ये जैविक प्रणालियों में ऊष्मप्रवैगिकी के नियम हैं

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ऊष्मप्रवैगिकी के नियम चार कथनों का एक समूह हैं जो बताते हैं कि ऊर्जा कैसे रूपांतरित होती है और यह कैसे एक प्रणाली से दूसरी प्रणाली में या एक प्रणाली और उसके पर्यावरण के बीच संचारित होती है। ये कानून विज्ञान के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि ये हमें यह समझने में मदद करते हैं कि हम हर दिन जो घटनाएं देखते हैं उनमें से कई क्यों घटित होती हैं।

इस अर्थ में, कोई भी घटना स्वयं जीवन से अधिक विशेष और प्रभावशाली नहीं है, और यह ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों से बच नहीं सकती है। इसके बाद, हम यह पता लगाएंगे कि ये कानून जैविक प्रणालियों पर कैसे लागू होते हैं, और कैसे उन्होंने हमें सरल प्रक्रियाओं से सब कुछ समझने में मदद की है, जैसे कि एक झिल्ली के माध्यम से निष्क्रिय प्रसार, जटिल मशीनरी जो हमें जीवन को बनाए रखने के लिए हमारे भोजन को ऊर्जा में बदलने की अनुमति देती है। जीवन।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियम चार हैं:

  • शून्य कानून।
  • ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम।
  • ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम।
  • ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम।

हालाँकि, चार कानूनों में, शून्य नियम अपेक्षाकृत तुच्छ है और तीसरे नियम के जीव विज्ञान में कुछ प्रत्यक्ष अनुप्रयोग हैं, इसलिए इस लेख में हम केवल शून्य नियम और तीसरे नियम को सतही रूप से कवर करते हैं।

जीव विज्ञान में थर्मोडायनामिक सिस्टम

थर्मोडायनामिक्स को सामान्य रूप से पूरी तरह से समझने के लिए, किसी को यह समझना चाहिए कि थर्मोडायनामिक सिस्टम क्या है। यह ब्रह्मांड के उस हिस्से को संदर्भित करता है जिसका हम अध्ययन कर रहे हैं। बाकी ब्रह्मांड जो सिस्टम का हिस्सा नहीं है, उसे पर्यावरण कहा जाता है।

उनकी दीवारों की विशेषताओं या सिस्टम और पर्यावरण के बीच की सीमा के आधार पर, सिस्टम को अलग, बंद या खुला किया जा सकता है। जैविक प्रणालियाँ आम तौर पर खुली प्रणालियाँ होती हैं जो पर्यावरण से प्रणाली में ऊर्जा और पदार्थ दोनों के पारित होने की अनुमति देती हैं और इसके विपरीत।

शून्य कानून

शून्यवाँ नियम का संबंध तापीय संतुलन से है, अर्थात वह स्थिति जिसमें दो निकाय जो तापीय संपर्क में हैं, एक दूसरे के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान नहीं करते हैं। इस कानून को इस प्रकार कहा जा सकता है:

एक तीसरे के साथ तापीय संतुलन में दो प्रणालियाँ एक दूसरे के साथ भी तापीय संतुलन में हैं।

यह निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है। अगर सिस्टम ए और बी थर्मल संतुलन में हैं और सिस्टम बी और सी भी थर्मल संतुलन में हैं, तो सिस्टम ए और सी थर्मल संतुलन में होना चाहिए।

जैविक प्रणालियों में ऊष्मप्रवैगिकी का शून्य नियम

जैविक प्रणालियों में शून्य नियम का अनुप्रयोग

जैसा कि हमने अभी देखा है, शून्यवाँ नियम हमें यह स्थापित करने की अनुमति देता है कि दो प्रणालियाँ तापीय संतुलन में हैं। हर बार जब हम थर्मामीटर से तापमान माप लेते हैं तो हम इस नियम को बिना जाने ही लागू कर देते हैं।

उदाहरण के लिए, यदि हम थर्मामीटर को अपने मुंह के अंदर (जो एक जैविक प्रणाली है) के संपर्क में छोड़ देते हैं, तो थर्मामीटर के गिलास और मुंह के बीच अंततः थर्मल संतुलन पहुंच जाएगा। हालांकि, अंदर के पारे के कारण तापमान को पढ़ते समय, हम मानते हैं कि पारा सीधे संपर्क में न होने के बावजूद मुंह के साथ थर्मल संतुलन में होगा।

