6.3: חוקי התרמודינמיקה

מיומנויות לפיתוח

• דון במושג האנטרופיה
• הסבר את החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה

תרמודינמיקה מתייחסת לחקר האנרגיה והעברת האנרגיה הכרוכה בחומר פיזי. החומר וסביבתו הרלוונטיים למקרה מסוים של העברת אנרגיה מסווגים כמערכת, וכל מה שמחוץ למערכת זו נקרא הסביבה. לדוגמה, בעת חימום סיר מים על הכיריים, המערכת כוללת את הכיריים, הסיר והמים. אנרגיה מועברת בתוך המערכת (בין הכיריים, הסיר והמים). ישנם שני סוגים של מערכות: פתוח וסגור. מערכת פתוחה היא מערכת בה ניתן להעביר אנרגיה בין המערכת לסביבתה. מערכת הכיריים פתוחה מכיוון שחום יכול ללכת לאיבוד באוויר. מערכת סגורה היא מערכת שאינה יכולה להעביר אנרגיה לסביבתה.

אורגניזמים ביולוגיים הם מערכות פתוחות. אנרגיה מוחלפת בינם לבין סביבתם, כאשר הם צורכים מולקולות אוגרות אנרגיה ומשחררים אנרגיה לסביבה על ידי ביצוע עבודה. כמו כל הדברים בעולם הפיזי, האנרגיה כפופה לחוקי הפיזיקה. חוקי התרמודינמיקה קובעים את העברת האנרגיה בתוך ובין כל המערכות ביקום.

החוק הראשון של התרמודינמיקה

החוק הראשון של התרמודינמיקה עוסק בכמות האנרגיה הכוללת ביקום. הוא קובע כי כמות האנרגיה הכוללת הזו קבועה. במילים אחרות, תמיד הייתה, ותמיד תהיה, בדיוק אותה כמות אנרגיה ביקום. אנרגיה קיימת בצורות רבות ושונות. על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, אנרגיה עשויה להיות מועברת ממקום למקום או להפוך אותה לצורות שונות, אך לא ניתן ליצור אותה או להרוס אותה. ההעברות והטרנספורמציות של האנרגיה מתרחשות סביבנו כל הזמן. נורות הופכות אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור. תנורי גז הופכים אנרגיה כימית מגז טבעי לאנרגיית חום. צמחים מבצעים את אחת מתמורות האנרגיה השימושיות ביותר מבחינה ביולוגית על פני כדור הארץ: זו של המרת אנרגיית אור השמש לאנרגיה הכימית המאוחסנת בתוך מולקולות אורגניות (איור 2.3.b.1). כמה דוגמאות של טרנספורמציות אנרגיה מוצגות באיור\(\PageIndex{1}\).

האתגר של כל האורגניזמים החיים הוא להשיג אנרגיה מסביבתם בצורות שהם יכולים להעביר או להפוך לאנרגיה שמישה לביצוע עבודה. תאים חיים התפתחו כדי לעמוד באתגר זה היטב. אנרגיה כימית המאוחסנת בתוך מולקולות אורגניות כגון סוכרים ושומנים הופכת באמצעות סדרה של תגובות כימיות תאיות לאנרגיה בתוך מולקולות ATP. אנרגיה במולקולות ATP נגישה בקלות לביצוע עבודה. דוגמאות לסוגי העבודה שהתאים צריכים לבצע כוללות בניית מולקולות מורכבות, הובלת חומרים, הפעלת תנועת המכות של ריסים או דגלים, כיווץ סיבי שריר ליצירת תנועה ורבייה.

