Tabla de Contenidos
A termodinamika törvényei négy állításból álló halmaz, amelyek leírják, hogyan alakul át az energia, és hogyan jut át egyik rendszerből a másikba, vagy egy rendszer és környezete között. Ezek a törvények óriási jelentőséggel bírnak a tudomány számára, mivel segítenek megérteni az okot, hogy miért történik sok olyan jelenség, amelyet nap mint nap látunk.
Ebben az értelemben egyetlen jelenség sem különlegesebb és lenyűgözőbb, mint maga az élet, és nem kerüli el a termodinamika törvényeit. Ezután megvizsgáljuk, hogyan vonatkoznak ezek a törvények a biológiai rendszerekre, és hogyan segítettek megérteni mindent a legegyszerűbb folyamatoktól, mint például a passzív diffúzió a membránon keresztül, egészen az összetett gépezetig, amely lehetővé teszi, hogy táplálékunkat energiává alakítsuk az élet fenntartása érdekében. élet.
A termodinamika négy törvénye:
- Nulla törvény.
- A termodinamika első főtétele.
- A termodinamika második főtétele.
- A termodinamika harmadik főtétele.
A négy törvény közül azonban a nulladik törvény viszonylag triviális, a harmadik törvénynek pedig kevés közvetlen alkalmazása van a biológiában, ezért ebben a cikkben a nulladik törvényre és a harmadik törvényre csak felületesen térünk ki.
Termodinamikai rendszerek a biológiában
A termodinamika általános megértéséhez először a termodinamikai rendszer megértésével kell kezdeni. Ez az univerzum azon részére vonatkozik, amelyet tanulmányozunk. Az univerzum többi részét, amely nem része a rendszernek, környezetnek nevezzük.
A falak jellemzőitől vagy a rendszer és a környezet határvonalától függően a rendszerek lehetnek elszigeteltek, zártak vagy nyitottak. A biológiai rendszerek általában nyitott rendszerek, amelyek lehetővé teszik az energia és az anyag átjutását a környezetből a rendszerbe és fordítva.
a nulla törvény
A nulladik törvénynek köze van a termikus egyensúlyhoz, vagyis ahhoz az állapothoz, amikor két termikus érintkező test nem cserél egymással hőt. Ez a törvény a következőképpen fogalmazható meg:
Két termikus egyensúlyban lévő rendszer egy harmadikkal szintén termikus egyensúlyban van egymással.
Ezt szemlélteti a következő ábra. Ha az A és B rendszerek termikus egyensúlyban vannak, és a B és C rendszerek is termikus egyensúlyban vannak, akkor az A és C rendszernek termikus egyensúlyban kell lennie.
A nulladik törvény alkalmazása biológiai rendszerekben
Ahogy az imént megfigyeltük, a nulladik törvény lehetővé teszi számunkra, hogy megállapítsuk, mikor van két rendszer termikus egyensúlyban. Ezt a törvényt alkalmazzuk anélkül, hogy észrevennénk, minden alkalommal, amikor hőmérővel mérünk hőmérsékletet.
Például, ha a hőmérőt érintkezésben hagyjuk a szánk belsejével (ami egy biológiai rendszer), akkor végül létrejön a hőegyensúly a hőmérő üvege és a száj között. Amikor azonban a benne lévő higanynak köszönhetően leolvassuk a hőmérsékletet, azt feltételezzük, hogy a higany is termikus egyensúlyban lesz a szájjal, annak ellenére, hogy nincs vele közvetlen érintkezésben.
Mivel azonban a higany érintkezik az üveggel és termikus egyensúlyban van vele, az üveg pedig termikus egyensúlyban van a szájjal, akkor a nulladik törvény kimondja, hogy a higanynak a szájjal is termikus egyensúlyban kell lennie.
A termodinamika első főtétele
Az első törvény az energiamegmaradás törvénye. Ez azt állítja, hogy az univerzumban az energia állandó. Nem jön létre és nem semmisül meg, csak átalakul . Ez azt jelenti, hogy egyetlen rendszerben sem fordulhat elő olyan folyamat (akár biológiai, akár nem), amelyben a rendszer valamilyen energiát nyer anélkül, hogy a környezet elveszítené azt.
Ennek a törvénynek van egy nagyon egyszerű matematikai alakja, amely a következő:
ahol U a rendszer belső energiája, q a rendszerbe belépő hőmennyiség, w pedig a rendszer által a környezetbe továbbított munka mennyisége. Egyes esetekben a munka pozitív előjellel van írva, de felváltja a környezet által a rendszeren végzett munka; mindenesetre mindkét egyenlet jelentése pontosan ugyanaz.
Az első törvény alkalmazása biológiai rendszerekben
Nagyon könnyű megérteni az első törvény alkalmazását bármilyen méretű biológiai rendszerre, a kisbaktériumtól az emberi lényen át az óriási sequoiáig. Ez egyszerűen az energia egyensúlya.
Példa az első törvény alkalmazására biológiai rendszerekben
Az ételeinket energiaforrásnak tekinthetjük, az elfogyasztott „kalóriáknak”. A testzsír, amely a szervezet energiaraktározásának egyik módja, a belső energiaszintet képviseli, míg w, a rendszer által végzett munka, a testmozgás. Ha így nézzük, az első törvény nagyon egyszerű magyarázatot ad arra, hogy megértsük, miért hízunk. Amikor elfogyasztunk ételt, vagyis kalóriát, ha nem égetjük el azokat edzéssel, hogy visszajusson a környezetbe, akkor ezek belső energia, azaz testzsír formájában raktározódnak.
Mindenkinek, aki fogyni szeretne, meg kell győződnie arról, hogy q (amit eszik) kisebb legyen, mint w (az az energia, amelyet edzésre és életfunkcióinak fejlesztésére fordít).
Ez a törvény lehetővé teszi számunkra, hogy egyértelműen megállapítsuk, mely folyamatok lehetségesek és melyek lehetetlenek. A fogyás azáltal, hogy több kalóriát eszünk, mint amennyit elégetünk, egyszerűen lehetetlen, bármennyire is szeretnének erről meggyőzni minket.
A termodinamika második főtétele
A második törvény kimondja, hogy minden természetes vagy spontán folyamatban a belső energia egy része mindig hő formájában elvész. Ez megmagyarázza, hogy egy bizonyos magasságból elengedett labda miért pattoghat minden alkalommal, amikor alacsonyabb magasságba ér, amíg a talajon nem nyugszik.
Ha az első törvény szerint megyünk, akkor a golyóban eredetileg tárolt potenciális energiának valahova el kellett mennie. A második törvény szerint ez az energia hő formájában disszipálódik a környezet felé.
A második törvény alkalmazása biológiai rendszerekben
A második törvénynek számos vonatkozása van a biológiára és a biológiai rendszerekre. Ahhoz azonban, hogy megértsük, hogyan vonatkozik ez a tudomány erre az ágára, először meg kell értenünk az entrópia és a Gibbs-szabadenergia fogalmát, valamint azt, hogy ezek hogyan kapcsolódnak a második törvényhez.
entrópia
Amikor a Második Törvényről beszélünk, az entrópiáról beszélünk, az S betűvel jellemezhető fizikai fogalmat. Az entrópiát eredetileg olyan állapotfüggvényként fedezték fel, amelynek a termodinamikai folyamat során bekövetkezett változása a folyamat során disszipált hő mennyiségének mértéke. Egy Ludwig Boltzmann nevű tudós azonban felfedezte, hogy az entrópia valójában a rendszer rendezetlenségének mértéke.
Különböző matematikai manipulációkkal arra a következtetésre jutottak, hogy a második törvény az univerzum entrópiaváltozása (ΔS U ) a következőképpen mondható ki:
Minden természetes vagy spontán folyamat szükségszerűen magában foglalja az univerzum entrópiájának növekedését .
Ez azt jelenti, hogy az entrópia és a második törvény eszközt ad számunkra, hogy megjósoljuk, mikor lesz egy folyamat spontán és mikor nem. Továbbá magyarázatot ad az univerzumban az Ősrobbanás óta zajló összes folyamat trendjére . Mondhatnánk, hogy minden, ami ma az univerzumban történik, arra irányul, hogy az univerzum kialakulása során felszabaduló összes energiát hő formájában eloszlassa.
Gibbs szabad energia
Gyakorlati szinten a második törvényt a biológiai rendszerekre egy másik állapotfüggvénnyel, a Gibbs-szabad energiával alkalmazzák, amelyet a G betű képvisel. Amint a neve is mutatja, ez a rendszer által szabadon elérhető maximális energiamennyiségből áll. hogy a terjeszkedésen kívül más munka elvégzésére is használhassa. Ez különösen fontos a biológiában és a biokémiában, mivel olyan folyamatokkal kapcsolatos munkát foglal magában, mint például a membránokon keresztüli diffúzió (akár aktív, akár passzív), minden enzim által katalizált reakció, elektrokémiai folyamatok (beleértve az idegsejtekben és izomsejtekben jelentkező akciós potenciálokat) stb.
