6.2: Uwezo, Kinetic, Free, na Activation Nishati

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza “nishati”
• Eleza tofauti kati ya nishati ya kinetic na uwezo
• Jadili dhana za nishati ya bure na nishati ya uanzishaji
• Eleza athari za endergonic na exergonic

Nishati hufafanuliwa kama uwezo wa kufanya kazi. Kama umejifunza, nishati ipo katika aina tofauti. Kwa mfano, nishati ya umeme, nishati ya mwanga, na nishati ya joto ni aina zote za nishati. Ingawa hizi ni aina zote za nishati ambazo mtu anaweza kuona au kujisikia, kuna aina nyingine ya nishati ambayo haipatikani sana. Nishati hii inahusishwa na kitu rahisi kama kitu kilichofanyika juu ya ardhi. Ili kufahamu jinsi nishati inapita ndani na nje ya mifumo ya kibiolojia, ni muhimu kuelewa zaidi kuhusu aina tofauti za nishati zilizopo katika ulimwengu wa kimwili.

Aina ya Nishati

Wakati kitu kinaendelea, kuna nishati inayohusishwa na kitu hicho. Katika mfano wa ndege katika kukimbia, kuna nishati kubwa inayohusishwa na mwendo wa ndege. Hii ni kwa sababu vitu vya kusonga vina uwezo wa kuanzisha mabadiliko, au kufanya kazi. Fikiria mpira wa kuvunja. Hata mpira wa kuvunja polepole unaweza kufanya uharibifu mkubwa kwa vitu vingine. Hata hivyo, mpira unaoharibika ambao hauko katika mwendo hauwezi kufanya kazi. Nishati inayohusishwa na vitu katika mwendo inaitwa nishati ya kinetic. Risasi ya kasi, mtu anayetembea, mwendo wa haraka wa molekuli hewani (ambayo hutoa joto), na mionzi ya sumakuumeme kama nuru zote zina nishati ya kinetic.

Sasa vipi ikiwa mpira huo usio na mwendo unaojitokeza umeinuliwa hadithi mbili juu ya gari na gane? Ikiwa mpira wa uharibifu uliosimamishwa hauwezi kusonga, kuna nishati inayohusishwa nayo? Jibu ni ndiyo. Mpira wa kuvunja kusimamishwa una nishati inayohusishwa na hiyo ambayo ni tofauti kabisa na nishati ya kinetic ya vitu vinavyoendelea. Aina hii ya nishati inatokana na ukweli kwamba kuna uwezekano wa mpira wa kuvunja kufanya kazi. Kama ni iliyotolewa, kwa kweli ingekuwa kufanya kazi. Kwa sababu aina hii ya nishati inahusu uwezo wa kufanya kazi, inaitwa nishati ya uwezo. Vitu huhamisha nishati zao kati ya kinetic na uwezo kwa njia ifuatayo: Kama mpira wa kuvunja hutegemea bila mwendo, una 0 kinetic na asilimia 100 ya nishati ya uwezo. Mara baada ya kutolewa, nishati yake ya kinetic huanza kuongezeka kwa sababu inajenga kasi kutokana na mvuto. Wakati huo huo, kama inakaribia ardhi, inapoteza nishati. Mahali fulani katikati ya kuanguka ina asilimia 50 kinetic na asilimia 50 uwezo wa nishati. Kabla ya kugonga ardhi, mpira umepoteza nishati yake ya uwezo na ina nishati karibu-maximal kinetic. Mifano mingine ya nishati uwezo ni pamoja na nishati ya maji uliofanyika nyuma ya bwawa (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)), au mtu kuhusu skydive nje ya ndege.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Maji nyuma ya bwawa ina nishati uwezo. Kusonga maji, kama vile katika maporomoko ya maji au mto unaozunguka haraka, una nishati ya kinetic. (mikopo “bwawa”: mabadiliko ya kazi na “Pascal” /Flickr; mikopo “maporomoko ya maji”: mabadiliko ya kazi na Frank Gualtieri)

