Выполняется ли первый закон термодинамики для биологических систем: Термодинамика биологическая первый – Справочник химика 21

Содержание

Термодинамика биологическая первый – Справочник химика 21

    Применение первого закона термодинамики к химическим и биологическим процессам [c.51]

    ЗНАЧЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ [c.53]

    Применим ли первый закон термодинамики и закон Гесса к биологическим системам  [c.61]

    Попытки проверить опытным путем справедливость первого закона термодинамики для биологических объектов предпринимались уже давно. [c.121]


    Ранее мы рассмотрели ряд закономерностей термодинамики и сделали положительное заключение ( 26) о применимости первого закона термодинамики для анализа биологических процессов. Выясним границы применения в биологии второго закона термодинамики, следствий из него и энтропии. Статистический характер и неприменимость второго закона термодинамики к отдельным молекулам и системам из небольшого числа молекул ограничивает область его приложения системами макроскопическими.
Самопроизвольные процессы в таких системах представляют собой переход системы из менее вероятного в более вероятное состояние, а необратимость физических процессов объясняется лишь относительно малой вероятностью их обращения, обусловленной молекулярным строением материи. С учетом изложенного естественно возникает вопрос, в какой мере приложима к биологическим процессам обычная трактовка второго закона термодинамики, вопрос о связи энтропии и вероятности состояния в смысле степени его упорядоченности и об определяющей роли энтропии в направлении химических процессов обмена. 
[c.66]

    Учебник состоит из двух книг. В первой — изложены теоретические положения кинетики и термодинамики биологических процессов и основы молекулярной биофизики проанализированы физические модели и представления, лежащие в основе понимания молекулярно-кинетических механизмов биологических процессов. [c.3]

    Хотя подбор материала и иллюстраций к общим положениям в существенной мере учитывает интересы именно биологического образования, изложение носит достаточно общий характер, чтобы книга могла быть использована для обучения физической химии студентов первого курса химической специализации в качестве курса, предваряющего изучение неорганической, органической и аналитической химии.

Конечно, при этом предполагается, что будущие специалисты-химики на старших курсах получат необходимые сведения по тем разделам физической химии, которые существенно базируются на знании основ теоретической физики и серьезного математического аппарата — квантовой химии, статистической термодинамики, теории сложных химических процессов. [c.4]

    В биологических системах теплота обычно отдается системой во внешнюю среду, а работа совершается системой за счет убыли внутренней энергии (рис. 5.1). Поэтому первый закон термодинамики (5.1) можно переписать в виде 

[c.58]


    Разобранная задача показывает, что первый закон термодинамики применим не только к чисто химическим, но также и к биологическим системам  [c.58]

    Из имеющегося набора функционально сходных организмов доминируют те из них, чьи кинетические характеристики более всего соответствуют условиям, складывающимся в сообществе. Сообщество с химической точки зрения определяется термодинамикой и кинетикой осуществляемых окислительно-восстановительных реакций. Но физико-химический подход дает только первую приблизительную картину возможностей, реализация которых зависит от биологических особенностей организмов. К таким особенностям относятся, например, способность к выживанию, сопротивление выносу из системы, выеданию и другие свойства, которые могут обеспечить процветание в экологических нишах, входящих в абстрактные фундаментальные ниши . 

[c.30]

    В первой части монографии изложена краткая история биологической физики, рассмотрены основные понятия и законы термодинамики и статистической физики, а также описаны великие парадоксы физики, анализ которых имеет принципиальное значение для понимания сути некоторых важнейших проблем биологической физики. 

[c.2]

    Однако, во-первых, не полностью завершенное может гармонически завершить только сам автор во-вторых, эта книга, являясь монографией (отчасти учебником) носит в то же время и мемориальный характер. Поэтому редактор не счел себя вправе все время комментировать изложенное (хотя значительная часть книги была написана К. А. Путиловым еще в 1938 г.) или дополнять авторский текст (например, сведениями по термодинамике дисперсных систем, оптических явлений, биологических и космических процессов и т. д.) и ограничился лишь очень краткими примечаниями, помещенными в конце некоторых глав. Не внесено каких-либо изменений и в библиографию. 

[c.6]

    Книга состоит из трех частей. В первой части книги изложены наиболее общие принципы термодинамики они обладают ограниченными прогностическими возможностями во всем, что касается биогенеза. Во второй части обсуждаются проблемы, относящиеся к системе организм — среда, и роль динамических структур. Динамичность биологических систем столь же важна для понимания смысла законов, объединяющих живой и неживой мир, как и существование стационарных состояний атома для квантовой механики. Именно динамичность позволяет обнаружить тенденцию к развитию кодовых отно-щений между средой и организмом и между частями организма.

Иллюстрации кодовых процессов конкретным биохимическим и биофизическим материалом посвящена третья часть книги. [c.3]

    В первую очередь мы рассмотрим понятие химического потенциала, имеющее существенное значение для понимания принципов передвижения воды и растворенных веществ в биологических системах. При изложении материала мы будем стараться в максимальной мере упростить все математические выкладки, так что для более основательного знакомства с предметом читатель должен обратиться к специальным работам по термодинамике. Для этой цели можно рекомендовать ряд работ [3, 22, 28, 431, 580, 715]. 

[c.26]

    Пока не получено никаких данных, которые говорили бы о том, что в биологических процессах может нарушаться первый закон термодинамики — сохранение энергии. Мы не сможем работать, если не будем питаться. Биологические наблюдения играли важную роль при открытии первого закона. Насколько мы сейчас знаем, не существует такой формы энергии, которая была бы характерна исключительно для живых организмов любой вид энергии, с которым мы сталкиваемся при рассмотрении биологических процессов, можно полностью объяснить, обращаясь к физике пли химии.

Каким бы сложным ни казался биологический процесс, всегда оказывается, что баланс энергии выполняется в нем строжайшим образом. [c.256]

    Основной итог начального периода развития биофизики — это вывод о принципиальной приложимости в области биологии основных законов физики как фундаментальной естественной науки о законах движения материи. Важное общеметодологическое научное значение для развития разных областей биологии имеют полученные в этот период экспериментальные доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики), утверждение принципов химической кинетики как основы динамического поведения биологических систем, концепции открытых систем и второго закона термодинамики в биологических системах, наконец, вывод об отсутствии каких-либо особых живых форм энергии. Все это во многом повлияло на развитие биологии, наряду с достижениями биохимии и успехами в изучении 

[c.8]

    В последующем изложении мы попытаемся обсудить несостоятельность равновесной термодинамики, решить проблему структурной организации белка и выяснить возможность в этом отношении нелинейной неравновесной термодинамики — физики открытых диссипативных систем, возникшей в первой половине 1980-х годов. Предпринимаемая попытка имеет, по-видимому, и более общее значение, так как биологические объекты всех уровней структурной организации являются открытыми системами. Учитывая это обстоятельство, а также демонстрируемую большинством авторов публикаций по свертыванию белковых цепей осведомленность в специфике используемого ими подхода, представляется целесообразным перед изложением общей теории самосборки белка кратко остановиться на некоторых принципиальных моментах и понятиях равновесной и неравновесной термодинамики. 

[c.433]


    Линейная термодинамика неравновесных процессов не объяснила способность открытых систем к самоорганизации и не решила принципиальный вопрос о совместимости второго начала термодинамики с процессами структурирования и, следовательно, не устранила противоречивость физической и биологической формулировок эволюционных идей. Таким образом, не удалась попытка создать общую теорию неравновесных процессов путем минимальной коррекции основ равновесной термодинамики, без внесения в термодинамическое рассмотрение качественно новых элементов.
Тем не менее проделанная работа сыграла важную роль в последующем 4>азвитии термодинамического подхода. Она явилась началом движения в правильном направлении, а именно в направлении изучения свойств стационарных процессов открытых систем при удалении от положения равновесия. Линейная неравновесная термодинамика показала (и в этом ее принципиальное достижение), что непременными условиями структурирования открытых систем являются, во-первых, наличие взаимообусловленности между свойствами макроскопической системы и ее микроскопических составляющих и, во-вторых, взаимодействие с привносящей негэнтропию окружающей средой. Дальнейшие исследования вскоре привели к широким обобщениям и формулировке ряда характерных особенностей термодинамических моделей самопроизвольной пространственной и временной структурной организации и, таким образом, к становлению нелинейной неравновесной термодинамики. [c.448]

    Биоэнергетика занимается изучением превращения энергии в живых организмах, т. е. это термодинамика применительно к биологическим системам . В основе термодинамики лежит несколько простых принципов (законов), приложимых к любым процессам, протекающим как в живых, так и в неживых системах. Первый закон термодинамики указывает, что общая энергия изолированной системы при любом процессе всегда остается постоянной, т. е. первый закон термодинамики — закон о сохранении энергии. Второй закон термодинамики налагает определенные ограничения на возможности самопроизвольного превращения энергии в системе и может быть сформулирован следующим образом все процессы стремятся идти в направлении возрастания общей энтропии системы и окружающей- среды. [c.78]

    Для понимания процессов преобразования энергии в биологических системах необходимо рассмотреть некоторые основные понятия термодинамики. В то время как превращения молекул происходят в соответствии с химическими законами, сама возможность осуществления этих превращений и полнота их протекания зависят от количества энергии, получаемой системой. Для изучения энергетики процессов привлекают термодинамику, главные положения которой выражены в первом и втором законах. Законы термодинамики позволяют предсказать направление химических процессов, т. е. понять, будет ли реакция проходить слева направо или справа налево (в соответствии с тем, как она записана), а также выяснить, можно ли использовать данную реакцию для совершения полезной работы или же для осуществления реакции требуется энергня, которая должна поставляться каким-то внешним источником. Основные начала термодинамики формулируются с помощью [c.323]

    В 1945 г. Шредингер написал книгу Что такое жизнь с точки зрения физики , оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них — термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, т. е. неупорядоченностью (второе начало термодинамики), и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организм питается отрицательной энтропие1и>. Это означает, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергие . Неравновесное состояние открытой системы поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема — общие структурные особенности органиа-мов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т. е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Как мы увидим, понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явлений жизни на основе теории информации. Третья проблема — соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает, квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос Почему атомы малы Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины — метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов Действительно, число атомов в наименьшей бактериальной клетке [c.12]

    Все сказанное предопределяет и построение современного обш его курса биофизики, который подразделяется на две основные части первую — теоретическую биофизику, включаюш ую биофизику сложных систем (в свою очередь подразделяется на кинетику биологических процессов и термодинамику биологических процессов) и молекулярную биофизику (строение и электронные свойства полимеров) вторую — биофизику клеточных процессов, включаюшую биофизику мембранных процессов, биофизику фотобиологических процессов и радиационную биофизику. Вторая часть посвяш ена биофизике конкретных биологических процессов, проте-каюш их на разных структурных уровнях организации живого. Поскольку элементарной ячейкой живого является клетка, эту часть и целесообразно именовать биофизикой клеточных процессов. [c.6]

    Пособие содержит изложение основных понятий, законов и методов физической химии, необходимых для углубленного и ускоренного усвоения неорганической, органической и биологической химии. Книга состоит из 2-х частей. Первая посвящена рассмотрению строения и состояния вещества, причем материал излагается в рамках единого подхода к вещсству как к. системе из взаимодействующих электронов и ядер, из которых образуются молекулы, а затем и макроскопические системы. Строго и достаточно просто разбирается ряд пс1Ложений квантовой механики и статистической физики, на которых базируется изучение строения и состояния вещества в современной химии. Во второй части рассмотрены термодинамика и кинетика химических процессов.[c.335]

    Все сказанное послужило основанием внести суш,ественные изменения в третье издание учебника по физической и коллоидной химии. В учебник включены новые главы элементы учения о превращениях энергии при химических процессах (первое и второе начало термодинамики и т. д.). Эти знания необходимы медику для правильного представления об обмене энергии, протекающем, в живом организме в результате разнообразных биохимических процессов. Внесен раздел о физико хнмичес1р1х свойствах и биологическом значении воды, которая является одной из важных составных частей животного организма, а также в учебник внесен ряд дополнений почти во все разделы курса по физической и коллоидной химии, из которых одни несколько расширяют имеющиеся представления по отдельным главам учебника, другие же являются дополнениями о новых данных науки, полученных в последние годы. [c.3]

    Термодинамика и кинетика окислит.-восстановит. р-ций, в к-рых участвуют биологически активные соед, изучаются вольтамперометрич. методами с использованием капающего (обычно ртутного) или стационарного электрода. Эти методы позволяют определить число электронов, вовлеченных в р-цию при каждом значении потенциала, а также обнаружить неустойчивые промежут. соединения, в т.ч. короткоживущие радикалы, к-рые не удается зарегистрировать методом ЭПР. Электрохим. методы имеют широкую область применения и позволяют изучать тонкости механизма р-ций. Они пригодны для проведения уникальных синтезов и решения сложных аналит. задач, т. к. чувствительность импульсной полярографии позволяет, напр., обнаружить 10 М электрохимически активного в-ва. Возможность применения электрохим. методов для решения упомянутых проблем основана на сходстве электрохим. и биол. окислит.-восстановит. р-ций оба типа являются гетерогенными (первые осуществляются на пов-сти электрода, вторые-на границе фермент-р-р), идут в одном интервале pH и в р-рах той же ионной силы, протекают в неводных средах и в одинаковом интервале т-р, включают стадию ориентации субстрата. Электрохим. методы позволяют получать информацию об окислит.-восстановит. потенциалах, числе электронов, механизме р-ций с участием азотсодержащих гетероциклич. соед. (пурины, пиримидины, порфирины и т. п.). Емкостные измерения дают важные сведения об адсорбционных св-вах низкомол. и высокомол. биологически активных соед. (нуклеотиды, белки, нуклеиновые к-ты). [c.292]

    Изменение энтропии в открытых системах. Применение второго закона к биологическим системам в его классической формулировке приводит, как кажется на первый взгляд, к парадоксальному выводу, что процессы жизнедеятельности идут с нарушением принципов термодинамики. В самом деле, усложнение и увеличение упорядоченности организмов в период их роста происходит самопроизвольно. Оно сопровождается уменьшением, а не увеличением энтропии, как следовало бы из второго закона. Ясно, что увеличение энтропии в необратимых самопроизвольных процессах должно происходить в изолированных системах, а биологические системы являются открытыми. Проблема поэтому заключается в том, чтобы понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе, и выяснить, можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в том, что мы должны учитывать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. Постулируется, что общее изменение энтропии открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой с1е5, либо вследствие внутренних необратимых процессов [c.70]

    Как мы увидим дальше, динамический порядок, возникновение динамических структур и их упорядоченное поведение во времени возможны лишь вдали от равновесия. Линейная неравновесная термодинамика, кратко изложенная в этой главе, справедлива лишь вблизи равновесия. Ее основные положения выражаются соотношениями (9.51) и (9.80). Первое описывает сопряжение различных кинетических процессов вследствие отличия недиагональных коэффициентов Ьц 1 ]) от нуля, второе есть математическое выражение теоремы Пригожина о минимуме производства энтропии в стационарном состоянии. Несомненно, что в биологической открыто11 системе реализуются сопряженные процессы. Поэтому общая феноменологическая теория Онзагера — Пригожина позволяет объяснить важные биологические явления. Вопрос о применимости теоремы Пригожина к биологическим системам более сложен. Как мы видели, продукция энтропии а минимальна лишь в тех стационарных состояниях биологических систем, которые близки к равновесию. Эти системы описываются линейными соотношениями (9.51). Но в физике линейная зависимость реакций системы от воздействия, вызвавшего эту реакцию, есть всегда лишь первое приближение, справедливое для малых воздействий. В нашем случае малость означает малое удаление от равновесия. Для рассмотрения биологических систем и их динамической упорядоченности необходимо выйти за пределы линейной термодинамики. [c.327]

