Функциональное состояние человека: Основные методы оценки своего функционального состояния и способы его регуляции Журнал Министерства обороны Российской Федерации

Диагностика функционального состояния человека под воздействием аудио- и визуальных стимулов

Ученые кафедры психофизиологии Факультета социальных наук ННГУ им. Н.И. Лобачевского провели серию экспериментов по диагностике функционального состояния организма человека под воздействием звуковых и визуальных стимулов.

Исследование выявило маркеры эмоций, главный из них – вариабельность сердечного ритма. Анализ реакции человека на позитивные и негативные изображения и звуки поможет смоделировать аудиовизуальный контент, способный выровнять эмоциональный фон человека и сделать его функциональное состояние оптимальным.

В исследовании приняли участие более 180 человек среднего возраста без патологий сердечно-сосудистой системы, все они получали набор негативных и позитивных изображений и звуков, специально отобранных для носителей русской культуры из международных баз данных изображений и звуков.

До, после и во время эксперимента участникам проводили мониторинг работы сердца, также ученые отслеживали параметры движения глаз, а сразу после эксперимента участники оценивали свое эмоциональное состояние по шкале от отвращения до удовольствия.

«Мы установили, что негативный контент сильнее влияет на эмоциональное состояние человека. При этом звуки превалируют над «картинкой»: при смешивании негативных звуков и позитивных изображений, человек в большинстве случаев переживает стресс», – сообщил сотрудник лаборатории психофизиологической диагностики функциональных состояний ННГУ Иван Лоскот.

У большинства участников эксперимента личная оценка состояния организма совпала с показателями сердечного ритма. Негативные изображения и звуки, связанные со смертью, или насилием, приводили их в напряженное, подавленное состояние. Позитивные стимулы, например, детский смех и фотографии радостных людей, приближали состояние организма к оптимальному. Примерно у 30% испытуемых полюсы наслаждения и отвращения менялись. При этом сами они адекватно оценивали позитивный и негативный контент.

Для объяснения причин парадоксальной реакции на стимулы ученые смоделировали нейрокогнитивную деятельность мозга, что позволило увидеть структуру индивидуальных информационных образов, которыми оперирует человек в процессе мышления. Автором математической модели выступил выпускник Университета Лобачевского, руководитель лаборатории в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова Александр Петухов.

«Информационный образ – «квант» человеческого разума. Это простейший элемент, которым человеческий мозг обрабатывает информацию. Мы предполагаем, что человеческое мышление – это активация и динамика информационных образов, их взаимодействие и существование во времени. С помощью математической модели можно воссоздавать эти процессы», – сообщил Александр Петухов.

«Информационный образ формируется из базовых сенсорных признаков события: пространство-время, количество-качество, но с этим связано и эмоциональное состояние, которое испытал человек, впервые пережив похожее событие. Негативный информационный образ хранится в памяти нашего мозга, и мы можем определять координаты этой паталогической записи в нейросетях. Например, беседуя с человеком и измеряя ритмограмму сердца, можно установить, что именно спровоцировало стрессогенность информационного образа. После этого неприятное воспоминание можно отредактировать, сняв стрессовый компонент специально подобранным аудиовизуальным контентом», – рассказывает руководитель исследования, заведующая кафедрой психофизиологии ННГУ Софья Полевая.

Исследование показало, что чем шире вариабельность сердечного ритма, тем легче человек возвращается к оптимальному состоянию и лучше контролирует себя. И наоборот, подавленный и эмоционально истощенный организм хуже адаптируется под стресс. По словам ученых, эти параметры также можно перенастроить с помощью правильно подобранного аудиовизуального контента.

Учёные ННГУ планируют разработать контент для коррекции паталогических состояний: на основе данных математического моделирования информационных образов генерировать необходимый контент будет специально созданная нейросеть.

Результаты исследований ученых ННГУ опубликованы в Diagnostics – международном рецензируемом журнале с открытым доступом по медицинской диагностике.

