Tabla de Contenidos
กฎของอุณหพลศาสตร์เป็นชุดของข้อความสี่ข้อที่อธิบายถึงวิธีการเปลี่ยนรูปของพลังงานและวิธีการส่งผ่านจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง หรือระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม กฎเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับวิทยาศาสตร์ เนื่องจากกฎเหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจเหตุผลว่าทำไมปรากฏการณ์หลายอย่างที่เราเห็นทุกวันจึงเกิดขึ้น
ในแง่นี้ ไม่มีปรากฏการณ์ใดที่พิเศษและน่าประทับใจมากไปกว่าชีวิต และมันก็หนีไม่พ้นกฎของอุณหพลศาสตร์ ต่อไป เราจะสำรวจว่ากฎเหล่านี้ใช้กับระบบทางชีววิทยาอย่างไร และกฎเหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจทุกอย่างตั้งแต่กระบวนการที่ง่ายที่สุด เช่น การแพร่กระจายแบบพาสซีฟผ่านเมมเบรน ไปจนถึงเครื่องจักรที่ซับซ้อนที่ช่วยให้เราเปลี่ยนอาหารให้เป็นพลังงานเพื่อรักษาชีวิตได้ . ชีวิต.
กฎของอุณหพลศาสตร์มีสี่ข้อ:
- กฎหมายเป็นศูนย์
- กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
- กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
- กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์
อย่างไรก็ตาม ในบรรดากฎทั้งสี่นี้ กฎข้อที่ 0 นั้นค่อนข้างไม่สำคัญ และกฎข้อที่ 3 นั้นมีการประยุกต์ทางชีววิทยาโดยตรงไม่มากนัก ดังนั้นในบทความนี้เราจะกล่าวถึงกฎข้อที่ 0 และกฎข้อที่สามอย่างผิวเผินเท่านั้น
ระบบอุณหพลศาสตร์ในชีววิทยา
เพื่อให้เข้าใจโดยทั่วไปเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์อย่างถ่องแท้ เราต้องเริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจว่าระบบอุณหพลศาสตร์คืออะไร นี่หมายถึงส่วนของเอกภพที่เรากำลังศึกษาอยู่ ส่วนที่เหลือของเอกภพที่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของระบบเรียกว่าสิ่งแวดล้อม
ขึ้นอยู่กับลักษณะของผนังหรือขอบระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม ระบบสามารถแยก ปิด หรือเปิดได้ ระบบชีวภาพโดยทั่วไปเป็นระบบเปิดที่ยอมให้ทั้งพลังงานและสสารจากสิ่งแวดล้อมเข้ามาสู่ระบบและในทางกลับกัน
กฎศูนย์
กฎข้อที่ 0 เกี่ยวข้องกับสภาวะสมดุลทางความร้อน นั่นคือสภาวะที่วัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกับความร้อนไม่แลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งกันและกัน กฎหมายนี้สามารถระบุได้ดังต่อไปนี้:
ระบบสองระบบในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับระบบที่สามก็อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนซึ่งกันและกันเช่นกัน
นี่คือภาพประกอบในรูปต่อไปนี้ ถ้าระบบ A และ B อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน และระบบ B และ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนด้วย ดังนั้นระบบ A และ C จะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน
การประยุกต์ใช้กฎข้อที่ 0 ในระบบชีวภาพ
ดังที่เราเพิ่งสังเกตเห็น กฎข้อที่ 0 ช่วยให้เราสามารถกำหนดได้เมื่อระบบทั้งสองอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน เราใช้กฎนี้โดยไม่รู้ตัวทุกครั้งที่เราวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมมิเตอร์
ตัวอย่างเช่น หากเราปล่อยให้เทอร์โมมิเตอร์สัมผัสกับภายในปากของเรา (ซึ่งเป็นระบบทางชีววิทยา) ในที่สุดอุณหภูมิจะสมดุลระหว่างแก้วของเทอร์โมมิเตอร์กับปาก อย่างไรก็ตาม เมื่ออ่านอุณหภูมิจากปรอทภายใน เราถือว่าปรอทจะอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนด้วยปาก แม้ว่าจะไม่ได้สัมผัสโดยตรงก็ตาม
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปรอทสัมผัสและอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับแก้ว และแก้วอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับปาก กฎข้อที่ 0 จึงระบุว่าปรอทต้องอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับปากด้วย
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่หนึ่งคือกฎการอนุรักษ์พลังงาน สิ่งนี้ระบุว่าพลังงานในจักรวาลคงที่ มันไม่ได้ถูกสร้างหรือถูกทำลาย มันถูกเปลี่ยนเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าไม่มีกระบวนการใดที่สามารถเกิดขึ้นได้ภายในระบบใดๆ (ไม่ว่าจะทางชีวภาพหรือไม่ก็ตาม) ซึ่งระบบได้รับพลังงานบางชนิดโดยที่สิ่งแวดล้อมไม่สูญเสียพลังงานนั้นไป
กฎนี้มีรูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่ง่ายมากคือ:
โดยที่ U แทนพลังงานภายในของระบบ q คือปริมาณความร้อนที่เข้าสู่ระบบ และ w คือปริมาณงานที่ระบบส่งไปยังสภาพแวดล้อม ในบางกรณี งานจะถูกเขียนด้วยเครื่องหมายบวก แต่จะถูกแทนที่ด้วยงานที่สภาพแวดล้อมทำบนระบบ ไม่ว่าในกรณีใด ความหมายของสมการทั้งสองจะเหมือนกันทุกประการ
การประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งในระบบชีวภาพ
เป็นเรื่องง่ายมากที่จะเข้าใจการประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งกับระบบชีวภาพทุกขนาด ตั้งแต่แบคทีเรียขนาดเล็ก ไปจนถึงมนุษย์ ไปจนถึงซีคัวญายักษ์ มันเป็นเพียงความสมดุลของพลังงาน
ตัวอย่างการประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งในระบบชีวภาพ
เราสามารถเห็นอาหารของเราเป็นแหล่งพลังงาน “แคลอรี่” ที่เรากินเข้าไป ไขมันในร่างกายซึ่งเป็นหนึ่งในวิธีที่ร่างกายกักเก็บพลังงาน แสดงถึงระดับพลังงานภายใน ในขณะที่ w งานที่ระบบทำคือการออกกำลังกาย ด้วยวิธีนี้ กฎข้อแรกให้คำอธิบายง่ายๆ แก่เราเพื่อให้เข้าใจว่าทำไมเราถึงอ้วน เมื่อใดก็ตามที่เรารับประทานอาหารซึ่งก็คือ แคลอรี หากเราไม่เผาผลาญโดยการออกกำลังกายเพื่อคืนสู่สิ่งแวดล้อม สิ่งเหล่านี้ก็จะถูกเก็บสะสมไว้ในรูปของพลังงานภายใน ซึ่งก็คือในรูปของไขมันในร่างกาย
ใครก็ตามที่ต้องการลดน้ำหนักต้องแน่ใจว่า q (สิ่งที่พวกเขากิน) น้อยกว่า w (พลังงานที่พวกเขาใช้ในการออกกำลังกายและพัฒนาการทำงานที่สำคัญของพวกเขา)
กฎหมายนี้ช่วยให้เราสามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่ากระบวนการใดเป็นไปได้และเป็นไปไม่ได้ การลดน้ำหนักด้วยการกินแคลอรีมากกว่าที่เราเผาผลาญไปนั้นเป็นไปไม่ได้เลย ไม่ว่าพวกเขาจะโน้มน้าวใจเรามากแค่ไหนก็ตาม
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สองระบุว่าในกระบวนการทางธรรมชาติหรือเกิดขึ้นเอง ส่วนหนึ่งของพลังงานภายในจะสูญเสียไปในรูปของความร้อนเสมอ สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมลูกบอลที่ปล่อยจากความสูงระดับหนึ่งและปล่อยให้กระดอนได้ทุกครั้งที่ถึงระดับความสูงที่ต่ำกว่า จนกระทั่งลูกบอลหยุดอยู่ที่พื้น
ถ้าเราปฏิบัติตามกฎข้อที่หนึ่ง พลังงานศักย์ที่แต่เดิมถูกเก็บไว้ในลูกบอลจะต้องหายไปที่ไหนสักแห่ง กฎข้อที่สองกำหนดว่าพลังงานนี้จะกระจายไปในรูปของความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม
การประยุกต์ใช้กฎข้อที่สองในระบบชีวภาพ
กฎข้อที่สองมีความหมายหลายอย่างเกี่ยวกับชีววิทยาและระบบชีวภาพ อย่างไรก็ตาม เพื่อทำความเข้าใจว่านำไปใช้กับวิทยาศาสตร์แขนงนี้อย่างไร ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจแนวคิดของเอนโทรปีและพลังงานอิสระกิ๊บส์ และความเกี่ยวข้องกับกฎข้อที่สอง
เอนโทรปี