    Первый здкон термодинамики применим и к биологическим системам, например к живым организмам, в которых протекают биохимические, физиологические и другие процессы, сопровождающиеся превращением энергии. Изучение обмена веществ, в частности ассимиляции и диссимиляции, измерения всего выделяемого человеком тепла, поглощенного им кислорода, выдыхаемых двуокиси углерода и азота, выделяемой мочи и др., вычисление полного баланса метаболизма белков, жиров и углеводов позволило показать, что пищевые продукты при окислении в организме высвобождают такое же количество энергии, как при сжигании их до тех же конечных веществ вне организма. Энергетический баланс процессов подчиняется первому закону термодинамики. В процессе обмена веществ организм принимает из внешней среды разнообразные вещества. Они в организме подвергаются глубоким изменениям, в результате которых превращаются в вещества самого организма. Одновременно вещества живого организма разлагаются, выделяя энергию и продукты разложения во внешнюю среду. Специфично для живых тел то, что эти реакции определенным образом организованы во времени, согласованы между собой и образуют целостную систему, обусловливающую единство ассимиляции и диссимиляции и направленную на постоянное самовосстановление и самосохранение живого тела.[c.54]

    В начале второй половины нашего столетия стала очевидной невозможность описания возникновения в макроскопических системах когерентных структур на основе известных законов, применимых, подобно закону возрастания энтропии, к множеству частиц, не говоря уже о невозможности понимания этого явления. Классическая термодинамика, как и другие теории “среднего поля”, оказались неподготовленными для выяснения причин спонтанного образования порядка из беспорядка за счет большей хаотизации окружающей среды. Возникшая в середине XX в. ситуация в принципе аналогична той, которая имела место в первой половине XIX в. когда выяснилась несостоятельность классической физики в описант поведения макроскопических систем. Теории бифуркаций диссипативных структур, а в общем плане -нелинейная термодинамика неравновесных процессов, по существу, представляют собой отход от унифицированных моделей теорий “среднего поля” и признание невозможности непротиворечивого объяснения эволюции (физической, химической и биологической) в рамках исключительно макроскопического описания, иными словами, является отказом от чисто вероятностных представлений классической и линейной термодинамики.[c.457]

    С какими другими молекулами взаимодействует данная молекула Обычно первые указания на взаимодействие данной макромолекулы с какими-то другими из огромного множества малых и больших биологических молекул получают при исследовании ее функций. Затем пытаются установить, сколько молекул данного типа может взаимодействовать с рассматриваемой макромолекулой одновременно, как прочно они связываются и все ли связываются одинаково. На эти вопросы можно ответить с помошью прямых термодинамических измерений связывания (например, с помощью равновесного диализа) или применяя менее прямые спектроскопические методы. Если связывающиеся молекулы обладают подходящими спектроскопическими свойствами (например, если они окрашены), за ними наблюдают непосредственно. В противном случае иногда используют спектроскопические свойства молекулы-матрицы, с которой они связываются. В более строгих исследованиях изучают термодинамику и кинетику процесса связывания. [c.33]

    Сделаем очевидный для меня вывод, лишь в малой степени объясняемый вторым началом термодинамики. Вроде бы как будто биологическое живое побеждает мёртвое физическое, изменяя его в направлении, благоприятном для себя техническое биологическое. Но это в целом, глобализуя вектор эволюции в одну сторону в сторону (применим термин с осторожностью) прогрессивной эволюции. Но в каждой точке (для конкретной биологической и технической особи) движение обратное. Витальная сила живого, хотя бы на уровне простейших, побеждает, обращая вспять вектор техноэволюции. Может, СНИД вирусный генотип, коровье бешенство первые звонки саранче человеческой  [c.10]


Разница между первым и вторым законом термодинамики

Первый закон термодинамики связан с сохранением энергии, в то время как второй закон термодинамики утверждает, что некоторые термодинамические процессы недопустимы и не полностью следуют первому закону термодинамики.

Слово « термодинамика » происходит от греческих слов, где «Термо» означает тепло, а «динамика» означает силу. Таким образом, термодинамика – это изучение энергии, которая существует в различных формах, таких как свет, тепло, электрическая и химическая энергия.

Термодинамика является очень важной частью физики и связанных с ней областей, таких как химия, материаловедение, экология и т. Д. Между тем, «Закон» означает систему правил. Поэтому законы термодинамики имеют дело с одной из форм энергии, которая является теплом, их поведение при различных обстоятельствах, соответствующих механической работе.

Хотя мы знаем, что есть четыре закона термодинамики, начиная с нулевого закона, первого закона, второго закона и третьего закона. Но наиболее часто используются первый и второй законы, поэтому в этом содержании мы будем обсуждать и дифференцировать первый и второй законы.

Сравнительная таблица

Основа для сравненияПервый закон термодинамикиВторой закон термодинамики
утверждение
Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.
Энтропия (степень нарушений) изолированной системы никогда не уменьшается, а всегда увеличивается.
выражение
E = Q + W, используется для расчета значения, если известны какие-либо две величины.ΔS = ΔS (система) + ΔS (окружающая среда)> 0
Выражение подразумевает, чтоИзменение внутренней энергии системы равно сумме теплового потока в систему и работы, выполняемой в системе окружающим.Общее изменение энтропии – это сумма изменения энтропии системы и окружения, которое будет увеличиваться для любого реального процесса и не может быть меньше 0.
пример
1. Электрические лампочки, когда светильник преобразует электрическую энергию в энергию света (лучистую энергию) и тепловую энергию (тепловая энергия).
2. Растения преобразуют солнечный свет (свет или лучистую энергию) в химическую энергию в процессе фотосинтеза.
1. Машины преобразуют очень полезную энергию, такую ​​как топливо, в менее полезную энергию, которая не равна энергии, потребляемой при запуске процесса.
2. Обогреватель в комнате использует электрическую энергию и отдает тепло в помещение, но взамен помещение не может обеспечить такую ​​же энергию для обогревателя.

Определение первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики гласит, что « энергия не может быть ни создана, ни уничтожена », она может быть преобразована только из одного состояния в другое. Это также известно как закон сохранения.

Существует множество примеров, объясняющих приведенное выше утверждение, например, электрическая лампочка, которая использует электрическую энергию и преобразует ее в энергию света и тепла.

Все виды машин и двигателей используют тот или иной вид топлива для выполнения работы и выдачи разных результатов. Даже живые организмы едят пищу, которая переваривается и дает энергию для выполнения различных действий.

ΔE = Q + W

Это может быть выражено простым уравнением как ΔE, которое означает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме тепла (Q), которое течет через границы окружающей среды, и работа выполняется (Вт) на Система окружающим. Но предположим, что если бы тепловой поток вышел из системы, то «Q» было бы отрицательным, аналогично, если бы работа выполнялась системой, то «W» также было бы отрицательным.

Таким образом, мы можем сказать, что весь процесс зависит от двух факторов: тепла и работы, и небольшое их изменение приведет к изменению внутренней энергии системы. Но, как мы все знаем, этот процесс не так спонтан и не применим каждый раз, как энергия никогда не переходит самопроизвольно из более низкой температуры в более высокую температуру.

Определение второго закона термодинамики

Есть несколько способов выразить второй закон термодинамики, но до этого нам нужно понять, почему был введен второй закон. Мы думаем, что в реальном процессе повседневной жизни первый закон термодинамики должен удовлетворять, но это не обязательно.

Например, рассмотрим электрическую лампочку в комнате, которая будет перерабатывать электрическую энергию в тепловую (тепловую) и световую энергию, и комната станет светлее, но обратное невозможно, если мы обеспечим такое же количество света и тепла для лампочка, она превратится в электрическую энергию. Хотя это объяснение не противоречит первому закону термодинамики, в действительности это также невозможно.

Согласно заявлению Кельвина-Планка: «Это невозможно для любого устройства, которое работает в цикле, получает тепло из одного резервуара и преобразует его на 100% в работу, т. Е. Не существует теплового двигателя с тепловым КПД 100%»,

Даже Клаузиус сказал, что «невозможно создать устройство, которое работает в цикле и передает тепло из низкотемпературного резервуара в высокотемпературный резервуар при отсутствии внешней работы».

Таким образом, из приведенного выше утверждения ясно, что Второй закон термодинамики объясняет, как преобразование энергии происходит только в определенном направлении, что не проясняется в первом законе термодинамики.

Второй закон термодинамики, также известный как закон повышенной энтропии, гласит, что со временем энтропия или степень нарушений в системе всегда будет увеличиваться. Вот пример, почему мы все больше запутываемся после начала любой работы со всеми планировками в процессе работы. Таким образом, с увеличением времени, расстройства или дезорганизация также увеличивается.

Это явление применимо в любой системе, когда с использованием полезной энергии, непригодная энергия будет отдана.

ΔS = ΔS (система) + ΔS (окружающая среда)> 0

Как описано ранее, delS, являющиеся общим изменением энтропии, представляют собой сумму изменений энтропии системы и окружения, которая будет увеличиваться для любого реального процесса и не может быть меньше 0.

Ключевые различия между первым и вторым законами термодинамики

Ниже приведены основные моменты, по которым следует различать первый и второй законы термодинамики:

  1. Согласно Первому Закону Термодинамики «Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, она может быть преобразована только из одной формы в другую». Согласно второму закону термодинамики, который не нарушает первый закон, но говорит, что энергия, которая превращается из одного состояния в другое, не всегда полезна и на 100% принимается. Таким образом, можно констатировать, что «энтропия (степень нарушений) изолированной системы никогда не уменьшается, а всегда увеличивается».
  2. Первый закон термодинамики может быть выражен как ΔE = Q + W, используется для вычисления значения, если известны любые две величины, тогда как Второй закон термодинамики может быть выражен как ΔS = ΔS (система) + ΔS ( окружающие)> 0 .
  3. Выражения подразумевают, что изменение внутренней энергии системы равно сумме теплового потока в систему и работы, выполненной над системой окружающим в Первом Законе. Во втором законе общее изменение энтропии – это сумма изменения энтропии системы и окружения, которое будет увеличиваться для любого реального процесса и не может быть меньше 0.

Вывод

В этой статье мы обсудили термодинамику, которая не ограничивается физикой или механизмами, такими как холодильники, автомобили, стиральные машины, но эта концепция применима к повседневной работе каждого человека. Хотя здесь мы различаем два самых запутанных закона термодинамики, поскольку мы знаем, что есть еще два, которые легко понять и не так противоречивы.

Закон производства энтропии – Энциклопедия по машиностроению XXL

Это уравнение нетрудно распространить на системы, обменивающиеся с внешней средой и энергией, и веществом (рис. 1). В этом случае изменение энтропии dS следует рассматривать как сумму двух слагаемых первое из них, d,,S, учитывает перенос и окружающей ее энтропии через границы системы, и второе — diS — это количество энтропии, производимое внутри системы, для краткости называемое просто производством энтропии. Согласно второму закону, производство энтропии внутри системы — всегда величина положительная (либо равная нулю)  [c.126]
Закон производства энтропии  [c.236]

Для определения с помощью основного уравнения (1.3) термодинамики неравновесной системы производства энтропии и изменения во времени всех других ее термодинамических функций к этому уравнению необходимо добавить уравнения баланса ряда величин (массы, внутренней энергии и др. ), а также уравнения, связывающие потоки / этих величин с термодинамическими силами X,-. Найдем здесь уравнения баланса и законы сохранения различных величин.  [c.9]

Ряд свойств кинетических коэффициентов можно установить, исходя непосредственно из термодинамических законов линейных необратимых процессов. Действительно, для таких процессов общая формула (1.5) для производства энтропии принимает квадратичное по термодинамическим силам выражение  [c.15]

Нетрудно показать, что принцип минимума возникновения энтропии непосредственно следует из принципа минимальной диссипации энергии Онзагера в стационарном случае (2.22), поскольку при линейных законах диссипативная функция (2.9) равна половине производства энтропии (2.11), и их минимумы совпадают. Принцип минимального производства энтропии справедлив только в случае, когда кинетические коэффициенты постоянны и удов-  [c.20]

Нетрудно показать, что принцип минимума возникновения энтропии непосредственно следует из принципа минимальной диссипации энергии Онсагера в стационарном случае (14. 21), поскольку при линейных законах диссипативная функция (14.9) равна половине производства энтропии (14.11) и их минимумы совпадают. Принцип минимального производства энтропии справедлив только в случае, когда кинетические коэффициенты постоянны и удовлетворяют соотношениям Онсагера. Если эти условия не выполняются, то стационарное состояние реализуется без минимального производства энтропии. Так, распределение температуры в процессе распространения теплоты в слое между теплоисточниками с температурами и Т2, соответствующее минимуму производства энтропии, не является стационарным при коэффициенте теплопроводности y. = jT слоя (С — константа).  [c.270]

В области линейных процессов оба слагаемых в (15.2) одинаковы и производная dP/dt выражает принцип минимума производства энтропии. В самом деле, используя линейный закон  [c.282]


Если изменение состояния адиабатной системы происходит бесконечно медленно (равновесно), то изменения энтропии системы нет, производство энтропии равно нулю. Из первого закона термодинамики следует  [c.73]

Уравнения Онзагера позволяют выразить вклад в производство энтропии каждого из физико-химических процессов, одновременно протекающих в трибосистеме при трении, через термодинамические силы и потоки, полученные из физических законов соответствующих процес-  [c.119]

Таким образом, выражение для производства энтропии (175) справедливо для химических реакций, описываемых нелинейным законом (173). Другой путь [105], основанный на исходном уравнении в виде линейного феноменологического уравнения как следствия вычисления производства энтропии, также приводит к тому же результату.  [c.119]

Хотя при заметных отклонениях от равновесного состояния процессы растворения металла и образования дислокаций (пластическая деформация) являются существенно нелинейными, билинейная форма для производства энтропии (218) сохраняется в области действия нелинейных законов и линейное приближение удовлетворительно описывает состояния вблизи равновесного. Поэтому выводы относительно перекрестных явлений, сделанные на основе анализа линейных феноменологических уравнений, будут справедливы и в более широкой области нелинейности.  [c.139]

Следует, однако, заметить, что системы обладают термодинамическим потенциалом лишь в исключительных случаях. Неравенство (3) не содержит полного дифференциала функции и не позволяет в общем виде определить функцию Ляпунова. Прежде чем мы снова вернемся к этому вопросу, я хочу обратить ваше внимание на тот факт, что через 150 лет после того, как второй закон был сформулирован, он все еще представляет собой скорее программу, чем четко очерченную теорию в обычном смысле этого понятия. Действительно, единственное, что второй закон говорит точно о производстве энтропии, — знак этой величины. Не определена даже область справедливости неравенства. Это обстоятельство — одна из главных причин того, почему применение термодинамики, по существу, ограничено анализом равновесных процессов.  [c. 127]

