的熵都不可能减小；热力学第三定律则描述了温度趋于绝对零度时熵的极小值原理。
二、生物系统热力学模型生物系统热力学建模时，需要将生物体看做一个能量系统，系统内的各个生物部位和器官则可以看做不同的热力学系统。
每个生物系统中，都有一定的自由能和熵。
自由能由内能、熵和温度共同组成，而熵则是反映该系统的无序程度。
通过对系统内的反应方程式、温度、酶的催化能力等因素进行量化，可以建立与生物系统热力学相一致的数学模型。
三、生物系统热力学分析方法建立生物系统热力学模型后，需要对模型进行分析。
常见的分析方法有稳态分析和稳定性分析。
稳态分析是指在恒定温度下，系统内的物质与能量达到均衡状态时，系统中各物质的浓度、各反应的速率等特征的分析。
稳定性分析则是指分析系统在一定范围内温度和其它影响因素的变化时，系统是否能够保持在某种稳定状态。
四、应用领域生物系统热力学的研究涉及到生物体内的化学反应、代谢、运动、营养、免疫等多个方面。
其中，代谢和营养方面的应用较为广泛。
将生物系统看做一个能量系统，可以通过热力学模型预测合适的营养配比，以此改善身体的营养状况。
此外，生物系统热力学还可以用于探究代谢疾病的发生机理，为疾病的诊断和治疗提供理论基础。
总之，生物热力学是一门重要的交叉学科，可以为生命科学的发展提供新的思路和切入点。
第四章生物热力学要点
第四章生物热力学要点生物热力学是研究生物体内能量流动与转化的一门科学。
它通过研究生物体内能量的产生、传递、转化和消耗等过程，揭示了生物体处于稳态的物质与能量的平衡。
第一要点：能量的产生与转化生物体内的能量主要来自于食物的摄取和呼吸过程。
食物经过消化吸收后，其中的化学能被转化为生物体所需要的能量。
在细胞内，能量转化主要通过细胞呼吸反应完成。
在细胞线粒体中，食物物质被氧化分解，产生大量的能量(ATP)，供细胞进行各种活动。
第二要点：熵的增加与熵摄取热力学中，熵是一种度量物质无序程度的参数，也是能量耗散和转化程度的指标。
生物体内的化学反应和能量转化过程都会产生熵的增加。
为了维持生物体内的有序状态，生物需要通过摄取外界能量来抵消熵的增加，即熵摄取。
例如，动物通过食物摄取能量，植物通过光能、化学能转化为化学能等方式摄取熵。
第三要点：自由能与代谢在生物体内，自由能是指可利用的能量，也是生物体维持生命活动所需的能量。
自由能可以通过代谢反应（即化学反应）进行转化和耗散。
代谢反应分为两类：合成代谢和分解代谢。
合成代谢是指生物体将能量转化为物质，用于生长、增殖和维持机体结构等。
分解代谢是指生物体将物质转化为能量，用于维持生活活动和运动等。
第四要点：能量平衡与稳态生物体内的能量转化是一个动态平衡的过程。
在能量平衡中，能量的输入和输出要达到平衡，以维持生物体的稳态。
当能量输入超过输出时，生物体会积累能量，导致体重增加；而当能量输出超过输入时，生物体会消耗储存的能量，导致体重减少。
能量平衡的破坏可能导致肥胖、消瘦等健康问题。
第五要点：高效能量转化的机制为了使能量转化更高效，生物体采用了一系列机制。
例如，生物体借助酶的催化作用，加速化学反应的速率，提高能量转化效率。
此外，生物体还通过增加微观界面面积，增加化学反应的发生概率，以提高能量转化效率。
第六要点：温度对生物热力学的影响温度是影响生物热力学过程的重要因素。
随着温度升高，生物体内的化学反应速率也会增加，能量转化效率也会提高。
热力学的热量与温度
热机循环
包括等温、绝热 等过程
斯特林循环
热机工作原理
通过压缩、加热、膨胀、 冷却四个过程工作
热机应用
制冷行业 发电领域
效率提升
优化循环过程 提高能量利用率
布雷顿循环
01 喷气发动机原理
热机在运行中的工作方式
02 燃烧系统优化
改进以提高效率
03 燃料利用率
提高燃烧效率
热机效率
● 06
第6章 热力学应用与发展
热力学在能源领 域的应用
燃烧系统设计是为了 提高燃烧效率，减少 能源浪费。太阳能利 用研究太阳能转化为 热能的过程，使之更 加高效且环保
热力学在环境领域的应用
污染物排放 控制
通过热力学模型 优化排放控制
废热利用
利用废热进行能 量回收
热力学在材料领域的应用
热处理工艺
热力学系统对比
01 封闭系统
与外界只交换能量，不交换物质
02 开放系统
与外界交换能量和物质
03 绝热系统
不与外界交换能量和物质
● 02
第2章 热量的传递与传导
热传导方式
