Tabla de Contenidos
Prawa termodynamiki to zestaw czterech stwierdzeń, które opisują, w jaki sposób energia jest przekształcana i jak jest przenoszona z jednego układu do drugiego lub między układem a jego otoczeniem. Prawa te mają ogromne znaczenie dla nauki, ponieważ pomagają nam zrozumieć przyczynę wielu zjawisk, które obserwujemy na co dzień.
W tym sensie żadne zjawisko nie jest bardziej wyjątkowe i imponujące niż samo życie i nie wymyka się ono prawom termodynamiki. Następnie zbadamy, w jaki sposób prawa te odnoszą się do systemów biologicznych i jak pomogły nam zrozumieć wszystko, od najprostszych procesów, takich jak bierna dyfuzja przez błonę, po złożoną maszynerię, która pozwala nam przekształcać żywność w energię potrzebną do podtrzymania życia. życie.
Prawa termodynamiki są cztery:
- Prawo zerowe.
- Pierwsza zasada termodynamiki.
- Druga zasada termodynamiki.
- Trzecia zasada termodynamiki.
Jednak z czterech praw prawo zerowe jest stosunkowo trywialne, a trzecie prawo ma niewiele bezpośrednich zastosowań w biologii, więc w tym artykule omówimy prawo zerowe i trzecie prawo tylko powierzchownie.
Układy termodynamiczne w biologii
Aby w pełni zrozumieć termodynamikę w ogóle, należy zacząć od zrozumienia, czym jest układ termodynamiczny. Odnosi się to do części wszechświata, którą badamy. Reszta wszechświata, która nie jest częścią systemu, nazywana jest środowiskiem.
W zależności od charakterystyki ich ścian lub granicy między systemem a otoczeniem systemy mogą być izolowane, zamknięte lub otwarte. Systemy biologiczne są na ogół systemami otwartymi, które umożliwiają przepływ zarówno energii, jak i materii ze środowiska do systemu i odwrotnie.
prawo zerowe
Prawo zerowe dotyczy równowagi termicznej, czyli stanu, w którym dwa ciała pozostające w kontakcie termicznym nie wymieniają między sobą ciepła. Prawo to można sformułować w następujący sposób:
Dwa układy w równowadze termicznej z trzecim są również w równowadze termicznej między sobą.
Jest to zilustrowane na poniższym rysunku. Jeżeli układy A i B znajdują się w równowadze termicznej, a układy B i C również są w równowadze termicznej, to układy A i C muszą znajdować się w równowadze termicznej.
Zastosowanie prawa zera w układach biologicznych
Jak właśnie zauważyliśmy, prawo zera pozwala nam ustalić, kiedy dwa układy znajdują się w równowadze termicznej. Stosujemy to prawo nieświadomie za każdym razem, gdy dokonujemy pomiaru temperatury termometrem.
Na przykład, jeśli pozostawimy termometr w kontakcie z wnętrzem ust (które jest układem biologicznym), ostatecznie zostanie osiągnięta równowaga termiczna między szkłem termometru a ustami. Odczytując jednak temperaturę dzięki rtęci w środku zakładamy, że rtęć również będzie w równowadze termicznej z ustami, mimo że nie będzie z nią bezpośredniego kontaktu.
Jednakże, ponieważ rtęć styka się ze szkłem i jest w równowadze termicznej ze szkłem, a szkło jest w równowadze termicznej z ustami, to prawo zera mówi, że rtęć musi również znajdować się w równowadze termicznej z ustami.
Pierwsza zasada termodynamiki
Pierwszą zasadą jest zasada zachowania energii. Oznacza to, że energia we wszechświecie jest stała. Nie jest ani tworzony, ani niszczony, jest tylko przekształcany . Oznacza to, że w żadnym systemie (biologicznym lub nie) nie może zajść żaden proces, w którym system uzyskuje energię bez utraty jej przez środowisko.
Prawo to ma bardzo prostą postać matematyczną, która brzmi:
gdzie U reprezentuje energię wewnętrzną układu, q to ilość ciepła, które dostaje się do układu, a w to ilość pracy, jaką układ przekazuje do otoczenia. W niektórych przypadkach praca jest pisana ze znakiem dodatnim, ale jest zastępowana pracą, którą środowisko wykonuje w systemie; w każdym razie znaczenie obu równań jest dokładnie takie samo.
Zastosowanie pierwszego prawa w układach biologicznych
Bardzo łatwo jest zrozumieć zastosowanie pierwszego prawa do systemów biologicznych dowolnej wielkości, od małej bakterii, przez człowieka, po gigantyczną sekwoję. To po prostu bilans energetyczny.
Przykład zastosowania pierwszego prawa w układach biologicznych
Możemy postrzegać nasze jedzenie jako źródło energii, „kalorie”, które jemy. Tkanka tłuszczowa, która jest jednym ze sposobów magazynowania energii przez organizm, reprezentuje wewnętrzny poziom energii, podczas gdy w, praca wykonywana przez organizm, polega na ćwiczeniach. Widziane w ten sposób, pierwsze prawo daje nam bardzo proste wyjaśnienie, aby zrozumieć, dlaczego tyjemy. Ilekroć zjemy jedzenie, czyli kalorie, jeśli nie spalimy ich ćwicząc, aby zwrócić je środowisku, to będą one magazynowane w postaci energii wewnętrznej, czyli w postaci tkanki tłuszczowej.
Każdy, kto chce schudnąć, musi upewnić się, że q (to, co je) jest mniejsze niż w (energia, którą zużywa na ćwiczenia i rozwój funkcji życiowych).
Prawo to pozwala jednoznacznie określić, które procesy są możliwe, a które niemożliwe. Odchudzanie poprzez spożywanie większej ilości kalorii niż spalamy jest po prostu niemożliwe, bez względu na to, jak bardzo chcą nas o tym przekonać.
Druga zasada termodynamiki
Drugie prawo mówi, że w każdym naturalnym lub spontanicznym procesie część energii wewnętrznej jest zawsze tracona w postaci ciepła. To wyjaśnia, dlaczego piłka, która jest wypuszczana z określonej wysokości i może odbijać się za każdym razem, gdy osiągnie niższą wysokość, aż w końcu spocznie na ziemi.
Jeśli pójdziemy zgodnie z pierwszym prawem, energia potencjalna, która pierwotnie była zmagazynowana w piłce, musiała gdzieś zniknąć. Drugie prawo stanowi, że energia ta jest rozpraszana w postaci ciepła do otoczenia.
Zastosowanie drugiego prawa w układach biologicznych
Drugie prawo ma wiele implikacji dla biologii i systemów biologicznych. Jednak, aby zrozumieć, jak odnosi się to do tej gałęzi nauki, musimy najpierw zrozumieć koncepcje entropii i energii swobodnej Gibbsa oraz ich związek z drugim prawem.
entropia
Ilekroć mówisz o drugim prawie, mówisz o entropii, fizycznej koncepcji reprezentowanej przez literę S. Entropia została pierwotnie odkryta jako funkcja stanu, której zmiana podczas procesu termodynamicznego jest miarą ilości ciepła rozpraszanego podczas tego procesu. Jednak naukowiec o nazwisku Ludwig Boltzmann odkrył, że entropia jest w rzeczywistości miarą nieuporządkowania systemu.
Poprzez różne manipulacje matematyczne wywnioskowano, że drugie prawo można wyrazić w kategoriach zmiany entropii wszechświata (ΔS U ) w następujący sposób:
Każdy naturalny lub spontaniczny proces nieuchronnie pociąga za sobą wzrost entropii wszechświata .
To znaczy, że entropia i drugie prawo dostarczają nam narzędzia do przewidywania, kiedy proces będzie spontaniczny, a kiedy nie. Ponadto daje nam wyjaśnienie trendu wszystkich procesów we wszechświecie od Wielkiego Wybuchu . Można powiedzieć, że wszystko, co dzieje się dzisiaj we wszechświecie, ma na celu rozproszenie w postaci ciepła całej energii, która została uwolniona podczas formowania się wszechświata.
Energia swobodna Gibbsa
Na poziomie praktycznym drugie prawo jest stosowane do systemów biologicznych za pomocą innej funkcji stanu, zwanej energią swobodną Gibbsa, reprezentowaną przez literę G. Jak sama nazwa wskazuje, składa się ona z maksymalnej ilości energii, jaką system jest wolny. używać do wykonywania pracy innej niż ekspansja. Jest to szczególnie istotne w biologii i biochemii, ponieważ obejmuje prace nad procesami takimi jak dyfuzja przez błony (czynne lub pasywne), wszystkie reakcje katalizowane przez enzymy, procesy elektrochemiczne (w tym potencjały czynnościowe w neuronach i komórkach mięśniowych) itp.
Znaczenie energii Gibbsa polega na tym, że w normalnych warunkach, w których zachodzą procesy życiowe i biologiczne, zmiana energii swobodnej Gibbsa, czyli ΔG, jest bezpośrednio związana ze zmianą entropii wszechświata (ΔS U ), w taki sposób, że jeśli znamy znak ΔG, to możemy wywnioskować znak ΔS U , abyśmy mogli użyć go jako kryterium spontaniczności reakcji chemicznych i innych procesów zachodzących w komórkach naszego ciała.
