이들은 생물학적 시스템의 열역학 법칙입니다.

열역학 법칙은 에너지가 어떻게 변환되고 한 시스템에서 다른 시스템으로 또는 시스템과 환경 간에 어떻게 전달되는지 설명하는 일련의 네 가지 진술입니다. 이 법칙은 우리가 매일 보는 많은 현상이 발생하는 이유를 이해하는 데 도움이 되기 때문에 과학에 매우 중요합니다.

이런 의미에서 생명 자체보다 더 특별하고 감동적인 현상은 없으며 열역학의 법칙을 벗어날 수 없습니다. 다음으로, 우리는 이러한 법칙이 생물학적 시스템에 어떻게 적용되는지, 그리고 막을 통한 수동 확산과 같은 가장 단순한 과정부터 음식을 에너지로 변환하여 생명을 유지하는 복잡한 기계에 이르기까지 모든 것을 이해하는 데 어떻게 도움이 되었는지 탐구할 것입니다. .생활.

열역학 법칙은 네 가지입니다.

• 제로 법.
• 열역학 제1법칙.
• 열역학 제2법칙.
• 열역학 제3법칙.

그러나 4법칙 중 0법칙은 비교적 사소하고 3법칙은 생물학에 직접 적용되는 경우가 거의 없기 때문에 이 글에서는 0법칙과 3법칙에 대해서만 피상적으로 다룬다.

생물학의 열역학 시스템

일반적으로 열역학을 완전히 이해하려면 열역학 시스템이 무엇인지 이해하는 것부터 시작해야 합니다. 이것은 우리가 연구하고 있는 우주의 일부를 가리킵니다. 시스템의 일부가 아닌 우주의 나머지 부분을 환경이라고 합니다.

벽의 특성이나 시스템과 환경 사이의 경계에 따라 시스템은 격리, 폐쇄 또는 개방될 수 있습니다. 생물학적 시스템은 일반적으로 에너지와 물질이 환경에서 시스템으로 또는 그 반대로 이동할 수 있는 개방형 시스템입니다.

제로 법칙

제0 법칙은 열적 평형, 즉 열 접촉 상태에 있는 두 물체가 서로 열을 교환하지 않는 조건과 관련이 있습니다. 이 법은 다음과 같이 말할 수 있습니다.

세 번째 시스템과 열 평형 상태에 있는 두 시스템도 서로 열 평형 상태에 있습니다.

이는 다음 그림에 설명되어 있습니다. 시스템 A와 B가 열평형에 있고 시스템 B와 C도 열평형에 있다면 시스템 A와 C도 열평형에 있어야 합니다.

생물학적 시스템에 제0법칙 적용

방금 관찰한 것처럼 0법칙을 통해 두 시스템이 열 평형 상태에 있을 때를 설정할 수 있습니다. 우리는 온도계로 체온을 측정할 때마다 깨닫지 못한 채 이 법칙을 적용합니다.

예를 들어 체온계를 입 안(생물학적 시스템)에 접촉시켜 두면 결국 체온계 유리와 입 사이에 열 평형에 도달하게 됩니다. 그러나 내부의 수은 덕분에 온도를 읽을 때 수은이 직접 접촉하지는 않지만 입과도 열 평형 상태에 있다고 가정합니다.

그러나 수은은 유리와 접촉하여 열평형 상태에 있고 유리는 입과 열평형 상태이므로 제0법칙에 따르면 수은도 입과 열평형 상태에 있어야 합니다.

열역학 제1법칙

첫 번째 법칙은 에너지 보존 법칙입니다. 이것은 우주의 에너지가 일정하다는 것을 나타냅니다. 그것은 생성되거나 파괴되지 않으며 단지 변형될 뿐입니다 . 이것은 환경이 에너지를 잃지 않고 시스템이 어떤 종류의 에너지를 얻는 어떤 시스템(생물학적이든 아니든) 내에서 어떤 프로세스도 발생할 수 없음을 의미합니다.

이 법칙은 다음과 같은 매우 간단한 수학적 형식을 가집니다.

여기서 U는 시스템의 내부 에너지, q는 시스템에 유입되는 열의 양, w는 시스템이 주변으로 전달하는 일의 양을 나타냅니다. 경우에 따라 작업은 긍정적인 기호로 작성되지만 환경이 시스템에서 수행하는 작업으로 대체됩니다. 어쨌든 두 방정식의 의미는 정확히 동일합니다.

생물학적 시스템에서 첫 번째 법칙의 적용

작은 박테리아에서 인간, 거대한 세쿼이아에 이르기까지 모든 크기의 생물학적 시스템에 대한 첫 번째 법칙의 적용을 이해하는 것은 매우 쉽습니다. 그것은 단순히 에너지의 균형입니다.

생물학적 시스템에서 첫 번째 법칙을 적용한 예

우리는 음식을 에너지원, 즉 우리가 먹는 “칼로리”로 볼 수 있습니다. 신체가 에너지를 저장하는 방법 중 하나인 체지방은 내부 에너지 수준을 나타내고 시스템이 하는 일은 운동입니다. 이런 식으로 보면, 첫 번째 법칙은 우리가 살찌는 이유를 이해하는 데 매우 간단한 설명을 제공합니다. 우리가 음식을 먹을 때마다, 즉 칼로리를 운동으로 태우지 않고 환경으로 되돌려 놓으면 내부 에너지, 즉 체지방의 형태로 저장됩니다.

체중 감량을 원하는 사람은 q(먹는 것)가 w(운동하고 생명 기능을 개발하는 데 사용하는 에너지)보다 작아야 합니다.

이 법칙을 통해 어떤 프로세스가 가능하고 불가능한지 명확하게 설정할 수 있습니다. 우리가 태우는 것보다 더 많은 칼로리를 섭취하여 체중을 줄이는 것은 아무리 그들이 우리를 설득하고 싶어도 불가능합니다.

열역학 제2법칙

두 번째 법칙은 모든 자연적 또는 자발적인 과정에서 내부 에너지의 일부는 항상 열의 형태로 손실된다는 것입니다. 이것은 공이 특정 높이에서 떨어져서 더 낮은 높이에 도달할 때마다 튕겨져 결국 지면에 닿을 때까지 허용되는 이유를 설명합니다.

첫 번째 법칙에 따르면 원래 공에 저장되어 있던 위치 에너지는 어딘가로 갔어야 합니다. 두 번째 법칙은 이 에너지가 주변을 향해 열의 형태로 소산된다는 것을 확립합니다.

생물학적 시스템에서 두 번째 법칙의 적용

두 번째 법칙은 생물학 및 생물학적 시스템에 많은 영향을 미칩니다. 그러나 이것이 이 과학 분야에 어떻게 적용되는지 이해하려면 먼저 엔트로피와 깁스 자유 에너지의 개념을 이해하고 이들이 제2법칙과 어떻게 관련되는지 이해해야 합니다.

엔트로피

제2법칙에 대해 이야기할 때마다 문자 S로 표시되는 물리적 개념인 엔트로피에 대해 이야기합니다. 엔트로피는 원래 열역학적 프로세스 동안의 변화가 이 프로세스 동안 소실되는 열의 양을 측정하는 상태 함수로 발견되었습니다. 그러나 Ludwig Boltzmann이라는 과학자는 엔트로피가 실제로 시스템의 무질서의 척도임을 발견했습니다.

_{다양한 수학적 조작을 통해 우주의 엔트로피 변화(ΔS U} )로 다음과 같이 두 번째 법칙을 기술할 수 있다는 결론을 내렸습니다 .

모든 자연적 또는 자발적인 과정은 필연적으로 우주의 엔트로피 증가를 의미합니다 .

즉, 엔트로피와 제2법칙은 프로세스가 자발적일 때와 그렇지 않을 때를 예측하는 도구를 제공합니다. 또한 빅뱅 이후 우주의 모든 과정의 경향에 대한 설명을 제공합니다 . 오늘날 우주에서 일어나는 모든 일은 우주가 형성되는 동안 방출된 모든 에너지를 열의 형태로 소산시키는 것을 목표로 한다고 말할 수 있습니다.

깁스 자유 에너지

실용적인 수준에서 두 번째 법칙은 문자 G로 표시되는 Gibbs 자유 에너지라는 또 다른 상태 함수를 통해 생물학적 시스템에 적용됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 이것은 시스템이 자유로울 수 있는 최대 에너지량으로 구성됩니다. 확장 이외의 작업을 수행하는 데 사용합니다. 이것은 특히 생물학과 생화학과 관련이 있는데, 막(능동이든 수동이든)을 통한 확산, 모든 효소 촉매 반응, 전기화학적 과정(뉴런과 근육 세포의 활동 전위 포함) 등과 같은 과정에 대한 연구를 포함하기 때문입니다.

깁스 에너지의 중요성은 생명과 생물학적 과정이 일어나는 정상적인 조건에서 깁스 자유 에너지의 변화, 즉 ΔG가 우주의 엔트로피 변화와 직접적으로 관련된다는 점이다.(ΔS _U ), ΔG의 부호를 알면 ΔSU의 부호를 유추할 수 있으므로 _우리 몸의 세포 내에서 일어나는 화학 반응 및 기타 과정에 대한 자발성의 기준으로 사용할 수 있습니다.

자발성 기준은 다음 표에 요약되어 있습니다.

생화학 반응의 결합

음의 자유 에너지 변화를 가져 자발적인 방출 에너지가 되는 과정을 발열 또는 발열 과정이라고 합니다. 반면에 ΔG가 음수인 것은 자발적이지 않고 에너지를 흡수하며 흡열 또는 흡열이라고 합니다.

간단히 말해서, 자발적 과정은 자연적으로 에너지를 방출하는 반면, 비자발적 과정은 발생하는 데 필요한 자유 에너지가 제공되지 않는 한 자발적으로 발생할 수 없습니다. 이는 자발적 반응이 비자발적 반응이 일어나는 데 필요한 에너지를 제공하는 데 사용될 수 있음을 의미합니다.

이것을 더 잘 이해하기 위해 산기슭에 있는 자동차를 상상해 봅시다. 누군가의 도움 없이 엔진을 끄고 자발적으로 산을 오르는 모습은 매우 드물 것이다. 그러나 엔진 시동을 걸면 휘발유의 연소나 전기의 흐름이 자발적으로 많은 양의 에너지를 방출하는데, 이 에너지는 바퀴를 돌리고 자동차를 추진하는 데 사용됩니다. 이런 식으로 자발적 과정이 비자발적 과정과 결합되었습니다.

생물학적 시스템에서 제2법칙을 적용한 예

이 법칙을 생물학적 시스템에 적용한 가장 중요한 예는 ATP를 에너지원으로 사용하여 생명을 유지하는 대부분의 생화학 반응을 구동하는 것입니다.

ATP의 가수분해는 강력한 발열 과정입니다(이전 예에서 가솔린의 연소와 마찬가지로). 세포 내부의 효소는 단백질 및 핵산 생합성과 같은 생명에 필수적인 다른 생화학 반응을 구동하는 데 필요한 에너지를 방출하기 위해 이것과 다른 자발적인 가수분해 반응을 사용합니다.

열역학 제3법칙

세 번째 법칙(또는 세 번째 원칙)은 모든 시스템이 온도가 감소함에 따라 엔트로피를 잃는 경향이 있으며 절대 영도에서 최소값에 도달한다고 명시합니다. 완벽한 단원자 결정 고체의 경우 절대 영도에서의 엔트로피는 0입니다.

이 법칙을 통해 엔트로피를 절대 척도로 이해할 수 있으며 모든 온도 및 압력 조건에서 모든 물질의 절대 엔트로피 값을 결정할 수 있습니다.

생물학적 시스템에 제3법칙 적용

이 법칙의 유용성은 서로 다른 조건에서 서로 다른 화학 물질의 무질서 수준을 직접 측정할 수 있게 하고 엔트로피 변화(및 확장하여 자유 에너지)의 이론적 계산을 크게 용이하게 한다는 것입니다. de Gibbs) 생물학적 시스템에서 발생하는 생화학 반응을 포함한 모든 화학 반응.

참조

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