Согласно второму закону термодинамики в изолированной системе энтропия, являющаяся показателем состояния системы и критерием эволюции системы, всегда возрастает. Однако, в природе в большинстве своем системы являются открытыми. В открытых системах может устанавливаться стационарное состояние, при котором необходимо учитывать не только общий статистический баланс энергии, но и скорости трансформации энергии. Это в полной мере относится и к автоколебательным процессам, являющимся самоорганизующимися. Для неустойчивых систем характерна необратимость, повышающая энтропию. В равновесных условиях производство энтропии минимально. Нестабильность возникает из нестабильной динамики. С точки зрения И. Приго-жина [15, 16] нестабильность и хаос позволяют сформулировать законы природы без противоречий между динамическим описанием и термодинамическим, так как энтропия выражает фундаментальное свойство физического мира, существование симметрии неустойчивого времени.  [c. 107]

КИМ образом, второй закон термодинамики требует, чтобы производство энтропии было неотрицательным.  [c.99]

Нам осталось выявить связь энтропии с теплопроводностью. Перенос тепла в твердом теле происходит от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой и называется теплопроводностью. Этот самопроизвольный необратимый процесс приводит к производству энтропии. Уравнение теплопроводности выводится из закона сохранения энергии, выраженного в виде уравнения переноса энтропии. Этот закон, являющийся локальной формулировкой второго закона термодинамики, имеет вид  [c.17]


Здесь записан локальный закон приращения энтропии, причем, как и выше, первый член описывает обмен энтропией с окружающей средой, а два другие равны скорости производства энтропии в элементарном объеме. Соотношение (6) можно представить в виде  [c.18]

Закон равнораспределения энергии. Квантовый гармонический осциллятор, формула для колебательной энергии в равновесии. Две независимые локально равновесные подсистемы поступательно-вращательная и колебательная. Колебательная температура уравнение для производства энтропии скорость колебательной релаксации. Полная система уравнений движения невязкого однородного двухатомного газа с колебательной релаксацией.  [c.32]

Итак, сформулируем законы сохранения для системы из Л -компонент, находящейся во внешнем электромагнитном поле, запишем уравнение баланса энтропии, получим выражение для производства энтропии и найдем некоторые общие линейные соотношения (феноменологические законы) для термодинамических сил и потоков.  [c.25]

Производство энтропии, согласно второму закону термодинамики, положительно ds >Q. При прохождении процессов самоорганизации энтропия должна уменьшаться. Это обеспечивается явлением износа. Уменьшение энтропии в результате износа ds превышает ее увеличение в результате производства энтропии и потока энтропии. Если считать, что приработка заключается в формировании устойчивых вторичных структур, то становится очевидным, почему она сопровождается интенсивным износом.[c.333]

Гиперболические системы уравнений, выражающие законы сохранения, которые описывают поведение сплошных сред, обладают важным свойством. А именно, в качестве формального следствия правильно записанных уравнений сплошной среды можно получить еще одно дивергентное уравнение, которое в большинстве моделей сплошных сред выражает сохранение энтропии в случае непрерывных процессов. В других моделях оно может выражать сохранение механической энергии, как например, в случае изучения волн по теории мелкой воды. Как показано С.К.Годуновым (Годунов [1962], [1978]), это свойство позволяет записать исходные уравнения в изящной форме, в которой число функций, характеризующих систему уравнений, сокращается и становится равным числу измерений (включая время). Кроме того, явное введение энтропии (так будем называть сохраняющуюся в непрерывных процессах величину) позволит изучить изменение ее плотности и производство энтропии на разрыве.  [c.71]

Рассмотрим состояние трех неравновесных систем, характеризуемых обратными матрицами феноменологических коэффициентов М, М, М + М, и предположим, что некоторая сила Г приложена к каждой из систем. Пусть при выполнении линейного закона величины производства энтропии для систем равны соответственно Ом, Ом, вариационный принцип предыдущей задачи, доказать, что  [c.622]

Заметим, что этот метод получения приближенного решения имеет особое значение для вычисления производства энтропии, так как величина разности а,- — 20е минимальна при линейном законе и преобразуется в —а. Следовательно, если решение для потоков содержит небольшую погрешность е, то ошибка в полученном значении а будет пропорциональна е , т. е. гораздо меньше. Поскольку правильное значение — сг равно минимальному значению разности а,—20е, то значение а, определяемое выражением  [c.624]

Найдем выражение для производства энтропии. Закон сохранения энергии для невязкого нетепловодного газа в отсутствие внешних сил можно записать следующим образом  [c.43]

Здесь правая часть уравнения о[5] представляет собой скорость возникновения (производство) энтропии внутри области. Первый член левой части уравнения есть скорость прироста энтропии в данной области, а второй член левой части – скорость оттока энтропии из данной области. Из рассмотренного уравнения баланса энтропии следует принципиально важный вывод о том, что энтропия о[5] в отличие от общей массы и энергии может возникать в данной области. Причиной ее возникновения могут быть как физические (трение, релаксация), так и химические процессы. По определению Гленсдорфа и Пригожина, классическая термодинамика есть, в су1цности, теория разругпения структур, а производство энтропии можно рассматривать как меру скорости этого разрушения [59]. Для открытых систем, какими являются пары трения, второй закон термодинамики может быть записан, согласно Пригожину, как  [c.108]

При применении этого уравнения следует иметь в виду различие между обратимыми и необратимыми процессами. Только необратимые процессы приводят к производству энтропии. Очевидно, второй закон термодинамики выражает тот факт, что необратимые процессы ведут I однонаправленности времени. Положительное направление времени связано с возрастанием энтропии S. Я хочу подчеркнуть особую форму, в которой однонаправленность проявляется во втором законе. Этот закон означает существование функции, обладающей весьма специфическими свойствами. Эта специфичность проявляется в том факте, что для изолированных систем эта функция может только возрастать во времени. Такие функции играют важную роль в современной теории устойчивости систем, начало которой положила классическая работа Ляпунова. Именно поэтому эти функции были названы функциями или функционалами Ляпунова.  [c.126]

Этот принцип включает в себя принцип с 1 ремления системы к минимуму энергии при самопроизвольном процессе (II закон термодинамики), принцип минимума производства энтропии при удалении от равновесного состояния, сформулированный И. При-гожиным, и принцип Брауна – Ле-Шателье. Напомним, что последний говорит о том, что любой процесс, протекающий в системе, направлен на компенсацию или уменьшение внешнего воздействия на систему.[c.63]


В то же время окружающий мир является высокоупорядоченным. Из теории Дарвина следует, что в основе принципа отбора лежит повышение организованности биологических систем. Это противоречит второму закону термодинамики, согласно которому энтропия системы с течением времени увеличивается. Это противоречие было снято с введением в кибернетике представлений об эволюции системы как связанной с самоорганизующимися и саморегулирующимися процессами и с развитием синергетики [2, 4], рассматривающей закономерности самоорганизации диссипативных структур в неравновесных условиях [5]. Стало очевидным, что неравновесные состояния более высокоорганизованные, чем равновесные, так как в них движущей силой процесса является не минимум свободной энергии, как это характерно для равновесных процессов, а минимум производства энтропии.  [c.11]

Рассмотрим, с какой точностью выполняется закон сохранения энтропии в разностных схемах с дивергентным и недивергентыым уравнением энергии. Следуя [7—9], ограничимся уравнениями идеальной среды. С одной стороны, такое ограничение упрощает исследование и делает более ясными результаты. С другой — законы сохранейия для идеальной среды являются ядром системы законов сохранения для любых физических процессов в сплошной среде, и, следовательно, их достоинства и недостатки переносятся на неидеальные среды. Кроме того, анализ -консервативности проведен для адиабатического случая, чтобы в чистом виде выделить производство энтропии, определяемое разностной схемой. Иными словами,,исследование -консервативности ограничивается предпо-  [c.233]

Производство энтропии в немарковском режиме. Рассмотрим теперь важный вопрос о поведении энтропии с учетом эффектов памяти в кинетическом уравнении и динамики корреляций, связанных с законом сохранения энергии.  [c.325]

Монография состоит и пяти глав. В первой главе изложены междисциплинарный подход к анализу эволюции систем при внешнем возмущении с использованием принципа Н. Н. Моисеева минимума диссипации энергии и принципа Гленсдорфа-Пригожина – минимума производства энтропии, контролирующего самоорганизацию диссипативных структур в точках бифуркаций. На основе этих принципов, законов обобщенной золотой пропорции и закона обратной связи, а также кинетической термодинамики Г,П. Гладышева, парадигмы В.Е. Панина о наличии генетического кода устойчивости атома, заложенного в его электронном спектре, предложен универсальный алгоритм развития систем живой и неживой природы.  [c.8]

С позиций иерархической термодинамики Г.П. Гладышева снимаются критические замечания [75] в адрес теории И. Пригожина необратимых процессов. Установленный Г.П. Гладь[шевым закон иерархической термодинамики позволяет выделять квазизакрытые моноиерархиче-ские системы (подсистемы) в открытых полииерархических биологических системах. Другой подход к анализу эволюции систем развит И. При-гожиным. Он рассматривает эволюцию сложных систем как иерархическую последовательность устойчивость-неустойчивость-устойчивость , представленную в виде бифуркационной диаграммы. Точки бифуркаций на этой диаграмме отвечают переходам от равновесного к неравновесному состоянию. Они контролируются потерей устойчивости симметрии системы, при достижении которой система становится открытой. Это означает необходимость учета в этих точках открытости системы, т.к. термодинамика равновесных процессов в данном случае не применима. Понимая эту ситуацию И. Пригожин ввел представления о производстве энтропии, придав таким образом энтропии информационную, а не только управляющую роль.  [c.40]

Соотношение (3.38) дает возможность постулировать второй закон термодинамики в форме неравенства Кпаузиуса-Дюгема обш,ее производство энтропии в термодинамической системе всегда неотрицательно, т. е. Г 0. Это означает, что  [c.76]

Неравновесные процессы l8]- При увеличении интенсивности внешних воздействий f отклик Ji перестает быть линейным. В этой области закон минимума производства энтропии уже несправедлив, типичными становятся неустойчивости. Отметим наиболее важные, с нашей точки зрения, особенности возникающ,их неустойчивостей и вообш,е нелинейных термодинамических процессов.  [c.104]

Как было установлено в предыдущем параграфе, первый закон термодинамихн постулирует взаимный переход механической и тепловой энергии одной в другую. Соотношение, выражающее переход тепла и работы в кинетическую и внутреннюю энергни во время термодинамического процесса, заключено в уравнении энергии. Однако первый закон оставляет без ответа вопрос, является ли этот переход обратимым или необратимым. Все реальные процессы необратимы, но обратимые процессы представляют очень полезную идеализацию, так как во многих ситуациях диссипацию энергин можно считать пренебрежимо малой. Основной критерий необратимости содержится во втором законе термодинамики, который устанавливает некоторые ограничения на производство энтропии.  [c.187]

Соотношение между протяженностью этих зон, по-видимому, регулируется критической толщиной (эксцентрисистетом), физическими законами, обеспечивающими минимум энергетических затрат, или минимумом производства энтропии.[c.240]

В точной теории тоже есть некоторый произвол, однако многие данные свидетельствуют в пользу принципа сминнмального производства энтропии . Если пользоваться этим принципом, то в экспоненциальном законе (22.120) получается коэффициент 0,91 (в качестве 1—а), а в формуле для /— с добавочный ток Д/=0,68/с. Если подставить в формулу (22.119) а = 0,09, получается Д/=0,696/с.  [c.492]

Усложненные, полные, уравнения обычно отличаются от упрощенной предельной гиперболической системы наличием дополнительных членов в тех же уравнениях (в более сложных случаях возникает необходимость введения новых переменных и новых уравнений). Эти дополнительные члены, обеспечивающие непрерывность решений, обычно представляют диссипативные процессы, связанные с производством энтропии, а также процессы, связанные с дисперсией волн. Надо отметить, что, если диссипация отсутствует, а имеется только дисперсия, то опрокидывание волн Римана может не приводить к чему-либо, напоминающему образование разрыва, как это выявлено при изучении решений уравнения Кортевега-де Вриза (Карпман [1973], Уизем [1977]). При обращении к более полным моделям по сравнению с гиперболическими системами законов сохранения мы будем предполагать всегда наличие диссипативных механизмов.  [c.79]

Согласно второму закону термодинамики производство энтропии неотрицательно, и следовательно, квадратичная форма его выражающая, также неотрицательно определена, т.е. при всевозможных значениях dqildx  [c.81]


Урок “Первый закон термодинамики”

Цели:

  • актуализировать знания учащихся по изучаемой теме; добиться усвоения учащимися закона сохранения и превращения энергии для тепловых процессов – первого закона термодинамики; показать практическую значимость закона;

  • способствовать развитию умения сопоставлять факты; логично и сжато строить свой ответ; систематизировать учебный материал;

  • показать всеобщность этого закона, используя межпредметные связи курсов физики, биологии, технологии и познаваемость мира; формировать целостное восприятие мира; создать условия для создания положительной мотивации учебной деятельности;

Оборудование:

Оформление: на доске –

  • тема урока, дата, эпиграф, запись плана изучения закона;

Эпиграф.

Истина это то, что выдерживает проверку опытом.

А. Эйнштейн

Ход урока

Презентация

I. Организационный момент.

II.Актуализация знаний учащихся. (6 мин.)

Зачитываю телеграмму: п. Арчаглы- Аят, средняя школа ,класс 10 .

“Спасите меня погибаю от холода.

Бурый медведь”(Осенью медведи, обитающие в холодных регионах – за исключением их белого собрата – усиленно нагуливают жир перед тем, как впасть в зимнюю спячку. С приходом холодов медведь отыскивает удобное местечко для берлоги, куда натаскивает сухую траву, листья и мох. Для убежища подойдет пещера или укромная расщелина в скале, но бывает, что медведь и сам выкапывает берлогу).

Ученики предлагают способы спасения медведя.

“Температура в аквариуме поднялась. Что делать?

Рыбки

3)лёд в пакете

Ученики разъясняют, что делать рыбкам для нормальной жизнедеятельности.

Вы очень умные дети: не зная 1 закона термодинамики, используете его для объяснения явлений. Откройте тетради, запишите тему урока.

Что сегодня вы должны знать /уметь”, с эпиграфом урока, планом изучения темы; нацеливает на ведение конспекта по плану. План записан на доске:

  1. Связь между какими величинами выражает данный закон?

  2. Формулировка закона и математическая запись закона.

  3. Когда и кто впервые сформулировал данный закон?

  4. Опыты, подтверждающие справедливость закона.

  5. Учёт и использование закона на практике.

  6. Границы применимости закона

Мы ежедневно встречаемся с явлениями, проводим элементарные физические опыты, не задумываясь об их объяснении.

Экспериментальное задание.

1. Возьмите в одну руку железный брусок. Что вы чувствуете? Как поменялась энергия ладоней?

(учащиеся объясняют, что внутренняя энергия изменяется за счёт теплопередачи, приводят примеры по плакату) .

2. Потрите ладони друг об друга. Что вы чувствуете? Почему ладони греются?

(учащиеся объясняют, что внутренняя энергия изменяется за счёт совершения работы, III. Объяснение нового материала. (20 мин)

1 закон термодинамики рассматривает более сложный случай, когда внутренняя энергия изменяется и за счёт совершения работы, и за счёт теплопередачи. Закон сохранения и превращения энергии для тепловых процессов называется 1 законом термодинамики.