हालाँकि, चूंकि पारा संपर्क में है और कांच के साथ थर्मल संतुलन में है, और ग्लास मुंह के साथ थर्मल संतुलन में है, तो शून्य नियम कहता है कि पारा भी मुंह के साथ थर्मल संतुलन में होना चाहिए।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम

प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण का नियम है। यह बताता है कि ब्रह्मांड में ऊर्जा स्थिर है। यह न तो उत्पन्न होता है और न ही नष्ट होता है, यह केवल रूपांतरित होता है । इसका मतलब यह है कि किसी भी प्रणाली (चाहे जैविक हो या नहीं) के भीतर कोई प्रक्रिया कभी भी नहीं हो सकती है जिसमें पर्यावरण को खोए बिना सिस्टम किसी प्रकार की ऊर्जा प्राप्त करता है।

इस नियम का एक बहुत ही सरल गणितीय रूप है जो है:

जैविक प्रणालियों में ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम

जहां U सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है, q सिस्टम में प्रवेश करने वाली गर्मी की मात्रा है, और w कार्य की वह मात्रा है जो सिस्टम परिवेश में प्रसारित करता है। कुछ मामलों में, कार्य को सकारात्मक चिन्ह के साथ लिखा जाता है, लेकिन इसे उस कार्य से बदल दिया जाता है जो पर्यावरण सिस्टम पर करता है; किसी भी स्थिति में, दोनों समीकरणों का अर्थ बिल्कुल समान है।

जैविक प्रणालियों में प्रथम नियम का अनुप्रयोग

किसी भी आकार के जैविक तंत्र, एक छोटे से जीवाणु से लेकर एक इंसान तक, एक विशाल सिकोइया तक, पहले नियम के अनुप्रयोग को समझना बहुत आसान है। यह केवल ऊर्जा का संतुलन है।

जैविक प्रणालियों में प्रथम नियम के अनुप्रयोग का उदाहरण

हम अपने भोजन को ऊर्जा के स्रोत के रूप में देख सकते हैं, जो “कैलोरी” हम खाते हैं। शरीर में वसा, जो शरीर द्वारा ऊर्जा को संग्रहीत करने के तरीकों में से एक है, आंतरिक ऊर्जा स्तर का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि डब्ल्यू, सिस्टम जो काम करता है, वह व्यायाम है। इस तरह से देखने पर, पहला नियम हमें यह समझने के लिए एक बहुत ही सरल व्याख्या देता है कि हम मोटे क्यों होते हैं। जब भी हम भोजन करते हैं, यानी कैलोरी, अगर हम उन्हें पर्यावरण में वापस लाने के लिए व्यायाम करके उन्हें नहीं जलाते हैं, तो ये आंतरिक ऊर्जा के रूप में, यानी शरीर में वसा के रूप में जमा होने वाले हैं।

जो कोई भी अपना वजन कम करना चाहता है, उसे यह सुनिश्चित करना चाहिए कि क्यू (वे क्या खाते हैं) डब्ल्यू से कम है (वह ऊर्जा जो वे व्यायाम और अपने महत्वपूर्ण कार्यों को विकसित करने में खर्च करते हैं)।

यह कानून हमें स्पष्ट रूप से स्थापित करने की अनुमति देता है कि कौन सी प्रक्रियाएँ संभव हैं और कौन सी असंभव हैं। जितना हम जलाते हैं उससे अधिक कैलोरी खाने से वजन कम करना असंभव है, चाहे वे हमें कितना भी विश्वास दिलाना चाहें।

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

दूसरा नियम बताता है कि किसी भी प्राकृतिक या सहज प्रक्रिया में आंतरिक ऊर्जा का हिस्सा हमेशा गर्मी के रूप में खो जाता है। यह बताता है कि एक गेंद जो एक निश्चित ऊंचाई से छोड़ी जाती है और हर बार कम ऊंचाई तक पहुंचने पर उछलती है, जब तक कि यह जमीन पर आराम से समाप्त न हो जाए।

यदि हम पहले नियम के अनुसार चलते हैं, तो संभावित ऊर्जा जो मूल रूप से गेंद में संग्रहीत थी, वह कहीं चली गई होगी। द्वितीय नियम कहता है कि यह ऊर्जा ऊष्मा के रूप में परिवेश में क्षयित होती है।

