Główna zawartość
Kurs: Biologia > Rozdział 7
Lekcja 2: Prawa termodynamikiPrawa termodynamiki
Pierwsze i drugie prawo termodynamiki i ich zastosowanie do układów biologicznych. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu FUNDACJI HASCO-LEK.
Wprowadzenie
Jakiego rodzaju systemem jesteś: otwartym czy zamkniętym? Jak się okazuje, jest to pytanie z fizyki, a nie filozoficzne. Ty, tak jak wszystkie żywe istoty, jesteś systemem otwartym, co oznacza, że wymieniasz zarówno materię, jak i energię ze swoim środowiskiem. Na przykład, czerpiesz energię chemiczną w formie jedzenia i wykonujesz pracę nad swoim otoczeniem w postaci poruszania się, mówienia, chodzenia i oddychania.
Cała wymiana energii, która ma miejsce w tobie (np. wiele reakcji metabolicznych) oraz między tobą a twoim otoczeniem, może być opisana przez te same prawa fizyki, co wymiana energii między obiektami gorącymi i zimnymi lub cząsteczkami gazu, lub czymkolwiek innym, co możesz znaleźć w podręczniku fizyki. Tutaj przyjrzymy się dwóm prawom fizycznym – Pierwszemu i Drugiemu Prawu Termodynamiki – i zobaczymy, jakie mają one zastosowanie do systemów biologicznych, takich jak Ty.
Systemy i otoczenie
Termodynamika w biologii odnosi się do badania przenoszenia energii, które występuje w cząsteczkach lub grupach cząsteczek. Kiedy mówimy o termodynamice, konkretny przedmiot lub zbiór interesujących nas elementów (które mogą być tak małe jak komórka lub tak duże jak ekosystem) nazywany jest systemem, podczas gdy wszystko, co nie jest zawarte w systemie, który zdefiniowaliśmy, nazywamy otoczeniem.
Na przykład, jeśli podgrzewałeś garnek z wodą na kuchence, system może zawierać kuchenkę, garnek i wodę, podczas gdy otoczenie byłoby wszystkim innym: resztą kuchni, domem, sąsiedztwem, krajem, planetą, galaktyką i wszechświatem. Decyzja, co zdefiniować jako system jest arbitralna (zależy od obserwatora), i w zależności od tego, co chciałeś badać, równie dobrze mógłbyś przyjąć za system tylko wodę, albo cały dom, część systemu. System i otoczenie tworzą razem wszechświat.
W termodynamice istnieją trzy typy systemów: otwarte, zamknięte i izolowane.
- System otwarty może wymieniać z otoczeniem zarówno energię, jak i materię. Przykład kuchenki byłby systemem otwartym, ponieważ ciepło i para wodna mogą zostać przekazane powietrzu.
- System zamknięty, z drugiej strony, może wymieniać z otoczeniem tylko energię , materii już nie. Jeśli umieścimy bardzo ciasno dopasowaną pokrywę na garnku z poprzedniego przykładu, będzie to układ zbliżony do systemu zamkniętego.
- System izolowany to taki, który nie może wymieniać ani materii, ani energii z otoczeniem. Trudno jest znaleźć doskonały izolowany system, ale termos z pokrywką jest koncepcyjnie podobny do prawdziwego izolowanego systemu. Elementy wewnątrz mogą wymieniać energię między sobą, dlatego napoje stają się zimne, a lód trochę się topi, ale wymieniają bardzo mało energii (ciepła) ze środowiskiem zewnętrznym.
Ty, podobnie jak inne organizmy, jesteś systemem otwartym. Niezależnie od tego, czy o tym myślisz, czy nie, ciągle wymieniasz energię i materię ze swoim otoczeniem. Załóżmy na przykład, że zjadasz marchewkę lub podnosisz torbę z praniem na stół, lub po prostu wydychasz powietrze i uwalniasz dwutlenek węgla do atmosfery. W każdym przypadku wymieniasz energię i materię ze swoim środowiskiem.
Wymiana energii, która ma miejsce w żywych istotach, musi być zgodna z prawami fizyki. Pod tym względem nie różni się ona od wymiany energii w, powiedzmy, obwodzie elektrycznym. Przyjrzyjmy się bliżej, jak prawa termodynamiki (fizyczne zasady wymiany energii) odnoszą się do żywych istot takich jak ty.