Особенности функционального состояния мозга подростков и возможность его произвольной регуляции — Психологическая газета на vc.

ru

20 просмотров

Функциональное состояние — это тот фон, на котором осуществляется функционирование физиологических систем, контакты с внешней средой и различные виды физической и познавательной деятельности. В организации функционального состояния организма ведущая роль принадлежит функциональному состоянию мозга, которое определяется соотношением активности различных мозговых структур и их взаимодействием. В континиуме функциональных состояний человека от состояния активного бодрствования (деятельности) до глубокого сна выделяется особое функциональное состояние — спокойное бодрствование (покой), оптимальное для готовности к приему информации и организации деятельности [16].

У взрослого человека в этом состоянии в электроэнцефалограмме (ЭЭГ) доминирует синхронная ритмическая активность частотой 8–12 Гц — альфа-ритм. Функциональные характеристики этого ритма определяют его значимость для осуществления готовности к восприятию информации и организации деятельности.

Согласованность во времени (синхронность) ритмической электрической активности нейронных сетей мозга, отражающаяся в параметрах электроэнцефалограммы (ЭЭГ) рассматривается как системообразующий фактор [25], обеспечивающий взаимодействие структур мозга [30], их объединение в функциональную рабочую систему, соответствующую конкретной реализуемой когнитивной задаче или организации деятельности. При произвольном внимании, направленном на восприятие стимулов определенной сенсорной модальности, наблюдается усиление взаимосвязанности по альфа-ритму сенсорно-специфических корковых зон и регуляторных зон префронтальной коры [9; 20].

Альфа-ритм как доминирующая форма активности в состоянии спокойного бодрствования формируется в онтогенезе человека постепенно по мере структурно-функционального созревания коры больших полушарий [10; 11; 15]. Его формирование проявляется в степени представленности в ЭЭГ, стабилизации, формировании определенной пространственно-временной организации, увеличении частоты.

В 6–8-летнем возрасте в ЭЭГ ребенка, наряду с альфа-ритмом, регистрируются колебания, отражающие активность глубинных структур мозга. И только с 9–10 лет альфа-ритм становится доминирующей стабильной формой активности с частотой, аналогичной частоте альфа-ритма взрослых. Формирование доминирующего ритма отражает становление зрелого типа баланса активности коры и подкорковых структур с превалированием активности коры больших полушарий. Это обеспечивает функциональное состояние, благоприятное для организации разных видов деятельности.

Начало полового созревания приводит к существенным изменениям степени структурного созревания разных отделов мозга. На начальной стадии полового созревания резко повышается активность гипоталамуса, являющаяся одним из компонентов нейроэндокринной гипоталамо-гипофизарной системы, рассматриваемой как запускающее звено полового созревания, стимулирующее выделение половых гормонов [8]. Согласно имеющимся данным, половые гормоны оказывают прямое и гетерохронное влияния на структурное созревание разных отделов мозга [26; 27; 29; 31].

При этом отмечается опережающее влияние гормонов на глубинные структуры мозга.

Баланс корково-подкорковой активации со временем изменяется в сторону большей активации более зрелых глубинных отделов, в том числе и структур мотивационно-эмоциональной системы. Повышенная активность этих структур приводит к возрастающему эмоциональному напряжению. Следствием этого является увеличение уровня общей психофизиологической активации [7].

В раннем подростковом возрасте происходят изменения функционального состояния мозга в покое, снижающие степень готовности к деятельности, что отражается в специфике когнитивных процессов. Меньшая степень зрелости префронтальной коры и сниженная ее активность по сравнению с глубинными структурами является препятствием для функционирования системы произвольной регуляции и организации деятельности, затрудняется реализация управляющих функций и снижается степень их влияния на активность глубинных структур. В экспериментальных исследованиях это проявляется в снижении функционального взаимодействия корковых структур в ситуации произвольного внимания, направленного на опознание неполных изображений и снижение эффективности выполнения этой когнитивной задачи [18; 19].

Показано также снижение объема рабочей памяти [17].

Изменение управляющих функций на начальном этапе полового созревания проявляется и в снижении тормозного коркового контроля [28], что приводит к возрастающей импульсивности принятия решений и поведения [13; 14]. Обнаруженные на начальном этапе полового созревания изменения деятельности мозга, безусловно, отрицательно влияют на функциональное состояние организма подростка, возникают определенные трудности учебной деятельности и перегрузки, напряжение деятельности физиологических систем, утомление, снижение стрессоустойчивости.