איור\(\PageIndex{1}\): מוצגות שתי דוגמאות לאנרגיה המועברת ממערכת אחת לאחרת והופכת מצורה אחת לאחרת. בני אדם יכולים להמיר את האנרגיה הכימית במזון, כמו חרוט הגלידה הזה, לאנרגיה קינטית (אנרגיית התנועה לרכיבה על אופניים). צמחים יכולים להמיר קרינה אלקטרומגנטית (אנרגיית אור) מהשמש לאנרגיה כימית. (אשראי "גלידה": שינוי עבודה על ידי ד 'שרון פרויט; אשראי "ילדים על אופניים": שינוי של עבודה על ידי מישל ריגן-רנסום; אשראי "עלה": שינוי של עבודה על ידי קורי זנקר)

החוק השני של התרמודינמיקה

המשימות העיקריות של תא חי להשיג, לשנות ולהשתמש באנרגיה לביצוע עבודה עשויות להיראות פשוטות. עם זאת, החוק השני של התרמודינמיקה מסביר מדוע משימות אלה קשות מכפי שהן נראות. אף אחת מהעברות האנרגיה שדיברנו עליהן, יחד עם כל העברות האנרגיה והטרנספורמציות ביקום, אינה יעילה לחלוטין. בכל העברת אנרגיה, כמות מסוימת של אנרגיה הולכת לאיבוד בצורה שאינה שמישה. ברוב המקרים, צורה זו היא אנרגיית חום. מבחינה תרמודינמית, אנרגיית החום מוגדרת כאנרגיה המועברת ממערכת אחת לאחרת שאינה עושה עבודה. לדוגמה, כאשר מטוס טס באוויר, חלק מהאנרגיה של המטוס המעופף הולכת לאיבוד כאנרגיית חום עקב חיכוך עם האוויר שמסביב. חיכוך זה למעשה מחמם את האוויר על ידי הגדלת מהירות מולקולות האוויר באופן זמני. באופן דומה, אנרגיה מסוימת הולכת לאיבוד כאנרגיית חום במהלך תגובות מטבוליות תאיות. זה טוב ליצורים בעלי דם חם כמונו, מכיוון שאנרגיית החום עוזרת לשמור על חום גופנו. באופן קפדני, שום העברת אנרגיה אינה יעילה לחלוטין, מכיוון שאנרגיה מסוימת הולכת לאיבוד בצורה בלתי שמישה.

מושג חשוב במערכות פיזיות הוא זה של סדר ואי סדר (המכונה גם אקראיות). ככל שהולכת לאיבוד יותר אנרגיה על ידי מערכת לסביבתה, המערכת פחות מסודרת ואקראית יותר. מדענים מתייחסים למדד האקראיות או ההפרעה בתוך מערכת כאנטרופיה. אנטרופיה גבוהה פירושה הפרעה גבוהה ואנרגיה נמוכה (איור\(\PageIndex{2}\)). כדי להבין טוב יותר את האנטרופיה, חשבו על חדר השינה של התלמיד. אם לא הושקעו בו אנרגיה או עבודה, החדר היה הופך במהירות מבולגן. זה היה קיים במצב מאוד לא מסודר, במצב של אנטרופיה גבוהה. יש להכניס אנרגיה למערכת, בצורה של התלמיד שעושה עבודה ומניח הכל, על מנת להחזיר את החדר למצב של ניקיון וסדר. מצב זה הוא מצב של אנטרופיה נמוכה. באופן דומה, מכונית או בית חייב להיות מתוחזק כל הזמן עם העבודה על מנת לשמור אותו במצב מסודר. נותר לבד, האנטרופיה של הבית או המכונית עולה בהדרגה באמצעות חלודה והשפלה. למולקולות ולתגובות כימיות יש גם כמויות שונות של אנטרופיה. לדוגמה, ככל שתגובות כימיות מגיעות למצב של שיווי משקל, האנטרופיה עולה, וככל שמולקולות בריכוז גבוה במקום אחד מתפזרות ומתפשטות, גם האנטרופיה עולה.

קשר מדעי: העברת אנרגיה והאנטרופיה המתקבלת

הגדר ניסוי פשוט כדי להבין כיצד מועברת אנרגיה וכיצד נוצר שינוי באנטרופיה.

