Conţinutul principal
Biblioteca de biologie
Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 7
Lecția 2: Legile termodinamiciiLegile termodinamicii
Prima şi a doua lege a termodinamicii, așa cum se aplică sistemelor biologice.
Introducere
Ce fel de sistem ești: deschis sau închis? Se pare că această întrebare nu ține de filosofie, ci de fizică. Tu, precum toate celelalte vietăți, ești un sistem deschis, însemnând că faci schimb și de energie și de materie cu mediul în care te afli. De exemplu, primești energie chimică, prin intermediul mâncării, și lucrezi pentru mediu prin mișcare, vorbire, mers și respirație.
Toate schimburile de energie care au loc în corpul tău (precum multe reacții metabolice), dar și cele între tine și mediu, pot fi descrise de aceleași legi ale fizicii ca schimbul de energie dintre obiecte calde și reci, sau a moleculelor de gaz, sau orice altceva vei găsi într-un manual de fizică. Aici, vom privi la două legi ale fizicii - primele două principii ale termodinamicii - și vom vedea cum se aplică la sistemele biologice asemănătoare ție.
Sisteme și împrejurimi
Termodinamica în biologie se referă la studiul transferurilor de energie din molecule sau colecții de molecule. Când discutăm despre termodinamică, elementul sau colecția de elemente care ne interesează (care pot fi mici cât o celulă sau cât un ecosistem) este numit sistemul, în timp ce tot ceea ce nu este inclus în sistem definește împrejurimile.
De exemplu, dacă încălzești o oală cu apă pe aragaz, sistemul poate include aragazul, oala și apa, în timp ce împrejurimile ar fi restul elementelor: restul bucătăriei, casa, vecinătățile, țara, planeta, galaxia și universul. Ce este definit ca sistem este o decizie arbitrară (la latitudinea observatorului), și, în funcție de ce vrei să studiezi, poți lua fie apa, fie întreaga casă ca parte din sistem. Sistemul și împrejurimile formează împreună universul.
Există trei tipuri de sisteme în termodinamică: deschise, închise și izolate.
- Un sistem deschis poate face schimb și de energie și de materie cu împrejurimile sale. Exemplul cu aragazul ar fi un sistem deschis, deoarece căldura și vaporii de apă se pot pierde în aer.
- Un sistem închis, pe de altă parte, poate face schimb doar de energie cu împrejurimile sale, nu și de materie. Dacă am pune un capac care se potrivește la perfecție peste oala din exemplul anterior, am aproxima un sistem închis.
- Un sistem izolat este unul care nu poate face schimb nici de materie, nici de energie cu împrejurimile sale. Un sistem izolat perfect este greu de întâlnit, dar un răcitor de băuturi termoizolat cu un capac este similar conceptual cu un sistem izolat adevărat. Elementele din interior pot face schimb de energie între ele, motiv pentru care băuturile se răcesc și gheața se topește puțin, dar fac schimb de foarte puțină energie (căldură) cu mediul exterior.
Tu, precum alte organisme, ești un sistem deschis. Conștient sau nu, faci schimb de energie și materie cu împrejurimile tale constant. De exemplu, să presupunem că mănânci un morcov sau ridici o pungă de rufe pe o masă sau pur și simplu expiri și emiți dioxid de carbon în atmosferă. În fiecare dintre aceste cazuri, faci schimb de energie și de materie cu mediul tău.
Schimburile de energie care au loc în interiorul vietăților trebuie să respecte legile fizicii. Din acest punct de vedere, nu există nicio diferență între acestea și transferurile de energie dintr-un circuit electric, să zicem. Haide să privim mai detaliat felul în care principiile termodinamicii (regulile fizicii despre transferurile de energie) se aplică la ființe vii, ca tine.
Primul principiu al termodinamicii
Primul principiu al termodinamicii este amplu: se referă la întreaga cantitate de energie din univers și, mai exact, afirmă că această cantitate totală nu se schimbă. Altfel spus, primul principiu al termodinamicii afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă. Poate doar să-și schimbe forma sau poate fi transferată de la un obiect la altul.
Acest principiu poate părea oarecum abstract, dar dacă ne uităm la exemple, vom vedea că transferurile și transformările energiei se petrec mereu și peste tot în jurul nostru. De exemplu:
- Becurile transformă energia electrică în energie luminoasă (energie radiantă).
- O bilă de biliard lovește o alta, transferând energie cinetică și determinând o a doua bilă să se miște.
- Plantele transformă energia soarelui (energie radiantă) în energie chimică stocată în molecule organice.
- Tu transformi energia chimică din ultima ta gustare în energie cinetică cât mergi, respiri și îți miști degetul pentru a derula această pagină în sus și în jos.
Important este că niciunul dintre aceste transferuri nu este complet eficient. În schimb, în fiecare scenariu, o parte din energia inițială este emisă ca energie termică. Când se mută de la un obiect la altul, energia termică este numită după denumirea mai familiară de căldură. Este evident că becurile luminate generează și căldură, pe lângă lumină, dar și bilele de biliard fac același lucru (datorită frecării), la fel ca transferurile de energie chimică ineficientă din metabolismul plantelor și animalelor. Pentru a vedea de ce generarea căldurii este importantă, rămâi atent la al doilea principiu al termodinamicii.
Al doilea principiu al termodinamicii
La primă vedere, primul principiu al termodinamicii poate părea o veste excelentă. Dacă energia nu este niciodată creată sau distrusă, înseamnă că aceasta poate fi pur și simplu reciclată încontinuu, nu?