Q=A’ +U, А = -A’ , Q+A = U

У него особая история открытия, отличная от открытия других законов. Обычно сначала формулируется закон, а затем создаются технические устройства. В этом случае было наоборот.

На экран проецируется следующие сведения:

1736 год – паровая лодка

1770 год – паровая повозка

1775 год – отказ Парижской Академии наук принимать проекты вечных двигателей

1807 год – пароход Фултона

1824 год – паровоз Стефенсона

1842 год – статья Р. Майера “Замечания о силах неживой природы” Формула закона сложна, будет понятна на простых примерах. Когда человек более у него поднимается температура, и увеличивается внутренняя энергия. Человек принимает лекарства, понижающие температуру, вызывающие потоотделение. Количество теплоты отрицательно, так как тепло отдаётся. Температура снижается до нормальной температуры. И не зря открыл закон врач.

Ученик 1: сообщение о том, как Р. Майер пришёл к открытию закона и к мысли о том, что энергия может превращаться. И солнечная энергия превращается в энергию растений и остального живого.

Учитель: Одновременно с Майером к этому же выводу пришли Д. Джоуль и Г. Гельмгольц

Ученик 2: сообщение об опытах Д. Джоуля по закону сохранения.

Ученик 3: о Г. Гельмгольце, который записал закон в математической форме и доказал невозможность создания вечного двигателя.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

ё   С помощью первого закона термодинамики можно делать важные заключения о характере протекающих процессов. Рассмотрим различные процессы, при которых одна из физических величин остается неизменной (изопроцессы), например случай, когда система представляет собой идеальный газ.
  
Изохорный процесс. При изохорном процессе объем газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии газа согласно уравнению равно количеству переданной ему теплоты:

   Если газ нагревается, то , его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа и , изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.
  
Изотермический процесс. При изотермическом процессе (T=const) внутренняя энергия идеального газа (см. формулу (13.1)) не меняется. Согласно формуле (13.11) все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

   Если газ получает тепло , то он совершает положительную работу . Если, напротив, газ отдает тепло окружающей среде (термостату), то . Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.
  
Изобарный процесс. При изобарном процессе согласно формуле (13. 11) передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении:

   Адиабатный процесс. Рассмотрим теперь процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплом с окружающими телами. Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.
   При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению (13.10) изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:

   Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.
   Согласно уравнению (13.14) при совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, его внутренняя энергия увеличивается, что означает повышение температуры газа. И наоборот, при расширении газа сам газ совершает положительную работу 
и его внутренняя энергия уменьшается – газ охлаждается.
   Нагревание воздуха при быстром сжатии нашло применение в двигателях Дизеля. В этих двигателях отсутствует система зажигания горючей смеси, необходимая для обычных  карбюраторных двигателей внутреннего сгорания. В цилиндр засасывается не горючая смесь, а атмосферный воздух. К концу такта сжатия в цилиндр с помощью специальной форсунки впрыскивается жидкое топливо (рис.13.8). К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее воспламеняется. Двигатели Дизеля имеют больший коэффициент полезного действия, чем обычные, но более массивны и сложны в изготовлении и эксплуатации. Все большее количество автомобилей снабжается двигателями Дизеля, благодаря дешевизне дизельного топлива.

   При работе мощных компрессоров, сжимающих воздух, температура воздуха настолько увеличивается, что приходится прибегать к специальной системе охлаждения цилиндров. Адиабатное охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов.
   Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных масштабах в атмосфере Земли. Нагретый воздух поднимается вверх и расширяется, так как атмосферное давление падает с увеличением высоты. Это расширение сопровождается значительным охлаждением. В результате водяные пары конденсируются и образуют облака.
  
Теплообмен в изолированной системе. Рассмотрим теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел, имеющих первоначально различные температуры, например теплообмен между водой в сосуде и опущенным в воду горячим железным шариком. Будем считать, что система достаточно изолирована от окружающих тел и ее внутренняя энергия не изменяется (изолированная система). Никакой работы внутри этой системы не совершается. Тогда согласно первому закону термодинамики (см. уравнение (13.10)) изменение энергии любого тела системы равно количеству теплоты, отданной или полученной этим телом до наступления теплового равновесия внутри системы. Складывая подобные выражения для всех тел системы и учитывая, что суммарная внутренняя энергия не меняется , получим следующее уравнение:

   Это уравнение носит название уравнения теплового баланса. Здесь – количества теплоты, полученные или отданные телами. Эти количества теплоты выражаются формулой (13.5) или формулами (13.6)-(13.9), если в процессе теплообмена происходят превращения вещества из жидкого состояния в газообразное или твердое (или же, напротив, образуется жидкость).
   Внутренняя энергия идеального газа не изменяется только при изотермическом процессе. При изохорном она изменяется за счет теплопередачи, а при изобарном процессе внутренняя энергия газа изменяется как за счет теплопередачи, так и за счет совершения работы. В теплоизолированной системе происходит адиабатный процесс. Изменение энергии системы в этом процессе равно работе внешних сил.

IV. Закрепление материала. (15 мин)

Учитель: Закон учитывается и в животном мире.

Решение задач:

а) качественных

На экране проецируется рисунок с лисами: фенёк, среднерусская лиса и песец

Задание. Объясните форму ушей лис. (учащиеся применяют 1 закон термодинамики для объяснения формы ушей, связи их формы с климатом: придатки тела (уши, хвост, нос тем короче,а тело тем массивнее, чем холоднее климат)

б) количественных

При передаче газу количества теплоты 17 кДж он совершает работу, равную 50 кДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа? Охладился газ или нагрелся?

Ученица выступает в роли учителя, объясняет решение задачи.

в) Учащиеся получают тесты, содержащие задачи по теме урока.

Тренировочные задачи. 1 закон термодинамики.

1. Идеальный газ получил количество теплоты, равное 300 Дж, и совершил работу, равную 100 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А. увеличилась на 400 Дж
Б. увеличилась на 200 Дж
В. уменьшилась на 400 Дж
Г. уменьшилась на 200 Дж

2. Идеальный газ совершил работу, равную 100 Дж, и отдал количество теплоты, равное 300 Дж. Как при этом изменилась внутренняя энергия?

А. увеличилась на 400 Дж
Б. увеличилась на 200 Дж
В. уменьшилась на 400 Дж
Г. уменьшилась на 200 Дж

3. Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом внутренняя энергия уменьшилась на 300 Дж. Каково значение количества в этом процессе?

А. отдал 600 Дж
Б. отдал 300 Дж
В. получил 300 Дж
Г. не отдавал и не получал теплоты.

4. Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 300 Дж. Какое количество теплоты получил газ?

А. отдал 600 Дж
Б. отдал 300 Дж
В. получил 600 Дж
Г. получил 300 Дж

Учитель: Вы видите, что закон, на основе которого определяется изменение внутренней энергии, – один и тот же для всех явлений природы: физических, химических, биологических и даже общественных. Значит, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, она переходит из одного вида в другой. Ещё древние греки считали: “Из ничего ничего не бывает”.

Значение этого закона трудно переоценить. На основе его проверяется новая установка или механизм. Если закон в новой теории не выполняется, то новая теория несостоятельна.

Подведение итогов. (1мин)

Выставление оценок.

Домашнее задание. (1 мин)

6.2B: Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может быть передана или преобразована, но не может быть создана или уничтожена.

Цели обучения

  • Описать первый закон термодинамики

Ключевые моменты

  • Согласно первому закону термодинамики общее количество энергии во Вселенной постоянно.
  • Энергию можно перемещать с места на место или преобразовывать в разные формы, но нельзя создавать или уничтожать.
  • Живые организмы эволюционировали, чтобы получать энергию из своего окружения в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.

Основные термины

  • первый закон термодинамики : вариант закона сохранения энергии, специально предназначенный для термодинамических систем, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна и не может быть ни создана, ни уничтожена.
  • работа : Мера энергии, затрачиваемой на перемещение объекта, обычно считается произведением силы на расстояние.Никакая работа не совершается, если объект не движется.

Термодинамика изучает тепловую энергию и другие виды энергии, такие как работа, а также различные способы передачи энергии в химических системах. «Термо-» относится к теплу, а «динамика» относится к движению.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики касается общего количества энергии во Вселенной. Закон гласит, что это общее количество энергии постоянно. Другими словами, во Вселенной всегда было и всегда будет одинаковое количество энергии.

Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или изменяться между различными формами, но ее нельзя создавать или уничтожать. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас все время. Например, электрические лампочки преобразуют электрическую энергию в световую, а газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую. Растения выполняют одно из самых биологически полезных преобразований энергии на Земле: они преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Первый закон термодинамики : показаны два примера передачи энергии из одной системы в другую и преобразования из одной формы в другую. Люди могут преобразовывать химическую энергию пищи, такой как этот рожок мороженого, в кинетическую энергию, катаясь на велосипеде. Растения могут преобразовывать электромагнитное излучение (энергию света) солнца в химическую энергию.

Система и окружение

Термодинамика часто делит вселенную на две категории: система и ее окружение.В химии система почти всегда относится к данной химической реакции и сосуду, в котором она происходит. Первый закон термодинамики говорит нам, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, поэтому мы знаем, что энергия, которая поглощается в эндотермической химической реакции, должна быть потеряна из окружающей среды. И наоборот, при экзотермической реакции тепло, выделяющееся в ходе реакции, отдается и поглощается окружающей средой. Математически мы имеем:

ΔE=ΔE сис +ΔE исх =0

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Система и окружение : Базовая диаграмма, показывающая фундаментальное различие между системой и ее окружением в термодинамике.

Тепло и работа

Мы знаем, что химические системы могут либо поглощать тепло из окружающей среды, если реакция эндотермическая, либо отдавать тепло окружающей среде, если реакция экзотермическая. Однако химические реакции часто используются для выполнения работы, а не просто для теплообмена. Например, когда ракетное топливо сгорает и заставляет космический шаттл отрываться от земли, химическая реакция, приводящая ракету в движение, совершает работу, применяя силу на расстоянии.

Если вы когда-либо видели видеозапись взлета космического челнока, то знаете, что в результате происходящей химической реакции выделяется огромное количество тепла и света.Другая полезная форма первого закона термодинамики связывает теплоту и работу для изменения энергии внутренней системы:

ΔE сис =Q+W

Хотя эта формулировка чаще используется в физике, она по-прежнему важна для химии.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Запуск ракеты : Мощная химическая реакция, приводящая в движение ракету, выделяет огромное количество тепла в окружающую среду, а также воздействует на окружающую среду (ракету).

3.1: Законы термодинамики

Две фундаментальные концепции управляют энергией в отношении живых организмов: Первый закон термодинамики гласит, что полная энергия в замкнутой системе не теряется и не приобретается — она только трансформируется. Второй закон термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия постоянно возрастает.

В частности, Первый закон гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена: она может только изменять форму. Следовательно, при любых и всех процессах полная энергия Вселенной или любой другой замкнутой системы постоянна.В простой термодинамической системе это означает, что энергия преобразуется либо путем передачи тепловой энергии (т. е. нагревания и охлаждения вещества), либо путем производства механической работы (т. е. движения). С точки зрения биологии и химии эта идея может быть распространена на другие формы энергии, такие как химическая энергия, хранящаяся в связях между атомами молекулы, или световая энергия, которая может поглощаться листьями растений.

Работа в данном случае не обязательно должна подразумевать сложный механизм.На самом деле каждая молекула совершает работу при простом расширении нагретой массы газообразных молекул (как можно увидеть, например, при расширении нагретого воздушного шара). Математически это выражается как фундаментальное термодинамическое соотношение:

.

, где \(E\) – внутренняя энергия системы, \(T\) – температура, \(S\) – энтропия, \(p\) – давление, \(V\) – объем.

В отличие от Первого закона, который применяется даже к частицам внутри системы, Второй закон является статистическим законом — он обычно применяется к макроскопическим системам.Однако это не исключает мелкомасштабных изменений направления энтропии с течением времени. Фактически, теорема о флуктуациях (предложенная в 1993 г. Эвансом и др. и продемонстрированная Вангом и др. в 2002 г.) утверждает, что по мере увеличения продолжительности времени или размера системы вероятность отрицательного изменения энтропии (т.е. Второй закон) убывает экспоненциально. Таким образом, в очень малых масштабах времени существует реальная вероятность существования флуктуаций энтропии, противоречащих второму закону.

Второй закон гласит, что энтропия всегда стремится увеличиваться с течением времени. Энтропия — это просто модное слово для обозначения хаоса или беспорядка. Теоретическое конечное или равновесное состояние — это состояние, в котором энтропия максимальна, и ни в чем во Вселенной или замкнутой системе нет порядка. Спонтанные процессы, происходящие без внешнего воздействия, — это всегда процессы, превращающие порядок в беспорядок. Однако это не исключает наведения порядка в системе. Изучение стандартной математической формы второго закона:

ΔS система + ΔS окружение = ΔS вселенная ,

где ΔS вселенная > 0

показывает, что энтропия может уменьшаться внутри системы до тех пор, пока энтропия окружающей системы увеличивается на равную или большую величину.

Фраза «в закрытой системе» является ключевым компонентом этих законов, и именно с идеей, заключенной в этой фразе, жизнь возможна. Давайте представим типичную клетку: за свою жизнь она строит бесчисленное количество сложных молекул — огромных белков и нуклеиновых кислот, образованных из смеси небольших аминокислот или нуклеотидов соответственно. На первый взгляд этот пример может показаться контрпримером второму закону — явно переход от смеси различных малых молекул к более крупной молекуле со связанными и упорядоченными компонентами может показаться уменьшением энтропии (или увеличением порядка) .Как это возможно применительно ко второму закону? Это потому, что второй закон применим только к закрытым системам. То есть система, которая не приобретает и не теряет материю или энергию.

«Вселенная» по определению является закрытой системой, потому что за ее пределами нет ничего.

Живая клетка не является замкнутой системой: у нее есть входы и выходы. Однако второй закон по-прежнему полезен, если мы признаем, что единственный способ обойти его — это приложить энергию. Если клетка не может принимать пищу (ввод вещества и энергии в систему), она умирает, потому что второй закон требует, чтобы все в конечном итоге распадалось на более случайные/хаотические наборы более мелких компонентов.Порядок, необходимый для поддержания жизни (подумайте обо всех различных сложных молекулах, упомянутых в предыдущей главе), феноменален. То же самое и на уровне организма (рис. \(\PageIndex{1}\)) – без поступления энергии (в виде пищевых молекул для животных или в виде света для растений) организм погибнет и впоследствии разлагаются.

Рисунок \(\PageIndex{1}\). На верхней панели, изображающей открытую систему, в которой есть входы для материи и энергии (в виде пищи), коробка открыта, и можно обмениваться воздухом, вбрасывать пищу и т. д., что позволяет мыши расти.Однако на нижней панели, изображающей закрытую систему, мышь не имеет доступа к большему количеству кислорода, чем в коробке, и не имеет доступа к еде. Без этих входных данных вступает в силу второй закон, и мышь умирает и распадается на множество более мелких молекул.

