Dette er termodynamikkens lover i biologiske systemer

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


Termodynamikkens lover er et sett med fire utsagn som beskriver hvordan energi transformeres og hvordan den overføres fra et system til et annet eller mellom et system og dets miljø. Disse lovene er av enorm betydning for vitenskapen, siden de hjelper oss å forstå årsaken til at mange av fenomenene vi ser hver dag oppstår.

Slik sett er intet fenomen mer spesielt og imponerende enn livet selv, og det slipper ikke unna termodynamikkens lover. Deretter vil vi utforske hvordan disse lovene gjelder for biologiske systemer, og hvordan de har hjulpet oss å forstå alt fra de enkleste prosessene, som passiv diffusjon gjennom en membran, til det komplekse maskineriet som lar oss transformere maten vår til energi for å opprettholde liv livet.

Termodynamikkens lover er fire:

  • Null lov.
  • Termodynamikkens første lov.
  • Termodynamikkens andre lov.
  • Termodynamikkens tredje lov.

Av de fire lovene er imidlertid den nullte loven relativt triviell og den tredje loven har få direkte anvendelser i biologi, så i denne artikkelen dekker vi bare den nullte loven og den tredje loven overfladisk.

Termodynamiske systemer i biologi

For å forstå termodynamikk generelt, må man begynne med å forstå hva et termodynamisk system er. Dette refererer til den delen av universet vi studerer. Resten av universet som ikke er en del av systemet kalles miljøet.

Avhengig av egenskapene til veggene deres eller grensen mellom systemet og miljøet, kan systemene være isolerte, lukkede eller åpne. Biologiske systemer er generelt åpne systemer som tillater passasje av både energi og materie fra miljøet til systemet og omvendt.

nullloven

Den nullte loven har med termisk likevekt å gjøre, det vil si tilstanden der to legemer som er i termisk kontakt ikke utveksler varme med hverandre. Denne loven kan si som følger:

To systemer i termisk likevekt med et tredje er også i termisk likevekt med hverandre.

Dette er illustrert i følgende figur. Hvis systemene A og B er i termisk likevekt og systemene B og C også er i termisk likevekt, må systemene A og C være i termisk likevekt.

nullte lov om termodynamikk i biologiske systemer

Anvendelse av den nullte loven i biologiske systemer

Som vi nettopp har observert, tillater den nullte loven oss å fastslå når to systemer er i termisk likevekt. Vi bruker denne loven uten å være klar over det hver gang vi tar en temperaturmåling med et termometer.

For eksempel, hvis vi lar termometeret være i kontakt med innsiden av munnen vår (som er et biologisk system), vil termisk likevekt til slutt nås mellom glasset i termometeret og munnen. Men når vi leser temperaturen takket være kvikksølvet inne, antar vi at kvikksølvet også vil være i termisk likevekt med munnen, til tross for at det ikke er i direkte kontakt med det.

Men siden kvikksølvet er i kontakt med og er i termisk likevekt med glasset, og glasset er i termisk likevekt med munnen, så sier den nullte loven at kvikksølvet også må være i termisk likevekt med munnen.

Termodynamikkens første lov

Den første loven er loven om bevaring av energi. Dette sier at energien i universet er konstant. Det er verken skapt eller ødelagt, det blir bare forvandlet . Dette betyr at det aldri kan forekomme noen prosess i noe system (enten biologisk eller ikke) der systemet får energi av noe slag uten at miljøet mister det.

Denne loven har en veldig enkel matematisk form som er:

Første lov om termodynamikk i biologiske systemer

hvor U representerer den indre energien i systemet, q er mengden varme som kommer inn i systemet, og w er mengden arbeid systemet overfører til omgivelsene. I noen tilfeller er verket skrevet med positivt fortegn, men det erstattes av arbeidet som omgivelsene gjør på systemet; i alle fall er betydningen av begge ligningene nøyaktig den samme.

Anvendelse av den første loven i biologiske systemer

Det er veldig lett å forstå anvendelsen av den første loven på biologiske systemer av enhver størrelse, fra en liten bakterie, til et menneske, til en gigantisk sequoia. Det er rett og slett en energibalanse.

Eksempel på anvendelse av den første loven i biologiske systemer

Vi kan se maten vår som energikilder, «kaloriene» vi spiser. Kroppsfett, som er en av måtene kroppen lagrer energi på, representerer det indre energinivået, mens w, arbeidet systemet gjør, er trening. Sett på denne måten gir den første loven oss en veldig enkel forklaring for å forstå hvorfor vi blir tykke. Hver gang vi spiser mat, det vil si kalorier, hvis vi ikke forbrenner dem ved å trene for å returnere dem til miljøet, så vil disse lagres i form av indre energi, det vil si i form av kroppsfett.

Alle som ønsker å gå ned i vekt må sørge for at q (det de spiser) er mindre enn w (energien de bruker på å trene og utvikle sine vitale funksjoner).

Denne loven lar oss tydelig fastslå hvilke prosesser som er mulige og hvilke som er umulige. Å gå ned i vekt ved å spise flere kalorier enn vi forbrenner er rett og slett umulig, uansett hvor mye de ønsker å overbevise oss om det.

Termodynamikkens andre lov

Den andre loven sier at i enhver naturlig eller spontan prosess går en del av den indre energien alltid tapt i form av varme. Dette forklarer hvorfor en ball som slippes fra en viss høyde og får sprette hver gang den når lavere høyde, til den havner i ro på bakken.

Hvis vi går etter den første loven, måtte den potensielle energien som opprinnelig var lagret i ballen ha gått et sted. Den andre loven slår fast at denne energien spres i form av varme mot omgivelsene.

Anvendelse av den andre loven i biologiske systemer

Den andre loven har mange implikasjoner for biologi og biologiske systemer. Men for å forstå hvordan det gjelder denne grenen av vitenskapen, må vi først forstå begrepene entropi og Gibbs frie energi, og hvordan de forholder seg til den andre loven.

entropi

Hver gang du snakker om den andre loven, snakker du om entropi, et fysisk konsept representert ved bokstaven S. Entropi ble opprinnelig oppdaget som en tilstandsfunksjon hvis endring under en termodynamisk prosess er et mål på mengden varme som spres under denne prosessen. Imidlertid oppdaget en vitenskapsmann ved navn Ludwig Boltzmann at entropi faktisk er et mål på uorden i et system.

Gjennom ulike matematiske manipulasjoner ble det konkludert med at den andre loven kunne angis i form av entropiendringen til universet (ΔS U ) som følger:

Enhver naturlig eller spontan prosess innebærer nødvendigvis en økning i universets entropi .

Det vil si at entropien og den andre loven gir oss et verktøy for å forutsi når en prosess vil være spontan og når den ikke vil være det. Videre gir den oss en forklaring på trenden til alle prosesser i universet siden Big Bang . Vi kan si at alt som skjer i universet i dag er rettet mot å spre i form av varme all energien som ble frigjort under dannelsen av universet.

Gibbs fri energi

På et praktisk nivå brukes den andre loven på biologiske systemer ved hjelp av en annen tilstandsfunksjon kalt Gibbs frie energi, representert med bokstaven G. Som navnet indikerer, består denne av den maksimale energimengden som et system er fritt. å bruke til å gjøre en annen jobb enn utvidelse. Dette er spesielt relevant innen biologi og biokjemi, da det inkluderer arbeid med prosesser som diffusjon over membraner (enten aktive eller passive), alle enzymkatalyserte reaksjoner, elektrokjemiske prosesser (inkludert aksjonspotensialer i nevroner og muskelceller), etc.

Viktigheten av Gibbs-energien er at under de normale forholdene der liv og biologiske prosesser oppstår, er endringen i Gibbs frie energi, det vil si ΔG, direkte relatert til endringen i universets entropi. (ΔS U ), på en slik måte at hvis vi kjenner tegnet til ΔG, så kan vi utlede tegnet til ΔS U , slik at vi kan bruke det som et spontanitetskriterium for kjemiske reaksjoner og andre prosesser som skjer i cellene i kroppen vår.

Spontanitetskriteriene er oppsummert i følgende tabell:

tegn på ΔG tegn på ΔS U prosessens spontanitet
ΔG > 0 (positiv) ΔS U < 0 (negativ) spontan prosess
ΔG < 0 (negativ) ΔS U > 0 (positiv) ikke-spontan prosess
ΔG = 0 ΔS U = 0 System i termodynamisk likevekt

Koblingen av biokjemiske reaksjoner

Prosesser som har en negativ fri energi endres og er derfor spontan frigjørende energi og kalles derfor eksergoniske eller eksoterme prosesser. På den annen side er de med negativ ΔG ikke spontane, de absorberer energi og kalles endergoniske eller endoterme.

Enkelt sagt, spontane prosesser frigjør energi naturlig, mens ikke-spontane prosesser ikke kan skje spontant med mindre den frie energien som kreves for at de skal skje, er gitt. Dette betyr at en spontan reaksjon kan brukes til å gi energien som trengs for at en ikke-spontan reaksjon skal skje.

For å forstå dette bedre, la oss forestille oss en bil som er ved foten av et fjell. Det ville være svært sjelden å se ham spontant klatre opp i fjellet med motoren av og uten hjelp. Men når du starter motoren, frigjør forbrenningen av bensin eller strømmen av elektrisitet spontant store mengder energi, energi som brukes til å snu hjulene og drive bilen opp. På denne måten ble en spontan prosess koblet sammen med en ikke-spontan.

Eksempel på anvendelse av den andre loven i biologiske systemer

Det viktigste eksemplet på anvendelsen av denne loven på biologiske systemer er bruken av ATP som energikilde for å drive de fleste biokjemiske reaksjonene som holder livet i gang.

Hydrolysen av ATP er en svært eksoterm prosess (som forbrenningen av bensin i forrige eksempel). Enzymer inne i celler bruker denne og andre spontane hydrolysereaksjoner for å frigjøre energien de trenger for å drive andre biokjemiske reaksjoner som er essensielle for livet, for eksempel protein- og nukleinsyrebiosyntese.

Termodynamikkens tredje lov

Den tredje loven (eller tredje prinsippet) sier at ethvert system har en tendens til å miste entropi når temperaturen synker, og at det når det minimum ved absolutt null. For tilfellet med perfekte monoatomiske krystallinske faststoffer, er entropien ved absolutt null null.

Denne loven lar oss forstå entropi som en absolutt skala, og lar oss også bestemme verdien av den absolutte entropien til ethvert stoff i ethvert sett med temperatur- og trykkforhold.

Anvendelse av den tredje loven i biologiske systemer

Nytten av denne loven er at den lar oss ha et direkte mål på det sanne nivået av uorden av forskjellige kjemiske stoffer under forskjellige forhold, og i stor grad letter den teoretiske beregningen av entropivariasjoner (og i forlengelsen av fri energi). de Gibbs) for enhver kjemisk reaksjon, inkludert biokjemiske reaksjoner som oppstår i biologiske systemer.

Referanser

Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (rev. utg.). Oxford, Storbritannia: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Fysisk kjemi (3. utgave). New York City, New York: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M. og Choi, J. (2018, 28. mars). 6.3 Termodynamikkens lover – biologi 2e | OpenStax. Hentet fra https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Khan Academy. (2017). Termodynamikkens lover (artikkel). Hentet fra https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J. For: Features.co. (2021, 26. mai). Termodynamikkens lover. Hentet fra https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM og Foix, CCM (2018). Lehninger Principles of Biochemistry (1. utg .). Barcelona, ​​​​Spania: OMEGA EDITIONS, SA

-Annonse-

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

Artículos relacionados

Hva betyr LD50?

hva er boraks