Вследствие снижения тормозного контроля со стороны коры на структуры мотивационно-эмоциональной системы потребности подростка становятся плохо управляемыми, они направлены только на то, что непосредственно интересует подростка и/или дает непосредственное положительное подкрепление [24; 32].

Несмотря на то, что, как и эмоциональное напряжение, так и специфика потребностей подростка не способствуют оптимальному функциональному состоянию и эффективности деятельности, оптимизация функционального состояния подростка возможна.

Для этого следует использовать характерный для периода взросления интерес подростка к собственной личности, к возможности изменить, улучшить свои физические и психические качества [12; 21; 22]. Подростков интересует все, что может помочь им лучше ориентироваться в окружающем мире. Этому стремлению препятствует снижение активности коры больших полушарий в сравнении с глубинными структурами и ухудшение вследствие этого механизмов произвольной регуляции функционального состояния.

Реализации механизма произвольной регуляции препятствует высокий уровень психофизиологической активации, связанный с повышенной активностью глубинных структур мозга. Для того чтобы реализовать потребности подростка к самоусовершенствованию, необходимо повысить возможность произвольной регуляции функционального состояния, снизив уровень напряжения и психофизиологической активации. Следует отметить, что повысить уровень активности коры сравнительно легко, для этого достаточно увеличить приток информации, поступающей в кору.

Из жизненного опыта мы знаем, что после непродолжительного или беспокойного сна, ощущая низкий тонус, достаточно сделать физические упражнения, и поток импульсации, поступающий через ретикулярную формацию ствола, повысит уровень активности коры больших полушарий.

Значительно труднее снизить уровень психофизиологической активации. Для этого требуется вовлечение механизмов произвольного управления функциональным состоянием. Вовлечение высших регуляторных структур префронтальной коры может обеспечить регуляцию общего уровня психофизиологической активации, снять излишнее напряжение, что, в свою очередь, позволит обеспечить готовность к реализации физической или познавательной деятельности.

Большинство взрослых при оптимальном соотношении активности коры и глубинных структур способны к произвольной регуляции функционального состояния. Способность к произвольной регуляции функционального состояния, как отмечено выше, формируется по мере созревания префронтальной коры и ее связей с другими структурами.

В раннем подростковом возрасте избыточная активность глубинных структур затрудняет возможность произвольной регуляции функционального состояния. Для того чтобы ее реализовать и снять чрезмерную психофизиологическую активность и напряжение, надо овладеть специальными приемами (техниками), способствующими оптимизации функционального состояния. Такими техниками являются методики релаксации.

Состояние релаксации — такое же естественное для организма состояние, как и другие входящие в континуум функциональных состояний. Оно занимает промежуточное место между спокойным бодрствованием (покоем) и сном. По уровню активации состояние релаксации противоположно мобилизации. Противоположны они и в энергетическом плане: при мобилизации происходит повышение уровня энергозатрат, при релаксации — накопление энергоресурсов. В этом плане релаксация сходна с состоянием сна, однако существенно отличается от него наличием сознания, готовностью к деятельности. Физиологические сдвиги, возникающие при формировании релаксации, очень напоминают состояние отдыха.

Это ослабление мышечного тонуса, снижение минутного объема дыхания (дыхание становится более редким и поверхностным), уменьшение частоты сердечных сокращений, нормализация артериального давления и выравнивание кожной температуры (потепление кистей рук), изменение гормонального профиля в сторону антистрессовой направленности. Релаксационное состояние по всем признакам противоположно состоянию нервно-психического напряжения, стрессу. Характер релаксационных сдвигов в физиологических процессах свидетельствует о его высоком восстановительном потенциале, позволяющем достаточно быстро оптимизировать функциональное состояние организма. Быстрое восстановление функциональных ресурсов — важная сторона использования релаксационных методик.

Роль релаксации в оптимизации функционального состояния мозга определила первоначальное использование релаксационных методик в клинических целях: при стрессах и неврозах [23]. Позднее возник более широкий интерес к релаксации, вызванный информационными и эмоциональными перегрузками, свойственными современному обществу.