热传导是指通过物质 内部分子运动传递热 量的方式。此外，对 流传热是指流体内部 的热传导，而辐射传 热则是通过辐射方式 传递热量。
热力学的热量与温度
汇报人：XX
2024年X月
第1章 热力学的基本概念 第2章 热量的传递与传导 第3章 温度的测量和热平衡 第4章 热力学循环 第5章 热力学系统研究 第6章 热力学应用与发展 第7章 总结与展望 第8章 热力学的热量与温度
目录
● 01
第1章 热力学的基本概念
什么是热力学
热力学是研究热量与 温度之间关系的学科。 它涉及能量转化、热 力学平衡、热力学循 环等内容。热力学是 物质微观性质的集合， 通过析热力学系统 的能量转化，揭示物 质微观结构和运动规 律。
生物热力学和热生态学的应用
生物热力学和热生态学的应用生物热力学和热生态学是生物学中的两个重要分支，它们对研究生态系统中的能量流和物质转化起着至关重要的作用。
本文将介绍生物热力学和热生态学的基本概念及其在生态学中的应用。
生物热力学是研究生物体内能量转化和利用的学科。
在生物体内，能量的输入主要是来自光合作用或食物中的化学能，而能量的输出则体现在代谢过程中的热能和体力劳动上。
生物热力学主要研究热力学定律在生物体内的应用，如热力学第一定律（能量守恒定律）和热力学第二定律（熵增原理）等。
通过热力学分析，可以揭示生物体内的能量转化和利用机理。
热生态学则是热力学在生态学中的应用。
它主要研究生态系统中的能量流和物质转化，通过热力学分析，揭示生态系统的结构和功能机理。
生态系统中的所有生物和非生物组成部分都是通过能量和物质的转移和转化相互联系起来的。
通过研究生态系统中的能量流和物质转化，可以了解物种之间的相互作用和生态系统的稳定性。
那么，生物热力学和热生态学有哪些应用呢？首先，生物热力学可以用于研究生物体内的代谢。
通过测量生物体内的热量变化和代谢产物的产生量，可以研究不同物种和环境条件下的代谢过程。
生物体的代谢特征与生物体的形态和功能密切相关，因此生物热力学研究还可以用于探究生物体的形态与功能之间的相互适应性。
其次，生物热力学可以用于评估生态系统的稳定性和环境容量。
生态系统的稳定性是指在外界干扰下能够自我调节和维持的能力。
而环境容量是指生态系统能够承载的最大生物量或最大生产力。
通过生物热力学分析生态系统中的能量流和物质转化，可以评估生态系统的稳定性和环境容量，并预测生态系统的变化趋势。
再次，热生态学可以用于研究生态系统中的生态位和生态角色。
生态位是指物种在生态系统中的地位和角色，而生态角色是指物种所扮演的生态角色和功能。
通过热力学分析生态系统中的能量流和物质转移，可以研究不同物种在生态系统中的生态角色和生态位，了解物种之间的相互作用和生态系统的结构与功能。
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。
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。
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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第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学
在孤立体系或绝热体系中系统一切可以发生
的过程要么是熵变为0（可逆，平衡态），
要么熵变大于0（不可逆）。熵不可能减小，
即熵总是增大的。
2.2热力学第二定律 之自由能判据
热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示
在恒定温度和压力条件下总能量中可以做
功的那一部分能量为自由能，以G表示
DG = DH-TDS
帕金森氏症（Parkinson disease）
某些肿瘤
Model）
该模型认为蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这 些位点上生成不稳定的二级结构单元或者疏水簇，主要依靠局部 序列的近程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非特异 性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结构生成并 因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水核心和二级结 构的类熔球态中间体的球状结构。球形中间体调整为致密的、无 活性的类似天然结构的高度有序熔球态结构。最后无活性的高度 有序熔球态转变为完整的有活力的天然态。