जैविक प्रणालियों में दूसरे कानून का अनुप्रयोग

दूसरे नियम के जीव विज्ञान और जैविक प्रणालियों के लिए कई निहितार्थ हैं। हालांकि, यह समझने के लिए कि यह विज्ञान की इस शाखा पर कैसे लागू होता है, हमें पहले एंट्रॉपी और गिब्स मुक्त ऊर्जा की अवधारणाओं को समझना होगा, और वे दूसरे कानून से कैसे संबंधित हैं।

एन्ट्रापी

जब भी आप दूसरे कानून के बारे में बात करते हैं, तो आप एंट्रॉपी के बारे में बात करते हैं, एस अक्षर द्वारा दर्शाई गई एक भौतिक अवधारणा। एंट्रॉपी मूल रूप से एक राज्य समारोह के रूप में खोजी गई थी जिसका थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के दौरान परिवर्तन इस प्रक्रिया के दौरान गर्मी की मात्रा का एक उपाय है। हालांकि, लुडविग बोल्ट्जमैन नाम के एक वैज्ञानिक ने पता लगाया कि एन्ट्रापी वास्तव में एक प्रणाली के विकार का एक उपाय है।

विभिन्न गणितीय जोड़-तोड़ के माध्यम से, यह निष्कर्ष निकाला गया कि ब्रह्मांड के एन्ट्रापी परिवर्तन (ΔS U ) के संदर्भ में दूसरे नियम को निम्नानुसार बताया जा सकता है:

प्रत्येक प्राकृतिक या स्वतःस्फूर्त प्रक्रिया अनिवार्य रूप से ब्रह्मांड की एन्ट्रापी में वृद्धि का संकेत देती है

कहने का तात्पर्य यह है कि एन्ट्रापी और दूसरा नियम हमें भविष्यवाणी करने के लिए एक उपकरण प्रदान करते हैं कि कोई प्रक्रिया कब सहज होगी और कब नहीं। इसके अलावा, यह हमें बिग बैंग के बाद से ब्रह्मांड में सभी प्रक्रियाओं की प्रवृत्ति के बारे में एक स्पष्टीकरण देता है । हम कह सकते हैं कि ब्रह्मांड में आज जो कुछ भी होता है उसका उद्देश्य ब्रह्मांड के निर्माण के दौरान जारी की गई सभी ऊर्जा को गर्मी के रूप में नष्ट करना है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा

व्यावहारिक स्तर पर, दूसरे नियम को गिब्स मुक्त ऊर्जा नामक एक अन्य राज्य फ़ंक्शन के माध्यम से जैविक प्रणालियों पर लागू किया जाता है, जिसे अक्षर G द्वारा दर्शाया जाता है। जैसा कि इसके नाम से संकेत मिलता है, इसमें ऊर्जा की अधिकतम मात्रा होती है जो एक प्रणाली मुक्त होती है। विस्तार के अलावा अन्य कार्य करने के लिए उपयोग करने के लिए। यह जीव विज्ञान और जैव रसायन में विशेष रूप से प्रासंगिक है, क्योंकि इसमें झिल्ली में प्रसार (चाहे सक्रिय या निष्क्रिय), सभी एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाएं, विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं (न्यूरॉन्स और मांसपेशियों की कोशिकाओं में क्रिया क्षमता सहित), आदि जैसी प्रक्रियाओं पर काम शामिल है।

गिब्स ऊर्जा का महत्व यह है कि सामान्य परिस्थितियों में जिसमें जीवन और जैविक प्रक्रियाएं होती हैं, गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन, अर्थात, ΔG, सीधे ब्रह्मांड की एन्ट्रॉपी में परिवर्तन से संबंधित है। (ΔS U ) ), इस तरह से कि अगर हम ΔG के संकेत को जानते हैं, तो हम ΔS U के संकेत का अनुमान लगा सकते हैं, इसलिए हम इसे रासायनिक प्रतिक्रियाओं और हमारे शरीर की कोशिकाओं के भीतर होने वाली अन्य प्रक्रियाओं के लिए सहजता के मानदंड के रूप में उपयोग कर सकते हैं।

सहजता मानदंड को निम्नलिखित तालिका में संक्षेपित किया गया है:

ΔG का चिह्न ΔS U का चिह्न प्रक्रिया की सहजता
ΔG > 0 (सकारात्मक) Δएस यू <0 (नकारात्मक) सहज प्रक्रिया
Δजी <0 (नकारात्मक) ΔS U > 0 (सकारात्मक) गैर सहज प्रक्रिया
डीजी = 0 Δएस यू = 0 थर्मोडायनामिक संतुलन में प्रणाली

जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं का युग्मन

ऐसी प्रक्रियाएं जिनमें एक नकारात्मक मुक्त ऊर्जा परिवर्तन होता है और इसलिए सहज रिलीज ऊर्जा होती है और इसलिए उन्हें एक्सर्जोनिक या एक्ज़ोथिर्मिक प्रक्रिया कहा जाता है। दूसरी ओर, नकारात्मक ΔG वाले सहज नहीं होते हैं, वे ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और उन्हें एंडर्जोनिक या एंडोथर्मिक कहा जाता है।

सीधे शब्दों में कहें, सहज प्रक्रियाएं स्वाभाविक रूप से ऊर्जा जारी करती हैं, जबकि गैर-सहज प्रक्रियाएं अनायास तब तक नहीं हो सकतीं जब तक कि उनके होने के लिए आवश्यक मुक्त ऊर्जा प्रदान नहीं की जाती। इसका मतलब यह है कि एक गैर-सहज प्रतिक्रिया होने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने के लिए एक सहज प्रतिक्रिया का उपयोग किया जा सकता है।

इसे बेहतर ढंग से समझने के लिए आइए एक ऐसी कार की कल्पना करें जो एक पहाड़ की तलहटी में है। उसे इंजन बंद करके और बिना किसी मदद के अनायास ही पहाड़ पर चढ़ते देखना बहुत दुर्लभ होगा। हालांकि, जब आप इंजन शुरू करते हैं, तो गैसोलीन का दहन या बिजली का प्रवाह अनायास ही बड़ी मात्रा में ऊर्जा छोड़ता है, ऊर्जा जिसका उपयोग पहियों को घुमाने और कार को आगे बढ़ाने के लिए किया जाता है। इस तरह, एक सहज प्रक्रिया एक गैर-सहज प्रक्रिया के साथ जुड़ गई।

जैविक प्रणालियों में दूसरे कानून के आवेदन का उदाहरण

जैविक प्रणालियों के लिए इस कानून के आवेदन का सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण जीवन को जारी रखने वाली अधिकांश जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करने के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में एटीपी का उपयोग है।

एटीपी का हाइड्रोलिसिस एक अत्यधिक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है (जैसा कि पिछले उदाहरण में गैसोलीन का दहन है)। कोशिकाओं के अंदर एंजाइम इस और अन्य सहज हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं का उपयोग उस ऊर्जा को जारी करने के लिए करते हैं जो उन्हें जीवन के लिए आवश्यक अन्य जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं, जैसे कि प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड जैवसंश्लेषण को चलाने के लिए आवश्यक है।

ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम

तीसरा नियम (या तीसरा सिद्धांत) कहता है कि तापमान कम होने पर कोई भी प्रणाली एन्ट्रॉपी खोने लगती है, और यह उस न्यूनतम शून्य पर पहुंच जाती है। पूर्ण मोनोएटोमिक क्रिस्टलीय ठोस के मामले में, पूर्ण शून्य पर एंट्रॉपी शून्य है।

यह कानून हमें एंट्रॉपी को एक पूर्ण पैमाने के रूप में समझने की अनुमति देता है, और हमें तापमान और दबाव की स्थिति के किसी भी सेट में किसी भी पदार्थ की पूर्ण एंट्रॉपी के मूल्य को निर्धारित करने की अनुमति भी देता है।

जैविक प्रणालियों में तीसरे कानून का अनुप्रयोग

इस कानून की उपयोगिता यह है कि यह हमें अलग-अलग परिस्थितियों में विभिन्न रासायनिक पदार्थों के विकार के वास्तविक स्तर का प्रत्यक्ष माप करने की अनुमति देता है, और एंट्रॉपी विविधताओं (और विस्तार से, मुक्त ऊर्जा) की सैद्धांतिक गणना की सुविधा प्रदान करता है। डी गिब्स) जैविक प्रणालियों में होने वाली जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं सहित किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए।

संदर्भ

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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