معلومة

محاضرة 06. الديناميكا الحرارية والحيوية - علم الأحياء

محاضرة 06. الديناميكا الحرارية والحيوية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

طاقة

الطاقة مفهوم مركزي في جميع العلوم. في الفصل ، ستحدث العديد من المناقشات في سياق قصة الطاقة ، لذلك عندما نفكر في رد فعل للتحول ، سنكون مهتمين بتعريف النظام المعني بدقة ومحاولة حساب جميع عمليات نقل الطاقة المختلفة التي تحدث داخل النظام ، مع التأكد من أننا نلتزم قانون حفظ الطاقة.

هناك الكثير من الأمثلة حيث نستخدم مفهوم الطاقة في حياتنا اليومية لوصف العمليات. يمكن لراكب الدراجة الهوائية الذهاب إلى الحرم الجامعي للدراسة. يمكن تفسير فعل نقل نفسها ودراجتها من النقطة أ إلى النقطة ب إلى حد ما من خلال فحص طاقة النقل التي تحدث. يمكننا أن ننظر إلى هذا المثال من خلال مجموعة متنوعة من العدسات ، ولكن ، كعلماء أحياء ، نريد على الأرجح فهم سلسلة الأحداث التي تشرح كيفية نقل الطاقة من جزيئات الطعام ، إلى النشاط المنسق للجزيئات الحيوية في عضلة ثني الدراج. ، وأخيرًا ، إلى حركة الدراجة من النقطة أ إلى النقطة ب. للقيام بذلك ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على التحدث عن طرق مختلفة يمكن من خلالها نقل الطاقة بين أجزاء النظام وأين يتم تخزينها أو نقلها إلى الخارج النظام. في القسم التالي ، سنرى أيضًا الحاجة إلى النظر في كيفية توزيع هذه الطاقة بين العديد من الدول المجهرية (الحالات الجزيئية) للنظام ومحيطه.

كيف سنتعامل مع تصور الطاقة

في BIS2A سنفكر في الطاقة باستعارة "مادة". لاحظ ، مع ذلك ، أن هذه الطاقة ليس مادة ، بل هو بالأحرى خاصية من النظام. لكننا سنفكر في الأمر ، بمعنى ما ، على أنه خاصية يمكن تخزينها في جزء من نظام مادي ونقلها أو "نقلها" من مكان تخزين إلى آخر. الفكرة هي تعزيز فكرة أن الطاقة تحافظ على هويتها عند نقلها - فهي لا تغير الأشكال في حد ذاتها. وهذا بدوره يشجعنا أيضًا على التأكد من أن الطاقة دائمًا لها موطن وأننا نحسب كل الطاقة في النظام قبل وبعد التحول ؛ إنها لا "تصنع" أو "تضيع" فقط (كلا الفكرتين تتعارض مع قانون الحفاظ على الطاقة). عندما يتم نقل الطاقة ، يجب أن نحدد من أين تأتي وأين تتجه - كل ذلك! مرة أخرى ، لا يمكننا أن نضيع بعض الشيء. عندما يتم نقل الطاقة ، يجب أن تكون هناك آلية ما مرتبطة بهذا النقل. دعونا نفكر في ذلك لمساعدتنا في شرح بعض الظواهر التي نهتم بها. هذه الآلية هي جزء من "الكيفية" التي نهتم بفهمها غالبًا. أخيرًا ، إذا تحدثنا عن النقل ، يجب أن ندرك أن كلا المكونين ، جزء النظام الفيزيائي الذي تخلى عن الطاقة وجزء النظام الذي استقبل هذه الطاقة ، قد تغيرتا من حالتهما الأولية. يجب أن نتأكد من أننا نبحث في جميع مكونات النظام من أجل التغييرات في الطاقة عند دراسة التحول.

مصادر الطاقة

في النهاية ، مصدر الطاقة للعديد من العمليات التي تحدث على سطح الأرض يأتي من الإشعاع الشمسي. ولكن كما سنرى ، كانت البيولوجيا ذكية جدًا في الاستفادة من مجموعة متنوعة من أشكال الطاقة لبناء الكائنات الحية والحفاظ عليها. بينما نتحرك في هذه الدورة ، سوف نستكشف مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة والطرق التي ابتكرت بها البيولوجيا لنقل الطاقة من هذه الأنواع من الوقود.

المادة والطاقة في علم الأحياء

المادة و الطاقة

مفاهيم المادة والطاقة ضرورية لجميع التخصصات العلمية. ومع ذلك ، على الرغم من أن هذه المفاهيم موجودة في كل مكان وأساسية ، إلا أنها غالبًا ما تكون من بين أكثر المفاهيم إرباكًا للطلاب. خذ مفهوم الطاقة. يستخدم المصطلح في مجموعة متنوعة من السياقات في الحياة اليومية - "هل يمكننا تحريك الأريكة غدًا؟ ليس لدي الطاقة ". "اهلا يا دودى! أطفئ الضوء. نحن بحاجة إلى الحفاظ على الطاقة ". "هذا مشروب طاقة رائع." في العديد من فصول العلوم ، يتم إخبار الطلاب أن الطاقة تأتي في أشكال مختلفة (مثل الحركية ، والحرارية ، والكهربائية ، والجهد ، وما إلى ذلك) ، مما يجعل من الصعب فهم ماهية "هي" الطاقة بالضبط. في الفصل ، يرتبط مفهوم الطاقة أيضًا بعدد لا يحصى من المعادلات المختلفة ، لكل منها متغيرات مختلفة ، ولكن يبدو أن جميعها بطريقة ما تحتوي على وحدات عمل. يتمسك! عمل؟ ظننت أننا نتحدث عن الطاقة ؟! نظرًا لجميع السياقات المختلفة وأحيانًا المعالجات والتعريفات التي تبدو متناقضة ، فليس من الصعب فهم سبب ظهور هذه الموضوعات تحديًا للعديد من الطلاب وفي بعض الحالات ينتهي بهم الأمر بإيقافهم عن المجالات التي تستخدم هذه الأفكار بكثافة. في حين أن مفاهيم المادة والطاقة غالبًا ما ترتبط بالكيمياء والفيزياء ، إلا أنها مع ذلك أفكار مركزية في علم الأحياء ولا نخجل من ذلك في BIS2A. ومع ذلك ، فإن أهدافنا التعليمية هي مساعدة الطلاب على تطوير إطار عمل مفاهيمي من شأنه مساعدتهم على استخدام مفاهيم المادة والطاقة من أجل:

  • وصف التفاعلات والتحولات البيولوجية بنجاح ؛
  • إنشاء نماذج وفرضيات لـ "كيفية عمل الأشياء" في علم الأحياء تتضمن صراحة المادة والطاقة و ؛
  • أن تكون صحيحة علميًا وقابلة للتحويل إلى مشاكل جديدة وتخصصات أخرى.