折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化 的结构, 因此ΔS链是负数, 则-TΔS链为正值。 ΔH链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。
生物热力学——精选推荐
习题库第一章生物热力学一、基本概念1、热力学系统、内能、热量、熵、焓、自由能2、热力学第一定律和第二定律的描述和表达二、简要说明题1、请简要推导肌红蛋白的氧饱和度与氧分压的理论关系式。
2、请说明肌红蛋白和血红蛋白的氧饱和度曲线的特点如何满足其生理功能。
第二章 质量输运1、比较小分子物质与大分子物质的跨膜输运机制。
2、什么是细胞膜的“流动镶嵌模型”？3、什么是连续性方程？它的物理意义是什么？4、Maxwell-Stefan方程的形式如何？所阐述的物理意义是什么？5、从质量传递的理论说明渗透的物理本质，用什么相关的公式来定量描述？并举例说明在生理学中的渗透现象。
6、简述主动输运的生物学意义，以及Na+/K+泵的机制。
7、在生物膜输运过程中，哪些过程符合Fick定律？如何用公式定量描述？第三章 分子生物物理学1、生物大分子的结构分为哪几个层次？2、扫描隧道显微镜的工作原理是什么？有什么用途？3、在实际应用中，核磁共振靠什么来研究分子结构？4、核磁共振的基本原理。
5、简述驰豫的物理本质。
6、简述大分子结构测定的物理方法与技术。
第四章生物组织和细胞的力学特性一、基本概念1、应力、应变、杨氏模量或弹性模量，粘弹性响应1、Maxwell模型、Voigt模型Kelvin和标准线性粘弹性固体模型二、简要说明题1、请简要说明生物大分子和配体的透析平衡实验，包括操作过程和数据处理方法。
2、请简要说明判断生物大分子和配体协同结合的方法。
3、请简要说明三种主要生物组织结构α螺旋、β片状和胶原蛋白三螺旋结构的力学特点。
4、请简要说明细胞骨架主要结构元素肌动蛋白-微丝、微管和中间细丝的力学特点。
5、请简要说明细胞力学结构模型的特点。
第五章 电生理学基础1．加尔瓦尼和伏特对于蛙腿实验的结果各持怎样的观点，有何对错？2. 细胞膜的时间常数和空间常数各是什么含义？如何设计实验测量细胞膜的膜电 阻值和膜电容值？3. 静息膜电位和动作电位的产生机制各是什么，如何用Nernst方程计算离子平衡电位？4．为什么要用电压钳，有哪些实现方法？5. 什么是膜片钳实验技术，主要特点是什么？请简述膜片钳放大器探头的电路原理。
热力学第四章2
qre
sg 0 q • 过程进行的方向 s T q 0 克劳修斯不等式 • 循环 s 0 Tr
熵的问答题
• 任何过程，熵只增不减 ╳ • 若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到
达同一终点，则不可逆途径的S必大于可 逆过程的S ╳
例1 教材（4-7）
b
1 kmol 1 atm
1 kmol 1 atm
例1 教材（4-7）
热一律 Q H Wt H ab H ac
nbCpm Tb Ta ncCpm Tc Ta 145.5kJ
若吸热，无热源，不可能 25℃ 向环境放热
a 2 kmol
2000 K
100 kJ 85 kJ 83 kJ 15 kJ 17 kJ 300 K
可逆与不可逆讨论(例2)
不可逆热机 由于膨胀时摩擦 T
= 2kJ
2000 K
100 kJ 85 kJ 83 kJ 15 kJ 17 kJ 300 K
T0
Scycle=0
Siso=0.0067 S
可逆与不可逆讨论(例3)
q u w
相同
wR wIR
判断题（2）
• 若工质从同一初态出发，从相同热源吸收
相同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？
s
q
T
=：可逆过程 >：不可逆过程
相同热量，热源T相同
sIR sR
相同初态s1相同
s2,IR s2,R
判断题（3）