Pierwsza zasada termodynamiki
Pierwsza zasada termodynamiki: zajmuje się całkowitą ilością energii we wszechświecie oraz twierdzi, że ta całkowita ilość energii nie zmienia się. Innymi słowy, Pierwsza Zasada Termodynamiki stwierdza, że energia nie może być wytworzona lub zniszczona. Może jedynie zmienić formę lub zostać przeniesiona z jednego obiektu do drugiego.
To prawo może wydawać się abstrakcyjne, ale jeśli zaczniemy przyglądać się przykładom, odkryjemy, że transport i przemiany energii zachodzą wokół nas cały czas. Na przykład:
- Żarówki przekształcają energię elektryczną w energię świetlną (energię promieniowania).
- Jedna piłka basenowa uderza w inną, przenosząc energię kinetyczną i poruszając drugą piłkę.
- Rośliny przekształcają energię światła słonecznego (energię promieniowania) w energię chemiczną zmagazynowaną w cząsteczkach organicznych.
- Przekształcasz energię chemiczną z ostatniej przekąski w energię kinetyczną podczas chodzenia, oddychania, czy przewijania palcem tę strony w górę i w dół.
Co ważne, żaden z tych transportów nie jest w pełni wydajny. W każdym przypadku część energii początkowej jest uwalniana jako energia cieplna. Kiedy energia jest przekazywana z jednego obiektu do drugiego, energia cieplna nazywana jest najczęściej po prostu ciepłem. Oczywiste jest, że świecące żarówki generują ciepło oprócz światła, ale poruszające się piłki basenowe również wydzielają ciepło (dzięki tarciu), podobnie jak nieefektywne transfery energii chemicznej w metabolizmie roślin i zwierząt. Aby dowiedzieć się, dlaczego to wytwarzanie ciepła jest ważne, zapoznaj się z Drugą Zasadą Termodynamiki.
Druga Zasada Termodynamiki
Na pierwszy rzut oka, pierwsza zasada termodynamiki może wydawać się świetną wiadomością. Jeśli energia nigdy nie jest wytwarzana ani niszczona, oznacza to, że energia może być jedynie ponownie wykorzystywana, prawda?
Cóż… i tak, i nie. Energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, ale może ona zmienić się z bardziej przydatnych form w mniej użyteczne formy. Jak się okazuje, w każdym transporcie lub przemianie energii, pewna ilość energii jest przekształcana w formę, która nie nadaje się do użytku (nie może być przekształcona w pracę). W większości przypadków, ta bezużyteczna energia przyjmuje formę ciepła.
Chociaż ciepło może w rzeczywistości wykonywać pracę w odpowiednich warunkach, nigdy nie można go przekształcić w inne (wydajne) rodzaje energii ze 100% wydajnością. Tak więc, za każdym razem, gdy ma miejsce transfer energii, pewna ilość użytecznej energii zostanie przekształcona z użytecznej w bezużyteczną.
Ciepło zwiększa losowość wszechświata
Jeśli ciepło nie może wykonywać pracy, to co dokładnie robi? Ciepło, które nie może wykonać pracy, zmierza w kierunku zwiększenia przypadkowości (nieuporządkowania) wszechświata. To może wydawać się dużym skokiem logicznym, więc cofnijmy się o krok i zobaczmy, jak to właściwie jest.
Kiedy masz dwa obiekty (powiedzmy dwa kawałki tego samego metalu) o różnych temperaturach, twój system jest względnie zorganizowany: cząsteczki różnią się prędkością: te w chłodniejszym obiekcie poruszają się powoli, a te w cieplejszym obiekcie poruszają się szybko. Jeśli ciepło przepływa z cieplejszego do chłodniejszego obiektu (tak samo jak w rzeczywistości), cząsteczki gorącego przedmiotu zwalniają, a cząsteczki chłodnego obiektu przyspieszają, do momentu aż wszystkie cząsteczki będą poruszać się z tą samą średnią prędkością. Teraz, zamiast podziału na szybkie i wolne cząsteczki, mamy po prostu jedną dużą pulę cząsteczek o tej samej prędkości - mniej uporządkowaną sytuację niż nasz punkt początkowy.