เมื่อใดก็ตามที่คุณพูดถึงกฎข้อที่สอง คุณจะพูดถึงเอนโทรปี แนวคิดทางกายภาพที่แสดงด้วยตัวอักษร S เดิมทีเอนโทรปีถูกค้นพบว่าเป็นฟังก์ชันสถานะซึ่งการเปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เป็นการวัดปริมาณความร้อนที่กระจายไปในระหว่างกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ชื่อ Ludwig Boltzmann ค้นพบว่าแท้จริงแล้วเอนโทรปีเป็นตัวชี้วัดความผิดปกติของระบบ
จากการดัดแปลงทางคณิตศาสตร์ต่างๆ สรุปได้ว่ากฎข้อที่สองสามารถระบุได้ในแง่ของการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของเอกภพ ( ΔS U ) ดังนี้:
ทุกๆ กระบวนการทางธรรมชาติหรือเกิดขึ้นเองจำเป็นต้องบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของเอน โทรปีของเอกภพ
กล่าวคือ เอนโทรปีและกฎข้อที่สองนั้นให้เครื่องมือแก่เราในการทำนายว่ากระบวนการจะเกิดขึ้นเองเมื่อใดและเมื่อใดจะไม่เกิดขึ้น นอกจากนี้ยังให้คำอธิบายเกี่ยวกับแนวโน้มของกระบวนการทั้งหมดในจักรวาลตั้งแต่บิกแบง เราสามารถพูดได้ว่าทุกสิ่งที่เกิดขึ้นในเอกภพในปัจจุบันมีเป้าหมายเพื่อกระจายพลังงานทั้งหมดที่ถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของความร้อนในระหว่างการก่อตัวของเอกภพ
กิบส์พลังงานฟรี
ในระดับปฏิบัติ กฎข้อที่สองถูกนำไปใช้กับระบบชีวภาพโดยวิธีการของฟังก์ชันสถานะอื่นที่เรียกว่า พลังงานอิสระกิ๊บส์ ซึ่งแสดงด้วยตัวอักษร G ตามชื่อของมัน กฎนี้ประกอบด้วยปริมาณพลังงานสูงสุดที่ระบบมีอิสระ เพื่อใช้ทำงานนอกเหนือจากการขยายตัว สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งในชีววิทยาและชีวเคมี เนื่องจากรวมถึงงานเกี่ยวกับกระบวนการต่างๆ เช่น การแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (ไม่ว่าแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟ) ปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ทั้งหมด กระบวนการทางเคมีไฟฟ้า (รวมถึงศักยะงานในเซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเนื้อ) เป็นต้น
ความสำคัญของพลังงาน Gibbs คือภายใต้สภาวะปกติที่ชีวิตและกระบวนการทางชีววิทยาเกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระ Gibbs นั่นคือ ΔG เกี่ยวข้องโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปีของจักรวาล (ΔS U ) ในลักษณะที่ถ้าเรารู้เครื่องหมายของ ΔG เราก็สามารถสรุปเครื่องหมายของ ΔS Uได้ เราจึงสามารถใช้มันเป็นเกณฑ์ของความเป็นธรรมชาติสำหรับปฏิกิริยาเคมีและกระบวนการอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ของร่างกายของเรา
เกณฑ์ความเป็นธรรมชาติสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้:
| เครื่องหมายของ ΔG | เครื่องหมายของ ΔS U | ความเป็นธรรมชาติของกระบวนการ |
| ΔG > 0 (บวก) | ΔS U < 0 (ลบ) | กระบวนการที่เกิดขึ้นเอง |
| ΔG < 0 (ลบ) | ΔS U > 0 (บวก) | กระบวนการที่ไม่เกิดขึ้นเอง |
| ΔG = 0 | ΔS ยู = 0 | ระบบสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ |
การมีเพศสัมพันธ์ของปฏิกิริยาทางชีวเคมี
กระบวนการที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระเป็นลบและมีการปลดปล่อยพลังงานที่เกิดขึ้นเอง จึงเรียกว่ากระบวนการคายความร้อนหรือคายความร้อน ในทางกลับกัน พวกที่มีค่า ΔG เป็นลบจะไม่เกิดขึ้นเอง พวกมันดูดซับพลังงานและเรียกว่าเอนเดอร์โกนิกหรือเอนเทอร์มิก
พูดง่ายๆ ก็คือ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติจะปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ ในขณะที่กระบวนการที่ไม่ได้เกิดขึ้นเองนั้นไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติ เว้นแต่จะมีการจัดเตรียมพลังงานอิสระที่จำเป็นสำหรับกระบวนการเหล่านั้น ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองเพื่อให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเองที่จะเกิดขึ้น
เพื่อทำความเข้าใจเรื่องนี้ให้ดีขึ้น ลองนึกภาพรถที่อยู่ที่ฐานของภูเขา เป็นเรื่องยากมากที่จะเห็นเขาปีนขึ้นไปบนภูเขาอย่างเป็นธรรมชาติโดยที่เครื่องยนต์ดับและไม่ได้รับความช่วยเหลือใดๆ อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณสตาร์ทเครื่องยนต์ การเผาไหม้ของน้ำมันเบนซินหรือกระแสไฟฟ้าจะปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมาเองตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นพลังงานที่ใช้ในการหมุนล้อและขับเคลื่อนรถขึ้น ด้วยวิธีนี้ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองจึงเกิดขึ้นควบคู่กับกระบวนการที่ไม่เกิดขึ้นเอง
ตัวอย่างการประยุกต์ใช้กฎข้อที่สองในระบบชีวภาพ
ตัวอย่างที่สำคัญที่สุดของการใช้กฎนี้กับระบบชีวภาพคือการใช้ ATP เป็นแหล่งพลังงานเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาทางชีวเคมีส่วนใหญ่ที่ทำให้ชีวิตดำเนินต่อไป
การไฮโดรไลซิสของ ATP เป็นกระบวนการคายความร้อนอย่างรุนแรง (เช่นเดียวกับการเผาไหม้ของน้ำมันเบนซินในตัวอย่างก่อนหน้า) เอนไซม์ภายในเซลล์ใช้สิ่งนี้และปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่เกิดขึ้นเองอื่นๆ เพื่อปลดปล่อยพลังงานที่จำเป็นต่อการขับเคลื่อนปฏิกิริยาทางชีวเคมีอื่นๆ ที่จำเป็นต่อชีวิต เช่น การสังเคราะห์โปรตีนและกรดนิวคลีอิก
กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สาม (หรือหลักการที่สาม) ระบุว่าระบบใด ๆ มีแนวโน้มที่จะสูญเสียเอนโทรปีเมื่ออุณหภูมิลดลง และมันถึงค่าต่ำสุดที่ศูนย์สัมบูรณ์ สำหรับกรณีของของแข็งที่เป็นผลึกเชิงเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ เอนโทรปีที่ศูนย์สัมบูรณ์จะเป็นศูนย์
กฎนี้ช่วยให้เราเข้าใจเอนโทรปีเป็นมาตราส่วนสัมบูรณ์ และยังช่วยให้เราสามารถกำหนดค่าของเอนโทรปีสัมบูรณ์ของสสารใดๆ ในสภาวะอุณหภูมิและความดันชุดใดก็ได้
การประยุกต์ใช้กฎข้อที่สามในระบบชีวภาพ
ประโยชน์ของกฎหมายนี้คือช่วยให้เราสามารถวัดระดับความผิดปกติที่แท้จริงของสารเคมีต่างชนิดกันโดยตรงภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน และช่วยอำนวยความสะดวกอย่างมากในการคำนวณทางทฤษฎีของการแปรผันของเอนโทรปี (และโดยการขยายพลังงานอิสระ) เดอ กิ๊บส์) สำหรับปฏิกิริยาเคมีใด ๆ รวมถึงปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นในระบบชีวภาพ
อ้างอิง
Atkins, P., & dePaula, J. (2014). เคมีเชิงฟิสิกส์ของ Atkins (ฉบับปรับปรุง) อ็อกซ์ฟอร์ด สหราชอาณาจักร: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด.
ช้าง ร. (2551). เคมีเชิงฟิสิกส์ (ฉบับที่ 3) นิวยอร์กซิตี้, นิวยอร์ก: McGraw Hill
Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018, 28 มีนาคม) 6.3 กฎของอุณหพลศาสตร์ – ชีววิทยา 2e | OpenStax สืบค้นจาก https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics
ข่าน อคาเดมี่. (2560). กฎของอุณหพลศาสตร์ (บทความ) สืบค้นจาก https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics
Máxima U., J. สำหรับ: Features.co. (2564, 26 พฤษภาคม). กฎของเทอร์โมไดนามิกส์. สืบค้นจาก https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/
เนลสัน DL คอกซ์ MM และฟัวซ์ CCM (2018) หลักการชีวเคมีของ Lehninger ( ฉบับ ที่ 1 ) บาร์เซโลนา สเปน: OMEGA EDITIONS SA
