Skip to main content
Global

5.2: תגובות: חיוביות, שליליות והדינמיקה שלהן

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208390

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    כפי שנראה, מערכות ביולוגיות מורכבות ביותר; גם האלמנטים המבניים הכוללים שלהם וגם רבים מהמרכיבים המולקולריים שלהם (כולל DNA) הם תוצרים של תהליכים ותגובות שליליות תרמודינמית. כיצד מתרחשות תגובות אלו במערכות חיות? התשובה מגיעה מהצימוד של תגובות חיוביות תרמודינמית לתגובות שליליות תרמודינמית. זהו סוג של עבודה, אם כי לא במודל הפיזיקה המקרוסקופית הסטנדרטית של העבודה (w) = כוח x מרחק. במקרה של צימוד תגובה (כימי), העבודה המעורבת מניעה תגובות לא חיוביות מבחינה תרמודינמית, בדרך כלל סינתזה של מולקולות גדולות ומורכבות ומקרומולקולות (כלומר מולקולות גדולות מאוד). כאן נשקול את התרמודינמיקה של תהליכים אלה.

    חשיבה על אנרגיה: התרמודינמיקה היא בבסיסה לגבי אנרגיה ושינויים באנרגיה. זה מוביל לשאלה הלא טריוויאלית, מהי אנרגיה? אנרגיה מגיעה בצורות רבות. יש אנרגיה הקשורה לתנועה ולתנודות של עצמים בעלי מסה. ברמה האטומית והמולקולרית יש אנרגיה הקשורה למצב (הקוונטי) של האלקטרונים. יש אנרגיה הקשורה לשדות התלויים באופי האובייקט (למשל המסה או המטען החשמלי שלו) ובמיקומו בתוך השדה. יש את האנרגיה הקשורה לקרינה אלקטרומגנטית, הצורה המוכרת ביותר היא אור גלוי, אך קרינה אלקטרומגנטית משתרעת ממיקרוגל ועד צילומי רנטגן. לבסוף, יש את האנרגיה הקיימת בעצם החומר, אנרגיה כזו מתוארת על ידי המשוואה:

    e (אנרגיה) = m (מסה) x c 2 (c = מהירות האור)

    כדי להמחיש עיקרון זה, אנו יכולים לקרוא לחוויות היומיומיות שלנו. אנרגיה יכולה לשמש כדי לגרום למשהו לזוז. דמיין מערכת של קופסה היושבת על רצפה מחוספסת. אתה דוחף את הקופסה כך שהיא זזה ואז אתה מפסיק לדחוף - התיבה עוברת מרחק קצר ואז נעצרת. החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא שהאנרגיה הכוללת במערכת קבועה. אז השאלה היא לאן נעלמה האנרגיה? תשובה אחת יכולה להיות שהאנרגיה נהרסה. זה לא בסדר. תצפיות מדוקדקות מובילות אותנו להסיק שהאנרגיה עדיין קיימת אך היא השתנתה. שינוי ברור אחד הוא הפיכת האנרגיה מכוח מכני לצורה אחרת, אז מהן אותן צורות אחרות? אין זה סביר כי המסה של התיבה גדל, אז אנחנו צריכים להסתכל על צורות עדינות יותר - סביר להניח הוא חום. החיכוך שנוצר על ידי הזזת התיבה מייצג עלייה בתנועות המולקולות של הקופסה והרצפה שעליה עברה התיבה. באמצעות התנגשויות ותנודות, אנרגיה זו תופץ לאורך זמן בכל המערכת. ניתן לראות תנועה תרמית זו במה שמכונה תנועה בראונית. בשנת 1905 הסביר אלברט איינשטיין את התנועה הבראונית במונחים של קיומן, גודלן ותנועותיהן של מולקולות 148.

    במערכת ששקלנו, האנרגיה המרוכזת המשמשת להזזת התיבה פרושה ברחבי המערכת. בעוד שאפשר להשתמש בדחיפה כדי להזיז משהו (לעבודה), לא ניתן להשתמש בתרמואנרגיה המפוזרת לביצוע עבודה. בעוד שכמות האנרגיה הכוללת נשמרת, יכולתה לעשות דברים פחתה (כמעט בוטלה). זה כרוך במושג האנטרופיה, אליו נפנה בהמשך.

    תורמים וייחוסים