Nishati ya uwezo haihusiani tu na eneo la suala (kama vile mtoto ameketi kwenye tawi la mti), lakini pia na muundo wa suala. Spring juu ya ardhi ina uwezo wa nishati kama ni USITUMIE; ndivyo bendi ya mpira ambayo ni vunjwa taut. Kuwepo sana kwa seli hai hutegemea sana nishati ya uwezo wa miundo. Kwenye kiwango cha kemikali, vifungo vinavyoshikilia atomi za molekuli pamoja vina uwezo wa nishati. Kumbuka kwamba anabolic njia za mkononi zinahitaji nishati ya kuunganisha molekuli tata kutoka kwa wale rahisi, na pathways catabolic kutolewa nishati wakati molekuli tata ni kuvunjwa. Ukweli kwamba nishati inaweza kutolewa na kuvunjika kwa vifungo fulani vya kemikali inamaanisha kwamba vifungo hivyo vina nishati. Kwa kweli, kuna nishati inayoweza kuhifadhiwa ndani ya vifungo vya molekuli zote za chakula tunazokula, ambazo hatimaye zimeunganishwa kwa matumizi. Hii ni kwa sababu vifungo hivi vinaweza kutolewa nishati wakati umevunjika. Aina ya nishati inayoweza kuwepo ndani ya vifungo vya kemikali, na hutolewa wakati vifungo hivyo vimevunjika, inaitwa nishati ya kemikali (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Nishati ya kemikali ni wajibu wa kutoa seli hai na nishati kutoka kwa chakula. Kuondolewa kwa nishati huletwa kwa kuvunja vifungo vya Masi ndani ya molekuli za mafuta.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Molekuli katika petroli (octane, formula ya kemikali iliyoonyeshwa) ina nishati ya kemikali ndani ya vifungo vya kemikali. Nishati hii inabadilishwa kuwa nishati ya kinetic ambayo inaruhusu gari kupiga mbio kwenye racetrack. (mikopo “gari”: mabadiliko ya kazi na Russell Trow)

Unganisha na Kujifunza

Tembelea tovuti hii na uchague “pendulum rahisi” kwenye menyu (chini ya “Harmonic Motion”) ili kuona kinetic ya kuhama (K) na nishati ya uwezo (U) ya pendulum katika mwendo.

Bure Nishati

Baada ya kujifunza kwamba athari za kemikali hutoa nishati wakati vifungo vya kuhifadhi nishati vimevunjika, swali muhimu linalofuata ni jinsi gani nishati inayohusishwa na athari za kemikali huhesabiwa na kuonyeshwa? Nishati iliyotolewa kutoka kwa mmenyuko mmoja inawezaje kulinganishwa na ile ya mmenyuko mwingine? Upimaji wa nishati ya bure hutumiwa kupima uhamisho huu wa nishati. Nishati ya bure huitwa nishati ya bure ya Gibbs (iliyofupishwa kwa herufi G) baada ya Yosia Willard Gibbs, mwanasayansi aliyeendeleza kipimo. Kumbuka kwamba kwa mujibu wa sheria ya pili ya thermodynamics, uhamisho wote wa nishati unahusisha kupoteza kiasi fulani cha nishati kwa fomu isiyoweza kutumika kama vile joto, na kusababisha entropy. Nishati ya bure ya Gibbs hasa inahusu nishati inayohusishwa na mmenyuko wa kemikali ambayo inapatikana baada ya entropy kuhesabiwa. Kwa maneno mengine, nishati ya bure ya Gibbs ni nishati inayoweza kutumika, au nishati inayopatikana kufanya kazi.