Ei bine… da și nu. Energia nu poate fi creată sau distrusă, dar poate fi transformată din forme mai puțin utile în forme mai utile. După cum se pare, în fiecare transfer sau transformare de energie din lumea reală, o cantitate din aceasta este convertită într-o formă inutilizabilă (imposibil de folosit). În majoritatea cazurilor, această energie inutilă ia forma căldurii.
Deși căldura poate să fie utilizată în condițiile potrivite, nu poate fi niciodată transformată în alte (performante) tipuri de energie cu 100% eficiență. Deci, de fiecare dată când are loc un transfer de energie, o anumită cantitate de energie utilă va deveni inutilă.
Căldura crește caracterul aleatoriu al universului
Dacă nu este utilă, atunci ce face mai exact căldura? Căldura inutilă crește caracterul aleatoriu (dezordinea) universului. Acest fapt poate părea lipsit de logică, deci haide să facem un pas înapoi și să vedem de ce se întâmplă aceasta.
Când avem două obiecte (să zicem, două cuburi din același metal) de temperaturi diferite, sistemul nostru este relativ organizat: moleculele sunt împărțite de viteza lor, cu cele ale obiectului rece mișcându-se încet și cele ale obiectului cald mișcându-se rapid. Când căldura obiectului fierbinte se transferă către cel rece (după cum va face spontan), moleculele obiectului fierbinte încetinesc, iar cele ale obiectului rece accelerează, până când toate moleculele se mișcă cu aceeași viteză medie. Acum, în locul unei împărțiri între molecule încete și rapide, avem o cantitate mare de molecule mișcându-se cu aceeași viteză - o situație mai puțin ordonată decât cea inițială.
Sistemul va tinde să devină mai asemănător acestei configurații dezordonate, pur și simplu pentru că din punct de vedere statistic este mult mai probabil decât configurația separată de temperatură (mai specific, există mai multe stări posibile care corespund configurației dezordonate). Poți explora acest concept mai amănunțit în videoclip-urile din acest tutorial, sau în acest videoclip de fizică clar.
Entropia și al doilea principiu al termodinamicii
Gradul caracterului aleatoriu sau al dezordinii dintr-un sistem este numit entropia acestuia. Întrucât știm că orice transfer de energie rezultă în conversia unei cantități de energie la o formă inutilă (precum căldura), iar căldura nefolositoare crește caracterul aleatoriu al universului, putem enunța o variantă a celui de-al doilea principiu al termodinamicii relevantă pentru biologie: fiecare transfer de energie va crește entropia universului și va reduce cantitatea de energie utilă care poate funcționa (sau, în caz extrem, va lăsa entropia medie neschimbată). Cu alte cuvinte, orice proces, precum o reacție chimică sau un set de reacții conectate, va acționa într-o direcție care crește entropia medie a universului.
Pentru a rezuma, primul principiu al termodinamicii ne spune despre conservarea energiei în procese, în timp ce al doilea principiu al termodinamicii explică direcția proceselor, care este de la entropie scăzută la ridicată (în univers, în general).
Entropia în sistemele biologice
O consecință a celui de-al doilea principiu al termodinamicii este că, pentru ca un proces să aibă loc, trebuie să crească cumva entropia universului. Acest fapt poate ridica imediat câteva întrebări când te gândești la vietăți ca tine însuți. Până la urmă, nu ești o colecție de materie organizată? Fiecare celulă a corpului tău are propria organizare internă; celulele sunt organizate în țesuturi, iar țesuturile în organe; iar tot organismul tău menține un sistem atent de transport, schimburi și comerț care te ține în viață. Prin urmare, la prima vedere, poate să nu-ți fie clar cum tu, sau chiar și o simplă bacterie, puteți reprezenta o creștere a entropiei în univers.
Pentru a clarifica, să analizăm schimburile de energie care au loc în corpul tău - să zicem, când ieși la o plimbare. Când îți contracți mușchii picioarelor pentru a-ți muta corpul, folosești energie chimică provenită din molecule complexe ca glucoza și o convertești în energie cinetică (și energie potențială, dacă urci un deal). Totuși, faci toate acestea cu eficiență scăzută: o mare parte a energiei din sursele tale de energie este transformată în căldură. O parte din căldură îți ține corpul cald, dar multă din ea se risipește în mediul înconjurător.
Acest transfer de căldură mărește entropia mediului, la fel ca faptul că transformi biomolecule mari și complexe în multe molecule mici și simple, precum dioxidul de carbon și apă, pe măsură ce metabolizezi energia care îți alimentează plimbarea. Acest exemplu folosește o persoană în mișcare, dar aceleași procese se aplică și în cazul unei persoane, sau a oricărui alt organism, în stare de repaus. Persoana sau organismul va menține o anumită rată de bază de activitate metabolică, cauzând descompunerea moleculelor complexe în altele mai mici și mai numeroase și emiterea căldurii, deci crescând entropia mediului.
Spus mai general, procesele care scad local entropia, precum cele care construiesc și mențin organismele foarte organizate ale vietăților, pot avea loc. Totuși, aceste scăderi locale ale entropiei se pot desfășura doar cu pierdere de energie, în cadrul căreia o parte din energie este transformată în căldură sau alte forme neutilizabile. Efectul net al procesului inițial (scădere locală a entropiei) și transferului de energie (creștere a entropiei mediului) este, în medie, de creștere a entropiei universului.
Pentru a rezuma, nivelul înalt de organizare a viețuitoarelor este menținut de o sursă constantă de energie și este compensat de o creștere a entropiei în împrejurimi.
Vrei să te alături conversației?
Nici o postare încă.