Создание молекул из атомов требует энергии, потому что он берет неупорядоченный набор атомов и заставляет их через химические связи занимать упорядоченные, неслучайные положения. Аналогичным образом, образование макромолекул из более мелких молекул требует затрат энергии.Наводя порядок в системе, должен быть связанный с ней вклад энергии. Это происходит на каждом уровне системы: от атомов к молекулам, от малых молекул к макромолекулам, от групп молекул к органеллам и т. д.

Поскольку реакция полимеризации снижает энтропию, она требует энергии, вырабатываемой (обычно) при расщеплении АТФ на AMP и PPi, что является реакцией, увеличивающей энтропию.

Куда уходит эта энергия? Он заканчивается связями, которые удерживают молекулы или макромолекулы в их упорядоченном состоянии.Когда такая связь разрывается и молекула снова превращается в набор атомов, высвобождается энергия. Таким образом, энергия химической связи представляет собой потенциальную энергию — это запасенная энергия, которая при высвобождении способна совершать работу. Этот термин, если вы помните школьную физику, обычно изучают вместе с кинетической энергией, то есть энергией, которая используется в процессе фактического выполнения работы (т. е. перемещения объекта из одного места в другое). Классический пример — камень на вершине холма: у него есть потенциальная энергия, потому что он поднят и потенциально может упасть. Когда он падает, он обладает кинетической энергией при движении. Точно так же в клетке потенциальная энергия химической связи может быть высвобождена, а затем использована для таких процессов, как объединение меньших молекул в более крупные молекулы или вращение или изгибание молекулярного мотора — действия, которые могут привести к перекачиванию протонов или сокращение мышечных клеток соответственно.

Возвращаясь ко второму закону, он, по сути, утверждает, что расщепление молекул высвобождает энергию, а для создания новых молекул (вопреки естественной тенденции к беспорядку) требуется энергия.Каждая молекула имеет внутреннюю энергию, и поэтому всякий раз, когда молекула участвует в химической реакции, будет происходить изменение энергии образующейся молекулы (молекул). Часть этого изменения энергии системы можно будет использовать для совершения работы, и эта энергия называется свободной энергией реакции. Остальное отдается в виде тепла.

Уравнение Гиббса описывает это отношение как

\[ΔG= ΔH-TΔS \]

, где ΔG — изменение свободной энергии, ΔH — изменение энтальпии (примерно эквивалентное теплу), T — температура, при которой происходит реакция, а ΔS — изменение энтропии. o + RT \ln \left( \dfrac{[P_1][P_2][P_3]…}{[R_1][R_2][R_3]…}\right)\]

В квадратных скобках указаны концентрации, ΔG° — ​​стандартная свободная энергия реакции (проведенной с 1М концентрацией каждого реагента, при 298 К и давлении 1 атм), R — газовая постоянная (1,985 кал К -1 моль -1 ), а Т – температура в Кельвинах. В более простой системе, в которой всего два реагента и два продукта:

\[\ce{aA + bB <=> cC + dD}\]

уравнение изменения свободной энергии принимает вид

ΔG = ΔG° + RTln([C] c [D] d /[A] a [B] b )

Это важно для нас, клеточных биологов, потому что, хотя клетки не очень хорошо приспособлены для регулирования химических реакций путем изменения температуры или давления условий реакции, они могут относительно легко изменять концентрации субстратов и продуктов.На самом деле, таким образом можно даже запустить неспонтанную реакцию (ΔG > 0) спонтанно (ΔG < 0) либо за счет увеличения концентрации субстрата (возможно, за счет его транспорта в клетку), либо за счет уменьшения концентрации продукта ( либо выделяя их из клетки, либо используя в качестве субстрата для другой химической реакции).

Изменения в концентрации субстрата или продукта, приводящие к несамопроизвольной реакции, являются примером более общей идеи реакций сочетания для запуска энергетически невыгодных реакций.Эндергонические реакции могут быть связаны с экзергоническими реакциями как серия реакций, которые в конечном итоге могут протекать вперед. Единственное требование состоит в том, что общее изменение свободной энергии должно быть отрицательным (ΔG < 0). Итак, при стандартных условиях (ΔG = ΔG°’) если мы имеем реакцию с изменением свободной энергии +5 ккал/моль, то она несамопроизвольная. Однако, если мы соединим эту реакцию, например, с гидролизом АТФ, тогда обе реакции будут протекать, потому что стандартное изменение свободной энергии гидролиза АТФ до АДФ и фосфата является экзергоническим -7.3 ккал/моль. Сумма двух значений ΔG составляет -2,3 ккал/моль, что означает, что связанная серия реакций является самопроизвольной.

На самом деле, АТФ является наиболее распространенной энергетической «валютой» в клетках именно потому, что изменение свободной энергии на -7,3 ккал/моль в результате ее гидролиза достаточно, чтобы быть полезным для запуска многих других эндергонических реакций путем связывания, но это менее затратно (энергетически менее затратно). ), чем другие соединения, которые потенциально могут высвобождать еще больше энергии (например, фосфоенолпируват, ФЕП). Кроме того, большая часть -14.8 ккал/моль (ΔG°’) от гидролиза ПЭП были бы потрачены впустую, потому что относительно немногие эндергонические реакции настолько неблагоприятны, что требуют такого большого количества свободной энергии.

Чем АТФ отличается от других малых фосфорилированных соединений? Как получается, что γ-фосфоангидридная связь (самая дальняя) АТФ может давать столько энергии, когда при гидролизе глицерол-3-фосфата выделяется меньше трети свободной энергии? Наиболее очевидным является электростатическое отталкивание. Хотя они удерживаются вместе ковалентными связями, в небольшом пространстве находится много отрицательных зарядов (каждый фосфат несет примерно 4 отрицательных заряда).Удаление одного из фосфатов значительно снижает электростатическое отталкивание. Имея в виду, что DG рассчитывается из равновесия как реагентов, так и продуктов, мы также видим, что продукты гидролиза АТФ, АТФ и фосфат, очень стабильны за счет резонанса (и АДФ, и Pi имеют большую резонансную стабилизацию) и стабилизации за счет гидратации. . Большая стабильность продуктов означает большее изменение свободной энергии.

Даже когда реакция энергетически выгодна (ΔG < 0), она не может происходить без небольшого «толчка», говоря химическим языком.«Толчок» — это то, что называется энергией активации , и он преодолевает термодинамическую стабильность. Возьмем, к примеру, глюкозу. Этот простой сахар является основным источником энергии для всех клеток, и энергия, присущая его связям, высвобождается при распаде на углекислый газ и воду. Поскольку большая молекула распадается на более мелкие, энтропия увеличивается, поэтому в результате реакции высвобождается энергия, и технически это спонтанная реакция. Однако, если мы рассмотрим немного глюкозы в чашке на лабораторном столе, ясно, что она не собирается спонтанно разрушаться, если мы не добавим тепла.Как только мы добавим достаточное количество тепловой энергии, мы сможем удалить источник энергии, но сахар продолжит разлагаться путем окисления (сгорания) до CO 2 и H 2 O.

. Рисунок \(\PageIndex{2}\). Катализаторы снижают энергетический барьер активации химических реакций без изменения изменения свободной энергии для этой реакции.

Иными словами, реагенты должны быть переведены в нестабильное энергетическое состояние, известное как переходное состояние (как показано на пике графиков на рисунке \(\PageIndex{2}\)).Этот барьер потребности в энергии для возникновения спонтанной термодинамически благоприятной реакции называется энергией активации. В клетках потребность в энергии активации означает, что большинство химических реакций будут протекать слишком медленно/редко, чтобы обеспечить все процессы, которые поддерживают жизнь клеток, потому что необходимая энергия, вероятно, будет получена из-за того, что два реагента врежутся друг в друга с достаточной энергией, обычно значит их надо разогревать. Опять же, клетки, как правило, не в состоянии включить какую-то микроскопическую горелку Бунзена для выработки необходимой энергии активации, должен быть другой способ. Фактически, клетки преодолевают проблему энергии активации, используя катализаторы для своих химических реакций. В широком смысле катализатор — это химическое вещество, которое увеличивает скорость реакции, может кратковременно взаимодействовать с реагентами, но не подвергается их постоянному изменению. Катализатор можно использовать повторно, потому что он один и тот же до начала реакции и после завершения реакции. С термодинамической точки зрения он снижает энергию активации реакции, но не изменяет ΔG.Таким образом, он не может вызвать неспонтанную реакцию; он может лишь заставить и без того спонтанную реакцию происходить быстрее или чаще.

6.3 Законы термодинамики — Биология для курсов AP®

Цели обучения

В этом разделе вы изучите следующие вопросы:

  • Что такое энтропия?
  • В чем разница между первым и вторым законами термодинамики?

Соединение для AP

® Курсы

При изучении энергии ученые используют термин «система» для обозначения материи и окружающей ее среды, участвующих в передаче энергии, например, экосистемы. Даже отдельные клетки представляют собой биологические системы, и всем системам требуется энергия для поддержания порядка. Чем более упорядочена система, тем ниже ее энтропия. Энтропия есть мера беспорядка системы. (Представьте свою спальню как систему. В воскресенье вечером вы бросаете грязную одежду в корзину для белья, ставите книги обратно на полки и возвращаете грязную посуду на кухню. Уборка вашей комнаты требует затрат энергии. Что постепенно происходит, когда неделя прогрессирует?Вы догадались: энтропия.) Все биологические системы подчиняются законам химии и физики, в том числе и законам термодинамики, описывающим свойства и процессы переноса энергии в системах.Первый закон гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно; Энергия не может быть создана или уничтожена, но ее можно преобразовать и передать. Второй закон гласит, что любая передача энергии связана с некоторой потерей энергии в непригодной для использования форме, такой как тепловая энергия, что приводит к еще большему беспорядку в системе (например, в вашей спальне в течение недели). Таким образом, никакая передача энергии не является полностью эффективной. (Мы более подробно рассмотрим, как запасается, передается и используется свободная энергия, когда будем изучать фотосинтез и клеточное дыхание.)

Представленная информация и примеры, выделенные в разделе, вспомогательные концепции и цели обучения, изложенные в Большой идее 2 структуры учебного плана по биологии AP ® . Цели обучения, перечисленные в структуре учебного плана, обеспечивают прозрачную основу для курса биологии AP ® , основанного на запросах лабораторного опыта, учебных занятий и экзаменационных вопросов AP ® . Цель обучения объединяет необходимый контент с одной или несколькими из семи научных практик.

Большая идея 2 Биологические системы используют свободную энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.
Прочное понимание 2.A Для роста, размножения и поддержания живых систем требуется свободная энергия и материя.
Основные знания 2.А.1 Все живые системы требуют постоянного поступления свободной энергии.
Научная практика 6,2 Студент может строить объяснения явлений на основе доказательств, полученных в результате научной практики.
Цель обучения 2.1 Учащийся может объяснить, как биологические системы используют свободную энергию, основываясь на эмпирических данных о том, что всем организмам требуется постоянное потребление энергии для поддержания организации, роста и воспроизводства.

Поддержка учителей

Используйте опрос, который учащиеся ранее проводили в своих районах или городе, и попросите их определить количество энергии (выраженное в виде стоимости), которое потребуется для ремонта одного экземпляра или для приведения его в «порядок». Деньги — это энергия, идущая на ремонт, материалы — это то, что пойдет непосредственно на ремонт, а накладные расходы могут быть аналогичны деньгам, потерянным в процессе. В химической реакции с передачей энергии эти накладные расходы представляют собой потерянную энергию, выраженную в виде тепла.

Контрольные вопросы по научной практике содержат дополнительные тестовые вопросы для этого раздела, которые помогут вам подготовиться к экзамену AP. Эти вопросы касаются следующих стандартов:
[APLO 2.1][APLO 2.2][APLO 2.4][APLO 4.16][APLO 2.3]

Термодинамика относится к изучению энергии и переноса энергии с участием физической материи. Вещество и его окружение, относящиеся к конкретному случаю передачи энергии, классифицируются как система, а все, что находится за пределами этой системы, называется окружением. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает плиту, кастрюлю и воду. Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой). Существует два типа систем: открытые и закрытые. Открытая система — это система, в которой энергия может передаваться между системой и ее окружением. Система плиты открыта, потому что тепло может теряться в воздухе. Замкнутая система – это система, которая не может передавать энергию окружающей среде.

Биологические организмы являются открытыми системами. Между ними и их окружением происходит обмен энергией, поскольку они потребляют энергоаккумулирующие молекулы и выделяют энергию в окружающую среду, выполняя работу. Как и все в физическом мире, энергия подчиняется законам физики.Законы термодинамики управляют передачей энергии во всех системах во Вселенной и между ними.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики касается общего количества энергии во Вселенной. Он утверждает, что это общее количество энергии является постоянным. Другими словами, во Вселенной всегда было и всегда будет одинаковое количество энергии. Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, но не может создаваться или уничтожаться. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас все время. Лампочки преобразуют электрическую энергию в энергию света. Газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую энергию. Растения осуществляют одно из наиболее биологически полезных преобразований энергии на Земле: преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах, как показано на рис. 6.2. Некоторые примеры преобразования энергии показаны на рис. 6.11.

Задача всех живых организмов состоит в том, чтобы получать энергию из окружающей среды в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.Живые клетки эволюционировали, чтобы очень хорошо справиться с этой задачей. Химическая энергия, хранящаяся в органических молекулах, таких как сахара и жиры, преобразуется посредством ряда клеточных химических реакций в энергию в молекулах АТФ. Энергия молекул АТФ легко доступна для выполнения работы. Примеры типов работы, которую должны выполнять клетки, включают построение сложных молекул, транспортировку материалов, обеспечение биения ресничек или жгутиков, сокращение мышечных волокон для создания движения и размножение.

Фигура 6.11 Показаны два примера передачи энергии от одной системы к другой и преобразования из одной формы в другую. Люди могут преобразовывать химическую энергию пищи, такой как этот рожок мороженого, в кинетическую энергию (энергию движения для езды на велосипеде). Растения могут преобразовывать электромагнитное излучение (энергию света) солнца в химическую энергию. (кредит «мороженое»: модификация работы Д. Шэрон Прюитт; кредит «дети на велосипедах»: модификация работы Мишель Ригген-Рэнсом; кредит «лист»: модификация работы Кори Занкер)

Второй закон термодинамики

Основные задачи живой клетки по получению, преобразованию и использованию энергии для выполнения работы могут показаться простыми.Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажутся. Ни один из рассмотренных нами переносов энергии, как и все переносы и преобразования энергии во Вселенной, не является полностью эффективным. При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев такой формой является тепловая энергия. Термодинамически тепловая энергия определяется как энергия, передаваемая от одной системы к другой, не совершающей работы. Например, когда самолет летит по воздуху, часть энергии летящего самолета теряется в виде тепловой энергии из-за трения с окружающим воздухом.Это трение фактически нагревает воздух, временно увеличивая скорость молекул воздуха. Точно так же часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций. Это хорошо для теплокровных существ, таких как мы, потому что тепловая энергия помогает поддерживать температуру нашего тела. Строго говоря, никакая передача энергии не является полностью эффективной, потому что часть энергии теряется в непригодной для использования форме.

