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

Ha webszűrőt használsz, győződj meg róla, hogy a *.kastatic.org és a *.kasandbox.org nincsenek blokkolva.

Fő tartalom

A termodinamika főtételei

A termodinamika első és második főtétele a biológiai rendszerekben.

Bevezetés

Te milyen rendszer vagy: nyílt vagy zárt? Az a helyzet, hogy ez nem filozófiai kérdés, hanem fizikai. Mint minden élőlény, te is nyílt rendszer vagy, ami azt jelenti, hogy anyagot és energiát is cserélsz a környezeteddel. Például kémiai energiát veszel fel táplálék formájában és munkát végzel a környezeteden mozgás, beszéd, járás és légzés formájában.
Minden energiacsere, amely végbemegy benned (például az anyagcseréd során zajló sok-sok reakció), valamint közted és a környezeted között, ugyanazon fizikai törvényekkel írható le, mint az energiacsere a hideg és meleg tárgyak, a gázmolekulák vagy bármi más között, amiről a fizikakönyvekben olvashatsz. Itt két fizikai törvényt – a termodinamika első és második főtételét – fogunk megvizsgálni, hogy lássuk, hogyan alkalmazhatók a hozzád hasonló biológiai rendszerekre.

Rendszerek és környezetük

A biológián belül a termodinamika az egyes molekulákban vagy a molekulák halmazában lejátszódó energiaforgalommal foglalkozik. A termodinamikában rendszernek nevezzük az általunk vizsgált elemet vagy az elemek halmazát (ami lehet olyan apró, mint egy sejt, de olyan nagy is, mint egy teljes ökoszisztéma), míg környezetnek nevezünk mindent, ami nem része az általunk meghatározott rendszernek.
Ha például egy fazék vizet melegítesz a tűzhelyen, a rendszert jelenthetné a tűzhely, a fazék és a víz, míg a környezethez tartozna minden egyéb: a konyha többi része, a ház, a szomszédság, az ország, a bolygó, a galaxis és az univerzum (világegyetem). A megfigyelő önkényesen döntheti el, hogy miként határozza meg a rendszert, így attól függően, hogy mit akarunk vizsgálni, a rendszer részeként tekinthetjük akár csupán a vizet, de akár az egész házat is. A rendszer és a környezet együtt alkotja az univerzumot.
Termodinamikai szempontból háromféle rendszer különböztethető meg: nyílt, zárt és elszigetelt.
  • A nyílt rendszer energiát és anyagot is képes cserélni a környezetével. A példánkban szereplő tűzhely nyílt rendszer lenne, mivel abból hő és vízgőz távozhat a levegőbe.
  • A zárt rendszer viszont csak energiát képes cserélni a környezetével, anyagot nem. Ha az előző példában említett fazékra egy nagyon szorosan záródó fedelet helyeznénk, az nagyjából zárt rendszerré válna.
  • Az elszigetelt rendszer sem anyagot, sem energiát nem képes cserélni a környezetével. Tökéletes elszigetelt rendszert nehéz találni, de egy fedéllel lezárt, szigetelt italhűtő fogalmilag hasonlít egy valódi elszigetelt rendszerhez. A benne lévő tárgyak képesek energiát cserélni egymással, ezért az italok lehűlnek és a jég kissé megolvad, de nagyon kevés energiát (hőt) cserélnek a külső környezettel.
A többi élőlényhez hasonlóan te is nyílt rendszer vagy. Akár gondolsz rá, akár nem, folyamatosan energiát és anyagot cserélsz a környező világgal. Tegyük fel, hogy megeszel egy répát, felteszel egy zsák szennyest az asztalra, vagy egyszerűen kifújod a levegőt, és szén-dioxidot bocsátasz ki a légkörbe. Mindegyik esetben energiát és anyagot cserélsz a környezeteddel.
Az élőlényekben végbemenő minden energiacserének a fizika törvényeit kell követnie. Ebben a tekintetben nem különböznek azoktól az energiaátviteli folyamatoktól, amelyek mondjuk egy elektromos áramkörben zajlanak. Vizsgáljuk meg alaposabban, hogy miként érvényesülnek a termodinamika törvényei (az energiaátadás fizikai szabályai) a hozzád hasonló élőlényekre.