System będzie dążył do przesunięcia się w kierunku bardziej nieuporządkowanej konfiguracji, ponieważ jest statystycznie znacznie bardziej prawdopodobna, niż konfiguracja różniąca się pod względem temperatury (tj. istnieje o wiele więcej możliwych stanów odpowiadających nieuporządkowanej konfiguracji). Możesz zgłębić ten temat oglądając filmy w tym samouczku lub bezpośrenio w tym filmie.
Entropia i Druga Zasada Termodynamiki
Stopień losowości lub nieuporządkowania w systemie nazywa się entropią. Ponieważ wiemy, że każdy transfer energii powoduje przekształcenie części energii w formę, która nie nadaje się do użytku (np. ciepło), a ponieważ ciepło, które nie wykonuje pracy, zwiększa losowość wszechświata, możemy wyodrębnić "biologiczną" wersję Drugiej Zasady Termodynamiki: każdy transfer energii, zwiększy entropię wszechświata i zmniejszy ilość energii użytecznej dostępnej do wykonania pracy (lub, w skrajnym przypadku, pozostawi całkowitą entropię bez zmian). Innymi słowy, każdy proces, taki jak reakcja chemiczna lub zestaw połączonych reakcji, będzie przebiegał w kierunku, który zwiększa całkowitą entropię wszechświata.
Podsumowując, Pierwsza Zasada Termodynamiki mówi nam o zachowaniu energii wśród procesów, podczas gdy Druga Zasada Termodynamiki mówi o kierunkowości procesów, to znaczy od niższej do wyższej entropii (w całym wszechświecie).
Entropia w systemach biologicznych
Jedną z konsekwencji drugiej zasady termodynamiki jest to, że aby proces mógł się wydarzyć, musi w jakiś sposób zwiększyć entropię wszechświata. Może to natychmiast nasunąć pewne pytania, gdy myślisz o żywych organizmach, takich jak ty. Przecież nie jesteś ładnie uporządkowanym zbiorem materii? Każda komórka w twoim ciele ma własną wewnętrzną organizację; komórki są zorganizowane w tkanki, a tkanki w narządy; a całe twoje ciało wyposażone jest w dokładny system transportu, wymiany i pobierania, który utrzymuje cię przy życiu. Tak więc na pierwszy rzut oka może nie być jasne, w jaki sposób ty, a nawet prosta bakteria, mogą reprezentować wzrost entropii wszechświata.
Aby to wyjaśnić, przyjrzyjmy się wymianie energii, która ma miejsce w twoim ciele - powiedzmy, kiedy idziesz na spacer. Podczas pracy mięśni nóg, aby przesunąć swoje ciało do przodu, wykorzystujesz energię chemiczną ze złożonych cząsteczek, takich jak glukoza i przekształcasz ją w energię kinetyczną (a jeśli idziesz pod górę, energię potencjalną). Jednak robisz to z dość niską wydajnością: duża część energii jest po prostu przekształcana w ciepło. Część ciepła utrzymuje ciało w odpowiedniej temperaturze, ale jego większość rozprasza się w otaczającym środowisku.
Ten transfer ciepła zwiększa entropię otoczenia, podobnie jak fakt, że pobierasz duże, złożone biomolekuły i przekształcasz je w wiele małych, prostych cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla i woda (gdy metabolizujesz paliwo, by mieć siłę spacerować). Ten przykład dotyczy osoby w ruchu, ale tak samo jest w przypadku osoby lub jakiegokolwiek innego organizmu w stanie spoczynku. Osoba lub organizm zachowa pewną podstawową szybkość aktywności metabolicznej, powodując rozpad złożonych cząsteczek na mniejsze i bardziej liczne oraz uwolni ciepło, zwiększając w ten sposób entropię otoczenia.
Mówiąc bardziej ogólnie, procesy, które lokalnie zmniejszają entropię, takie jak te, które budują i utrzymują wysoce zorganizowane ciała istot żywych, mogą rzeczywiście mieć miejsce. Jednak te lokalne spadki entropii mogą wystąpić tylko przy zużyciu energii, gdzie część tej energii jest przekształcana w ciepło lub inne nieużyteczne formy. Efektem netto pierwotnego procesu (lokalny spadek entropii) i transferu energii (wzrost entropii otoczenia) jest ogólny wzrost entropii wszechświata.
Podsumowując, wysoki stopień organizacji żywych istot jest utrzymywany przez stały wkład energii i jest równoważony przez wzrost entropii otoczenia.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji