If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Курс: Физика – 12. клас (България) > Раздел 1

Урок 4: Принципи на термодинамиката (част 2)

Закони на термодинамиката

Как първият и вторият закон на термодинамиката се отнасят към биологичните системи.

Въведение

Какъв вид система си: отворена или затворена? Както се оказва, това е въпрос от физиката, а не от философията. Ти, както и всички живи същества, си отворена система, което означава, че обменяш и материя, и енергия с околната си среда. Например приемаш химична енергия под формата на храна и извършваш работа върху околната си среда под формата на движение, говорене, ходене и дишане.
Всички обмен на енергия, който протича в твоя организъм (като множеството ти метаболитни реакции) и между теб и околната ти среда, може да се опише със същите закони на физиката като обмяната на енергия между топли и студени обекти или частиците на газ, или всичко друго, което можеш да откриеш в учебник по физика. Тук ще разгледаме два физични закона – първия и втория закон на термодинамиката – и ще видим как се прилагат към биологични системи като теб.

Системи и околна среда

Термодинамиката в биологията се отнася до изучаването на преноса на енергия, който се наблюдава в молекули или групи от молекули. Когато обсъждаме термодинамиката, една определена единица или група от единици, която ни интересува (и която може да е нещо толкова малко като една клетка или толкова голямо колкото една екосистема), се нарича система, докато всичко, което не е включено в системата, която определяме, наричаме околна среда.
Например, ако нагряваш тенджера с вода на печката, системата може да включва котлона, тенджерата и водата, докато околната среща ще е всичко друго: останалата част от кухнята, къщата, кварталът, страната, планетата, галактиката и вселената. Решението какво да определим като система е произволно (определя се от наблюдателя) и в зависимост от това какво искаш да проучиш, можеш да включиш само водата или цялата къща като част от системата. Системата и околната среда заедно създават вселената.
Има три вида системи в термодинамиката: отворени, затворени и изолирани.
  • Отворената система може да обменя и енергия, и материя с околната си среда. Котлонът от горния пример е отворена система, понеже топлина и водна пара могат да бъдат изгубени във въздуха.
  • Затворената система, от друга страна, може да обменя само енергия с околната си среда, но не и материя. Ако поставим плътно прилепващ капак на тенджерата от предишния пример, тенджерата ще представлява приблизително затворена система.
  • Изолирана система е такава система, която не може да обменя нито материя, нито енергия с околната си среда. Трудно може да се намери перфектна изолирана система, но изолиран охладител за напитки с капак е концептуално подобен на истинска изолирана система. Предметите във вътрешността могат да обменят енергия един с друг, затова напитките се охлаждат, а ледът малко се топи, но обменят много малко енергия (топлина) с външната среда.
Ти, както други организми, си отворена система. Независимо дали го осъзнаваш, ти постоянно обменяш енергия и материя с околната среда. Да предположим, че изяждаш един картоф или вдигаш торба пране на масата, или просто издишваш и освобождаваш въглероден диоксид в атмосферата. Във всеки един от тези случаи обменяш енергия и материя с околната си среда.
Обмяната на енергия, която протича в живите организми, трябва да следва законите на физиката. В тази връзка тя не се различава от обмяната на енергия в една електрическа верига, например. Нека разгледаме по-отблизо как законите на термодинамиката (физични правила за обмяната на енергия) важат за живите организми като теб.

Първи закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката работи в големи мащаби: той се занимава с общото количество енергия във Вселената и, в частност, заявява, че това общо количество не се променя. Да го кажем по друг начин, Първият закон на термодинамиката твърди, че енергия не може да бъде създадена или разрушена. Тя може само да промени формата си или да бъде прехвърлена от един обект на друг.
Изображение: ОупънСтакс Биология. “Сладолед", модификация на работата на Д. Шерън Пруит; "Деца на колела", модификация на работата на Мишел Риген-Ранзъм и “Листо”, модификация на работата на Кори Занкър.
Този закон може да изглежда абстрактен до известна степен, но ако започнем да разглеждаме примери, ще открием, че преносите и преобразуването на енергия се случват около нас през цялото време. Например:
  • Електрическите крушки превръщат електрична енергия в светлинна енергия (лъчиста енергия).
  • Една топка за билярд удря друга, прехвърляйки кинетична енергия и карайки втората топка да се премести.
  • Растенията превръщат енергията на слънчевата светлина (лъчиста енергия) в химическа енергия, съхранена в органични молекули.
  • Ти превръщаш химическа енергия от последното си похапване в кинетична енергия, докато вървиш, дишаш или преместваш пръста си, за да се движиш нагоре и надолу по тази страница.
Обърни внимание, че нито един от преносите не е напълно ефикасен. Във всеки сценарий част от началната енергия се освобождава като топлинна енергия. Когато преминава от един предмет в друг, топлинната енергия се нарича с по-познатото име топлина. Очевидно е, че светещите електрически крушки генерират топлина в допълнение към светлината, но движещите се топки за билярд също го правят (благодарение на триенето), както и прносът на енергия при растителния и животинския метаболизъм. За да видим защо това генериране на топлина е важно, остани на линия и за втория закон на термодинамиката.

Втори закон на термодинамиката

На пръв поглед първият закон на термодинамиката може да изглежда чудесен. Щом енергията никога не се създава или губи, това означава, че тя може просто да бъде рециклирана отново и отново, нали така?
Е… и да, и не. Енергията не може да бъде създадена или унищожена, но може да бъде преобразувана от по-полезни форми в по-неполезни форми. Както се оказва, при всеки енергиен трансфер или трансформация в реалния живот някакво количество енергия бива преобразувано във форма, която не може да се използва (не може да извърши работа). В повечето случаи тази неизползваема енергия е във вид на топлина.
Въпреки че топлината всъщност може да извърши работа при правилните условия, тя не може да бъде преобразувана в други (извършващи работа) видове енергия със 100% ефикасност. Така че всеки път, когато се извърши енергиен трансфер, някакво количество полезна енергия ще премине от категорията полезна в категорията неполезна.

Топлината увеличава безпорядъка във вселената

Ако топлината не извършва работа, какво точно прави тя тогава? Топлината, която не извършва работа, увеличава безпорядъка (хаоса) във вселената. Може да ти се стори, че логически това не следва от нищо, така че нека се върнем една стъпка назад и да видим какво означава.
Когато имаш два обекта (да кажем два блока от един и същи метал) с различни температури, системата ти е сравнително организирана: молекулите са разделени по скорост, като тези в по-студения обект се движат бавно, а тези в по-топлия обект се движат бързо. Ако топлината тече от по-топлия обект към по-студения обект (както спонтанно ще се случи), молекулите на горещия обект се забавят, а молекулите на студения обект се ускоряват, докато всички молекули не започнат да се движат с еднаква средна скорост. Сега, вместо да имаме разделение между бързи и бавни молекули, просто имаме един голям "басейн" от молекули, които се движат с една и съща скорост – по-малко подредена ситуация от началната.
Системата ще е склонна да се движи към тази по-неподредена конфигурация просто защото е статистически много по-вероятно от конфигурацията с разделението по температура (има много повече възможни състояния при неподредената конфигурация). Можеш да проучиш тази концепция по-задълбочено във видеата в този раздел или в това лесно видео по физика.

Ентропия и вторият закон на термодинамиката

Степента на безпорядък, или хаос, в една система, се нарича ентропия. След като знаем, че всеки енергиен трансфер води до преобразуване на определено количество енергия в неизползваема форма (като топлина) и понеже топлината, която не се използва за работа, увеличава безпорядъка във Вселената, можем да формулираме свързана с биологията версия на втория закон на термодинамиката: всеки енергиен трансфер ще увеличи ентропията във Вселената и ще намали количеството използваема енергия, налично за извършване на работа (или, в най-екстремния случай, ще остави общата ентропия непроменена). С други думи, всеки процес, като една химична реакция или множество от свързани реакции, ще протече в посока, която увеличава общата ентропия във Вселената.
За да обобщим, първият закон на термодинамиката описва запазването на енергия между процесите, докато вторият закон на термодинамиката описва насочеността на процесите, тоест от по-ниска към по-висока ентропия (във Вселената като цяло).

Ентропия в биологични системи

Един извод от Втория закон на термодинамиката е, че за да протече един процес, той по някакъв начин трябва да повиши ентропията във Вселената. И ако помислиш за живите организми като теб, може би ще си зададеш някои въпроси. В крайна сметка не сме ли ние, хората, сравнително подредена колекция материя? Всяка клетка в нашето тяло има своя вътрешна организация; клетките са организирани в тъкани, а тъканите в органи; и цялото тяло поддържа сложна система за транспорт, обмен и търговия, които ни поддържат живи. По този начин, на пръв поглед може да не ти е ясно как ти, или дори една проста бактерия, може да представлявате повишаване на ентропията във Вселената.
За да поясним, нека разгледаме енергийните обмени, които протичат в тялото ти – да кажем, когато излизаш на разходка. Докато съкращаваш мускулите на краката си, за да преместиш тялото си напред, използваш химична енергия от сложни молекули като глюкоза и я преобразуваш в кинетична енергия (и ако вървиш по нанагорнище, потенциална енергия). Но извършваш това с доста ниска ефикасност: голяма част от енергията на енергийните ти източници просто се превръща в топлина. Част от топлината поддържа тялото ти топло, но голяма част от нея се разсейва в околната среда.
Този пренос на топлина увеличава ентропията на околната среда, както и факта, че приемаш големи, сложни молекули и ги преобразуваш в много малки, прости молекули, като въглероден диоксид и вода, докато метаболизираш гориво за разходката си. Този пример използва човек в движение, но същото ще е вярно и за човек, или който и да е друг организъм, в покой. Човекът или организмът ще поддържа някаква основна степен метаболитна активност, която води до разграждане на сложни молекули в по-малки и по-многобройни такива и освобождаване на топлина, следователно се увеличава ентропията на околната среда.
Казано по-общо, процеси, които локално намалят ентропията, като тези, които изграждат и поддържат силно организираните тела на живите организми, могат да протичат. Но тези локални намаления на ентропията могат да се случат само с разход на енергия, където част от тази енергия бива преобразувана в топлина или друга неизползваема форма. Нетният ефект на оригиналния процес (локално намаляване на ентропията) и енергийния трансфер (увеличаването на ентропията в околната среда) е цялостно увеличение на ентропията във Вселената.
За да обобщим всичко това, високото ниво на организация на живите организми се поддържа от постоянен приток на енергия и се компенсира от увеличение на ентропията на околната среда.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.