A termodinamika első főtétele

A termodinamika első főtétele nagy léptékben gondolkodik: a világegyetem összenergiájára vonatkozóan tesz megállapítást, mégpedig azt, hogy ennek az összmennyisége nem változik. Másképpen fogalmazva, a termodinamika első főtétele kimondja, hogy energia nem keletkezhet és nem veszhet el, csupán átalakítható egyik formából a másikba, illetve egyik tárgy átadhatja a másiknak.
Módosított képek forrása: OpenStax Biology: Fagylalt (D. Sharon Pruitt); Bicikliző gyerekek (Michelle Riggen-Ransom); Levél (Cory Zanker).
Ez a törvény kissé elvontnak tűnhet, de néhány példát megfigyelve belátható, hogy az energia átadása és átalakulása folyamatosan zajlik körülöttünk. Például:
  • A villanykörték az elektromos energiát fényenergiává (sugárzási energiává) alakítják át.
  • Az egyik biliárdgolyó nekimegy a másiknak, eközben mozgási energiát ad át, és mozgásra készteti a második golyót.
  • A növények a napfény energiáját (sugárzási energiát) szerves molekulákban tárolt kémiai energiává alakítják át.
  • Te most éppen a legutóbbi étkezéssel felvett kémiai energiát alakítod át mozgási energiává, miközben jársz, lélegzel, és az ujjadat mozgatva le-fel görgetsz ezen az oldalon.
Fontos tudni, hogy ezen átvitelek egyike sem tökéletesen hatékony. A befektetett energia egy része mindegyik esetben hőenergiává alakul. Amikor a hőenergia átkerül az egyik tárgyról a másikra, akkor az ismertebb nevén hőnek nevezzük. Nyilvánvaló, hogy a világító izzók a fény mellett hőt is termelnek, de ugyanez igaz a mozgó biliárdgolyókra is (a súrlódás miatt), akárcsak a növényi és állati anyagcsere során zajló, alacsony hatékonyságú kémiai energiaátviteli folyamatokra. Hogy miért fontos ez a hőtermelés, azt mindjárt elárulja a termodinamika második törvénye.

A termodinamika második főtétele

Első hallásra a termodinamika első főtétele nagyon jól hangzik. Ha az energia soha nem keletkezhet és nem veszhet el, akkor ez azt jelenti, hogy az energia a végtelenségig újrahasznosítható, igaz?
Nos... igen is meg nem is. Az energia nem keletkezhet és nem veszhet el, de átalakulhat hasznosabb formákból kevésbé hasznos formákba. Az a helyzet, hogy a valóságban minden energiaátadás vagy -átalakítás során az energia egy bizonyos része olyan formába kerül, amely nem hasznosítható (munkavégzésre nem alkalmas). A legtöbb esetben ez a használhatatlan energia hő formájában jelenik meg.
Bár a hő megfelelő körülmények között valóban képes munkát végezni, soha nem alakítható át 100%-os hatékonysággal más (munkát végző) energiatípusokká. Tehát minden alkalommal, amikor energiaátadás történik, bizonyos mennyiségű hasznos energia átkerül a hasznos kategóriából a haszontalan kategóriába.

A hő növeli a világegyetem véletlenszerűségét

Ha a hő nem végez munkát, akkor mit is csinál pontosan? Az a hő, amely nem végez munkát, arra használódik fel, hogy növelje az univerzum véletlenszerűségét (rendezetlenségét). Ez elég nagy logikai ugrásnak tűnhet, ezért álljunk meg egy pillanatra, és vizsgáljuk meg, miről is van szó.
Egy olyan rendszer, amelyet két különböző hőmérsékletű tárgy alkot (mondjuk két azonos anyagú fémtömb), viszonylag rendezettnek mondható: a részecskék a sebességük szerint oszlanak meg. A hidegebb tárgy részecskéi lassan mozognak, a melegebb tárgy részecskéi pedig gyorsan. Ha a melegebb tárgyból hő áramlik át a hidegebb tárgyba (amint ez önként végbemegy), a melegebb tárgy részecskéi lelassulnak, a hidegebb tárgy részecskéi pedig felgyorsulnak, míg végül az összes részecske azonos átlagsebességgel mozog. Ekkor a gyors és lassú részecskék különálló csoportjai helyett egyetlen nagy csoportot látunk, amely nagyjából azonos sebességgel mozgó részecskékből áll – ez egy kevésbé rendezett helyzet, mint a kiindulási állapot.
A rendszer e rendezetlenebb állapot felé törekszik, egyszerűen azért, mert ez statisztikailag sokkal valószínűbb, mint a hőmérséklet szempontjából elkülönült eloszlás (azaz sokkal több lehetséges állapot felel meg a rendezetlen eloszlásnak). Erről a témáról további részleteket ismerhetsz meg a tananyaghoz tartozó videókban, vagy ebben az egyszerű fizikai témájú videóban.

