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

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Թերմոդինամիկայի օրենքները

Թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքները, քանի որ դրանք վերաբերում են կենսաբանական համակարգերին:

Ներածություն

Ինչպիսի՞ համակարգ ես դու՝ բա՞ց, թե՞ փակ: Ինչպես պարզվեց, սա ֆիզիկայի հարց է, ոչ թե փիլիսոփայական: Դու ևս, ինչպես մյուս կենդանի օրգանիզմները, բաց համակարգ ես, ինչը նշանակում է, որ դու քո միջավայրի հետ փոխանակում ես և՛ նյութերը, և՛ էներգիան: Օրինակ՝ դու ստանում ես քիմիական էներգիան սննդի տեսքով և միջավայրում աշխատանք ես կատարում շարժվելով, խոսելով, քայլելով և շնչելով:
Քո ներսում և քո ու շրջապատող միջավայրի միջև կատարվող էներգիայի բոլոր փոխանակությունները (ինչպես, օրինակ՝ նյութափոխանակության ռեակցիաները) կարող են նկարագրվել ֆիզիկայի նույն օրենքներով, ինչ էներգիայի փոխանակումը տաք և սառը մոլեկուլների կամ գազի մոլեկուլների միջև կամ այն բոլորի, որոնց կարող ես հանդիպել ֆիզիկայի գրքում: Այստեղ մենք կուսումնասիրենք ֆիզիկայի երկու օրենք՝ թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքները, և կտեսնենք, թե ինչպես են դրանք առնչվում այնպիսի կենսաբանական համակարգերի հետ, ինչպիսին դու ես:

Համակարգեր և միջավայրեր

Կենսաբանության մեջ թերմոդինամիկան ասոցացվում է էներգիայի այն փոխանցման հետ, որը տեղի է ունենում մոլեկուլներում կամ մոլեկուլների խմբերում: Երբ մենք քննարկում ենք թերմոդինամիկան, հատուկ առարկան կամ առարկաների խմբերը, որոնցով մենք հետաքրքրված ենք (կարող է լինել բջջի նման փոքր բան կամ էկոհամակարգի նման խոշոր), կոչվում են համակարգ, մինչդեռ այն, ինչը ներառված չէ համակարգում, մենք անվանում ենք շրջապատող միջավայր:
Օրինակ, եթե դու ջրով լի ամանը տաքացնես վառարանի վրա, ապա համակարգը կընդգրկի վառարանը, ամանը և ջուրը, մինդեռ միջավայրը կլինի ցանկացած ուրիշ բան, խոհանոցի մնացած մասը, տունը, շրջակա տարածքը, երկիրը, մոլորակը, գալակտիկան և տիեզերքը: Համակարգի սահմանման որոշումը ցույց է տալիս, որ այն կամայական է (կախված հետազոտողից), և կախված է նրանից, թե դու ինչ էիր ուզում սովորել, դու կարող ես և՛ ջուրը, և՛ ամբողջական տունը հավասարապես դարձնել համակարգի մաս: Համակարգը և միջավայրը միասին կազմում են տիեզերքը:
Թերմոդինամիկայում կան երեք տեսակի համակարգեր՝ բաց, փակ և մեկուսացված կամ իզոլացված:
  • Բաց համակարգը կարող է փոխանակել և՛ էներգիան, և՛ նյութերը իր միջավայրի հետ: Վառարանի օրինակը բաց համակագի օրինակ է, քանի որ ջերմությունը և ջրային գոլորշին անցնում են օդ:
  • Փակ համակարգը, մյուս կողմից, կարող է իր միջավայրի հետ փոխանակել էներգիան, ոչ թե նյութերը: Եթե մենք նախորդ օրինակում շատ համապատասխանող կափարիչ դնենք ամանի վրա, ապա այն մոտավորապես փակ համակարգ կլինի:
  • Մեկուսացված համակարգն իր մրջավայրի հետ չի փոխանակում ո՛չ նյութեր, ո՛չ էներգիա։ Լավ մեկուսացված համակարգ դժվար է գտնել, բայց մեկուսացված հովացուցիչը նման է մեկուսացված համակարգի։ Ներսում գտնվող նյութերը կարող են էներգիա փոխանակել միմյանց հետ․ ահա թե ինչու է ըմպելիքը հով լինում, և սառույցը քիչ է հալվում, բայց շատ քիչ էներգիա (ջերմություն) են փոխանակում արտաքին մրջավայրի հետ։
Դու, ինչպես նաև մյուս օրգանիզմները, բաց համակարգ ես։ Անկախ նրանից՝ մտածել ես այդ մասին, թե ոչ, դու հաստատուն կերպով էներգիա և նյութեր ես փոխանակում քո միջավայրի հետ։ Օրինակ՝ պատկերացրու՝ դու գազար ես ուտում կամ լվացքի պայուսակն ես բարձրացնում ու դնում սեղանի վրա, կամ պարզորեն շնչում ես ու դեպի միջավայր արտաշնչում ածխաթթու գազ։ Ցանկացած դեպքում դու էներգիա և նյութեր ես փոխանակում քո միջավայրի հետ։
Էներգիայի փոխանակումները, որոնք տեղի են ունենում կենդանի օրգանիզմներում, ենթարկվում են ֆիզիկայի օրենքներին։ Այս առումով դրանք չեն տարբերվում էներգիայի փոխանցումներից, օրինակ, էլեկտրական շղթայում: Արի ավելի լավ ուսումնասիրենք թերմոդինամիկայի օրենքները (էներգիայի փոխանցման ֆիզիկական օրենքները) և տեսնենք, թե ինչպես են դրանք վերաբերում կենդանի օրգանիզմներին։