في حين أنه قد يكون هناك زوجان من المعادلات المتعلقة بالطاقة للتعلم والاستخدام في BIS2A ، فإن التركيز الرئيسي للدورة سيكون على التطوير القوي لمفاهيم الطاقة والمادة واستخدامها في تفسير الظواهر البيولوجية.

الدافع للتعلم عن المادة والطاقة

تجعل المناقشات حول المادة والطاقة الكثير من طلاب BIS2A ، ولكن ليس جميعهم ، قلقين بعض الشيء. بعد كل شيء ، أليست هذه الموضوعات تنتمي إلى الكيمياء أو الفيزياء؟ ومع ذلك ، فإن تحولات المادة ونقل الطاقة ليست ظواهر مخصصة للكيميائيين والفيزيائيين أو حتى العلماء والمهندسين بشكل عام. يعد فهم وتصور وإجراء بعض المحاسبة الأساسية لتحولات المادة ونقل الطاقة مهارات أساسية بغض النظر عن المهنة أو التدريب الأكاديمي. قد يحتاج العالم إلى أوصاف أكثر دقة ومنهجية لهذه التحولات من الفنان ولكن كلاهما يستخدم هذه المهارات في نقاط مختلفة من حياتهم الشخصية أو المهنية. خذ الأمثلة التالية:

مثال 1: المادة وتحول الطاقة في ظاهرة الاحتباس الحراري

دعونا نفكر للحظة في موضوع يؤثر علينا جميعًا ، الاحتباس الحراري. يكمن في جوهره نموذجًا بسيطًا نسبيًا يعتمد على فهمنا للطاقة في الإشعاع الشمسي ، ونقل هذه الطاقة مع المادة الموجودة على الأرض ، ودور ودوران الغازات الرئيسية المحتوية على الكربون في الغلاف الجوي للأرض. بعبارات بسيطة ، تضرب الطاقة الشمسية الأرض وتنقل الطاقة إلى سطحها ، وتسخنها. يتم نقل بعض هذه الطاقة مرة أخرى إلى الفضاء. ومع ذلك ، اعتمادًا على تركيز ثاني أكسيد الكربون (وما يسمى بغازات الاحتباس الحراري الأخرى) قد تصبح كميات مختلفة من هذه الطاقة "محاصرة" في الغلاف الجوي للأرض. يتم حجز كمية قليلة جدًا من ثاني أكسيد الكربون وقليل نسبيًا من الطاقة / الحرارة - تتجمد الأرض وتصبح غير صالحة للحياة. يتم احتجاز الكثير من ثاني أكسيد الكربون والكثير من الحرارة - ترتفع درجة حرارة الأرض وتصبح غير صالحة للحياة. لذلك ، من المنطقي أن الآليات (البيولوجية أو غيرها) التي تؤثر على مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قد تكون مهمة للنظر فيها في قصة الاحترار العالمي وأن تطوير فهم جيد لظاهرة الاحتباس الحراري يتطلب من المرء تتبع تدفق الكربون والأكسجين (المادة) من خلال أشكالهما المختلفة والآليات التي يتم من خلالها نقل الطاقة من وإلى المكونات المختلفة للنظام.

المثال 2: تقلص العضلات

دعونا الآن نفكر في مثال شخصي أكثر ، ثني الذراع بدءًا من الوضع الممتد وانتهاءً بوضعية الانثناء. مثل معظم العمليات ، يمكن وصف هذه العملية وفهمها على مستويات مختلفة من التفاصيل: من وجهة النظر التشريحية حيث يتكون النظام من العضلات والجلد والعظام إلى الجزيئي حيث يتكون النظام من جزيئات حيوية فردية متفاعلة. في أي مستوى من التفاصيل ، إذا أردنا إنشاء قصة تصف هذه العملية ، فإننا نعلم أن: (أ) يجب أن يتضمن الوصف حسابًا لما حدث للمسألة في النظام (وهذا يشمل التغيير في موضع الجزيئات التي تتكون منها الأجزاء المختلفة من الذراع والوقود "المحترق" لتحريكه) و (ب) أن بعض الوقود قد تم حرقه لبدء الحركة ، وبالتالي ، فإن أي وصف للعملية يجب أن يتضمن أيضًا تغييرًا محاسبيًا في طاقة النظام . بعبارات أبسط ، هذا في الحقيقة مجرد قول أنه إذا كنت تريد وصف عملية حدث فيها شيء ما ، فأنت بحاجة إلى وصف ما حدث لـ "الأشياء" في النظام وما حدث للطاقة في النظام لجعل العملية تحدث .

لا يمكننا تغطية جميع أمثلة المادة ونقل الطاقة في BIS2A. لكننا سوف نستكشف هذه القضايا كثيرًا ونتدرب على وصف التحولات التي تحدث في الطبيعة مع الاهتمام المنظم والصريح بما يحدث للمادة والطاقة في النظام أثناء تغيره. سنقوم بهذا التمرين عبر مستويات هيكلية مختلفة في علم الأحياء ، من المستوى الجزيئي (مثل تفاعل كيميائي واحد) إلى نماذج أكثر نطاقًا وملخصة مثل دورة المغذيات في البيئة. سنمارس هذه المهارة باستخدام أداة تربوية نسميها "قصة الطاقة". كن مستعدا للمشاركة!

الطاقة في التفاعلات الكيميائية

تتضمن التفاعلات الكيميائية إعادة توزيع الطاقة داخل المواد الكيميائية المتفاعلة ومع بيئتها. لذا ، سواء أعجبك ذلك أم لا ، نحتاج إلى تطوير بعض النماذج التي يمكن أن تساعدنا في وصف مكان الطاقة في النظام (ربما كيف يتم "تخزينها" / توزيعها) وكيف يمكن تحريكها في رد فعل. لن يتم تفصيل النماذج التي نطورها بشكل مفرط بمعنى أنها سترضي كيميائيًا أو فيزيائيًا متشددًا بمستوى التفاصيل الفنية ، لكننا نتوقع أنها يجب أن تظل صحيحة تقنيًا وألا تشكل نماذج عقلية غير صحيحة تجعلها يصعب فهم "التصفيات" لاحقًا.

في هذا الصدد ، فإن أحد المفاهيم الأساسية التي يجب فهمها هو أننا سنفكر في نقل الطاقة بين أجزاء النظام. سنحاول ألا نفكر في الأمر على أنه تحول. من المهم التمييز بين "النقل" و "التحويل". هذا الأخير يعطي الانطباع بأن الطاقة هي خاصية موجودة في أشكال مختلفة ، وأنه يتم إعادة تشكيلها بطريقة ما. تتمثل إحدى مشكلات لغة "التحويل" في أنه من الصعب التوفيق بين فكرة الحفاظ على الطاقة (وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية) إذا كان شكلها يتغير باستمرار. كيف يمكن الحفاظ على الكيان إذا لم يعد هو الشيء نفسه؟ علاوة على ذلك ، يخبرنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية أنه لا يوجد تحول يحفظ كل الطاقة في النظام. إذا كانت الطاقة تتحوّل ، فكيف يمكن الحفاظ عليها؟

لذا ، بدلاً من ذلك ، سوف نتعامل مع هذه المشكلة عن طريق نقل الطاقة وتخزينها بين أجزاء مختلفة من النظام ، وبالتالي التفكير في الطاقة على أنها خاصية يمكن إعادة توزيعها. نأمل أن يجعل ذلك حساب الطاقة أسهل.

حذر:

إذا كنا سنفكر في نقل الطاقة من جزء من نظام إلى آخر ، فنحن أيضًا بحاجة إلى توخي الحذر ليس التعامل مع الطاقة كمادة تتحرك مثل سائل أو "شيء". بدلاً من ذلك ، نحن بحاجة إلى تقدير الطاقة ببساطة باعتبارها خاصية لنظام يمكن قياسها وإعادة تنظيمها ، ولكن هذا ليس "شيئًا" ولا شيء موجود في وقت ما في شكل ثم في وقت لاحق في شكل آخر.

نظرًا لأننا غالبًا ما نتعامل مع تحولات الجزيئات الحيوية ، يمكننا أن نبدأ بالتفكير في أين يمكن العثور على الطاقة / تخزينها في هذه الأنظمة. سنبدأ ببعض الأفكار ونضيف المزيد إليها لاحقًا.

دعونا نقترح أن مكانًا واحدًا يمكن تخزين الطاقة فيه هو حركة المادة. للإيجاز ، سنعطي الطاقة المخزنة في الحركة اسمًا: الطاقة الحركية. تكون الجزيئات في علم الأحياء في حالة حركة ثابتة ، وبالتالي لها قدر معين من الطاقة الحركية (الطاقة المخزنة في الحركة) المرتبطة بها.

دعنا نقترح أيضًا أن هناك قدرًا معينًا من الطاقة المخزنة في الجزيئات الحيوية نفسها وأن كمية الطاقة المخزنة في تلك الجزيئات مرتبطة بأنواع وأعداد الذرات في الجزيئات وتنظيمها (عدد وأنواع الروابط بين معهم). إن مناقشة المكان المحدد لتخزين الطاقة في الجزيئات هو خارج نطاق هذه الفئة ، ولكن يمكننا تقريبها من خلال اقتراح وجود وكيل جيد في الروابط. قد ترتبط أنواع مختلفة من الروابط بتخزين كميات مختلفة من الطاقة. في بعض السياقات ، يمكن تسمية هذا النوع من تخزين الطاقة الطاقة الكامنة أو الطاقة الكيميائية. من خلال هذا الرأي ، فإن أحد الأشياء التي تحدث أثناء تكوين وكسر الروابط في تفاعل كيميائي هو أن الطاقة تنتقل حول النظام إلى أنواع مختلفة من الروابط. في سياق قصة الطاقة (موضوع في وحدة أخرى) ، يمكن نظريًا حساب كمية الطاقة المخزنة في الروابط وحركة المواد المتفاعلة والطاقة المخزنة في الروابط وطاقة المنتجات.

في بعض الحالات ، قد تجد أنه عند إضافة الطاقة المخزنة في المنتجات والطاقة المخزنة في المواد المتفاعلة ، فإن هذه المبالغ غير متساوية. إذا كانت الطاقة في المواد المتفاعلة أكبر من تلك الموجودة في المنتجات ، فأين ذهبت هذه الطاقة؟ كان لا بد من نقلها إلى شيء آخر. من المؤكد أن البعض قد انتقل إلى أجزاء أخرى من النظام ، مخزّنًا في حركة جزيئات أخرى (مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البيئة) أو ربما في الطاقة المرتبطة بفوتونات الضوء. أحد الأمثلة الجيدة الواقعية هو التفاعل الكيميائي بين الخشب والأكسجين (المواد المتفاعلة) وتحويله إلى ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات). في البداية ، تكون الطاقة في النظام إلى حد كبير في الروابط الجزيئية للأكسجين والخشب (المواد المتفاعلة). لا تزال هناك طاقة متبقية في ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات) ولكن أقل مما كانت عليه في البداية. نقدر جميعًا أن جزءًا من تلك الطاقة قد تم تحويله إلى طاقة في الضوء والحرارة. يسمى هذا التفاعل حيث يتم نقل الطاقة إلى البيئة طارد للحرارة. على النقيض من ذلك ، في بعض التفاعلات ، ستنتقل الطاقة من البيئة. ردود الفعل هذه ماص للحرارة.

إن نقل الطاقة داخل أو خارج التفاعل من البيئة ليس الشيء الوحيد الذي يحدد ما إذا كان التفاعل سيكون تلقائيًا أم لا. سنناقش ذلك قريبًا. في الوقت الحالي ، من المهم أن تشعر بالراحة مع فكرة أنه يمكن نقل الطاقة بين مكونات مختلفة للنظام أثناء التفاعل وأنك يجب أن تكون قادرًا على تصور تتبعها.

طاقة حرة

إذا أردنا وصف التحولات ، فمن المفيد أن يكون لدينا مقياس لـ (أ) كمية الطاقة الموجودة في النظام ، (ب) تشتت تلك الطاقة داخل النظام ، وبالطبع ، (ج) كيف تتغير هذه الطاقة بين بداية ونهاية العملية. مفهوم طاقة حرة، غالبًا ما يشار إليها باسم طاقة جيبس ​​الحرة أو المحتوى الحراري الحر (يُختصر بالحرف G) ، بمعنى ما ، يفعل ذلك بالضبط. يمكن تعريف طاقة جيبس ​​الحرة بعدة طرق قابلة للتحويل ، ولكن أحد الطرق المفيدة في سياق علم الأحياء هو المحتوى الحراري (الطاقة الداخلية) لنظام مطروحًا منه إنتروبيا النظام المقاسة حسب درجة الحرارة. غالبًا ما يتم الإبلاغ عن الاختلاف في الطاقة الحرة عند حدوث عملية ما من حيث التغيير (Δ) في المحتوى الحراري (الطاقة الداخلية) الذي يشير إلى H ، مطروحًا منه التغير في درجة الحرارة (Δ) في الإنتروبيا ، والمشار إليه S. انظر المعادلة أدناه.

ΔG = ΔH − TΔS

غالبًا ما يتم تفسير طاقة جيبس ​​على أنها كمية الطاقة المتاحة للقيام بعمل مفيد. مع القليل من التلويح باليد ، يمكننا تفسير ذلك من خلال استدعاء الفكرة المقدمة في القسم الخاص بالانتروبيا ، والتي تنص على تشتت الطاقة (المطلوب بموجب القانون الثاني) المرتبط بالتغيير الإيجابي في الانتروبيا بطريقة ما تجعل بعضًا من الطاقة الموجودة. نقل أقل فائدة للقيام بالعمل. يمكن للمرء أن يقول أن هذا ينعكس جزئيًا في مصطلح T∆S لمعادلة جيبس.

لتوفير أساس لمقارنات عادلة للتغيرات في طاقة جيبس ​​الحرة بين التحولات أو التفاعلات البيولوجية المختلفة ، يتم قياس تغير الطاقة الحرة للتفاعل تحت مجموعة من الظروف التجريبية القياسية المشتركة. يتم التعبير عن تغير الطاقة الحرة القياسي الناتج عن تفاعل كيميائي كمقدار من الطاقة لكل مول من منتج التفاعل (إما بالكيلو جول أو كيلو كالوري ، كيلو جول / مول أو كيلو كالوري / مول ؛ 1 كيلو جول = 0.239 كيلو كالوري) ، عند القياس بمعيار ظروف الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والضغط. يتم توحيد الأس الهيدروجيني القياسي ودرجة الحرارة وظروف الضغط بشكل عام عند درجة الحموضة 7.0 و 25 درجة مئوية و 100 كيلو باسكال (1 ضغط جوي) ، على التوالي. من المهم ملاحظة أن الظروف الخلوية تختلف اختلافًا كبيرًا عن هذه الشروط القياسية ، وبالتالي فإن G الفعلي داخل الخلية سيختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك المحسوبة في ظل الظروف القياسية.

تفاعلات Endergonic و Exergonic

بالنسبة للتفاعلات مع ∆G <0 ، يكون لنواتج التفاعل طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة. نظرًا لأن ∆G هو الفرق بين تغيرات المحتوى الحراري والنتروبيا في التفاعل ، يمكن أن يظهر صافي G سلبيًا بطرق مختلفة. تُظهر اللوحة اليسرى من الشكل 1 أدناه تمثيلًا رسوميًا شائعًا لتفاعل طاقة خارجية. يتم رسم الطاقة الحرة على المحور الصادي ، ويظهر المحور السيني بوحدات عشوائية تقدم التفاعل. يسمى هذا النوع من الرسم البياني مخطط إحداثيات التفاعل. في حالة حدوث تفاعل مفرط الطاقة ، يشير الشكل إلى شيئين أساسيين: (1) الفرق بين الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة والمنتجات سلبي و (2) يتطلب تقدم التفاعل بعض المدخلات من الطاقة الحرة (كما هو موضح تلة الطاقة). لا يخبرنا هذا الرسم البياني كيف أعيد توزيع الطاقة في النظام ، فقط أن الفرق بين المحتوى الحراري والإنتروبيا سالب. تسمى التفاعلات التي تحتوي على ∆G سالب ردود فعل مفرطة. يقال إن ردود الفعل هذه تحدث بشكل عفوي. إن فهم التفاعلات الكيميائية العفوية مفيد للغاية لعلماء الأحياء الذين يحاولون فهم ما إذا كان التفاعل من المحتمل أن "يستمر" أم لا.

من المهم أن نلاحظ أن مصطلح "عفوية" - في سياق الديناميكا الحرارية - لا يعني أي شيء عن مدى سرعة تقدم التفاعل. يصف التغيير في الطاقة الحرة فقط الفرق بين حالة البداية والنهاية ، وليس مدى سرعة حدوث ذلك الانتقال. هذا يتعارض إلى حد ما مع الاستخدام اليومي للمصطلح ، والذي عادة ما يحمل الفهم الضمني أن شيئًا ما يحدث بسرعة. كمثال ، أكسدة / صدأ الحديد هو تفاعل تلقائي. ومع ذلك ، فإن الظفر الحديدي المعرض للهواء لا يصدأ على الفور - فقد يستغرق سنوات.

يعني التفاعل الكيميائي مع موجب ∆G أن منتجات التفاعل لديها طاقة حرة أعلى من المواد المتفاعلة (انظر اللوحة اليمنى من الشكل 1). تسمى هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات إندرجونيك، وهم ليسوا عفويين. لن يحدث التفاعل المرن من تلقاء نفسه دون نقل الطاقة إلى التفاعل أو زيادة الانتروبيا في مكان آخر.

شكل 1. تؤدي التفاعلات الطارئة والحيوية إلى تغييرات في طاقة جيبس ​​الحرة. في تفاعل طارد للطاقة ، تكون الطاقة الحرة للمنتجات أقل من تلك الخاصة بالمواد المتفاعلة ؛ في غضون ذلك ، في تفاعل مائي ، تكون الطاقة الحرة للمنتجات أعلى من تلك الموجودة في المواد المتفاعلة. الإسناد: مارك ت.فاكيوتي (عمل خاص)

بناء الجزيئات المعقدة ، مثل السكريات ، من أبسط هو عملية الابتنائية و endergonic. من ناحية أخرى ، فإن عملية التقويض ، مثل تكسير السكر إلى جزيئات أبسط ، تكون بشكل عام مفرطة الطاقة. مثل مثال الصدأ أعلاه ، في حين أن تحلل الجزيئات الحيوية يكون تلقائيًا بشكل عام ، فإن هذه التفاعلات لا تحدث بالضرورة على الفور (بسرعة). تذكر أن المصطلحين endergonic و exergonic يشير فقط إلى الفرق في الطاقة الحرة بين المنتجات والمواد المتفاعلة ؛ لا يخبرونك عن معدل التفاعل (مدى سرعة حدوثه). سيتم مناقشة مسألة المعدل في أقسام لاحقة.

مفهوم مهم في دراسة التمثيل الغذائي والطاقة هو مفهوم التوازن الكيميائي. معظم التفاعلات الكيميائية قابلة للعكس. يمكنهم المضي قدمًا في كلا الاتجاهين ، وغالبًا ما ينقلون الطاقة إلى بيئتهم في اتجاه واحد وينقلون الطاقة من البيئة في الاتجاه الآخر. وينطبق الشيء نفسه على التفاعلات الكيميائية التي تدخل في عملية التمثيل الغذائي للخلية ، مثل تكسير البروتينات وتكوينها من وإلى الأحماض الأمينية الفردية ، على التوالي. ستخضع المفاعلات داخل نظام مغلق لتفاعلات كيميائية في كلا الاتجاهين حتى يتم الوصول إلى حالة التوازن. حالة التوازن هذه هي واحدة من أقل حالات الطاقة الحرة الممكنة وهي حالة من الانتروبيا القصوى. حالة توازن في تفاعل كيميائي هي الحالة التي يوجد فيها كل من المواد المتفاعلة والمنتجات بتركيزات ليس لها ميل آخر للتغيير مع مرور الوقت. عادة ، تنتج هذه الحالة عندما يستمر التفاعل الأمامي بنفس معدل التفاعل العكسي. لاحظ هذا البيان الأخير! يعني التوازن أن التركيزات النسبية للمواد المتفاعلة والمنتجات لا تتغير بمرور الوقت ، ولكن هذا لا يعني أنه لا يوجد تحويل بين الركائز والمنتجات - إنه يعني فقط أنه عندما يتم تحويل المادة (المواد) المتفاعلة إلى منتج (منتجات) ذلك المنتج (ق) يتم تحويلها إلى مادة (مواد) متفاعلة بمعدل متساو (انظر الشكل 2).

إما إعادة توازن الركيزة أو تركيزات المنتج (عن طريق إضافة أو إزالة الركيزة أو المنتج) أو التغيير الإيجابي في الطاقة الحرة ، عادةً عن طريق نقل الطاقة من خارج التفاعل ، مطلوب لتحريك التفاعل خارج حالة التوازن. في الخلية الحية ، لا تصل معظم التفاعلات الكيميائية إلى حالة توازن - وهذا يتطلب وصولها إلى أدنى حالة طاقة حرة لها. لذلك ، فإن الطاقة مطلوبة لإبقاء التفاعلات البيولوجية خارج حالة التوازن. بهذه الطريقة ، تكون الكائنات الحية في معركة شاقة دائمة تحتاج إلى الطاقة ضد التوازن والانتروبيا.

الشكل 2. عند التوازن ، لا تفكر في نظام ثابت غير متغير. بدلاً من ذلك ، صور الجزيئات تتحرك بكميات متساوية من منطقة إلى أخرى. هنا ، عند التوازن ، لا تزال الجزيئات تتحرك من اليسار إلى اليمين ومن اليمين إلى اليسار. ومع ذلك ، فإن الحركة الصافية متساوية. سيظل هناك حوالي 15 جزيءًا في كل جانب من هذه القارورة بمجرد الوصول إلى التوازن. المصدر: https://courses.candelalearning.com/...apter/entropy/

الديناميكا الحرارية

تهتم الديناميكا الحرارية بوصف التغييرات في الأنظمة قبل التغيير وبعده. يتضمن هذا عادةً مناقشة حول عمليات نقل الطاقة وتشتتها داخل النظام. في جميع الحالات العملية تقريبًا ، تتطلب هذه التحليلات وصف النظام ومحيطه بالكامل. على سبيل المثال ، عند مناقشة تسخين قدر من الماء على الموقد ، قد يشتمل النظام على الموقد والوعاء والمياه والبيئة أو البيئة المحيطة قد تشمل كل شيء آخر. الكائنات البيولوجية هي ما يسمى الأنظمة المفتوحة ؛ تنتقل الطاقة بينهم وبين محيطهم.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. تنص على أن هذا المقدار الإجمالي للطاقة ثابت. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون.

وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. يتم نقل الطاقة من حولنا طوال الوقت. تنقل المصابيح الطاقة من محطات الطاقة الكهربائية إلى حرارة وفوتونات ضوئية. تنقل مواقد الغاز الطاقة المخزنة في روابط المركبات الكيميائية إلى حرارة وضوء. (الحرارة ، بالمناسبة ، هي كمية الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر بسبب اختلاف درجة الحرارة.)

تقوم النباتات بأحد أكثر عمليات نقل الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: فهي تنقل الطاقة في فوتونات ضوء الشمس إلى الروابط الكيميائية للجزيئات العضوية. في كل حالة من هذه الحالات ، لا تُصنع الطاقة ولا يتم تدميرها ، وعلينا أن نحاول حسابها الكل من الطاقة عندما نفحص بعض هذه التفاعلات.

القانون الأول وقصة الطاقة

القانون الأول للديناميكا الحرارية بسيط بشكل مخادع. غالبًا ما يفهم الطلاب أنه لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها. ومع ذلك ، عند وصف قصة طاقة لعملية ما ، غالبًا ما يرتكبون خطأ قول أشياء مثل "يتم إنتاج الطاقة من انتقال الإلكترونات من الذرة A إلى الذرة B." بينما يفهم معظمنا النقطة التي يحاول الطالب توضيحها ، يتم استخدام الكلمات الخاطئة. الطاقة لا تصنع ولا تنتج ؛ يتم نقله ببساطة. لكي تتوافق مع القانون الأول ، عند سرد قصة طاقة ، تأكد من محاولة تتبع جميع الأماكن التي تمر فيها كل الطاقة في النظام في بداية العملية بنهاية العملية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية هو مفهوم غير قادر علي. يرتبط الانتروبيا بالطرق التي يمكن بها توزيع الطاقة أو تشتيتها داخل جسيمات النظام. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الانتروبيا تتزايد دائمًا في النظام و محيطه (أي كل شيء خارج النظام).

تساعد هذه الفكرة في تفسير اتجاه الظواهر الطبيعية. بشكل عام ، الفكرة هي أن الاتجاه يأتي من ميل الطاقة في نظام ما للتحرك نحو حالة التشتت الأقصى. لذلك ، يشير القانون الثاني إلى أنه في أي تحول ، يجب أن نبحث عن زيادة شاملة في الانتروبيا (أو تشتت الطاقة) ، في مكان ما. مع زيادة تشتت الطاقة في نظام أو محيطه ، تقل قدرة الطاقة المراد توجيهها نحو العمل.

ضع في اعتبارك: ستجد العديد من الأمثلة التي تتناقص فيها إنتروبيا النظام محليا. ومع ذلك ، وفقًا للقانون الثاني ، يمكن أن تكون إنتروبيا الكون بأسره أبدا ينقص. يجب أن يعني هذا أن هناك زيادة مساوية أو أكبر في الانتروبيا في مكان آخر في البيئة المحيطة (على الأرجح في نظام وثيق الصلة) تعوض عن الانخفاض المحلي.

يمكن أن تزيد إنتروبيا النظام عندما:

  1. النظام يكتسب الطاقة ؛
  2. يحدث تغيير في الحالة من صلب إلى سائل إلى غاز ؛
  3. يحدث خلط المواد ؛
  4. يزداد عدد الجسيمات أثناء التفاعل.

ملاحظة: مناقشة ممكنة

هل يقول القانون الثاني أن الانتروبيا محفوظة؟

ملاحظة: مناقشة ممكنة

يبدو أن الأنظمة البيولوجية ، على السطح ، تتحدى القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لا يفعلون. لماذا ا؟

شكل 1. يمكن أن تحدث زيادة الاضطرابات بطرق مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك مكعب ثلج يذوب على رصيف ساخن. هنا ، يتم عرض الجليد على شكل ندفة ثلجية ، مع جزيئات ماء منظمة ومنظمة تشكل ندفة الثلج. بمرور الوقت ، ستذوب ندفة الثلج في مجموعة من جزيئات الماء غير المنظمة والمتحركة بحرية. (مصدر)

ملاحظة: مناقشة ممكنة

نقطة جيدة. يناقش الشكل 1 أعلاه النظام والاضطراب ويوضح أن هذا مرتبط بطريقة ما بالتغير في الانتروبيا (ΔS). من الشائع وصف الإنتروبيا كمقياس للنظام كطريقة لتبسيط الوصف الأكثر واقعية المتعلق بالانتروبيا بعدد الحالات التي يمكن فيها تشتيت الطاقة في النظام. في حين أن فكرة قياس الترتيب لتعريف الإنتروبيا بها بعض العيوب ، فإنها في بعض الأحيان وكيل مفيد ، وإن كان غير كامل. ضع في اعتبارك الشكل أعلاه. هنا ، يعمل النظام كبديل جيد لتقريب عدد الطرق لتوزيع الطاقة في النظام. هل يمكنك أن تصف لماذا هذا هو الحال؟

إذا نظرنا إلى القانونين الأول والثاني معًا ، فإننا نصل إلى نتيجة مفيدة. عندما يتم نقل الطاقة أو إعادة توزيعها داخل النظام ، يجب زيادة الانتروبيا. هذه الزيادة في الانتروبيا مرتبطة بمدى "فائدة" الطاقة للقيام بالعمل. تذكر مرة أخرى أن هذه الطاقة تصبح بشكل عام أقل توفرًا مع زيادة الإنتروبيا.

نستنتج أنه بينما يجب الحفاظ على كل الطاقة ، إذا أدى التغيير المطلوب إلى زيادة الانتروبيا ، فهذا يعني أن بعض الطاقة سيتم توزيعها بطريقة تجعلها أقل فائدة للعمل. في كثير من الحالات ، لا سيما في علم الأحياء ، يمكن أن تُعزى بعض الزيادة في الانتروبيا إلى نقل الطاقة للتدفئة في البيئة.

قصة الطاقة

نظرة عامة على قصة الطاقة

سواء عرفنا ذلك أم لا ، فإننا نروي القصص التي تتضمن المادة والطاقة كل يوم. نحن لا نستخدم غالبًا المصطلحات المرتبطة بالمناقشات العلمية حول المادة والطاقة.

مثال 1

الإعداد: بيان بسيط بتفاصيل ضمنية
تخبر زميلك في السكن قصة عن كيفية وصولك إلى الحرم الجامعي بالقول ، "لقد ذهبت بالدراجة إلى الحرم الجامعي اليوم." في هذا البيان البسيط ، توجد العديد من الافتراضات التي من المفيد تفريغها ، حتى لو لم تبدو حاسمة للغاية لتضمينها صراحة في محادثة غير رسمية بين الأصدقاء حول خيارات النقل.

إعادة تفسير شخص خارجي للعملية
لتوضيح ذلك ، تخيل مراقبًا خارجيًا ، مثل كائن فضائي يشاهد مجيء وذهاب البشر على الأرض. بدون فائدة معرفة الكثير من المعاني الضمنية والافتراضات المعقولة المدفونة في لغتنا ، فإن وصف الأجنبي لرحلة ركوب الدراجات الصباحية سيكون مختلفًا تمامًا عن وصفك. ما وصفته بكفاءة بأنه "ركوب الدراجة إلى الحرم الجامعي" قد يوصف بشكل أكثر تحديدًا من قبل الأجنبي على أنه تغيير في موقع جسم الإنسان ودراجته من موقع واحد (الشقة ، تسمى الموضع أ) إلى موقع مختلف (الجامعة ، يطلق عليها الموضع ب). قد يكون الفضائي أكثر تجريدًا ويصف رحلة الدراجة بأنها حركة المادة (جسم الإنسان ودراجته) بين الحالة الأولية (في الموقع أ) إلى الحالة النهائية (في الموقع ب). علاوة على ذلك ، من وجهة نظر الكائن الفضائي ، قد يتم وصف ما تسميه "ركوب الدراجات" بشكل أكثر تحديدًا على أنه استخدام أداة ذات عجلتين تجمع بين نقل الطاقة من المجالات الكهربائية في المركبات الكيميائية إلى تسارع العجلتين. ، مجموعة الأدوات الشخصية التي تعمل على تسخين بيئتها. أخيرًا ، مدفونًا ضمن العبارة البسيطة التي تصف كيف بدأنا العمل هو أيضًا الفهم الضمني بأن كتلة الجسم والدراجة تم حفظها في هذه العملية (مع بعض التحذيرات المهمة التي سننظر إليها في المحاضرات المستقبلية) وأن بعض الطاقة كانت تم تحويلها لتمكين حركة الجسم من الموضع A إلى الموضع B.

ملاحظة: مناقشة ممكنة

التفاصيل مهمة. ماذا لو كنت تمتلك دراجة كهربائية بالكامل ، والشخص الذي كنت تتحدث معه لا يعرف ذلك؟ ما هي التفاصيل المهمة التي قد يغيرها هذا بشأن القصة "اليومية" التي أخبرتها والتي كان من الممكن أن يوضحها الوصف الأكثر تفصيلاً؟ كيف ستتغير قصة الفضائي؟ في أي سيناريوهات قد تكون هذه التغييرات ذات صلة؟

كما توضح هذه القصة البسيطة ، بغض النظر عن العديد من العوامل ، فإن فعل إنشاء وصف كامل للعملية يتضمن بعض المحاسبة لما حدث للمسألة ، وما حدث للطاقة ، ودائمًا ما يكون بعض الوصف للآلية التي تصف كيفية حدوث التغييرات في تم جلب المادة والطاقة للنظام.

لممارسة هذه المهارة في BIS2A ، سوف نستفيد من شيء نحب أن نطلق عليه "قصة الطاقة". قد يُطلب منك سرد "قصة طاقة" في الفصل ، وممارسة سرد قصص الطاقة في أدلة دراسة المحاضرة ، واستخدام المفهوم في اختباراتك. في هذا القسم ، نركز بشكل أساسي على تقديم مفهوم قصة الطاقة وشرح كيفية سردها. من الجدير بالذكر أن مصطلح "قصة الطاقة" يستخدم بشكل حصري تقريبًا في BIS2A (وله معنى محدد في هذه الفئة). لن يظهر هذا المصطلح الدقيق في الدورات التدريبية الأخرى في جامعة كاليفورنيا في ديفيس (على الأقل في المدى القصير) ، أو إذا ظهر ، فمن غير المحتمل استخدامه بنفس الطريقة. يمكنك التفكير في "قصة الطاقة" كنهج منظم لإنشاء بيان أو قصة تصف عملية أو حدث بيولوجي. أعطى مدربون BIS2A هذا النهج اسمًا قصيرًا (قصة طاقة) حتى نتمكن جميعًا من ربطه بالتمرين المشترك. بهذه الطريقة ، عندما يطلب المدرب من الفصل أن يروي أو يؤلف قصة عن الطاقة ، يعرف الجميع ما هو المقصود.

التعريف 1: قصة الطاقة

قصة الطاقة هي سرد ​​يصف عملية أو حدث. العناصر الحاسمة لهذا السرد هي كما يلي:

  1. حدد حالتين على الأقل (على سبيل المثال ، البداية والنهاية) في العملية.
  2. تحديد وإدراج الأمر في النظام وحالته في بداية العملية ونهايتها.
  3. صف التحول الذي يحدث أثناء العملية.
  4. ضع في اعتبارك "موقع" الطاقة في النظام في بداية العملية ونهايتها.
  5. صف انتقال الطاقة الذي يحدث أثناء العملية.
  6. تحديد ووصف الآلية (الآليات) المسؤولة عن التوسط في تحويل المادة ونقل الطاقة.