Kila mmenyuko wa kemikali huhusisha mabadiliko katika nishati ya bure, inayoitwa delta G (G). Mabadiliko katika nishati ya bure yanaweza kuhesabiwa kwa mfumo wowote unaofanyika mabadiliko hayo, kama mmenyuko wa kemikali. Ili kuhesabu G, toa kiasi cha nishati iliyopotea kwa entropy (iliyoashiria kama S) kutoka kwa mabadiliko ya nishati ya jumla ya mfumo. Mabadiliko haya ya jumla ya nishati katika mfumo huitwa enthalpy na inaashiria kama H. Fomu ya kuhesabu G ni kama ifuatavyo, ambapo ishara T inahusu joto kabisa katika Kelvin (digrii Celsius + 273):

Tazama uhuishaji wa hoja kutoka nishati ya bure hadi hali ya mpito kwenye tovuti hii.

Nishati ya uanzishaji inayotakiwa na reactants ya kemikali hutoka wapi? Chanzo cha nishati ya uanzishaji inahitajika kushinikiza athari mbele ni kawaida nishati ya joto kutoka mazingira. Nishati ya joto (jumla ya nishati ya dhamana ya reactants au bidhaa katika mmenyuko wa kemikali) huongeza kasi ya mwendo wa molekuli, na kuongeza mzunguko na nguvu ambazo zinapigana; pia husababisha atomi na vifungo ndani ya molekuli kidogo, kuwasaidia kufikia hali yao ya mpito. Kwa sababu hii, inapokanzwa mfumo kusababisha kemikali reactants ndani ya mfumo huo kuguswa mara kwa mara zaidi. Kuongezeka kwa shinikizo kwenye mfumo kuna athari sawa. Mara baada ya majibu yamepata nishati ya joto ya kutosha kutoka kwenye mazingira yao ili kufikia hali ya mpito, majibu yataendelea.

Nishati ya uanzishaji wa mmenyuko fulani huamua kiwango ambacho kitaendelea. Ya juu ya nishati ya uanzishaji, polepole majibu ya kemikali yatakuwa. Mfano wa kutu kwa chuma unaonyesha mmenyuko wa polepole. Tabia hii hutokea polepole baada ya muda kwa sababu ya juu yake E _A. Zaidi ya hayo, kuchomwa kwa mafuta mengi, ambayo ni exergonic sana, utafanyika kwa kiwango kidogo isipokuwa nishati yao ya uanzishaji inashindwa na joto la kutosha kutoka kwa cheche. Mara baada ya kuanza kuchoma, hata hivyo, athari za kemikali hutoa joto la kutosha ili kuendelea na mchakato wa kuchoma, kusambaza nishati ya uanzishaji kwa molekuli za mafuta zinazozunguka. Kama athari hizi nje ya seli, nishati ya uanzishaji kwa athari nyingi za mkononi ni kubwa mno kwa nishati ya joto kushinda kwa viwango vya ufanisi. Kwa maneno mengine, ili athari muhimu za mkononi kutokea kwa viwango vya thamani (idadi ya athari kwa wakati wa kitengo), nguvu zao za uanzishaji zinapaswa kupunguzwa (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)\(\PageIndex{5}\)); hii inajulikana kama kichocheo. Hili ni jambo zuri sana kama vile seli zinazoishi zinahusika. Macromolecules muhimu, kama vile protini, DNA, na RNA, kuhifadhi nishati kubwa, na kuvunjika kwao ni exergonic. Ikiwa joto la mkononi peke yake lilitoa nishati ya kutosha ya joto kwa athari hizi za exergonic ili kuondokana na vikwazo vyao vya uanzishaji, vipengele muhimu vya kiini vinaweza kuharibika.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Activation nishati ni nishati inahitajika kwa ajili ya majibu ya kuendelea, na ni ya chini kama mmenyuko ni kichocheo. Mhimili usio na usawa wa mchoro huu unaelezea mlolongo wa matukio kwa wakati.

Ikiwa hakuna nishati ya uanzishaji ilihitajika kuvunja sucrose (sukari ya meza), ungeweza kuihifadhi kwenye bakuli la sukari?