Исследования произвольной регуляции функционального состояния в возрастном аспекте [1–6] показали, что способностью обучаться релаксации обладают уже дети младшего школьного возраста. Однако она выявляется только у 30% детей, при этом изменение значений электрокожного сопротивления (ЭКС) по сравнению с состоянием до релаксации не превышает 10%, в то время как у взрослых оно достигает 80%. Низкие возможности произвольной регуляции функционального состояния отражают установленную в онтогенетических исследованиях относительную незрелость регуляторных структур префронтальной коры и, соответственно, механизмов произвольного регулирования. Морфофункциональное созревание системы произвольной регуляции к 9–10 годам [9] определяет существенные изменения возможностей произвольной релаксации. В 10–11 лет способность к релаксации наблюдается у всех детей. Снижение общего уровня активации по ЭКС в этом возрасте достигает 50% [3].

Формирование к этому возрасту механизмов произвольной регуляции деятельности проявляется в функциональной организации структур мозга, приближающейся к таковой у взрослых. У детей 10–11 лет овладение методикой релаксации способствует не только снижению уровня активации, но и положительно влияет на когнитивные процессы. Установлено [6], что в 10–11 лет функциональная организация мозга при преднастройке к выполнению когнитивной задачи близка к таковой у взрослых. Формируются системы функциональных связей префронтальной коры с проекционными и ассоциативными корковыми зонами, участвующими в приеме и обработке модально-специфической информации, необходимой для решения предъявляемой когнитивной задачи. При этом преднастройка в пострелаксационном состоянии приводит к более выраженному усилению связей по сравнению с преднастройкой в функциональном состоянии, предшествующем релаксации. Такая организация направленного внимания обеспечивает повышение эффективности выполнения когнитивного задания: точность восприятия информации, увеличение объема кратковременной памяти. Таким образом, возраст 10–11 лет можно рассматривать как благоприятный период для обучения произвольной релаксации с целью повышения эффективности когнитивных процессов и, следовательно, учебной деятельности.

В связи с началом полового созревания происходят существенные негативные изменения механизмов произвольной регуляции функционального состояния. Сопоставление показателей произвольной релаксации в возрастных группах 10–11, 12–13 и 13–14 лет [5] показало, что на начальном этапе полового созревания возможности произвольной релаксации значительно меньше, чем в 10–11 лет. У 12–13-летних подростков в релаксационном состоянии уровень активации не отличается от такового до релаксации. В 13–14 лет появляется тенденция к снижению общей активации при релаксации, однако выраженность этих изменений еще не достигает взрослого уровня.

При этом для обеих групп подростков (12–13 и 13–14 лет) характерна меньшая степень изменения общего активационного уровня в сравнении с 10–11 годами. Особенности произвольной релаксации отчетливо выявляются в специфике функциональной организации мозга в процессе преднастройки к выполнению когнитивной задачи в пострелаксационном состоянии. В группе 12–13-летних формирующаяся при преднастройке система мозговых структур, обеспечивающая готовность к выполнению когнитивных задач, не отличается от формирующихся в предшествующем релаксации состоянии спокойного бодрствования. Соответственно, не наблюдается и улучшения показателей выполнения заданий (кратковременная слухоречевая память). В отличие от 12–13-летних, у 13–14-летних появляется характерное для преднастройки у взрослых и 10–11-летних детей усиление функциональных связей префронтальной коры с каудальными сенсорными зонами, что приводит к повышению эффективности деятельности — возрастает объем кратковременной памяти.

Показано, что результатом оптимизации функционального состояния в 13–14 лет является улучшение показателей слухоречевой памяти. Эти данные соответствуют результатам исследований, выявивших некоторое улучшение механизмов произвольной организации деятельности к 14 годам [19].

Существенной особенностью раннего подросткового возраста, негативно влияющей на психофизиологическую активацию, а следовательно, и на оптимизацию функционального состояния как готовности к деятельности, является изменение в мотивационно-эмоциональной системе. Повышенная в сравнении с корой больших полушарий активность глубинных лимбических структур и снижение возможностей коркового контроля приводит не только к избыточному эмоциональному напряжению, но и к качественным изменениям мотивационно-эмоциональной сферы.