ستشمل قصة الطاقة الكاملة وصفًا للمتفاعلات الأولية وحالاتها النشطة بالإضافة إلى وصف للمنتجات النهائية وحالاتها النشطة بعد اكتمال العملية أو التفاعل.

ملاحظة: مناقشة ممكنة

نجادل بأنه يمكن استخدام قصة الطاقة لتوصيل جميع التفاصيل المفيدة المطلوبة لوصف أي عملية تقريبًا. هل يمكنك التفكير في عملية لا يمكن وصفها بشكل مناسب بقصة الطاقة؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقم بوصف هذه العملية.

مثال 2: مثال على قصة الطاقة

لنفترض أننا نتحدث عن عملية قيادة السيارة من "النقطة أ" إلى "النقطة ب" (انظر الشكل 1).

شكل 1: هذا رسم تخطيطي لسيارة تتحرك من نقطة البداية ، "النقطة أ" ، إلى نقطة النهاية ، "النقطة ب". يمثل المستطيل الأزرق الموضح في الجزء الخلفي من السيارة مستوى البنزين ؛ يمثل الخط الأرجواني المتعرج بالقرب من ماسورة العادم العادم ؛ تمثل الخطوط الزرقاء المتعرجة الموجودة أعلى السيارة اهتزازات صوتية ؛ ويمثل التظليل الأحمر المناطق الأكثر سخونة مما كانت عليه في البداية. المصدر: أنشأه Marc T. Facciotti (عمل خاص)

دعنا نخطو في نموذج تقييم قصة الطاقة:

1. حدد حالتين على الأقل (على سبيل المثال ، البداية والنهاية) في العملية.

في هذا المثال ، يمكننا بسهولة تحديد حالتين. الحالة الأولى هي السيارة غير المتحركة عند "النقطة أ" بداية الرحلة. الحالة الثانية ، بعد انتهاء العملية ، هي السيارة غير المتحركة عند "النقطة ب".

2. تحديد وإدراج الأمر في النظام وحالته في بداية العملية ونهايتها.

في هذه الحالة ، نلاحظ أولاً أن "النظام" يشمل كل شيء في الشكل - السيارة ، والطريق ، والهواء المحيط بالسيارة ، وما إلى ذلك.

من المهم أن نفهم أننا سنطبق القانون الفيزيائي لحفظ المادة. أي أنه في أي من العمليات التي سنناقشها ، لا يتم إنشاء المادة أو تدميرها. قد يتغير شكله ، ولكن يجب أن يكون المرء قادرًا على تفسير كل شيء في نهاية العملية التي كانت موجودة في البداية.

في بداية العملية ، يتكون الأمر في النظام مما يلي:
1. السيارة وكل ما بداخلها
2. الوقود في السيارة (شيء مميز في السيارة)
3. الهواء (بما في ذلك الأكسجين) حول السيارة.
4. الطريق
5. السائق

في نهاية العملية ، يتم توزيع الأمر في النظام على النحو التالي:
1. السيارة وكل الأشياء الموجودة بها في مكان جديد (دعنا نفترض ، بصرف النظر عن الوقود والموضع ، أن شيئًا آخر لم يتغير).
2. هناك وقود أقل في السيارة ، وهو أيضًا في مكان جديد.
3. تغير الهواء. لديها الآن كمية أقل من الأكسجين الجزيئي ، والمزيد من ثاني أكسيد الكربون ، والمزيد من بخار الماء.
4. لم يتغير الطريق (لنفترض أنه لم يتغير - باستثناء بضع حصى كانت تتحرك في الأنحاء).
5. لم يتغير السائق (لنفترض أنها لم تتغير - على الرغم من أننا سنرى في نهاية المدة أنها قد تغيرت ، على الأقل قليلاً). ومع ذلك ، فإن السائق الآن في مكان مختلف.

3. وصف تحول الموضوع الذي يحدث أثناء العملية.

ماذا حدث للأمر في هذه العملية؟ بفضل الكثير من الافتراضات المبسطة ، نرى أن شيئين كبيرين قد حدثا. أولاً ، قامت السيارة وسائقها بتغيير موقعهما - انتقلوا من "النقطة أ" إلى "النقطة ب". ثانيًا ، نلاحظ أن بعض الجزيئات الموجودة في الوقود ، والتي كانت موجودة في السيارة كسائل ، قد تغيرت أشكالها وأصبحت الآن في الغالب على شكل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء (فقاعة أرجوانية تخرج من أنبوب العادم). أصبحت بعض جزيئات الأكسجين التي كانت موجودة في الهواء الآن أيضًا في مكان جديد كجزء من ثاني أكسيد الكربون والماء الذي ترك السيارة.

4. حساب "موقع" الطاقة في النظام في بداية العملية ونهايتها.

من المهم مرة أخرى أن نفهم أننا سوف نستدعي القانون الفيزيائي للحفاظ على الطاقة. أي أننا نشترط أن الطاقة في النظام لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، وبالتالي ، يجب أن تظل الطاقة الموجودة في النظام في بداية العملية موجودة في نهاية العملية. ربما تمت إعادة توزيعه ، لكن يجب أن تكون قادرًا على حساب كل الطاقة.

في بداية العملية ، يتم توزيع الطاقة في النظام على النحو التالي:
1. الطاقة مقيدة في الارتباطات بين الذرات التي تشكل مادة السيارة.
2. الطاقة مرتبطة في الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الوقود.
3. الطاقة مقيدة في الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الهواء.
4. الطاقة مقيدة في الجمعيات بين الذرات التي تشكل الطريق.
5. الطاقة مقيدة في الارتباطات بين الذرات التي تشكل المحرك.
6. لكل الأشياء المذكورة أعلاه ، يمكننا القول أيضًا أن هناك طاقة في الحركات الجزيئية للذرات التي تتكون منها المادة.

في نهاية العملية ، يتم توزيع الطاقة في النظام على النحو التالي:
1. لكل الأشياء المذكورة أعلاه ، يمكننا أيضًا أن نقول أن هناك طاقة في الحركات الجزيئية للذرات التي تتكون منها المادة.

هذا مثير للاهتمام إلى حد ما ، لأن القوائم متشابهة تقريبًا. نعلم أن كمية الطاقة المخزنة في السيارة قد انخفضت ، بسبب نقص الوقود. يجب أن يحدث شيء ما.

5. وصف انتقال الطاقة الذي يحدث أثناء العملية.

في هذا المثال بالذات ، يعتبر نقل الطاقة بين مكونات النظام هو الأكثر إثارة للاهتمام. كما ذكرنا ، تقل الطاقة المخزنة في خزان الوقود للسيارة في نهاية الرحلة ، لأن الوقود الآن أقل. نعلم أيضًا بشكل بديهي (من تجربة الحياة الواقعية) أن نقل الطاقة من الوقود إلى شيء آخر كان مفيدًا في نقل السيارة من "النقطة أ" إلى "النقطة ب". إذن ، أين ذهبت هذه الطاقة؟ تذكر ، لم تختف فقط. يجب أن يكون قد انتقل إلى مكان آخر في النظام.