Muhtasari

Nishati huja katika aina nyingi tofauti. Vitu katika mwendo kufanya kazi ya kimwili, na nishati kinetic ni nishati ya vitu katika mwendo. Vitu ambavyo haviko katika mwendo vinaweza kuwa na uwezo wa kufanya kazi, na hivyo, vina uwezo wa nishati. Molekuli pia zina uwezo wa nishati kwa sababu kuvunjika kwa vifungo vya Masi kuna uwezo wa kutolewa nishati. Seli za kuishi hutegemea uvunaji wa nishati inayoweza kutoka kwa vifungo vya Masi ili kufanya kazi. Nishati ya bure ni kipimo cha nishati kinachopatikana kufanya kazi. Nishati ya bure ya mfumo hubadilika wakati wa uhamisho wa nishati kama vile athari za kemikali, na mabadiliko haya yanajulikana kama G.

G ya mmenyuko inaweza kuwa hasi au chanya, maana yake ni kwamba majibu hutoa nishati au hutumia nishati, kwa mtiririko huo. Mmenyuko na G hasi ambayo hutoa nishati inaitwa mmenyuko wa exergonic. Mmoja mwenye chanya G ambayo inahitaji pembejeo ya nishati inaitwa mmenyuko wa endergonic. Athari za exergonic zinasemekana kuwa za pekee, kwa sababu bidhaa zao zina nishati ndogo kuliko majibu yao. Bidhaa za athari za endergonic zina hali ya juu ya nishati kuliko majibu, na hivyo haya ni athari zisizo za kawaida. Hata hivyo, athari zote (ikiwa ni pamoja na athari za hiari -G) zinahitaji pembejeo ya awali ya nishati ili kufikia hali ya mpito, ambayo itaendelea. Pembejeo hii ya awali ya nishati inaitwa nishati ya uanzishaji.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Angalia kila mchakato ulioonyeshwa, na uamua ikiwa ni endergonic au exergonic. Katika kila kesi, je, enthalpy huongezeka au kupungua, na je, entropy huongeza au kupungua?

Jibu

Rundo la mbolea linaloharibika ni mchakato wa exergonic; ongezeko la enthalpy (nishati hutolewa) na ongezeko la entropy (molekuli kubwa huvunjika kuwa ndogo). Mtoto anayeendelea kutoka yai ya mbolea ni mchakato wa endergonic; enthalpy hupungua (nishati inafyonzwa) na entropy hupungua. Sanaa ya mchanga kuharibiwa ni mchakato wa exergonic; hakuna mabadiliko katika enthalpy, lakini entropy huongezeka. Mpira unaoteremka ni mchakato wa exergonic; enthalpy inapungua (nishati hutolewa), lakini hakuna mabadiliko katika enthalpy.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Ikiwa hakuna nishati ya uanzishaji ilihitajika kuvunja sucrose (sukari ya meza), ungeweza kuihifadhi kwenye bakuli la sukari?

Jibu

Hapana. Tunaweza kuhifadhi nishati ya kemikali kwa sababu ya haja ya kushinda kizuizi kwa kuvunjika kwake.

faharasa

uanzishaji nishati

nishati muhimu kwa athari kutokea

nishati ya kemikali

uwezo wa nishati katika vifungo kemikali kwamba ni iliyotolewa wakati vifungo wale ni kuvunjwa

endergonic

inaelezea athari za kemikali zinazohitaji pembejeo ya nishati

enthalpy

jumla ya nishati ya mfumo

exergonic

inaelezea athari za kemikali zinazotoa nishati ya bure

nishati ya bure

Gibbs bure nishati ni nishati inatumika, au nishati ambayo inapatikana kufanya kazi.

nishati ya joto

jumla ya dhamana ya nishati ya reactants au bidhaa katika mmenyuko kemikali

nishati kinetic

aina ya nishati ya kuhusishwa na vitu au chembe katika mwendo

uwezo wa nishati

aina ya nishati ambayo ina uwezo wa kufanya kazi; kuhifadhiwa nishati

hali ya mpito

high-nishati, hali imara (fomu ya kati kati ya substrate na bidhaa) hutokea wakati wa mmenyuko wa kemikali