Kryteria spontaniczności podsumowano w poniższej tabeli:
| znak ΔG | znak ΔS U | spontaniczność procesu |
| ΔG > 0 (dodatni) | ΔS U < 0 (ujemne) | spontaniczny proces |
| ΔG < 0 (ujemne) | ΔS U > 0 (dodatni) | proces niespontaniczny |
| ΔG = 0 | Δ S U = 0 | Układ w równowadze termodynamicznej |
Sprzężenie reakcji biochemicznych
Procesy, które mają ujemną zmianę energii swobodnej, a zatem są spontanicznie uwalniają energię i dlatego nazywane są procesami egzergonicznymi lub egzotermicznymi. Z drugiej strony te z ujemnym ΔG nie są spontaniczne, pochłaniają energię i nazywane są endergonicznymi lub endotermicznymi.
Mówiąc najprościej, procesy spontaniczne uwalniają energię w sposób naturalny, podczas gdy procesy niespontaniczne nie mogą zachodzić spontanicznie, chyba że zapewniona zostanie energia swobodna wymagana do ich zajścia. Oznacza to, że reakcja spontaniczna może być wykorzystana do dostarczenia energii potrzebnej do zajścia reakcji niespontanicznej.
Aby lepiej to zrozumieć, wyobraźmy sobie samochód u podnóża góry. Bardzo rzadko można było zobaczyć go spontanicznie wspinającego się na górę z wyłączonym silnikiem i bez żadnej pomocy. Jednak po uruchomieniu silnika spalanie benzyny lub przepływ prądu spontanicznie uwalniają duże ilości energii, energii, która jest wykorzystywana do obracania kół i napędzania samochodu. W ten sposób spontaniczny proces został połączony z niespontanicznym.
Przykład zastosowania drugiego prawa w układach biologicznych
Najważniejszym przykładem zastosowania tego prawa do systemów biologicznych jest wykorzystanie ATP jako źródła energii do napędzania większości reakcji biochemicznych, które podtrzymują życie.
Hydroliza ATP jest procesem silnie egzotermicznym (podobnie jak spalanie benzyny w poprzednim przykładzie). Enzymy wewnątrz komórek wykorzystują tę i inne spontaniczne reakcje hydrolizy do uwalniania energii potrzebnej do napędzania innych reakcji biochemicznych niezbędnych do życia, takich jak biosynteza białek i kwasów nukleinowych.
Trzecia zasada termodynamiki
Trzecie prawo (lub trzecia zasada) mówi, że każdy system ma tendencję do utraty entropii wraz ze spadkiem temperatury i osiąga to minimum przy zera absolutnym. W przypadku doskonałych jednoatomowych krystalicznych ciał stałych entropia w punkcie zera bezwzględnego wynosi zero.
To prawo pozwala nam rozumieć entropię jako skalę absolutną, a także pozwala nam określić wartość entropii bezwzględnej dowolnej substancji w dowolnym zestawie warunków temperatury i ciśnienia.
Zastosowanie trzeciego prawa w układach biologicznych
Użyteczność tego prawa polega na tym, że pozwala nam mieć bezpośrednią miarę rzeczywistego poziomu nieuporządkowania różnych substancji chemicznych w różnych warunkach i znacznie ułatwia teoretyczne obliczenie zmian entropii (a co za tym idzie, energii swobodnej). de Gibbs) dla każdej reakcji chemicznej, w tym reakcji biochemicznych zachodzących w układach biologicznych.
Bibliografia
Atkins, P. i dePaula, J. (2014). Chemia fizyczna Atkinsa (wyd. Poprawiona). Oxford, Wielka Brytania: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). Chemia fizyczna (wyd. 3). Nowy Jork, Nowy Jork: McGraw Hill.
Clark, MA, Douglas, M. i Choi, J. (2018, 28 marca). 6.3 Prawa termodynamiki – Biologia 2e | OpenStax. Pobrane z https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics
Khan academy. (2017). Prawa termodynamiki (artykuł). Pobrane z https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics
Máxima U., J. Dla: Features.co. (2021, 26 maja). Prawa termodynamiki. Pobrane z https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/
Nelson, DL, Cox, MM i Foix, CCM (2018). Zasady biochemii Lehningera ( wyd . 1). Barcelona, Hiszpania: OMEGA EDITIONS, SA