A termodinamika második főtétele és az entrópia

Egy rendszer véletlenszerűségének vagy rendezetlenségének a mértékét nevezzük a rendszer entrópiájának. Mivel tudjuk, hogy minden energiaátadás során bizonyos mennyiségű energia hasznosíthatatlan formává (például hővé) alakul át, és mivel a munkát nem végző hő növeli az univerzum véletlenszerűségét, megállapíthatjuk a termodinamika második főtételének biológiai szempontból értelmezett változatát: minden energiaátadás növeli a világegyetem entrópiáját, és csökkenti a munkára fogható energia mennyiségét (illetve a legszélsőségesebb esetben változatlanul hagyja az összesített entrópiát). Más szóval, bármely folyamat – mint például egy kémiai reakció vagy egymással összefüggő reakciók sorozata – olyan irányban fog haladni, amely növeli az univerzum összesített entrópiáját.
Összefoglalva, a termodinamika első főtétele a folyamatok során érvényesülő energiamegmaradásról szól, míg a termodinamika második főtétele a folyamatok irányultságáról, amely az alacsonyabb entrópiától a magasabb entrópia felé mutat (a univerzum egészére vonatkoztatva).

Entrópia a biológiai rendszerekben

A termodinamika második főtételéből következően ahhoz, hogy egy folyamat végbemenjen, valamilyen módon növelnie kell az univerzum entrópiáját. Ez rögtön felvethet benned néhány kérdést, ha az olyan élő szervezetekre gondolsz, mint amilyen te magad is vagy. Végül is nem vagy te egy eléggé rendezett anyaghalmaz? A tested minden sejtjének megvan a maga belső szerveződése; a sejtek szövetekbe, a szövetek pedig szervekbe szerveződnek; egész tested a szállítás, a csere és a kereskedelem gondos rendszerét tartja fenn, amely életben tart téged. Így első pillantásra talán nem világos, hogy te vagy akár egy egyszerű baktérium hogyan járulhattok hozzá az univerzum entrópiájának növekedéséhez.
Ennek tisztázásához vizsgáljuk meg a testedben zajló energiacserét – mondjuk akkor, amikor sétálni mégy. Ahogy összehúzod a lábad izmait, hogy előre mozdítsd a tested, az összetett molekulákból, például a glükózból származó kémiai energiát használod fel és alakítod át mozgási energiává (ha pedig fel is mászol valahová, akkor potenciális energiává). Ezt azonban meglehetősen alacsony hatásfokkal teszed: az üzemanyagforrásaidból származó energia nagy része egyszerűen hővé alakul át. A hő egy része melegen tartja a testedet, de nagy része szétszóródik a környezetbe.
Ez a hőátadás növeli a környezet entrópiáját, csakúgy, mint az a tény, hogy nagy, összetett biomolekulákat veszel föl, és sok kicsi egyszerű molekulává alakítod át, például szén-dioxiddá és vízzé, ahogyan a járás energiájához szükséges üzemanyagot felhasználod. Ez a példa egy mozgó emberre vonatkozik, de ugyanez lenne igaz egy nyugalomban lévő emberre vagy bármely más szervezetre is. A személy vagy élőlény fenntart egy bizonyos alapszintű anyagcsere-aktivitást, ami az összetett molekulák több és kisebb molekulára történő lebomlásával és hőfelszabadulással jár, így növelve a környezet entrópiáját.
Általánosabban fogalmazva, az entrópiát helyileg csökkentő folyamatok, mint például az élőlények magas szinten szervezett testének felépítése és fenntartása, valóban végbemehetnek. Az entrópia ilyen helyi csökkenése azonban csak energiaráfordítás árán történhet, amikor is az energia egy része hővé vagy más, nem hasznosítható formává alakul át. A vizsgált folyamat (az entrópia helyi csökkenése) és az energiaátadás (a környezet entrópiájának növekedése) összesített hatásaként a univerzum teljes entrópiája nő.
Összefoglalva, az élőlények magas fokú szervezettségét állandó energiabevitel tartja fenn, és ezt ellensúlyozza a környezet entrópiájának növekedése.

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Még nincs hozzászólás.
Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.