Важным понятием в физических системах является порядок и беспорядок (также известный как случайность).Чем больше энергии теряет система в своем окружении, тем менее упорядоченной и более случайной является система. Ученые называют мерой случайности или беспорядка в системе энтропию. Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию (рис. 6.12). Чтобы лучше понять энтропию, представьте себе спальню студента. Если бы в это не вкладывалась ни энергия, ни работа, комната быстро захламлялась бы. Он будет существовать в очень неупорядоченном состоянии с высокой энтропией. Энергия должна быть вложена в систему, в виде того, что ученик выполняет работу и все убирает, чтобы привести помещение обратно в состояние чистоты и порядка.Это состояние является состоянием низкой энтропии. Точно так же машину или дом необходимо постоянно поддерживать в рабочем состоянии, чтобы поддерживать его в упорядоченном состоянии. Оставленные в покое, энтропия дома или автомобиля постепенно увеличивается из-за ржавчины и деградации. Молекулы и химические реакции также имеют различную величину энтропии. Например, по мере того, как химические реакции достигают состояния равновесия, энтропия возрастает, а по мере того, как молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и рассеиваются, энтропия также возрастает.

Подключение научного метода

Научная связь

Перенос энергии и результирующая энтропия Проведите простой эксперимент, чтобы понять, как передается энергия и как происходит изменение энтропии.

  1. Возьмите кусок льда. Это вода в твердом состоянии, поэтому она имеет высокий структурный порядок. Это означает, что молекулы не могут сильно двигаться и находятся в фиксированном положении. Температура льда 0°С. В результате энтропия системы низка.
  2. Дайте льду растаять при комнатной температуре. В каком состоянии сейчас находятся молекулы жидкой воды? Как происходила передача энергии? Энтропия системы выше или ниже? Почему?
  3. Нагрейте воду до точки кипения.Что происходит с энтропией системы при нагревании воды?

Все физические системы можно представить следующим образом: живые существа высоко упорядочены и требуют постоянного поступления энергии для поддержания состояния низкой энтропии. Поскольку живые системы поглощают молекулы, хранящие энергию, и преобразуют их посредством химических реакций, они теряют некоторое количество полезной энергии в процессе, потому что ни одна реакция не является полностью эффективной. Они также производят отходы и побочные продукты, которые не являются полезными источниками энергии.Этот процесс увеличивает энтропию окружения системы. Поскольку все передачи энергии приводят к потере некоторой полезной энергии, второй закон термодинамики гласит, что каждая передача или преобразование энергии увеличивает энтропию Вселенной. Несмотря на то, что живые существа высоко упорядочены и поддерживают состояние низкой энтропии, энтропия Вселенной в целом постоянно увеличивается из-за потери полезной энергии при каждой передаче энергии. По сути, живые существа ведут непрерывную тяжелую борьбу с этим постоянным увеличением универсальной энтропии.

Фигура 6.12 Энтропия — это мера случайности или беспорядка в системе. Газы имеют более высокую энтропию, чем жидкости, а жидкости имеют более высокую энтропию, чем твердые тела.

Связь с научной практикой для курсов AP®

Подумай об этом

  • Представьте себе большую муравьиную колонию с тщательно продуманным гнездом, содержащим множество туннелей и проходов. А теперь представьте, что землетрясение сотрясает землю и сносит гнездо. У муравейника была более высокая энтропия до или после землетрясения? Что могут сделать муравьи, чтобы восстановить свое гнездо, близкое к исходному уровню энтропии? Объясните свои ответы.
  • Передача энергии происходит постоянно в повседневной деятельности. Подумайте о двух сценариях: готовка на плите и вождение автомобиля. Объясните, как второй закон термодинамики применим к этим двум сценариям.

Поддержка учителей

Оба приведенных ниже вопроса являются приложением Целей обучения 2.1 и научной практики 6. 2, потому что учащиеся объясняют, как системы используют свободную энергию и как энтропия уменьшает количество энергии, доступной для системы.

Возможные ответы:

Муравьиная ферма находится в состоянии повышенной энтропии или беспорядка после землетрясения.Туннели разрушены, и необходимо потратить энергию, чтобы восстановить их.

Передача энергии происходит постоянно в повседневной деятельности. Подумайте о двух сценариях: готовка на плите и вождение автомобиля. Объясните, как второй закон термодинамики применим к этим двум сценариям.

В обоих примерах есть подвод энергии, который приводит к выполнению работы, приготовлению пищи и движению автомобиля, и в результате теряется тепло. Тепловые потери перемещаются в помещение при приготовлении пищи и в металл двигателя при сгорании бензина.Энергия должна непрерывно подаваться в системы для поддержания деятельности. Закончился природный газ или пропан, и приготовление пищи прекратилось. Закончился бензин и машина остановилась.

Термодинамика и жизнь

18.8 Термодинамика и жизнь

Цель обучения

  1. Чтобы понять важность термодинамики в биохимических системах.

В термодинамическом смысле живую клетку можно рассматривать как систему с низкой энтропией, которая находится в , а не равновесии с окружающей средой и способна воспроизводить себя.Постоянный приток энергии необходим для поддержания высокоорганизованной структуры клетки, ее широкого набора точно свернутых биомолекул и сложной системы тысяч химических реакций. Клетка также нуждается в энергии для синтеза сложных молекул из простых предшественников (например, для образования белков из аминокислот), создания и поддержания различий в концентрации различных веществ внутри и вне клетки, выполнения механической работы (например, сокращения мышц). В этом разделе мы исследуем природу потока энергии между клеткой и окружающей средой, а также некоторые химические стратегии, которые клетки используют для извлечения энергии из своего окружения и хранения этой энергии.

Поток энергии между клеткой и ее окружением

Одним из следствий первого и второго законов термодинамики является то, что любая замкнутая система должна в конечном итоге достичь равновесия. Без внешнего воздействия часы остановятся, батарея разрядится, а смесь водной кислоты и водной основы достигнет однородного промежуточного значения pH. Напротив, клетка представляет собой открытую систему, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, а также поглощать энергию из окружающей среды в виде тепла или света.Клетки используют полученную таким образом энергию для поддержания неравновесного состояния, необходимого для жизни.

Поскольку клетки являются открытыми системами, их нельзя описать с помощью концепций классической термодинамики, которые мы обсуждали в этой главе и которые сосредоточены на обратимых процессах, происходящих в закрытых химических системах, которые могут обмениваться энергией, но не веществом, с окружающей средой. Следовательно, для количественного описания открытых систем, таких как живые клетки, была разработана относительно новая дисциплина под названием неравновесная термодинамика .

Поскольку клетка не может нарушить второй закон термодинамики, единственный способ поддерживать низкоэнтропийное неравновесное состояние, характеризующееся высокой степенью структурной организации, — это увеличивать энтропию своего окружения. Клетка выделяет часть энергии, которую она получает из окружающей среды, в виде тепла, которое передается в окружающую среду, что приводит к увеличению S surr (рис. 18.17 «Жизнь и энтропия»). Пока Δ S surr положительно и больше, чем Δ S sys , энтропия Вселенной увеличивается, поэтому второй закон термодинамики не нарушается.Высвобождение тепла в окружающую среду необходимо, но недостаточно для жизни: высвобождение энергии должно быть сопряжено с процессами, повышающими степень порядка внутри клетки. Например, дрова выделяют тепло в окружающую среду, но если энергия горящих дров также не используется для выполнения работы, порядок любой части Вселенной не увеличивается.

Рисунок 18.17 Жизнь и энтропия

Живая клетка находится в низкоэнтропийном неравновесном состоянии, характеризующемся высокой степенью структурной организации.Чтобы поддерживать это состояние, клетка должна выделять часть энергии, которую она получает из окружающей среды в виде тепла, тем самым увеличивая S surr настолько, чтобы не нарушался второй закон термодинамики. В этом примере клетка объединяет более мелкие компоненты в более крупные и более упорядоченные структуры; сопровождающее выделение тепла увеличивает энтропию окружающей среды настолько, что S univ > 0,

Обратите внимание на шаблон

Любой организм, находящийся в равновесии с окружающей средой, мертв.

Извлечение энергии из окружающей среды

Хотя организмы используют широкий спектр специфических стратегий для получения энергии, необходимой им для жизни и размножения, в целом их можно разделить на две категории: организмы являются либо фототрофами (от греческого фото , означающего «свет», и трофос , что означает «кормушка»), источником энергии которых является солнечный свет, или хемотрофы , источником энергии которых являются химические соединения, обычно получаемые путем потребления или разрушения других организмов.Фототрофы, такие как растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии, напрямую используют лучистую энергию солнца, превращая воду и углекислый газ в богатые энергией органические соединения, тогда как хемотрофы, такие как животные, грибы и многие нефотосинтезирующие бактерии, получают энергию. богатые органические соединения из окружающей их среды. Независимо от природы источников энергии и углерода все организмы используют окислительно-восстановительные или окислительно-восстановительные реакции для запуска синтеза сложных биомолекул. Организмы, которые могут использовать только O 2 в качестве окислителя (группа, в которую входит большинство животных), являются аэробными организмами , которые не могут выжить в отсутствие O 2 .Многие организмы, использующие другие окислители (например, SO 4 2−, NO 3 или CO 3 2−) или окисленные органические соединения, могут жить только в отсутствие O . , являющийся для них смертельным ядом; такие виды называются анаэробными организмами .

Фундаментальной реакцией, с помощью которой все зеленые растения и водоросли получают энергию от солнечного света, является фотосинтез. Фундаментальная реакция, с помощью которой все зеленые растения и водоросли получают энергию от солнечного света, в ходе которой CO2 фотохимически восстанавливается до соединения углерода, такого как глюкоза.Кислород в воде одновременно окисляется до O2. Фотохимическое восстановление CO 2 до соединения углерода, такого как глюкоза. При этом кислород в воде окисляется до O 2 (напомним, что ч ν — это энергия света):

Уравнение 18.49

6CO2+6h3O→hvC6h22O6фотосинтез+6O2

Эта реакция не является самопроизвольным процессом, как написано, поэтому для запуска реакции используется энергия солнечного света.Фотосинтез имеет решающее значение для жизни на Земле; он производит весь кислород в нашей атмосфере.

Во многих отношениях хемотрофы более разнообразны, чем фототрофы, потому что природа как восстановителя (питательного вещества), так и окислителя может различаться. Наиболее известная хемотрофная стратегия использует такие соединения, как глюкоза в качестве восстановителя и молекулярный кислород в качестве окислителя в процессе, называемом дыханием. Процесс, посредством которого хемотрофы получают энергию из окружающей среды; общая реакция дыхания обратна фотосинтезу.Дыхание — это сгорание соединения углерода, такого как глюкоза, с образованием CO2 и воды. (Дополнительную информацию о дыхании см. в главе 5 «Изменения энергии в химических реакциях».) Общая реакция дыхания обратна фотосинтезу:

Уравнение 18.50

C6h22O6+6O2→6CO2дыхание+6h3O

В альтернативной стратегии используется ферментацияПроцесс, используемый некоторыми хемотрофами для получения энергии из окружающей среды; химическая реакция, в которой и окислитель, и восстановитель являются органическими соединениями.реакции, при которых органическое соединение одновременно окисляется и восстанавливается. Типичными примерами являются спиртовое брожение, используемое для приготовления вина, пива и хлеба, и молочнокислое брожение, используемое для приготовления йогурта:

Уравнение 18.51

C6h22O6→2CO2+2Ch4Ch3OHспиртовое брожение

Уравнение 18.52

C6h22O6→2Ch4CH(OH)CO2молочнокислое брожение

В этих реакциях одни атомы углерода глюкозы окисляются, а другие восстанавливаются. Напомним, что реакция, в которой один вид одновременно окисляется и восстанавливается, называется реакцией диспропорционирования .

Роль НАДН и АТФ в метаболизме

Независимо от идентичности веществ, из которых организм получает энергию, энергия должна высвобождаться очень небольшими порциями, чтобы быть полезной для клетки. В противном случае температура в камере поднимется до смертельного уровня. Клетки хранят часть высвобождаемой энергии в виде АТФ (аденозинтрифосфата), соединения, которое является универсальной энергетической валютой всех живых организмов (рис. 18.18 «АТФ, универсальная энергетическая валюта всех клеток»).

Рисунок 18.18 АТФ, универсальная энергетическая валюта всех клеток

Молекула АТФ содержит азотсодержащее основание, сахар и три фосфатные группы, а также две высокоэнергетические связи ангидрида фосфорной кислоты.

Большинство организмов используют несколько промежуточных видов для перемещения электронов между конечным восстановителем (таким как глюкоза) и конечным окислителем (таким как O 2 ). Практически во всех случаях промежуточные соединения окисляют богатое энергией восстановленное соединение, а уже восстановленное промежуточное соединение затем мигрирует в другое место, где происходит окисление. Наиболее важным из этих промежуточных соединений, переносящих электроны, является НАД + (никотинамидадениндинуклеотид; рис. 18.19 «НАД»), восстановленная форма которого, формально содержащая Н , представляет собой НАДН (восстановленный никотинамидадениндинуклеотид). Сокращение NAD + до NADH можно записать следующим образом:

Уравнение 18.53

НАД + + Н + + 2е → НАДН

Рисунок 18.19 NAD + и его редуцированная форма (NADH)

Этот переносчик электронов используется биологическими системами для переноса электронов от одного вида к другому. Окисленная форма (НАД + ) восстанавливается до НАДН с помощью богатых энергией питательных веществ, таких как глюкоза, а восстановленная форма (НАДН) затем окисляется до НАД + под действием О 2 во время дыхания.

Большинство организмов используют NAD + для окисления богатых энергией питательных веществ, таких как глюкоза, до CO 2 и воды; Затем NADH окисляется до NAD + с использованием окислителя, такого как O 2 . Во время окисления часть энергии, полученной в результате окисления питательного вещества, запасается в виде АТФ. Связи ангидрида фосфорной кислоты в АТФ затем могут гидролизоваться водой, высвобождая энергию и образуя АДФ (аденозиндифосфат). Именно благодаря этой последовательности реакций энергия от окисления питательных веществ становится доступной для клеток.Таким образом, АТФ играет центральную роль в метаболизме: он синтезируется путем окисления питательных веществ, а затем его энергия используется клетками для проведения синтетических реакций и выполнения работы (рис. 18.20 «Цикл АТФ»).

Рисунок 18.20 Цикл АТФ

Высокоэнергетическая связь ангидрида фосфорной кислоты в АТФ накапливает энергию, высвобождаемую при окислении питательных веществ. Гидролиз высокоэнергетической связи в АТФ высвобождает энергию с образованием аденозиндифосфата (АДФ) и фосфата.

В стандартных условиях в биохимических реакциях все реагенты присутствуют в водных концентрациях 1 М при давлении 1 атм. Для H + это соответствует нулевому pH, но при pH = 0 происходит очень мало биохимических процессов. Поэтому для биохимических реакций химики определили новое стандартное состояние, в котором концентрация H + составляет 1 × 10 – 7 90–120 М (рН 7,0), а все остальные реагенты и продукты находятся в своих обычных стандартных условиях (1 М или 1 атм).Изменение свободной энергии и соответствующая константа равновесия для реакции в этих новых стандартных условиях обозначаются добавлением штриха (‘) к общепринятому символу: Δ G °’ и K ‘. Если протоны не участвуют в биологической реакции, то Δ G °′ = Δ G °. В противном случае соотношение между Δ G °′ и Δ G ° будет следующим:

Уравнение 18. 54

Δ G °′ = Δ G ° + RT ln(10 −7 ) n

, где Δ G °′ и Δ G ° выражены в килоджоулях на моль, а n — количество протонов, образующихся в реакции.При 298 К это упрощается до

.

Уравнение 18.55

Δ G °′ = Δ G ° − 39,96 n

Таким образом, любая реакция, включающая высвобождение протонов, термодинамически более благоприятна при рН 7, чем при рН 0.

Химическое уравнение, соответствующее гидролизу АТФ до АДФ и фосфата, выглядит следующим образом:

Уравнение 18.56

АТФ4-+h3O⇌АДФ3-+HPO42-+Н+

Эта реакция имеет Δ G °’, равное -34,54 кДж/моль, но в типичных физиологических (или биохимических) условиях фактическое значение Δ G ‘ для гидролиза АТФ составляет около -50 кДж/моль. Организмы используют эту энергию для запуска реакций, которые энергетически восходят, тем самым связывая реакции с гидролизом АТФ. Один пример можно найти в биохимическом пути гликолиза , в котором глюкоза с 6 атомами углерода (C 6 H 12 O 6 ) расщепляется на два фрагмента с 3 атомами углерода, которые затем используются в качестве топлива. для клетки.Первоначально к глюкозе присоединяется фосфатная группа с образованием эфира фосфорной кислоты, глюкозо-6-фосфата (сокращенно глюкозо-6-Ф), в реакции, аналогичной реакции спирта и фосфорной кислоты:

Уравнение 18.57

глюкоза (водн.)+HPO42-(водн.)⇌глюкоза-6-P2-(водн.)+h3O(l)ROH+HOPO32-⇌ROPO32-+h3O

Из-за своего электрического заряда эфир фосфорной кислоты не может выйти из клетки, диффундируя обратно через мембрану, окружающую клетку, что обеспечивает его доступность для дальнейших реакций.Для реакции в уравнении 18. 57 Δ G ° составляет 17,8 кДж/моль, а K составляет 7,6 × 10 -4 , что указывает на то, что равновесие лежит далеко влево. Чтобы заставить эту реакцию происходить, как написано, ее соединяют с термодинамически благоприятной реакцией, гидролизом АТФ до АДФ:

. глюкоза + HPO42-⇌глюкоза-6-P2-+h3OΔG°’=17,8 кДж/мольK1=7,6×10-4ATP4-+h3O⇌ADP3-+HPO42-+H+ΔG°’=-34,54 кДж/мольK2=2,2× 105глюкоза + АТФ4-⇌глюкоза-6-P2-+АДФ3-+H+ΔG°’=-16.7 кДж/мольK3=1,7×102

Таким образом, образование глюкозо-6-фосфата термодинамически спонтанно, если в качестве источника фосфата используется АТФ.

Обратите внимание на шаблон

Организмы используют энергию гидролиза АТФ для управления термодинамически неспонтанными реакциями.

Образование глюкозо-6-фосфата — лишь один из многих примеров того, как клетки используют АТФ для запуска неспонтанной биохимической реакции.В нестандартных физиологических условиях каждый гидролизованный АТФ фактически приводит к увеличению величины константы равновесия примерно на 10 8 по сравнению с константой равновесия реакции в отсутствие АТФ. Так, реакция, в которой две молекулы АТФ превращаются в АДФ, увеличивает 90 147 K 90 148 примерно на 10 90 119 16 90 120 , три молекулы АТФ — на 10 90 119 24 90 120 и так далее. Практически любую энергетически невыгодную реакцию или последовательность реакций можно вызвать самопроизвольно, соединив ее с гидролизом достаточно большого числа молекул АТФ.

Хранение энергии в ячейках

Хотя все организмы используют АТФ в качестве непосредственного источника свободной энергии в биохимических реакциях, АТФ не является эффективной формой для длительного хранения энергии. Если бы потребление калорий средним взрослым человеком в состоянии покоя было запасено в виде АТФ, две трети веса тела должны были бы состоять из АТФ. Вместо этого типичный взрослый человек весом 70 кг имеет в общей сложности только около 50 г как АТФ, так и АДФ, и каждая молекула АТФ не используется для длительного хранения, каждая молекула АТФ переворачивается примерно 860 раз в день. Весь запас АТФ был бы исчерпан менее чем за 2 минуты, если бы он не регенерировался непрерывно.

Как организм накапливает энергию для возможного производства АТФ? Три основных средства — это сахара, белки и жиры. Сгорание сахаров и белков дает около 17 кДж энергии на грамм, тогда как сжигание жиров дает более чем вдвое больше энергии на грамм, около 39 кДж/г. Более того, сахара и белки гидрофильны и содержат около 2 г воды на грамм топлива даже в очень концентрированном виде.Напротив, жиры гидрофобны и могут храниться практически в безводной форме. В результате организмы могут хранить примерно в шесть раз больше энергии на грамм в виде жиров, чем в любой другой форме. Типичный взрослый человек массой 70 кг имеет около 170 кДж энергии в виде глюкозы, циркулирующей в крови, около 2600 кДж энергии запасается в мышцах и печени в виде гликогена (полимерная форма глюкозы), около 100 000 кДж запасается в форме глюкозы. белка (в первую очередь мышечной ткани) и почти 500 000 кДж в виде жиров (рис. 18.21 «Процентное соотношение форм накопления энергии у взрослых людей»). Таким образом, жиры представляют собой самый большой запас энергии, хотя на их долю приходится лишь около 12 кг массы тела в 70 кг. Для хранения этого количества энергии в виде сахаров потребуется общая масса тела около 144 кг, более половины которой приходится на сахар.

Рисунок 18.21 Процентное соотношение форм накопления энергии у взрослых людей

Средний взрослый человек весом 70 кг хранит около 6 × 10 5 кДж энергии в виде глюкозы, гликогена, белков и жиров.Жиры являются наиболее распространенной и наиболее эффективной формой для хранения энергии.

Пример 16

Глюкоза — это форма, в которой организм хранит энергию.

  1. Рассчитайте Δ G °′ для дыхания глюкозы с образованием CO 2 и H 2 O, используя эти значения ΔGf°: −910,4 кДж/моль для глюкозы, −394,4 кДж/моль для CO 2 (ж) и –237,1 кДж/моль для H 2 O(ж).
  2. Если предположить, что эффективность преобразования высвобождаемой энергии в АТФ составляет 50 %, сколько молекул АТФ может быть синтезировано при сгорании одной молекулы глюкозы? В 298.15 K, Δ G °′ для гидролиза АТФ составляет -34,54 кДж/моль.

Дано: сбалансированное химическое уравнение (уравнение 18.50), значения ΔGf°, эффективность преобразования и Δ G °′ для гидролиза АТФ

Запрашиваемый: Δ G °′ для реакции горения и количества молекул АТФ, которые могут быть синтезированы

Стратегия:

A Используя правило «продукты минус реагенты», рассчитайте ΔGrxn° для реакции дыхания.

B Умножьте рассчитанное значение ΔGrxn° на эффективность, чтобы получить количество килоджоулей, доступных для синтеза АТФ. Затем разделите это значение на Δ G °′ для гидролиза АТФ, чтобы найти максимальное количество молекул АТФ, которое может быть синтезировано.

Решение:

  1. A Протоны в реакции не выделяются и не расходуются, поэтому Δ G °′ = Δ G °.Мы начнем с использования сбалансированного химического уравнения в уравнении 18.50:

    C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O

    Из заданных значений ΔGf° (помните, что ΔGf° равно нулю для такого элемента, как O 2 в его стандартном состоянии), мы можем вычислить ΔGrxn°:

    ΔGrxn°=∑mΔGf°(продукты)−∑nΔGf°(реагенты)=[6(−394. 4)+6(-237,1)]-[(-910,4)+0]=-2879 кДж/моль глюкозы
  2. B Если предположить, что используется только 50% доступной энергии, то для синтеза АТФ доступно около 1440 кДж/моль глюкозы. Величина Δ G °′ для гидролиза АТФ в биохимических условиях составляет -34,54 кДж/моль, так что в принципе организм может синтезировать

    1440 кДж/моль глюкозы34.54 кДж/моль АТФ  = 41,7≈42 АТФ/глюкоза

    Большинство аэробных организмов фактически синтезируют около 32 молекул АТФ на молекулу глюкозы с эффективностью около 45%.

Упражнение

Некоторые бактерии синтезируют метан, используя следующую окислительно-восстановительную реакцию:

CO 2 (г) + 4H 2 (г) → CH 4 (г) + 2H 2 O(г)
  1. Рассчитайте Δ G °′ для этой реакции, используя значения ΔGf° в главе 25 «Приложение A: Стандартные термодинамические величины для химических веществ при 25°C».
  2. Рассчитайте, сколько молекул АТФ можно было бы синтезировать на моль восстановленного СО 2 2 , если бы эффективность процесса составляла 100 %.

Ответ:

  1. −86,6 кДж/моль CO 2
  2. 2,5 АТФ/моль CO 2

Резюме

Живая клетка – это система, не находящаяся в равновесии с окружающей средой; он требует постоянного ввода энергии для поддержания своего неравновесного состояния.Клетки поддерживают состояние с низкой энтропией, увеличивая энтропию своего окружения. Аэробные организмы не могут выжить в отсутствие O 2 , тогда как анаэробные организмы могут жить только в отсутствие O 2 . Зеленые растения и водоросли являются фототрофами , которые извлекают энергию из окружающей среды посредством процесса, называемого фотосинтезом , фотохимического восстановления CO 2 до восстановленного соединения углерода. Другие виды, называемые хемотрофами , извлекают энергию из химических соединений.Одним из основных процессов, используемых хемотрофами для получения энергии, является дыхание , противоположное фотосинтезу. С другой стороны, некоторые хемотрофы получают энергию путем ферментации , при которой органическое соединение является одновременно и окислителем, и восстановителем. Промежуточные соединения, используемые организмами для перемещения электронов между восстановителем и окислителем, включают НАД + и НАДН. Энергия от окисления питательных веществ становится доступной для клеток посредством синтеза АТФ, энергетической валюты клетки.Его энергия используется клетками для синтеза веществ путем сопряженных реакций и выполнения работы. Тело запасает энергию в виде сахаров, белков или жиров, прежде чем использовать ее для производства АТФ.

Концептуальная проблема

  1. Цикл трикарбоновых кислот (TCA) в аэробных организмах является одним из четырех путей, ответственных за ступенчатое окисление органических промежуточных соединений. Конечная реакция в цикле ТСА имеет Δ G ° = 29.7 кДж/моль, так что это не должно происходить самопроизвольно. Предложите объяснение, почему в живых клетках эта реакция протекает в прямом направлении.

Ответить

  1. Он связан с другой спонтанной реакцией, которая продвигает эту реакцию вперед (принцип Ле Шателье).

Законы термодинамики – Биология

OpenStaxCollege

[латексная страница]

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Обсудить концепцию энтропии
  • Объясните первый и второй законы термодинамики

Термодинамика относится к изучению энергии и передачи энергии с участием физической материи.Вещество и его окружение, относящиеся к конкретному случаю передачи энергии, классифицируются как система, а все, что находится за пределами этой системы, называется окружением. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает плиту, кастрюлю и воду. Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой). Существует два типа систем: открытые и закрытые. Открытая система — это система, в которой энергия может передаваться между системой и ее окружением.Система плиты открыта, потому что тепло может теряться в воздухе. Замкнутая система – это система, которая не может передавать энергию окружающей среде.

Биологические организмы являются открытыми системами. Между ними и их окружением происходит обмен энергией, поскольку они потребляют энергоаккумулирующие молекулы и выделяют энергию в окружающую среду, выполняя работу. Как и все в физическом мире, энергия подчиняется законам физики. Законы термодинамики управляют передачей энергии во всех системах во Вселенной и между ними.

Первый закон термодинамики касается общего количества энергии во Вселенной. Он утверждает, что это общее количество энергии является постоянным. Другими словами, во Вселенной всегда было и всегда будет одинаковое количество энергии. Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, но не может создаваться или уничтожаться. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас все время.Лампочки преобразуют электрическую энергию в энергию света. Газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую энергию. Растения выполняют одно из самых биологически полезных преобразований энергии на Земле: преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах ([ссылка]). Некоторые примеры преобразования энергии показаны в [ссылка].

Задача всех живых организмов состоит в том, чтобы получать энергию из своего окружения в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.Живые клетки эволюционировали, чтобы очень хорошо справиться с этой задачей. Химическая энергия, хранящаяся в органических молекулах, таких как сахара и жиры, преобразуется посредством ряда клеточных химических реакций в энергию в молекулах АТФ. Энергия молекул АТФ легко доступна для выполнения работы. Примеры типов работы, которую должны выполнять клетки, включают построение сложных молекул, транспортировку материалов, обеспечение биения ресничек или жгутиков, сокращение мышечных волокон для создания движения и размножение.

Показаны два примера передачи энергии из одной системы в другую и преобразования из одной формы в другую. Люди могут преобразовывать химическую энергию пищи, такой как этот рожок мороженого, в кинетическую энергию (энергию движения для езды на велосипеде). Растения могут преобразовывать электромагнитное излучение (энергию света) солнца в химическую энергию. (кредит «мороженое»: модификация работы Д. Шэрон Прюитт; кредит «дети на велосипедах»: модификация работы Мишель Ригген-Рэнсом; кредит «лист»: модификация работы Кори Занкер)


Основные задачи живой клетки по получению, преобразованию и использованию энергии для выполнения работы могут показаться простыми. Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажутся. Ни один из рассмотренных нами переносов энергии, как и все переносы и преобразования энергии во Вселенной, не является полностью эффективным. При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев такой формой является тепловая энергия. Термодинамически тепловая энергия определяется как энергия, передаваемая от одной системы к другой, не совершающей работы. Например, когда самолет летит по воздуху, часть энергии летящего самолета теряется в виде тепловой энергии из-за трения с окружающим воздухом.Это трение фактически нагревает воздух, временно увеличивая скорость молекул воздуха. Точно так же часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций. Это хорошо для теплокровных существ, таких как мы, потому что тепловая энергия помогает поддерживать температуру нашего тела. Строго говоря, никакая передача энергии не является полностью эффективной, потому что часть энергии теряется в непригодной для использования форме.

Важным понятием в физических системах является порядок и беспорядок (также известный как случайность).Чем больше энергии теряет система в своем окружении, тем менее упорядоченной и более случайной является система. Ученые называют мерой случайности или беспорядка в системе энтропию. Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию ([ссылка]). Чтобы лучше понять энтропию, представьте себе спальню студента. Если бы в это не вкладывалась ни энергия, ни работа, комната быстро захламлялась бы. Он будет существовать в очень неупорядоченном состоянии с высокой энтропией. Энергия должна быть вложена в систему, в виде того, что ученик выполняет работу и все убирает, чтобы привести помещение обратно в состояние чистоты и порядка.Это состояние является состоянием низкой энтропии. Точно так же машину или дом необходимо постоянно поддерживать в рабочем состоянии, чтобы поддерживать его в упорядоченном состоянии. Оставленные в покое, энтропия дома или автомобиля постепенно увеличивается из-за ржавчины и деградации. Молекулы и химические реакции также имеют различную величину энтропии. Например, по мере того, как химические реакции достигают состояния равновесия, энтропия возрастает, а по мере того, как молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и рассеиваются, энтропия также возрастает.

Научная связь

Перенос энергии и результирующая энтропия

Проведите простой эксперимент, чтобы понять, как передается энергия и как происходит изменение энтропии.

  1. Возьмите кусок льда. Это вода в твердом состоянии, поэтому она имеет высокий структурный порядок. Это означает, что молекулы не могут сильно двигаться и находятся в фиксированном положении. Температура льда 0°С. В результате энтропия системы низка.
  2. Дайте льду растаять при комнатной температуре. В каком состоянии сейчас находятся молекулы жидкой воды? Как происходила передача энергии? Энтропия системы выше или ниже? Почему?
  3. Нагрейте воду до точки кипения. Что происходит с энтропией системы при нагревании воды?

Все физические системы можно представить следующим образом: живые существа высоко упорядочены и требуют постоянного поступления энергии для поддержания состояния низкой энтропии. Поскольку живые системы поглощают молекулы, хранящие энергию, и преобразуют их посредством химических реакций, они теряют некоторое количество полезной энергии в процессе, потому что ни одна реакция не является полностью эффективной. Они также производят отходы и побочные продукты, которые не являются полезными источниками энергии.Этот процесс увеличивает энтропию окружения системы. Поскольку все передачи энергии приводят к потере некоторой полезной энергии, второй закон термодинамики гласит, что каждая передача или преобразование энергии увеличивает энтропию Вселенной. Несмотря на то, что живые существа высоко упорядочены и поддерживают состояние низкой энтропии, энтропия Вселенной в целом постоянно увеличивается из-за потери полезной энергии при каждой передаче энергии. По сути, живые существа ведут непрерывную тяжелую борьбу с этим постоянным увеличением универсальной энтропии.

Энтропия — это мера случайности или беспорядка в системе. Газы имеют более высокую энтропию, чем жидкости, а жидкости имеют более высокую энтропию, чем твердые тела.


При изучении энергии ученые используют термин «система» для обозначения материи и окружающей ее среды, участвующих в передаче энергии. Все, что находится за пределами системы, называется окружением. Отдельные клетки представляют собой биологические системы. Системы можно рассматривать как имеющие определенный порядок. Чтобы сделать систему более упорядоченной, требуется энергия.Чем более упорядочена система, тем ниже ее энтропия. Энтропия есть мера беспорядка системы. Чем больше система становится неупорядоченной, тем меньше ее энергия и тем выше становится ее энтропия.

Ряд законов, называемых законами термодинамики, описывает свойства и процессы передачи энергии. Первый закон гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно. Это означает, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только передана или преобразована. Второй закон термодинамики гласит, что каждая передача энергии связана с некоторой потерей энергии в непригодной для использования форме, такой как тепловая энергия, что приводит к более неупорядоченной системе.Другими словами, никакая передача энергии не является полностью эффективной и имеет тенденцию к беспорядку.

Что из следующего не является примером преобразования энергии?

  1. Включение выключателя света
  2. Солнечные батареи в работе
  3. Образование статического электричества
  4. Ничего из вышеперечисленного

Обозначьте каждую из следующих систем как высокоэнтропийную или низкоэнтропийную: i. момент распыления флакона духов по сравнению с 30 секундами позже, ii.сравнение старого автомобиля 1950-х годов с совершенно новым автомобилем и iii. живой клетки по сравнению с мертвой клеткой.

  1. я. низкий, II. высокая, III. низкий
  2. я. низкий, II. высокая, III. высокий
  3. я. высокая, II. низкий, III. высокий
  4. я. высокая, II. низкий, III. Низкий

Представьте себе сложную муравьиную ферму с туннелями и проходами в песке, где муравьи живут большим сообществом. А теперь представьте, что землетрясение потрясло землю и разрушило муравейник. В каком из этих двух сценариев до или после землетрясения муравьиная ферма находилась в состоянии более высокой или более низкой энтропии?

Муравьиная ферма до землетрясения имела более низкую энтропию, потому что это была высокоупорядоченная система.После землетрясения система стала гораздо более неупорядоченной и имела более высокую энтропию.

Передача энергии происходит постоянно в повседневной деятельности. Подумайте о двух сценариях: готовка на плите и вождение. Объясните, как второй закон термодинамики применим к этим двум сценариям.

Во время готовки пища нагревается на плите, но не все тепло идет на приготовление пищи, часть тепла теряется в виде тепловой энергии в окружающий воздух, увеличивая энтропию. Во время вождения автомобили сжигают бензин для запуска двигателя и движения автомобиля.Эта реакция не полностью эффективна, так как часть энергии во время этого процесса теряется в виде тепловой энергии, поэтому капот и компоненты под ним нагреваются при включенном двигателе. Шины также нагреваются из-за трения о дорожное покрытие, что является дополнительными потерями энергии. Эта передача энергии, как и все другие, также увеличивает энтропию.

Глоссарий

энтропия (S)
мера случайности или беспорядка в системе
тепло
энергия энергия, передаваемая от одной системы к другой, не являющаяся работой (энергия движения молекул или частиц)
термодинамика
изучение энергии и переноса энергии с участием физической материи

Биология Второй закон термодинамики

Возможно, вы уже поняли, что никакое противостояние между биологией и физикой или между вами и вашими родными в субботу вечером не может произойти без достаточного количества энергии. О каком биологическом противостоянии мы говорим? Только один из наиболее фундаментальных законов физики, именуемый вторым законом термодинамики . Ты не чувствуешь себя глупо? Зачем нам сначала обсуждать первый закон термодинамики? Смысл переоценен.

Второй закон термодинамики утверждает, что степень беспорядка во Вселенной постоянно возрастает. Количество беспорядка в системе можно определить количественно, и это измерение называется энтропией .Вы часто будете видеть нашу новую знакомую энтропию, выраженную буквой S . Не дайте себя одурачить; это все еще энтропия. Как вы можете себе представить, создание порядка во Вселенной, которая всегда движется к еще большему беспорядку, требует большого количества энергии. Вселенная приняла решение, и ее невозможно отговорить; на данный момент, не так много, чтобы сделать, но оставаться сильными и продолжать идти.

Теперь вы знаете, почему жизнь сводится к вечному противостоянию между порядком и беспорядком. Жизнь стремится создавать упорядоченные структуры, в то время как вселенная, любящая беспорядок, обрушивает на него как можно больше дождей.Не круто, Вселенная. Нет. Прохладный. (Не хочу быть Дебби Даунер, но вселенная обычно побеждает в этих противостояниях, когда все сказано и сделано. Мы сообщим вам, если исход когда-либо будет в пользу Жизни.)

Что означает, что количество беспорядок увеличивается? Давай подумаем о твоей… папке по биологии. Папка с тремя кольцами хранит все страницы в правильном порядке (по крайней мере, так оно и было бы, если бы вы когда-нибудь туда что-нибудь положили). Второй закон термодинамики , примененный здесь, означает, что если вы случайно уроните папку и кольца лопнут, все страницы будут смешаны вместе.Очевидно.

Подумайте, почему это так. По словам учителя биологии и класса, есть только один правильный порядок, в котором должны лежать страницы, и множество других способов, чтобы упавшие листки бумаги приземлились на землю. Чтобы вернуть бумаги в правильный порядок, требуется энергия.

Мы также можем думать о втором законе термодинамики с точки зрения организации вашей спальни. Ваша комната, естественно, имеет тенденцию к беспорядку (довольно безумно, что мы это знали, верно?) или обустройству комнаты с большей энтропией, и поддержание ее в порядке и чистоте требует много работы.В следующий раз, когда кто-то, если на то пошло, скажет вам убраться в своей комнате, скажите ей, что вы позволяете второму закону термодинамики действовать своим чередом. В конце концов, лучше всего быть единым целым с природой.

Этот человек, который грубо прокомментировал состояние ваших вещей, вероятно, быстро поймет, что ваше оправдание неуборки в вашей комнате является плохим (без обид). К несчастью для вас, второй закон термодинамики применим ко всей вселенной , а ваша комната — лишь маленькая составляющая огромной вселенной.Поэтому вы можете убраться в своей комнате, и пока вся вселенная все еще движется к беспорядку, в мире все в порядке. Извините, что лопнул ваш пузырь.

На самом деле все сводится к элементарной математике. Весь беспорядок в остальной части вселенной должен компенсировать толику порядка в вашей новой безупречной и ухоженной комнате. Ваша комната — это то, что мы называем открытой системой , что означает, что энергия, энтропия и даже вы и ваши вещи могут свободно проходить от стен вашей комнаты к остальной вселенной.Хорошая попытка запереть дверь.

С другой стороны, закрытая система может обмениваться с окружающей средой энергией, но не материей (материя = все, что имеет массу и занимает пространство). Изолированная система не может ничем обмениваться со своим окружением. Если бы ваша комната была изолированной системой, вы могли бы быть освобождены от уборки, но вы также были бы заземлены. Для жизни. Физика здесь не слишком важна, не так ли?

Вот общее изображение системы.Пунктирная линия является определяющим фактором. Может ли система обменять все? Если да, то это открытая система. Все, кроме материи? Тогда это закрытая система. Ничего? Что ж, в таком случае мы рассматриваем изолированную систему.

Это может свести вас с ума, но иметь чистую комнату в неупорядоченной вселенной можно так же, как клетки вашего тела. Ваше тело — это практически живое воплощение организации. Во-первых, у вас есть органы, состоящие из клеток, которые, в свою очередь, организованы в компартменты, такие как ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум… и так далее.Вы можете задаться вопросом, как на Земле ваше тело могло стать упорядоченным, когда беспорядок во Вселенной постоянно увеличивается, верно? Ответ заключается в том, что клетка берет энергию из окружающей среды для создания порядка. В свою очередь, клетка выделяет энергию в виде тепла в окружающую среду, давая ей то, что она хочет, и делая ее более неупорядоченной.

Вам также может быть интересно, почему добавление тепла в окружающую среду делает ее более беспорядочной. Тепло — это в основном самая неупорядоченная форма энергии.Когда он попадает в окружающую среду, он ускоряет случайное движение атомов и молекул на своем пути. Эта случайность является прекрасным примером увеличения энтропии .

Давайте рассмотрим противоположный сценарий, когда температура системы снижается из-за оттока тепла из системы. В этом случае атомы и молекулы движутся медленнее, пока не перестают двигаться вообще. На самом деле это более упорядоченное состояние бытия, и поэтому энтропия системы уменьшилась.Добавление большего количества тепла в систему за счет повышения температуры снова увеличит беспорядок в этой системе.

Закуска для мозга

Один из способов, которым клетка создает порядок, — это генерация мембранного потенциала (читай: концентрация ионов водорода через мембрану). Клетка имеет мембранный потенциал около 300 милливольт (мВ). Это количество может показаться вам не таким уж большим, но в небольшом масштабе клетки этот потенциал может многое сделать.

Биологические следствия 2-го закона термодинамики

Из наших предыдущих чтений о распределении энергии мы узнали, что в термической среде со многими молекулами происходит постоянное кипение и жужжание энергии: она постоянно обменивается посредством взаимодействия молекул с одной степени свободы на другую. еще один.

В ситуации, когда энергия (в среднем) распределяется неравномерно по каждой степени свободы, существует тенденция к перераспределению энергии, так что в каждом месте, где она находится, имеется (в среднем) равное количество энергии. можно поставить. Эта последняя ситуация является термодинамическим равновесием . Второй закон термодинамики говорит нам, что в целом распределение энергии во Вселенной стремится к равновесию. (См. Второй закон термодинамики: вероятностный закон и пример, связанный с этой страницей.)

Моделирование молекул воды вблизи ионного канала.
Источник: Искусственные водные каналы,
Группа Аксиментьева, UIUC
http://bionano.physics.illinois.edu/node/283

Какое значение эта идея имеет для биологических систем? Все живые системы должны держаться подальше от равновесия: поддерживать разницу температур между нами и окружающей средой, поддерживать более высокий pH в одной части нашего тела и более низкий в другой, поддерживать разделение между окружающей средой внутри наших клеток и снаружи.Равновесие — это смерть, распад и распад.

Если биология занимается избеганием равновесия, какое отношение спонтанная тенденция Вселенной двигаться к равновесию имеет к биологии?

Биологические системы не существуют вне физической вселенной. Они состоят из физических элементов, подчиняющихся законам физики. Живые организмы поддерживают свои неравновесные состояния, связывая свою деятельность с неравновесным состоянием окружающей физической среды: непрерывный поток энергии от солнца к земле, через живые и неживые тела и, наконец, вне планеты в окружающее пространство. Наше погружение в этот энергетический поток дает возможности: возможности улавливать части этого потока энергии на пути к тому, чтобы стать более однородным, и замедлять его понемногу, извлекая некоторую временную организацию и структуру путем деградации других частей энергии.

Чтобы продолжать жить, расти, размножаться и развиваться, биологические системы были сформированы путем естественного отбора для существования и функционирования в этой физической вселенной. Они зарабатывают себе на жизнь (создают свой метаболизм), работая с этими физическими законами.Только поняв физические законы спонтанности — к чему стремится энергия, — мы можем понять, как функционирует жизнь, чтобы получать полезную энергию и информацию (организованная структура) из этого мощного потока энергии, в который мы встроены.

Что показывает нам детальное понимание законов термодинамики (особенно второго закона), это:

То, что является спонтанным и приводит к более высокому общему беспорядку во Вселенной, может привести к локальному порядку; жизненно необходимая необходимость.

Разделение нефти и воды выглядит как процесс, который спонтанно создает порядок, но подробный анализ распределения энергии и энтропии показывает, что этот процесс на самом деле благоприятствует второму закону. Подобный процесс отвечает за формирование клеточных мембран.

Для краткости мы часто говорим, что второй закон термодинамики говорит нам о том, что системы имеют тенденцию становиться более неупорядоченными. Это заблуждение. Второй закон термодинамики — это количественное утверждение, а не махание рукой о беспорядке.Это говорит нам о том, что энтропия изолированной системы всегда возрастает. Но биологические системы не изолированы: они существуют в открытой среде.

Энтропия биологической системы может уменьшаться  до тех пор, пока энтропия остальной части Вселенной увеличивается еще больше. Например, система превращается из неупорядоченного белка или разобранной рибосомы в упорядоченную структуру без какого-либо очевидного вклада энергии. Однако окружающие молекулы воды приобретают гораздо более высокую энтропию, поскольку они больше не вынуждены взаимодействовать с гидрофобными остатками определенных аминокислот.Молекулы воды имеют меньше степеней потенциального движения, когда они расположены в непосредственной близости от гидрофобных поверхностей, а свертывание белка приводит к полной свободе движения молекул воды, так что теперь они могут взаимодействовать с другими молекулами воды, а также с заряженными и полярными поверхностями.

Чтобы понять, что может произойти, нам будет полезно создать величины, которые говорят нам не только о том, что происходит с энтропией рассматриваемой нами системы, но и о том, что также должно происходить с энтропией остальной части Вселенной, поскольку это, не только энтропия нашей системы говорит нам, может ли процесс быть самопроизвольным или нет.Это тщательное количественное рассмотрение действия второго закона приводит нас к рассмотрению концепции свободной энергии: величин, которые объединяют информацию об энергии и энтропии таким образом, что позволяют нам увидеть из внутренних соображений, может ли процесс быть самопроизвольным или нет.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.