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը լայնորեն է մտածում․ այն վերաբերում է տիեզերքում գտնվող ամբողջ էներգիայի քանակին և հատկապես հաստատում է այն, որ այդ ամբողջ քանակը չի փոխվում։ Այլ խոսքերով՝ թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը սահմանում է, որ էներգիան չի կարող ստեղծվել և ոչնչանալ։ Այն կարող է միայն մի տեսակից փոխակերպվել մեկ այլ տեսակի։
Նկարը՝ ըստ OpenStax Biology-ի։ «Պաղպաղակ»․ նկարի ձևափոխության հեղինակ՝ Դ․ Շարոն Պրուիտ; «Երեխաները հեծանիվների վրա», նկարի ձևափոխության հեղինակ՝ Միշել Ռիգեն-Ռանսոմ; «Տերև», նկարի ձևափոխության հեղինակ՝ Քորի Զանքեր
Այս օրենքը վերացական է թվում, բայց եթե մենք սկսենք նայել օրինակներին, կտեսնենք, որ էներգիայի փոխադրումներն ու փոխարկումները մեր շուրջը տեղի են ունենում անընդհատ։ Օրինակ՝
  • Լուսային լամպերը էլեկտրական էներգիան փոխարինում են լուսային էներգիայով (ճառագայթանման էներգիա).
  • Բիլիարդի մի գնդակը խփում է մյուսին՝ կինետիկ էներգիան փոխանցելով և երկրորդ գնդակին ստիպելով շարժվել։
  • Բույսերը արևի լույսի էներգիան փոխակերպում են (ճառագայթման էներգիա) քիմիական էներգիայի, որը պաշարվում է օրգանական մոլեկուլներում։
  • Դու փոխակերպում ես քո վերջին կերած ճաշից ստացված քիմիական էներգիան, երբ քայլում ես, շնչում և շարժում ես քո մատը՝ այս էջը վերևից ներքև թերթելով:
Կարևորն այն է, որ այս փոխարկումներից ոչ մեկը ամբողջությամբ արդյունավետ չէ։ Փոխարենը յուրաքանչյուր դեպքում սկզբնական էներգիայի մի մասն անջատվում է որպես ջերմային էներգիա։ Մի մարմնից մյուսին փոխանցվող ջերմային էներգիան ավելի հայտնի է որպես ջերմություն։ Ակնհայտ է, որ վառված լուսային լամպերը, լույսից բացի, առաջացնում են նաև ջերմություն, բիլիարդի շարժվող գնդակները նույնպես դա անում են (շնորհիվ շփման), ինչպես և բույսերի ու կենդանիների նյութափախանակության ժամանակ ընթացող քիմիական էներգիայի ոչ արդյունավետ փոխադրումները: Որպեսզի տեսնես, թե ինչու է այս ջերմության առաջացումը կարևոր, ուշադրություն դարձրու թերմոդինակմիկայի երկրորդ օրենքին։