1. קח גוש קרח. מדובר במים בצורה מוצקה, ולכן יש להם סדר מבני גבוה. המשמעות היא שהמולקולות אינן יכולות לנוע מאוד ונמצאות במצב קבוע. הטמפרטורה של הקרח היא 0 מעלות צלזיוס, וכתוצאה מכך האנטרופיה של המערכת נמוכה.
2. אפשר לקרח להמיס בטמפרטורת החדר. מה מצב המולקולות במים הנוזליים כעת? כיצד התרחשה העברת האנרגיה? האם האנטרופיה של המערכת גבוהה או נמוכה יותר? למה?
3. מחממים את המים לנקודת הרתיחה. מה קורה לאנטרופיה של המערכת כאשר המים מחוממים?

ניתן לחשוב על כל המערכות הפיזיקליות בצורה זו: יצורים חיים מסודרים מאוד, הדורשים קלט אנרגיה קבוע כדי להישמר במצב של אנטרופיה נמוכה. כאשר מערכות חיות קולטות מולקולות אוגרות אנרגיה והופכות אותן באמצעות תגובות כימיות, הן מאבדות כמות מסוימת של אנרגיה שמישה בתהליך, מכיוון ששום תגובה אינה יעילה לחלוטין. הם גם מייצרים פסולת ותוצרי לוואי שאינם מקורות אנרגיה שימושיים. תהליך זה מגביר את האנטרופיה של סביבת המערכת. מכיוון שכל העברות האנרגיה גורמות לאובדן אנרגיה שמישה כלשהי, החוק השני של התרמודינמיקה קובע שכל העברת אנרגיה או טרנספורמציה מגדילה את האנטרופיה של היקום. למרות שיצורים חיים מסודרים מאוד ושומרים על מצב של אנטרופיה נמוכה, האנטרופיה של היקום בסך הכל גדלה ללא הרף בגלל אובדן האנרגיה השימושית בכל העברת אנרגיה המתרחשת. בעיקרו של דבר, יצורים חיים נמצאים במאבק מתמשך בעלייה נגד העלייה המתמדת הזו באנטרופיה האוניברסלית.

איור\(\PageIndex{2}\): אנטרופיה היא מדד לאקראיות או הפרעה במערכת. לגזים יש אנטרופיה גבוהה יותר מנוזלים, ולנוזלים יש אנטרופיה גבוהה יותר מאשר מוצקים.

סיכום

בחקר האנרגיה, מדענים משתמשים במונח "מערכת" כדי להתייחס לעניין ולסביבתו המעורבים בהעברת אנרגיה. כל מה שמחוץ למערכת נקרא הסביבה. תאים בודדים הם מערכות ביולוגיות. ניתן לחשוב על מערכות כבעלות סדר מסוים. דרושה אנרגיה כדי להפוך מערכת מסודרת יותר. ככל שמערכת מסודרת יותר, האנטרופיה שלה נמוכה יותר. אנטרופיה היא מדד להפרעה של מערכת. ככל שמערכת הופכת להפרעה יותר, ככל שהאנרגיה שלה נמוכה יותר והאנטרופיה שלה הופכת גבוהה יותר.

סדרה של חוקים, הנקראים חוקי התרמודינמיקה, מתארים את התכונות והתהליכים של העברת אנרגיה. החוק הראשון קובע כי כמות האנרגיה הכוללת ביקום קבועה. המשמעות היא שלא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, אלא רק להעביר או להפוך אותה. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי כל העברת אנרגיה כרוכה באובדן מסוים של אנרגיה בצורה בלתי שמישה, כגון אנרגיית חום, וכתוצאה מכך מערכת מופרעת יותר. במילים אחרות, שום העברת אנרגיה אינה יעילה לחלוטין ונוטה לאי סדר.

רשימת מילים

אנטרופיה (S)

מדד לאקראיות או הפרעה בתוך מערכת

חום

אנרגיית אנרגיה המועברת ממערכת אחת לאחרת שאינה עבודה (אנרגיה של תנועת מולקולות או חלקיקים)

תרמודינמיקה

לימוד אנרגיה והעברת אנרגיה הכוללת חומר פיזי