• 若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过
15 kJ
300 K
可逆与不可逆讨论(例1)
可逆热机 T
Scycle=0, Siso=0
热传导和生物热力学
热传导和生物热力学1. 热传导基本概念热传导是指热量在物体内部由高温区向低温区传递的过程，主要通过分子间的碰撞实现。
热传导的过程可以是固体的导热、液体的对流以及气体的对流。
热传导的方程为傅里叶定律：[ q = -kA ]其中，( q ) 是单位面积的热流量，( k ) 是物体的热导率，( A ) 是物体的横截面积，( ) 是温度梯度。
2. 生物热力学基本概念生物热力学是研究生物体在其生命活动中与热能相互作用的科学。
生物体对热能的吸收、传递和转换过程涉及到生物体的生理功能、环境因素以及生物体的生理和生化反应。
生物热力学的研究主要集中在以下几个方面：(1)生物体的热平衡：生物体在吸收和释放热量的过程中，通过调节自身的生理功能，使其体温保持在一定的范围内。
(2)生物体的热传递：生物体内部和外部的热传递过程，包括热传导、对流和辐射。
(3)生物体的热适应：生物体对不同环境温度下的生理和行为适应。
(4)生物体的热能转换：生物体将热能转化为生物能的过程，如食物的消化和代谢。
3. 热传导在生物热力学中的应用热传导在生物热力学中的应用主要体现在生物体内部和外部的热传递过程。
生物体内部的热传递主要通过热传导实现，而生物体与外部环境之间的热传递则涉及到热传导、对流和辐射。
(1)生物体内部的热传递：生物体内部的热传递主要通过热传导实现。
生物体的组织、器官和细胞等不同层次的结构都具有不同的热导率和温度分布。
生物体内部的热传递过程受到生物体的生理和生化反应的影响，如代谢产物的热能释放、血液循环对温度分布的影响等。
(2)生物体与外部环境的热传递：生物体与外部环境之间的热传递涉及到热传导、对流和辐射。
生物体通过皮肤、羽毛、毛发等表面结构与外部环境进行热交换。
对流是生物体与外部环境之间热传递的主要方式，如动物的呼吸和出汗等生理过程。
辐射是生物体与外部环境之间热传递的另一种方式，如生物体的体温通过红外辐射散发到外部环境中。
4. 生物热力学中的热适应生物体在不同的环境温度下，通过生理和行为适应来维持其体温的稳定。
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∆E／∆t ：分解代谢率 ∆Q／∆t ：热交换率 ∆W／∆t ：动物体传递给其他系统的机械功率。 动物体传递给其他系统的机械功率。 分解代谢率可通过观察人把食物转换成能量和废物时利 用氧的速率，即氧消耗率来精确测量。 用氧的速率，即氧消耗率来精确测量。
∆E ∆Q ∆W = − ∆t ∆t ∆t
2. 氧消耗率和氧热当量 氧消耗率: 单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。 氧消耗率 单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。 氧热当量: 氧消耗和人体内能的减少之间的关系, 氧热当量 氧消耗和人体内能的减少之间的关系 即消 耗单位体积的氧所产生的能量。 耗单位体积的氧所产生的能量。
4.3.4 人体的热性质 1. 比热：使1 kg生物组织材料升高 ℃度所吸收的热量。 比热： 生物组织材料升高1℃度所吸收的热量。 生物组织材料升高 生物组织比热： 生物组织比热：c=(1.0× H2O(f）+(0.4×Sf) H2O(f)为组织中水所占分量，Sf为干性物所占分量。 为组织中水所占分量， 为干性物所占分量。 瘦肉动物(蛋白 比热： 瘦肉动物 蛋白25%, 水75％)比热： 蛋白 比热 0.85kcal/(kg·℃) 脂肪性动物(脂肪 蛋白20%,水50%)比热 比热: 脂肪性动物 脂肪30%,蛋白 脂肪 蛋白 水 比热 0.70kcal/(kg·℃) 一般动物的均值常取0.83kcal/(kg·℃) 一般动物的均值常取 故人体的比热一般取0.83kcal/(kg·℃)=3.473kJ/(kg·℃) 故人体的比热一般取
4. 各类活动水平的耗氧率和分解代谢率