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը

Առաջին հայացքից թվում է, որ թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը շատ լավ նորություն է։ Եթե էներգիան երբեք չի ստեղծվում և չի ոչնչանում, ապա դա նշանակում է, որ էներգիան կարող է նորից ու նորից վերամշակվել, այնպե՞ս չէ։
Լավ․․․ այո և ոչ։ Էներգիան չի կարող ստեղծվել կամ ոչնչանալ, բայց այն կարող է ավելի օգտակար տեսակներից փոխարկվել պակաս օգտակար տեսակների։ Ինչպես պարզվում է, իրական աշխարհում էներգիայի փոխակերպման կամ փոխանցման ժամանակ էներգիայի որոշ քանակություն փոխակերպվում է ոչ օգտակար տեսակի (անհասանելի աշխատանքի համար)։ Շատ դեպքերում այս ոչ օգտակար էներգիան անջատվում է ջերմության տեսքով։
Չնայած ջերմությունը կարող է ծառայել աշխատանքի համար ճիշտ հանգամանքներում, այն երբեք չի կարող փոխվել էներգիայի լրիվ ուրիշ տեսակի (աշխատանք կատարող) 100% արդյունավետությամբ։ Այսպիսով՝ ամեն անգամ, երբ էներգիայի փոխարկում է կատարվում, օգտակար էներգիայի որոշ քանակություն օգտակար տեսակից անցում է կատարում դեպի ոչ օգտակար տեսակը։

Ջերմությունը մեծացնում է պատահականությունը տիեզերքում

Եթե ջերմությունն աշխատանք չի կատարում, ապա ի՞նչ է անում։ Ջերմությունը, որն աշխատանք չի կատարում, նպաստում է տիեզերքում քաոսի շատացմանը։ Դա կարող է մեծ տրամաբանական թռիչք թվալ, ուստի արի հետ նայենք ու տեսնենք, թե ինչպես կարող է դա տեղի ունենալ։
Երբ դու երկու առարկա ունես (ասենք՝ նույն մետաղից երկու խորանարդ) տարբեր ջերմաստիճաններում, քո համակարգը հարաբերականորեն կազմակերպված է, մոլեկուլները բաժանված են արագությամբ, ինչպես ավելի դանդաղ մարմնի դանդաղ շարժվողները, այնպես էլ ավելի տաք օբյեկտում արագ շարժվող մոլեկուլները։ Եթե ջերմությունը տաք օբյեկտից անցնում է ավելի սառը օբյեկտին (ինքնաբուխ ձևով), տաք օբյեկտի մոլեկուլները ավելի դանդաղ են շարժվում, իսկ սառը մարմնի մոլեկուլները սկսում են ավելի արագ շարժվել, մինչև բոլոր մոլեկուլները շարժվեն նույն միջին արագությամբ։ Հիմա, արագ ու դանդաղ շարժվող և բաժանված մոլեկուլների փոխարեն մենք պարզապես ունենք մոլեկուլների մի մեծ խումբ, որտեղ մոլեկուլները շարժվում են գրեթե նույն արագությամբ, որն ավելի քիչ կազմակերպված է, քան մեր սկզբնականը։
Համակարգը հակված է շարժվելու դեպի այս ավելի քաոսային կարգավորությունը, քանի որ, ըստ վիճակագրության, այն ավելի հնարավոր է, քան բաժանված ձևը (օրինակ՝ կան քաոսային ձևին համապատասխան ավելի շատ վիճակներ)։ Դու կարող ես հետագայում հետազոտել այս հասկացությունը ուսուցողական տեսանյութերում կամ հենց հիմա նայել ֆիզիկայի տեսանյութը։

Էնթրոպիա և թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը

Քաոսայնության կամ պատահականության աստիճանը համակարգում կոչվում է էնթրոպիա։ Մենք գիտենք, որ էներգիայի ցանկացած փոխարկման ժամանակ տեղի է ունենում որոշակի քանակությամբ էներգիայի փոխակերպում ոչ օգտակար ձևի (ինչպես, օրինակ՝ ջերմությունը), և քանի որ այն ջերմությունը, որն աշխատանք չի կատարում, մեծացնում է տիեզերքի քաոսայնությունը, ուստի կարող ենք սահմանել թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի՝ կենսաբանությանը վերաբերող սահմանումը․ էներգիայի յուրաքանչյուր փոխարկում, որը տեղի է ունենում, կմեծացնի տիեզերքի էնթրոպիան և կնվազեցնի օգտակար էներգիայի քանակը, որը կօգտագործվի աշխատանքի մեջ (կամ, շատ ծայրահեղ դեպքերում, ողջ էնթրոպիան մնում է անփոփոխ)։ Այլ կերպ ասած՝ յուրաքանչյուր գործընթաց, ինչպիսին է քիմիական ռեակցիան կամ կապակցված ռեակցիաները, տեղի կունենան այն ուղղությամբ, որը կմեծացնի տիեզերքի ողջ էնթրոպիան։
Ամփոփելով կարող ենք ասել, որ թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը պատմում է գործընթացների ընթացքում էներգիայի պահպանման մասին, մինչդեռ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը խոսում է գործընթացների՝ ցածր էնթրոպիայից բարձր էնթրոպիան ուղղվածության մասին (ողջ տիեզերքում):