Потребности подростка направлены только на то, что представляет для него непосредственный интерес [24; 32] и/или может дать немедленное положительное подкрепление. Показано, что только такие задачи активируют корковые отделы мотивационно-эмоциональной системы. Задания, не представляющие непосредственного интереса, не приводят к характерному для взрослых изменению корковых отделов мотивационно-эмоциональной системы, снижается и их влияние на организацию функциональных систем при когнитивной деятельности [19].

Анализ представленных выше данных свидетельствует о том, что у подростков возможности произвольной регуляции функционального состояния снижены во многом за счет повышенной психофизиологической активации. В связи с этим использование методов релаксации приносит несомненную пользу. Переход в релаксационное состояние снимает избыточную психоэмоциональную активность, тревожность, эмоциональную и вегетативную реактивность подростка, его утомляемость и, тем самым, способствует нормализации его поведения и эффективности познавательной деятельности.

Заключение

Анализ литературных данных и результатов многолетних исследований авторов свидетельствует о том, что высокий уровень активации глубинных структур мозга в раннем подростковом возрасте приводит к эмоциональному и вегетативному напряжению, чрезмерному повышению общей психофизиологической активности. Снижается возможность коркового контроля и произвольной регуляции функционального состояния. Следствием этого являются негативные изменения в состоянии спокойного бодрствования как оптимальном фоне для приема информации и организации деятельности.

Использование методик релаксации при регуляции функционального состояния у подростков приводит к снижению чрезмерной общей активации и напряжения. Однако у подростков в 12–13 лет по сравнении с 10–11-ти летними это снижение выражено значительно меньше, снижено влияние релаксации на организацию деятельности. В 13–14 лет наблюдается тенденция к восстановлению возможностей произвольной релаксации. Оптимальным для овладения произвольной релаксацией является возраст 16–17 лет, вместе с тем использование метода релаксации целесообразно в течение всего подросткового периода. Нормализация функционального состояния мозга и организма в целом с помощью релаксационных методик создает оптимальные условия для восприятия информации и организации деятельности.

Фарбер Дебора Ароновна

доктор биологических наук, профессор. Академик РАО. Главный научный сотрудник Института возрастной физиологии РАО.Москва

Горев Александр Сергеевич

кандидат биологических наук. Старший научный сотрудник Института возрастной физиологии РАО.Москва

Disability Impacts All of Us Infographic

Скачать:

Disability Impacts All of Us [918 КБ, 2 страницы, только печать]

Описание

Название: Disability Impacts all of us

• Сообщества
• Здоровье
• Доступ

До 1 из 4 (27 процентов) взрослых в Соединенных Штатах имеют ту или иную форму инвалидности. Графика Соединенных Штатов с изображением людей с ограниченными возможностями и людей без инвалидности.

Процент взрослых с типами функциональной инвалидности:

• 12,1% взрослых в США имеют ограниченную подвижность с серьезными трудностями при ходьбе или подъеме по лестнице.
• 12,8% взрослых в США имеют когнитивные нарушения с серьезными трудностями при концентрации, запоминании или принятии решений.
• 7,2 процента взрослых американцев имеют инвалидность, связанную с самостоятельным проживанием, и им трудно выполнять поручения в одиночку.
• 6,1 процента взрослого населения США глухие или имеют серьезные проблемы со слухом.
• 4,8% взрослого населения США имеют нарушения зрения со слепотой или серьезными нарушениями зрения даже в очках.
• 3,6 процента взрослого населения США не могут самостоятельно ухаживать за собой, им трудно одеваться или принимать ванну.

Инвалидность и здоровье

Взрослые с инвалидностью чаще страдают ожирением, курением, сердечными заболеваниями и диабетом:

• 41,6% взрослых с инвалидностью страдают ожирением, а 29,6% взрослых без инвалидности страдают ожирением.
• 21,9% взрослых с инвалидностью курят, а 10,9% взрослых без инвалидности курят.
• 9,6% взрослых с инвалидностью имеют сердечные заболевания, а 3,4% взрослых без инвалидности имеют сердечные заболевания.
• 15,9% взрослых с инвалидностью болеют диабетом, а 7,6% взрослых без инвалидности больны диабетом.