表4-3 各类活动水平的耗氧率和分解代谢率 活动水平 睡眠 演讲、 轻微活动 (演讲、散步、家务 演讲 散步、家务) 骑自行车16km/h, 赛马 赛马) 中等活动 (骑自行车 骑自行车 踢足球、 剧烈活动 (踢足球、锯木 踢足球 锯木) 篮球赛、 甚剧烈活动 (篮球赛、快速游泳 篮球赛 快速游泳) 自行车竞赛43km/h) 极剧烈活动 (自行车竞赛 自行车竞赛 耗氧率
(1) 体温越高，和生命有关的重要化学过程和物理过程就 体温越高， 进行得越快， 进行得越快， (a) 酶的最适宜温度在 酶的最适宜温度在36~37℃，过高导致酶变性，催 ℃ 过高导致酶变性， 化作用丧失。 化作用丧失。 (b) 体温提高到 ℃, 中枢神经系统功能开始衰退且会 体温提高到41℃ 出现惊厥， 出现惊厥， (c) 温度进一步提高到 ℃便会造成蛋白变性及死亡。 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，就有可能完全阻止酶的活性。体温下降至 体温下降，就有可能完全阻止酶的活性。 33℃ 以下 ， 神经功能便会受到抑制且知觉会消失 。 ℃ 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 ℃，更会 ℃以下则会引起调温系统失灵，若降至28℃ 引起心室纤颤甚至死亡。 引起心室纤颤甚至死亡。
α =0.64 寒冷环境： 寒冷环境 温度适中环境： 温度适中环境 α =0.67 炎热环境： α =0.8~0.9 炎热环境 α =0.65 一般情况： 一般情况：
4.3.2 温度梯度 体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温度梯度。 体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温度梯度。 体内的温度梯度取决于如下诸因素：局部生热、 体内的温度梯度取决于如下诸因素：局部生热、得热率和 失热率，以及局部血流率和组织的热导。 失热率，以及局部血流率和组织的热导。 4.3.3 热盈和热亏 热盈(heat storage) 和 热亏 热亏(heat debt)指的是体温升降时所 热盈 指的是体温升降时所 吸收或放出的热量。 吸收或放出的热量。 Q= mc∆Tb=mc(Tb-37℃) ℃ m: 人体质量 人体质量(kg)， ， c: 人体比热 c=0.83 kcal/(kg·℃)=3.5kJ/kg·K 人体比热, 体温升高, 为正 热盈；体温下降, 为负 是热亏。 为正， 为负, 体温升高 Q为正，热盈；体温下降 Q为负 是热亏。 人对严寒比对酷热显然具有较大的耐受力。 人对严寒比对酷热显然具有较大的耐受力。体温恒定对人 体是非常重要的。 体是非常重要的。
生物信息学 应用举例 人体蛋白质有10多万种 ， 人体蛋白质有 多万种， 由 20种氨基酸按一定的编码组 多万种 种氨基酸按一定的编码组 每一种氨基酸由4种碱基按照一定排列组成 问题是， 种碱基按照一定排列组成， 成，每一种氨基酸由 种碱基按照一定排列组成，问题是， 如果用4种编码 种氨基酸， 种编码20种氨基酸 如果用 种编码 种氨基酸 ， 每 1种氨基酸至少需要几个 种氨基酸至少需要几个 碱基进行编码？ 碱基进行编码？
第三节
体温与体温的控制
人类生存环境温度: 人类生存环境温度 -30 ~ +40℃。人体中央体温 37±2℃。 ℃ 人体中央体温: ± ℃ 恒温性：是指机体得热和失热各因素千变万化情况下， 恒温性 ： 是指机体得热和失热各因素千变万化情况下， 即内环境温度) 机体维持深部温度或体核温度 (即内环境温度 在一较窄 即内环境温度 范围内的能力。 范围内的能力。 保持体温恒定的意义在于： 保持体温恒定的意义在于：恒温是高级生命形式的重要 特征，恒温对维持哺乳动物机体生存是关键性的。 特征，恒温对维持哺乳动物机体生存是关键性的。
2. 皮肤温度(skin temperature) 皮肤温度 皮肤温度是一个不确定的概念，随体表部位的不同而不 皮肤温度是一个不确定的概念， 常用的皮肤温度是一平均值， 同。常用的皮肤温度是一平均值，选取不同部位测试点 的皮肤温度加权平均。 点法, 的皮肤温度加权平均。如：10,8,6,4,3点法 点法 如四点法： 如四点法：T皮＝0.2(T小腿+T大腿)+0.3(T胸+T上臂) 如三点法： 如三点法：T皮＝ 0.5T胸 +0.36T小腿+0.14T上臂 3. 体温 体温(body temperature) Tb=αT肛+(1-α)T皮
表4—1 典型食物的氧热当量 食物 醣 蛋白质 脂肪 乙醇 标准平均值 氧热当量/(107J·m-3) 氧热当量 2.113 1.866 1.983 2.033 2.02
各种食物平均来说，消 各种食物平均来说， 耗一升氧约能产生 2.02×104J的能量。 的能量。 的能量
பைடு நூலகம்
食物的氧热当量取决于碳水化合物、蛋白、 食物的氧热当量取决于碳水化合物、蛋白、脂肪等在食 物中所占的比例。 物中所占的比例。
碱基位数 1 2 3 可编码氨基酸数目 41=4 42=16 43=64 信息量(bit) 信息量 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 物理学家伽莫夫（ ） 出三联核苷酸密码编码20种氨基酸的推测 种氨基酸的推测。 出三联核苷酸密码编码 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。 三联核苷酸编码得到证实，并逐一被破译。
3. 健康状况与最大耗氧率的关系 人的健康状况以及他所能进行各类体力活动的剧烈程度， 人的健康状况以及他所能进行各类体力活动的剧烈程度 ， 也取决于其耗氧能力， 也取决于其耗氧能力 ， 即做功能力的大小为耗氧能力所 制约。 制约。
表4—2 人体健康水平和耗氧率 健康水平 很差 差 尚好 好 最好 最大耗氧率 (mL·min-1·kg-1) 18 34 42 52 70
第二节
生命现象研究的几个重要热力学函数
4.2.1 焓(enthalpy) 等压过程，引入态函数焓， 等压过程，引入态函数焓，H =E+pV ∆H=∆E+p∆V= ∆E+W 根据热力学第一定律， 根据热力学第一定律， Q=∆E+W 故 Q=∆H 意义：等压过程中系统焓变化等于系统与外界交换的热量。 意义：等压过程中系统焓变化等于系统与外界交换的热量。 4.2.2 吉布斯自由能 吉布斯自由能(Gibbs free energy) 等温等压过程，引用态函数吉布斯自由能, G=E+pV-TS 等温等压过程，引用态函数吉布斯自由能 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： 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 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 为非膨胀功） 为非膨胀功
4.3.1 体温 1. 体核温度 体核温度(core temperature) : 人体躯干核心的温度。 人体躯干核心的温度。 测量体核温度的部位通常为直肠、口腔、食管、 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， 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。 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。 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。 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: 能反映温度变化最快。 耳膜温度 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 ℃ 环境温度为 率的函数， 率的函数， 环境温度高于30℃ 因出现热应激，体核温度上升。 环境温度高于 ℃ ，因出现热应激，体核温度上升。
/(mL·min-1·kg-1) 以质量65kg人为准 人为准 以质量 分解代谢率/(J·h-1) 分解代谢率
3.5 10 20 25 30 70
2.929×105 8.368×105 1.674×106 2.092×106 2.510×106 5.858×106
基础代谢率(BMR): 当人处于完全静息状态下的代谢率。 当人处于完全静息状态下的代谢率。 基础代谢率 dE/dt=2.929×105J/h≈80W 哺乳类动物基础代谢率与质量关系： 哺乳类动物基础代谢率与质量关系：dE/dt=cM3/4 c≈3.766×105J/(kg3/4·K)