حسنًا ، نعلم أن هناك المزيد من ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في النظام بعد العملية. توجد طاقة في الارتباطات بين تلك الذرات (الذرات التي كانت موجودة في الوقود والهواء). لذا فإن بعض الطاقة التي كانت في الوقود أصبحت الآن في العادم. دعنا أيضًا نستفيد من تجربة الحياة الواقعية مرة أخرى ، ونذكر أننا نعلم أن أجزاء من سيارتنا قد أصبحت ساخنة بنهاية الرحلة (على سبيل المثال ، المحرك وناقل الحركة والعجلات / الإطارات والعادم وما إلى ذلك). في الوقت الحالي ، سنستخدم حدسنا فقط ، ونقول إننا نفهم أن جعل شيء ساخنًا ينطوي على بعض نقل الطاقة. لذلك يمكننا أن نفترض بشكل معقول أن بعض الطاقة الموجودة في الوقود ذهبت (بشكل مباشر أو غير مباشر) إلى تسخين السيارة وأجزاء من الطريق والعادم - وبالتالي البيئة المحيطة بالسيارة. An amount of energy also went into accelerating the car from zero velocity to whatever speed it traveled at, but most of that energy eventually became heat when the car came to a stop.

This is a bit of a hand-wavy explanation, and we'll learn how to do a better job throughout the quarter. The main point is that we should be able to add all the energy of the system at the beginning of the process (in all the places it is found) and at the end of the process (in all the places it is found), and those two values should be the same.

6. Identify and describe mechanism(s) responsible for mediating the transformation of matter and transfer of energy.

Finally, it is useful to try understanding how those transformations of matter and transfers of energy might have been facilitated. For the sake of brevity, we might just say that there was a complicated mechanical device (the engine) that helped facilitate the conversion of matter and transfer of energy about the system and coupled this to the change in position of the car. Someone interested in engines would, of course, give a more detailed explanation.

In this example, we made a bunch of simplifying assumptions to highlight the process and to focus on the transformation of the fuel. لكن هذا جيد. The more you understand about the processes, the finer details you can add. Note that you can use the Energy Story rubric for describing your understanding (or looking for holes in your understanding) of nearly any process (certainly in biology). In BIS2A, we'll use the Energy Story to get an understanding of processes as varied as biochemical reactions, DNA replication, the function of molecular motors, etc.

Important:

First: We will be working on many examples of the energy story throughout the course—do not feel that you need to have mastery over this topic today.

Second: While it is tempting to think all this is superfluous or not germane to your study of biology in BIS2A, let this serve as a reminder that your instructors (those creating the course midterm and final assessments) view it as core material. We will revisit this topic often throughout the course but need you to get familiar with some of the basic concepts now.

This is important material and an important skill to develop—do not put off studying it because it doesn't "look" like "biology" to you today. The academic term moves VERY quickly, and it will be difficult to catch up later if you don't give this some thought now.


Energetic and rate effects on methanogenesis of ethanol and propionate in perturbed CSTRs

Energetic and reaction-rate interactions between hydrogenic (hydrogen-producing) and hydrogenotrophic (hydrogen-consuming) bacteria were investigated in five perturbation experiments performed on steady-state, mixed-culture methanogenic CSTRs receiving ethanol, propionate, or both hydrogenic substrates. When a large quantity of propionate was suddenly added to a propionatefed CSTR, ص increased to 10 −4 atm and propionate oxidation remained energetically favorable. When ethanol was added to a CSTR receiving ethanol, ص rose to 6.3 × 10 −3 atm within 5 h. In both perturbations, ص remained at levels such that oxidation of the hydrogenic substrate remained energetically favorable throughout the transient. Sudden increase in ethanol concentration in the ethanol- and propionate-fed CSTR resulted in an increase in ص such that propionate oxidation became energetically unfavorable and was blocked. Propionate utilization resumed when the added ethanol was depleted and ص returned to its previous steady-state levels. Ethanol perturbation of ethanol- and propionate-fed CSTRs led to the formation of reduced products, including ن-propanol and four-through seven-carbon ن-carboxylic acids, when ص was elevated these products disappeared after ص returned to previous, steady-state levels. The transformations were consistent with reaction energetics. Reduced product formation may have been a sink for reducing equivalents, as an alternative to oxidation for propionate utilization, as indicated by an electron equivalents balance over the time course of experiments.


القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. تنص على أن هذا المقدار الإجمالي للطاقة ثابت. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. Energy exists in many different forms. According to the first law of thermodynamics, energy may transfer from place to place or transform into different forms, but it cannot be created or destroyed. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. Plants perform one of the most biologically useful energy transformations on earth: that of converting sunlight energy into the chemical energy stored within organic molecules (). Figure examples of energy transformations.

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي بشكل جيد للغاية. Chemical energy stored within organic molecules such as sugars and fats transforms through a series of cellular chemical reactions into energy within ATP molecules. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل الذي تحتاجه الخلايا القيام به بناء جزيئات معقدة ، ونقل المواد ، وتشغيل حركة الضرب للأهداب أو الأسواط ، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة ، والتكاثر.

Here are two examples of energy transferring from one system to another and transformed from one form to another. Humans can convert the chemical energy in food, like this ice cream cone, into kinetic energy (the energy of movement to ride a bicycle). Plants can convert electromagnetic radiation (light energy) from the sun into chemical energy. (credit “ice cream”: modification of work by D. Sharon Pruitt credit “kids on bikes”: modification of work by Michelle Riggen-Ransom credit “leaf”: modification of work by Cory Zanker)


Protein Folding Thermodynamics and Dynamics: Where Physics, Chemistry, and Biology Meet

مشاهدات المقالات هي مجموع تنزيلات النصوص الكاملة للمقالات المتوافقة مع COUNTER منذ نوفمبر 2008 (بتنسيق PDF و HTML) عبر جميع المؤسسات والأفراد. يتم تحديث هذه المقاييس بانتظام لتعكس الاستخدام حتى الأيام القليلة الماضية.

الاقتباسات هي عدد المقالات الأخرى المقتبسة من هذه المقالة ، ويتم حسابها بواسطة Crossref ويتم تحديثها يوميًا. العثور على مزيد من المعلومات حول عدد الاقتباسات Crossref.

درجة الانتباه Altmetric هي مقياس كمي للانتباه الذي تلقته مقالة بحثية عبر الإنترنت. سيؤدي النقر فوق أيقونة الكعك إلى تحميل صفحة على altmetric.com تحتوي على تفاصيل إضافية حول النتيجة ووجود وسائل التواصل الاجتماعي للمقالة المحددة. يمكنك العثور على مزيد من المعلومات حول "نقاط الانتباه البديلة" وكيفية احتساب النتيجة.

ملحوظة: بدلاً من الملخص ، هذه هي الصفحة الأولى للمقالة.


شاهد الفيديو: الديناميكا الحرارية: المحاضرة الخامسة Thermodynamic: Lecture محمد محمود الخميس 1352021 (شهر نوفمبر 2022).