Инвалидность и доступ к медицинскому обслуживанию

Барьеры доступа к медицинскому обслуживанию для взрослых трудоспособного возраста включают

• Каждый четвертый взрослый с инвалидностью в возрасте от 18 до 44 лет не имеет обычного поставщика медицинских услуг
• Каждый четвертый взрослый с инвалидностью в возрасте от 18 до 44 лет имеет неудовлетворенные потребности в медицинской помощи из-за затрат в прошлом году
• Каждый пятый взрослый с инвалидностью в возрасте от 45 до 64 лет не проходил профилактический осмотр за последний год

Изменение к лучшему

Общественное здравоохранение предназначено для всех нас.

Присоединяйтесь к CDC и его партнерам, поскольку мы вместе работаем над улучшением здоровья людей с ограниченными возможностями.

• Разработка инклюзивной программы здравоохранения
• Улучшение доступа к медицинской помощи

• Пропаганда здорового образа жизни

• Мониторинг данных общественного здравоохранения
• Исследование и сокращение различий в состоянии здоровья

См. инфографику и ссылки на: www.cdc.gov/disabilities/

Свяжитесь с нами: [email protected]

Twitter: @cdc_ncbddd

Ссылки

1. Профилактика. Система данных об инвалидности и здоровье (DHDS) [Интернет]. [обновлено в мае 2023 г.; процитировано 15 мая 2023 г.]. Доступно на: http://dhds.cdc.gov

 

 В начало страницы

Функции состояния и пути — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

96644

A функция состояния — это свойство, значение которого не зависит от пути достижения этого конкретного значения. Напротив, функции, которые зависят от пути из двух значений, вызывают функции пути . И пути, и функции состояния часто встречаются в термодинамике.

Введение

Всякий раз, когда обсуждаются соединения или химические реакции, в первую очередь упоминается состояние конкретной молекулы или соединения. «Состояние» относится к температуре, давлению, количеству и типу присутствующего вещества. После создания государства можно определить функции государства. Функции состояния — это значения, зависящие от состояния вещества, а не от того, как это состояние было достигнуто. Например, плотность — это функция состояния, поскольку на плотность вещества не влияет способ его получения. Рассмотрим количество H ₂ O: не имеет значения, получен ли этот H ₂ O из крана, из колодца или из бутылки, потому что пока все три находятся в одном и том же состоянии, они имеют одинаковую плотность. При принятии решения о том, является ли определенное свойство функцией состояния, помните об этом правиле: влияет ли на это свойство или значение путь или способ, используемый для его установления? Если ответ «нет», то это функция состояния, если ответ «да», то это не функция состояния.

Математика функций состояния

Другой способ представить функции состояния как интегралы. Интегралы зависят только от трех вещей: функции, нижнего предела и верхнего предела. Точно так же функции состояния зависят от трех вещей: свойства, начального значения и конечного значения. Другими словами, интегралы показывают, как функции состояния зависят только от конечного и начального значения, а не от истории объекта или пути от начального до конечного значения.

Вот пример интеграла энтальпии, \(H\), где \(t_0\) представляет начальное состояние, а \(t_1\) представляет конечное состояние. 9{t_1} \; H(t) dt = H(t_1)-H(t_o) \]

Это эквивалентно известному определению энтальпии:

\[ \Delta H = H_{final} — H_{initial}\]

Как представлено решением интеграла, энтальпия является функцией состояния, потому что она зависит только от начальных и конечных условий, а не от пути, по которому эти условия устанавливаются. Поэтому интеграл функций состояния можно брать только по двум значениям: конечному и начальному. С другой стороны, требуется несколько интегралов и несколько пределов интегрирования, которые берут интеграл функции пути. Если интеграл некоторого свойства можно вычислить, используя только свойство и его начальное и конечное значение, свойство является функцией состояния.

Функции состояния и функции пути

Функции состояния определяются путем их сравнения с функциями пути. Как указывалось ранее, функция состояния — это свойство, значение которого не зависит от пути, по которому можно добраться до этой конкретной функции или значения. По сути, если что-то не является функцией пути, это, вероятно, функция состояния. Чтобы лучше понять функции состояния, сначала определите функции пути, а затем сравните функции пути и состояния.