Էնթրոպիան կենսաբանական համակարգերում

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի մի հետևանքն այն է, որ գործընթացի տեղի ունենալու համար տիեզերքի էնթրոպիան ինչ-որ ձևով պետք է մեծանա: Դա կարող է որոշ հարցեր առաջացնել քո մեջ, երբ դու մտածես այնպիսի կենդանի օրգանիզմների մասին, ինչպիսին դու ինքդ ես: Ի վերջո՝ մի՞թե դու նյութերի բավականին կանոնավոր համակցություն չես: Քո մարմնի յուրաքանչյուր բջիջ ունի իր սեփական ներքին կառուցվածքը․ բջիջները ստեղծում են հյուսվածքներ, հյուսվածքները միասին կազմում են օրգաններ, և քո ամբողջ մարմինը պարունակում է տեղափոխման, փոխանակության և շփման համակարգեր, որոնք քեզ ողջ են պահում: Այսպիսով՝ առաջին հայացքից կարող է պարզ չլինել, թե ինչպես դու կամ մի հասարակ բակտերիա կարող եք մեծացնել տիեզերքի էնթրոպիան:
Սա հասկանալու համար արի նայենք էներգիայի փոխանակությանը, որը տեղի է ունենում քո օրգանիզմում, օրինակ, երբ գնում ես զբոսնելու։ Երբ դու շարժում ես քո ծնկների մկանները, որպեսզի քո մարմինն առաջ շարժվի, կոմպլեքս մոլեկուլներից, ինչպիսին է գլյուկոզը, դու օգտագործում ես քիմիական էներգիա և փոխարինում ես այն կինետիկ էներգիայով (իսկ եթե դու դեպի վեր ես գնում՝ պոտենցիալ էներգիայով)։ Այնուամենայնիվ, դու դա անում ես փոքր արդյունավետությամբ, քո վառելիքային պաշարներից էներգիայի մեծ քանակ փոխարկվում է ջերմության։ Ջերմության որոշ քանակ քո մարմինը տաք է պահում, բայց դրա մեծ մասը շրջակա միջավայրում ցրվում է ջերմության տեսքով։
Ջերմության այս փոխարկումը մեծացնում է միջավայրի էնթրոպիան, ինչպես նաև այն, որ դու վերցնում ես կենսաբանական մոլեկուլների մեծ համակարգեր և փոխակերպում ես դրանք փոքր, պարզ մոլեկուլների, ինչպիսիք են ածխաթթու գազը և ջուրը, երբ նյութափոխանակության ես ենթարկում այդ վառելիքը՝ քայլելու համար։ Այս օրինակը բնութագրում է անձին շարժման մեջ, բայց նույնը ճիշտ է նաև անձի և այլ օրգանիզմների համար, որոնք հանգստի վիճակում են։ Անձը կամ օրգանիզմը կպահպանի նյութափոխանակային ակտիվության հիմնական մակարդակը՝ պատճառ դառնալով համալիր մոլեկուլների փոքր և ավելի մեծ քանակների ճեղքման համար, և կանջատվի ջերմություն՝ մեծացնելով միջավայրի էնթրոպիան։
Ավելի ընդհանուր սահմանմամբ՝ այն գործընթացները, որոնք նվազեցնում են էնթրոպիան, ինչպես նրանք, որ կառուցում և ձեռք են բերում լավ կազմակերպված կենդանի մարմիններ, անշուշտ, կարող են տեղի ունենալ։ Այնուամենայնիվ, էնթրոպիայի այս տեղական նվազումը կարող է տեղի ունենալ միայն էներգիայի մեծ ծախսի դեպքում, որտեղ էներգիայի որոշ մաս փոխարկվում է ջերմության կամ ոչ օգտակար տեսակների։ Յուրօրինակ գործընթացների ամբողջական ազդեցությունը (էնթրոպիայի տեղական նվազումը) և էներգիայի փոխանցումը (միջավայրի էնթրոպիայի մեծացումը) տիեզերքում ողջ էնթրոպիայի մեծացումն է։
Ամփոփելով կարող ենք ասել, որ կենդանի օրգանիզմների կազմակերպվածության բարձր աստիճանը ձեռք է բերվում էներգիայի հաստատուն մուտքի շնորհիվ և հավասարակշռվում է միջավայրի էնթրոպիայի մեծացման շնորհիվ։

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: