Ini adalah hukum termodinamika dalam sistem biologis

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Hukum termodinamika adalah seperangkat empat pernyataan yang menjelaskan bagaimana energi diubah dan bagaimana energi itu ditransmisikan dari satu sistem ke sistem lain atau antara sistem dan lingkungannya. Hukum-hukum ini sangat penting bagi sains, karena membantu kita memahami alasan mengapa banyak fenomena yang kita lihat setiap hari terjadi.

Dalam pengertian ini, tidak ada fenomena yang lebih istimewa dan mengesankan daripada kehidupan itu sendiri, dan tidak luput dari hukum termodinamika. Selanjutnya, kita akan mengeksplorasi bagaimana hukum-hukum ini berlaku untuk sistem biologis, dan bagaimana mereka membantu kita memahami segala sesuatu mulai dari proses paling sederhana, seperti difusi pasif melalui membran, hingga mesin kompleks yang memungkinkan kita mengubah makanan menjadi energi untuk mempertahankan kehidupan. hidup.

Hukum termodinamika ada empat:

  • Hukum nol.
  • Hukum pertama termodinamika.
  • Hukum kedua termodinamika.
  • Hukum ketiga termodinamika.

Namun, dari keempat hukum tersebut, hukum ke-nol relatif sepele dan hukum ketiga hanya memiliki sedikit penerapan langsung dalam biologi, jadi dalam artikel ini kami hanya membahas hukum ke-nol dan hukum ketiga secara dangkal.

Sistem termodinamika dalam biologi

Untuk memahami sepenuhnya termodinamika secara umum, seseorang harus mulai dengan memahami apa itu sistem termodinamika. Ini mengacu pada bagian alam semesta yang sedang kita pelajari. Sisa alam semesta yang bukan bagian dari sistem disebut lingkungan.

Bergantung pada karakteristik dindingnya atau batas antara sistem dan lingkungan, sistem dapat diisolasi, tertutup atau terbuka. Sistem biologis umumnya adalah sistem terbuka yang memungkinkan lewatnya energi dan materi dari lingkungan ke sistem dan sebaliknya.

hukum nol

Hukum ke nol berkaitan dengan kesetimbangan termal, yaitu kondisi di mana dua benda yang berada dalam kontak termal tidak bertukar panas satu sama lain. Hukum ini dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dua sistem dalam kesetimbangan termal dengan yang ketiga juga berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

Hal ini diilustrasikan pada gambar berikut. Jika sistem A dan B berada dalam kesetimbangan termal dan sistem B dan C juga berada dalam kesetimbangan termal, maka sistem A dan C pasti berada dalam kesetimbangan termal.

hukum ke nol termodinamika dalam sistem biologi

Penerapan hukum nol dalam sistem biologis

Seperti yang baru saja kita amati, hukum ke nol memungkinkan kita untuk menentukan kapan dua sistem berada dalam kesetimbangan termal. Kami menerapkan hukum ini tanpa disadari setiap kali kami melakukan pengukuran suhu dengan termometer.

Misalnya, jika kita membiarkan termometer bersentuhan dengan bagian dalam mulut kita (yang merupakan sistem biologis), kesetimbangan termal pada akhirnya akan tercapai antara gelas termometer dan mulut. Namun, saat membaca suhu berkat merkuri di dalamnya, kami berasumsi bahwa merkuri juga akan berada dalam kesetimbangan termal dengan mulut, meski tidak bersentuhan langsung dengannya.

Namun, karena merkuri bersentuhan dengan dan berada dalam kesetimbangan termal dengan kaca, dan kaca berada dalam kesetimbangan termal dengan mulut, maka hukum ke nol menyatakan bahwa merkuri juga harus berada dalam kesetimbangan termal dengan mulut.

Hukum pertama termodinamika

Hukum pertama adalah hukum kekekalan energi. Ini menyatakan bahwa energi di alam semesta adalah konstan. Itu tidak diciptakan atau dihancurkan, itu hanya diubah . Ini berarti bahwa tidak ada proses yang dapat terjadi dalam sistem apa pun (baik biologis atau tidak) di mana sistem tersebut memperoleh energi dalam bentuk apa pun tanpa kehilangannya oleh lingkungan.

Hukum ini memiliki bentuk matematis yang sangat sederhana yaitu:

Hukum Pertama Termodinamika dalam Sistem Biologi

di mana U menyatakan energi dalam sistem, q adalah jumlah kalor yang masuk ke sistem, dan w adalah jumlah usaha yang dipindahkan sistem ke lingkungan. Dalam beberapa kasus, usaha ditulis dengan tanda positif, tetapi diganti dengan usaha yang dilakukan lingkungan pada sistem; bagaimanapun, arti dari kedua persamaan itu persis sama.

Penerapan hukum pertama dalam sistem biologis

Sangat mudah untuk memahami penerapan hukum pertama pada sistem biologis dalam berbagai ukuran, dari bakteri kecil, manusia, hingga sequoia raksasa. Ini hanyalah keseimbangan energi.

Contoh penerapan hukum pertama dalam sistem biologi

Kita bisa melihat makanan kita sebagai sumber energi, “kalori” yang kita makan. Lemak tubuh, yang merupakan salah satu cara tubuh menyimpan energi, mewakili tingkat energi internal, sedangkan w, kerja yang dilakukan sistem, adalah olahraga. Dilihat seperti ini, hukum pertama memberi kita penjelasan yang sangat sederhana untuk memahami mengapa kita menjadi gemuk. Setiap kali kita makan makanan, yaitu kalori, jika kita tidak membakarnya dengan berolahraga untuk mengembalikannya ke lingkungan, maka ini akan disimpan dalam bentuk energi internal, yaitu dalam bentuk lemak tubuh.

Siapa pun yang ingin menurunkan berat badan harus memastikan bahwa q (apa yang mereka makan) kurang dari w (energi yang mereka habiskan untuk berolahraga dan mengembangkan fungsi vitalnya).

Hukum ini memungkinkan kita untuk menetapkan dengan jelas proses mana yang mungkin dan mana yang tidak mungkin. Menurunkan berat badan dengan makan lebih banyak kalori daripada yang kita bakar tidak mungkin, tidak peduli seberapa besar mereka ingin meyakinkan kita tentang hal itu.

Hukum kedua termodinamika

Hukum kedua menyatakan bahwa, dalam setiap proses alamiah atau spontan, sebagian energi dalam selalu hilang dalam bentuk panas. Ini menjelaskan mengapa bola yang dilepaskan dari ketinggian tertentu dan dibiarkan memantul setiap kali mencapai ketinggian yang lebih rendah, hingga akhirnya berhenti di tanah.

Jika kita mengikuti hukum pertama, energi potensial yang awalnya tersimpan di dalam bola pasti telah pergi ke suatu tempat. Hukum kedua menetapkan bahwa energi ini dihamburkan dalam bentuk panas ke lingkungan.

Penerapan hukum kedua dalam sistem biologis

Hukum kedua memiliki banyak implikasi untuk biologi dan sistem biologi. Namun, untuk memahami bagaimana penerapannya pada cabang sains ini, pertama-tama kita harus memahami konsep entropi dan energi bebas Gibbs, dan bagaimana hubungannya dengan hukum kedua.

entropi

Setiap kali Anda berbicara tentang Hukum Kedua, Anda berbicara tentang entropi, konsep fisik yang diwakili oleh huruf S. Entropi pada awalnya ditemukan sebagai fungsi keadaan yang perubahannya selama proses termodinamika merupakan ukuran dari jumlah panas yang hilang selama proses ini. Namun, seorang ilmuwan bernama Ludwig Boltzmann menemukan bahwa entropi sebenarnya adalah ukuran ketidakteraturan suatu sistem.

Melalui berbagai manipulasi matematis, disimpulkan bahwa hukum kedua dapat dinyatakan dalam perubahan entropi alam semesta (ΔS U ) sebagai berikut:

Setiap proses alamiah atau spontan pasti mengimplikasikan peningkatan entropi alam semesta .

Artinya, entropi dan Hukum Kedua memberi kita alat untuk memprediksi kapan suatu proses akan spontan dan kapan tidak. Selain itu, ini memberi kita penjelasan tentang kecenderungan semua proses di alam semesta sejak Big Bang . Dapat dikatakan bahwa segala sesuatu yang terjadi di alam semesta saat ini bertujuan untuk menghilangkan semua energi yang dilepaskan selama pembentukan alam semesta dalam bentuk panas.

Energi bebas Gibbs

Pada tingkat praktis, hukum kedua diterapkan pada sistem biologis melalui fungsi keadaan lain yang disebut energi bebas Gibbs, diwakili oleh huruf G. Seperti namanya, ini terdiri dari jumlah maksimum energi yang dimiliki sistem bebas. untuk digunakan untuk melakukan pekerjaan selain ekspansi. Ini sangat relevan dalam biologi dan biokimia, karena mencakup pekerjaan pada proses seperti difusi melintasi membran (baik aktif atau pasif), semua reaksi yang dikatalisis oleh enzim, proses elektrokimia (termasuk potensial aksi dalam neuron dan sel otot), dll.

Pentingnya energi Gibbs adalah bahwa, di bawah kondisi normal di mana kehidupan dan proses biologis terjadi, perubahan energi bebas Gibbs, yaitu ΔG, berhubungan langsung dengan perubahan entropi alam semesta . ), sedemikian rupa sehingga jika kita mengetahui tanda ΔG, maka kita dapat menyimpulkan tanda ΔS U , sehingga kita dapat menggunakannya sebagai kriteria spontanitas untuk reaksi kimia dan proses lain yang terjadi di dalam sel tubuh kita. .

Kriteria spontanitas dirangkum dalam tabel berikut:

tanda ΔG tanda ΔS U spontanitas proses
ΔG > 0 (positif) ΔS U < 0 (negatif) proses spontan
ΔG < 0 (negatif) ΔS U > 0 (positif) proses yang tidak spontan
∆G = 0 ΔS U = 0 Sistem dalam kesetimbangan termodinamika

Kopling reaksi biokimia

Proses yang memiliki perubahan energi bebas negatif dan karena itu melepaskan energi secara spontan dan karenanya disebut proses eksergonik atau eksotermik. Di sisi lain, ΔG negatif tidak spontan, mereka menyerap energi dan disebut endergonik atau endotermik.

Sederhananya, proses spontan melepaskan energi secara alami, sedangkan proses non-spontan tidak dapat terjadi secara spontan kecuali energi bebas yang diperlukan untuk terjadinya proses tersebut disediakan. Ini berarti bahwa reaksi spontan dapat digunakan untuk menyediakan energi yang dibutuhkan untuk terjadinya reaksi non-spontan.

Untuk lebih memahami hal ini, mari kita bayangkan sebuah mobil yang berada di kaki gunung. Sangat jarang melihatnya secara spontan mendaki gunung dengan mesin mati dan tanpa bantuan apa pun. Namun, saat Anda menyalakan mesin, pembakaran bensin atau aliran listrik secara spontan melepaskan energi dalam jumlah besar, energi yang digunakan untuk memutar roda dan menggerakkan mobil ke atas. Dengan cara ini, proses spontan digabungkan dengan proses non-spontan.

Contoh penerapan hukum kedua dalam sistem biologi

Contoh paling penting dari penerapan hukum ini pada sistem biologi adalah penggunaan ATP sebagai sumber energi untuk menggerakkan sebagian besar reaksi biokimia yang menjaga kelangsungan hidup.

Hidrolisis ATP adalah proses eksotermik yang kuat (seperti pembakaran bensin pada contoh sebelumnya). Enzim di dalam sel menggunakan ini dan reaksi hidrolisis spontan lainnya untuk melepaskan energi yang mereka butuhkan untuk mendorong reaksi biokimia lain yang penting bagi kehidupan, seperti biosintesis protein dan asam nukleat.

Hukum ketiga termodinamika

Hukum ketiga (atau prinsip ketiga) menyatakan bahwa setiap sistem cenderung kehilangan entropi ketika suhu menurun, dan mencapai minimum pada nol mutlak. Untuk kasus padatan kristal monoatomik sempurna, entropi pada nol mutlak adalah nol.

Hukum ini memungkinkan kita untuk memahami entropi sebagai skala absolut, dan juga memungkinkan kita untuk menentukan nilai entropi absolut dari zat apa pun dalam kondisi suhu dan tekanan apa pun.

Penerapan hukum ketiga dalam sistem biologis

Kegunaan dari hukum ini adalah memungkinkan kita untuk memiliki ukuran langsung dari tingkat ketidakteraturan yang sebenarnya dari berbagai zat kimia dalam kondisi yang berbeda, dan sangat memudahkan perhitungan teoretis variasi entropi (dan dengan perluasan, energi bebas). de Gibbs) untuk setiap reaksi kimia, termasuk reaksi biokimia yang terjadi dalam sistem biologis.

Referensi

Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Kimia Fisik Atkins (rev. ed.). Oxford, Inggris Raya: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Kimia Fisik (edisi ke-3). Kota New York, New York: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018, 28 Maret). 6.3 Hukum Termodinamika – Biologi 2e | OpenStax. Diambil dari https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Akademi Khan. (2017). Hukum termodinamika (artikel). Diambil dari https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J. Untuk: Features.co. (2021, 26 Mei). Hukum Termodinamika. Diambil dari https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM, & Foix, CCM (2018). Prinsip-Prinsip Biokimia Lehninger ( Edisi ke-1 ). Barcelona, ​​​​Spanyol: OMEGA EDITIONS, SA

-Iklan-

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

Artículos relacionados

Tes warna api

Definisi suspensi

Contoh sifat kimia