A Gibbs-energia jelentősége abban rejlik, hogy normál körülmények között, amelyek között az élet és a biológiai folyamatok végbemennek, a Gibbs-szabadenergia, azaz a ΔG változása közvetlenül összefügg az univerzum entrópiájának változásával (ΔS U) . ), oly módon, hogy ha ismerjük a ΔG előjelét, akkor következtethetünk ΔS U előjelére , így felhasználhatjuk a spontanitás kritériumaként a szervezetünk sejtjein belül lezajló kémiai reakciókhoz és egyéb folyamatokhoz.
A spontaneitás kritériumait az alábbi táblázat foglalja össze:
| ΔG jele | ΔS U jele | a folyamat spontaneitása |
| ΔG > 0 (pozitív) | ΔS U < 0 (negatív) | spontán folyamat |
| ΔG < 0 (negatív) | ΔS U > 0 (pozitív) | nem spontán folyamat |
| ΔG = 0 | ΔS U = 0 | Rendszer termodinamikai egyensúlyban |
A biokémiai reakciók kapcsolódása
Azok a folyamatok, amelyek negatív szabadenergiájúak, megváltoznak, ezért spontán energiát szabadítanak fel, ezért exergonikus vagy exoterm folyamatoknak nevezzük. A negatív ΔG-vel rendelkezők viszont nem spontánok, energiát nyelnek el, és endergonikusnak vagy endotermnek nevezik.
Egyszerűen fogalmazva, a spontán folyamatok természetesen energiát szabadítanak fel, míg a nem spontán folyamatok nem fordulhatnak elő spontán módon, hacsak nincs biztosítva az ezekhez szükséges szabad energia. Ez azt jelenti, hogy egy spontán reakció felhasználható a nem spontán reakció bekövetkezéséhez szükséges energia biztosítására.
Hogy ezt jobban megértsük, képzeljünk el egy autót, amely egy hegy tövében áll. Nagyon ritkán látni, hogy spontán felmászik a hegyre kikapcsolt motorral és segítség nélkül. A motor beindításakor azonban a benzin égése vagy az elektromos áram áramlása spontán módon nagy mennyiségű energiát szabadít fel, amely a kerekek elforgatására és az autó felhajtására szolgál. Ily módon egy spontán folyamat párosult egy nem spontán folyamattal.
Példa a második törvény alkalmazására biológiai rendszerekben
Ennek a törvénynek a biológiai rendszerekre való alkalmazásának legfontosabb példája az ATP energiaforrásként való felhasználása az életet fenntartó biokémiai reakciók többségének elindításához.
Az ATP hidrolízise erősen exoterm folyamat (ahogy az előző példában a benzin égése is). A sejten belüli enzimek ezt és más spontán hidrolízisreakciókat használják fel arra, hogy felszabadítsák azt az energiát, amelyre szükségük van az élethez nélkülözhetetlen egyéb biokémiai reakciókhoz, például a fehérje- és nukleinsav-bioszintézishez.
A termodinamika harmadik főtétele
A harmadik törvény (vagy harmadik alapelv) kimondja, hogy minden rendszer hajlamos elveszíteni entrópiáját a hőmérséklet csökkenésével, és ezt a minimumot abszolút nullánál éri el. Tökéletes egyatomos kristályos szilárd testek esetében az abszolút nulla entrópia nulla.
Ez a törvény lehetővé teszi számunkra, hogy az entrópiát abszolút skálaként értelmezzük, és lehetővé teszi bármely anyag abszolút entrópiájának értékének meghatározását bármely hőmérsékleti és nyomásviszonyok között.
A harmadik törvény alkalmazása biológiai rendszerekben
Ennek a törvénynek az a hasznossága, hogy lehetővé teszi számunkra, hogy közvetlenül mérjük a különböző kémiai anyagok rendezetlenségi szintjét különböző körülmények között, és nagyban megkönnyíti az entrópiaváltozások (és kibővítve a szabad energia) elméleti kiszámítását. de Gibbs bármely kémiai reakcióra, beleértve a biológiai rendszerekben előforduló biokémiai reakciókat is.
Hivatkozások
Atkins, P. és dePaula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (rev. szerk.). Oxford, Egyesült Királyság: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). Fizikai kémia (3. kiadás). New York City, New York: McGraw Hill.
Clark, MA, Douglas, M. és Choi, J. (2018, március 28.). 6.3 A termodinamika törvényei – Biológia 2e | OpenStax. Letöltve: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics
Khan Akadémia. (2017). A termodinamika törvényei (cikk). Letöltve: https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics
Máxima U., J. For: Features.co. (2021, május 26.). A termodinamika törvényei. Letöltve: https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/
Nelson, DL, Cox, MM és Foix, CCM (2018). Lehninger Biokémia alapelvei (1. kiadás ). Barcelona, Spanyolország: OMEGA EDITIONS, SA