Функции пути — это функции, которые зависят от пути, используемого для достижения определенного значения. Например, предположим, что у вас есть 1000 долларов на вашем сберегательном счете. Предположим, вы хотите внести деньги на этот счет. Сумма, которую вы вносите, является функцией пути, потому что она зависит от пути, который вы выбрали для получения этих денег. Другими словами, сумма денег, которую вы поместите на свой сберегательный счет, зависит от пути или способа получения этих денег. Если вы проработаете неделю генеральным директором компании, а не неделю проработаете на заправочной станции, в конце недели вы получите две разные суммы денег. Таким образом, функция пути — это свойство или значение, которое зависит от пути, выбранного для установления этого значения.

Функции состояния не зависят от выбранного пути. Используя тот же пример, предположим, что у вас есть 1000 долларов на вашем сберегательном счете. Вы снимаете 500 долларов со своего сберегательного счета. Неважно, снимаете ли вы 500 долларов за один раз или делаете это по ставке 50 долларов. В конце, когда вы получите свою ежемесячную выписку, вы заметите чистое снятие средств в размере 500 долларов США, а ваш итоговый баланс будет равен 500 долларам США. Таким образом, банковский баланс является функцией государства, поскольку он не зависит от пути или способа изъятия или внесения денег. В конце концов, делаете ли вы это единовременно или несколькими транзакциями, ваш банковский баланс останется прежним. На рисунке ниже показаны функции состояния в виде энтальпии: 9-_{(g)} \rightarrow NaCl_{(s)} \tag{5: образование решетки}\]

При сложении энтальпий всех этих стадий энтальпия образования \(NaCl_{(s)}\ ) по-прежнему составляет -411 кДж/моль. Это прекрасный пример функции состояния: какой бы путь ни был выбран для образования \(NaCl_{(s)}\), это приводит к одной и той же энтальпии образования -411 кДж/моль.

Таблица 1: Сводка различий между функциями состояния и пути

Состояние Функция	Функция пути
Независимо от пути, выбранного для установления свойства или значения.	Зависит от пути, используемого для установки свойства или значения.
Можно интегрировать, используя конечные и начальные значения.	Для интегрирования необходимо несколько интегралов и пределов интегрирования.
Несколько шагов дают одно и то же значение.	Несколько шагов приводят к разным значениям.
На основе установленного состояния системы (температура, давление, количество и тип системы).	В зависимости от того, как было установлено состояние системы.
Обычно обозначается заглавной буквой. 1	Обычно обозначается строчной буквой. 1

¹ Последнее сделанное сравнение является обобщением, которое не обязательно верно для всех аспектов и расчетов, связанных с химией.

Аналогия

Главное, что следует помнить при попытке идентифицировать функцию состояния, — это определить, влияет ли путь, выбранный для достижения функции, на значение. Приведенная ниже аналогия иллюстрирует, как определить, является ли определенное свойство функцией состояния.

Каждое утро миллионы людей должны решить, как добраться до своих офисов. Кто-то предпочитает подниматься по лестнице, а кто-то на лифте. В этой ситуации ∆y, или изменение вертикального положения, одинаково, независимо от того, поднимается ли человек по лестнице или на лифте. Расстояние от вестибюля офиса до офиса остается одинаковым, независимо от того, каким путем вы доберетесь до своего офиса. В результате ∆y является функцией состояния, поскольку ее значение не зависит от пути, по которому было установлено ее значение.

В той же ситуации время или ∆t не является функцией состояния. Если кто-то доберется до офиса более длинным путем (поднимется по лестнице), ∆t будет больше, тогда как ∆t будет меньше, если воспользоваться лифтом. В этой аналогии ∆t не является функцией состояния, поскольку ее значение зависит от пути.

Приложения

Функции состояния обычно встречаются в термодинамике; многие уравнения, связанные с термодинамикой, такие как \(\Delta U\) и \(\Delta H\), являются функциями состояния. Кроме того, функции состояния имеют решающее значение в термодинамике, потому что они упрощают расчеты и позволяют вычислять данные, которые в противном случае можно было бы получить только с помощью экспериментов.

В частности, функции состояний облегчают использование закона Гесса, который позволяет манипулировать (сложение, вычитание, умножение и т. д.) энтальпиями полуреакций при добавлении нескольких полуреакций для получения полной реакции. Закон Гесса зависит от того факта, что энтальпия является функцией состояния. Если бы энтальпия не была функцией состояния, закон Гесса был бы намного сложнее, потому что нельзя было бы складывать энтальпии полуреакций. Вместо этого потребуется несколько дополнительных расчетов. Кроме того, функции состояния и закон Гесса помогают рассчитать энтальпию сложных реакций без необходимости воспроизводить эти реакции в лаборатории. Все, что требуется, — это выписать и просуммировать энтальпии полуреакций или гипотетических стадий, ведущих к химической реакции. Функции состояния также встречаются во многих других уравнениях, связанных с термодинамикой, таких как внутренняя энергия (∆U), свободная энергия Гибба, энтальпия и энтропия.

Проблемы

1. С точки зрения того, что мы обсудили в этом модуле, переход с 1-го этажа зала Спроул на 9-й этаж зала Спроул, то же самое, что переход с 1-го этажа зала Спроул в 3-й этаж, на 5-й этаж, на 9-й этаж Спроул-холла?
2. Является ли ∆U функцией состояния?
3. Является ли температура функцией состояния?
4. Является ли громкость функцией состояния? (докажите на примере)
5. Хотя давление и объем являются функциями состояния, почему работа (которая часто выражается как -P∆V) не является функцией состояния?

Решения

1. Да, потому что вопрос описывает функцию состояния. Ваша позиция зависит только от конечной и начальной позиции, которые являются соответственно 9-м этажом Спроула и 1-м этажом Спроула, а не от пути или пути, по которому туда можно добраться.
2. Формула для ∆U: ∆U = U _{конечное} — U _{начальное} . Сама формула ∆U доказывает, что это функция состояния, потому что ∆U зависит только от U _{конечного} и U _{начального} . Другими словами, на ∆U не влияет путь, выбранный для установления его значений. Это определение функции состояния, и в результате ∆U является функцией состояния.
3. Температура — это функция состояния, поскольку она является одним из значений, используемых для определения состояния объекта. Кроме того, температура зависит от конечных и начальных значений, а не от пути, по которому они были установлены.
4. Объем — это функция состояния, поскольку объем зависит только от конечных и начальных значений, а не от пути, по которому эти значения устанавливаются. Любой пример, который показывает этот оператор в функции, является приемлемым. Вот приемлемый ответ: представьте, что воздушный шар надут до определенного объема. Если надувать его в несколько этапов или в один этап, в конце он все равно будет иметь тот же объем. В результате объем является функцией состояния, поскольку он не зависит от пути или истории объекта.
5. Причина, по которой работа не является государственной функцией, зависит от определения работы, а не от формулы работы. Определение работы — это перемещение объекта против силы. Таким образом, по сути, определение работы гласит, что работа зависит от ее истории или пути, по которому она идет, потому что движение объекта зависит от пути, по которому выполняется это движение (т. е. бег или ходьба). Следовательно, если объект зависит от своей истории или пути, по которому он идет, результирующее значение или свойство не является функцией состояния. Хотя давление и объем являются функциями состояния, определение работы показывает, почему работа не является функцией состояния.

Ссылки

1. Петруччи, Х. Ральф, Харвуд, Уильям С., Херринг, Ф. Г. и Мадура Джеффри Д. Общая химия: принципы и современные приложения . 9-е изд. Нью-Джерси: Pearson Education, Inc., 2007. Печать.
2. Коц, Джон К., Трейчел, Пол М., и Таунсенд, Джон. Химия и химическая реактивность . 7-е изд. Бельмонт: Высшее образование Томсона, 2006. Печать.

Авторы и авторство

• Эллисон Биллингс (UCD), Рэйчел Моррис (UCD), Райан Старр (UCD), Ангад Оберой (UCD)

---

State vs. Path Functions распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

1. Вернуться к началу

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Глава

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

   No related posts.