معلومة

6.3: قوانين الديناميكا الحرارية - علم الأحياء

6.3: قوانين الديناميكا الحرارية - 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.

مهارات التطوير

  • ناقش مفهوم الانتروبيا
  • اشرح القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. يتم تصنيف المادة وبيئتها ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة كنظام ، ويطلق على كل شيء خارج هذا النظام اسم البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. النظام المفتوح هو النظام الذي يمكن فيه نقل الطاقة بين النظام ومحيطه. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. النظام المغلق هو النظام الذي لا يمكنه نقل الطاقة إلى محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة لقوانين الفيزياء. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

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. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. 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. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل 2.3.ب.1). بعض الأمثلة على تحولات الطاقة موضحة في الشكل ( PageIndex {1} ).

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. يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. 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.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. لا تعتبر أي من عمليات نقل الطاقة التي ناقشناها ، إلى جانب جميع عمليات نقل وتحولات الطاقة في الكون ، فعالة تمامًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية ، تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا يقوم بعمل. على سبيل المثال ، عندما تطير طائرة في الهواء ، تُفقد بعض طاقة الطائرة الطائرة كطاقة حرارية بسبب الاحتكاك مع الهواء المحيط. يؤدي هذا الاحتكاك في الواقع إلى تسخين الهواء عن طريق زيادة سرعة جزيئات الهواء مؤقتًا. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي. هذا جيد للمخلوقات ذوات الدم الحار مثلنا ، لأن الطاقة الحرارية تساعد في الحفاظ على درجة حرارة أجسامنا. بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، لأن بعض الطاقة تُفقد في صورة غير صالحة للاستعمال.

مفهوم مهم في الأنظمة الفيزيائية هو مفهوم النظام والاضطراب (المعروف أيضًا باسم العشوائية). كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. يعني الانتروبيا المرتفعة الفوضى العالية وانخفاض الطاقة (الشكل ( PageIndex {2} )). لفهم الكون بشكل أفضل ، فكر في غرفة نوم الطالب. إذا لم يتم وضع أي طاقة أو عمل فيه ، فستصبح الغرفة فوضوية بسرعة. سيكون موجودًا في حالة مضطربة للغاية ، حالة انتروبيا عالية. يجب وضع الطاقة في النظام ، في شكل قيام الطالب بالعمل ووضع كل شيء بعيدًا ، من أجل إعادة الغرفة إلى حالة النظافة والنظام. هذه الحالة هي حالة ذات إنتروبيا منخفضة. وبالمثل ، يجب صيانة السيارة أو المنزل باستمرار مع العمل من أجل إبقائه في حالة منظمة. إذا تُركت بمفردها ، فإن إنتروبيا المنزل أو السيارة تزداد تدريجياً من خلال الصدأ والتدهور. تحتوي الجزيئات والتفاعلات الكيميائية على كميات متفاوتة من الانتروبيا أيضًا. على سبيل المثال ، عندما تصل التفاعلات الكيميائية إلى حالة من التوازن ، تزداد الإنتروبيا ، وعندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر ، تزداد الإنتروبيا أيضًا.

الاتصال العلمي

نقل الطاقة والانتروبيا الناتجة

قم بإعداد تجربة بسيطة لفهم كيفية نقل الطاقة وكيفية حدوث تغيير في الانتروبيا.

  1. خذ كتلة من الجليد. هذا ماء في صورة صلبة ، لذلك له ترتيب بنيوي عالٍ. هذا يعني أن الجزيئات لا يمكنها التحرك كثيرًا وهي في وضع ثابت. درجة حرارة الجليد 0 درجة مئوية. نتيجة لذلك ، تكون إنتروبيا النظام منخفضة.
  2. اترك الثلج يذوب في درجة حرارة الغرفة. ما هي حالة الجزيئات في الماء السائل الآن؟ كيف تم نقل الطاقة؟ هل انتروبيا النظام أعلى أم أدنى؟ لماذا ا؟
  3. سخني الماء حتى درجة الغليان. ماذا يحدث لانتروبيا النظام عند تسخين الماء؟

يمكن التفكير في جميع الأنظمة الفيزيائية بهذه الطريقة: يتم ترتيب الكائنات الحية بدرجة عالية ، وتتطلب إدخالًا ثابتًا للطاقة ليتم الحفاظ عليها في حالة انخفاض الانتروبيا. نظرًا لأن الأنظمة الحية تأخذ جزيئات تخزين الطاقة وتحولها من خلال تفاعلات كيميائية ، فإنها تفقد قدرًا من الطاقة القابلة للاستخدام في العملية ، لأنه لا يوجد تفاعل فعال تمامًا. كما أنها تنتج نفايات ومنتجات ثانوية ليست مصادر طاقة مفيدة. تزيد هذه العملية من إنتروبيا محيط النظام. نظرًا لأن جميع عمليات نقل الطاقة تؤدي إلى فقدان بعض الطاقة القابلة للاستخدام ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن كل نقل أو تحول للطاقة يزيد من إنتروبيا الكون. على الرغم من أن الكائنات الحية مرتبة بشكل كبير وتحافظ على حالة منخفضة من الإنتروبيا ، فإن إنتروبيا الكون إجمالاً تتزايد باستمرار بسبب فقدان الطاقة القابلة للاستخدام مع كل عملية نقل للطاقة تحدث. بشكل أساسي ، الكائنات الحية في معركة شاقة مستمرة ضد هذه الزيادة المستمرة في الكون.

ملخص

في دراسة الطاقة ، يستخدم العلماء مصطلح "النظام" للإشارة إلى المادة وبيئتها المتضمنة في عمليات نقل الطاقة. كل شيء خارج النظام يسمى محيط. الخلايا المنفردة هي أنظمة بيولوجية. يمكن اعتبار الأنظمة على أنها تحتوي على قدر معين من النظام. يتطلب الأمر طاقة لجعل النظام أكثر ترتيبًا. كلما كان النظام مرتبًا ، كلما انخفض إنتروبيا. الانتروبيا هو مقياس لاضطراب النظام. عندما يصبح النظام أكثر اضطرابًا ، كلما انخفضت طاقته وزادت إنتروبيا.

تصف سلسلة من القوانين ، تسمى قوانين الديناميكا الحرارية ، خصائص وعمليات نقل الطاقة. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة. هذا يعني أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، فقط نقلها أو تحويلها. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن كل عملية نقل للطاقة تنطوي على بعض فقدان الطاقة بشكل غير قابل للاستخدام ، مثل الطاقة الحرارية ، مما يؤدي إلى نظام أكثر اضطرابًا. بعبارة أخرى ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ويميل إلى الفوضى.

راجع الأسئلة

أي مما يلي ليس مثالاً على تحول الطاقة؟

  1. تشغيل مفتاح الضوء
  2. الألواح الشمسية في العمل
  3. تشكيل الكهرباء الساكنة
  4. لا شيء مما بالأعلى

أ

قم بتسمية كل نظام من الأنظمة التالية على أنه إنتروبيا عالية أو منخفضة: i. في اللحظة التي يتم فيها رش زجاجة عطر مقارنة بـ 30 ثانية لاحقًا ، ii. سيارة قديمة من خمسينيات القرن الماضي مقارنة بسيارة جديدة تمامًا. خلية حية مقارنة بالخلية الميتة.

  1. أنا. منخفض ، ثانيا. عالية ، ثالثا. قليل
  2. أنا. عالي
  3. أنا. عالية ، ثانيا. منخفض ، ثالثا. قليل

أ

إستجابة مجانية

تخيل مزرعة نملة متقنة بها أنفاق وممرات عبر الرمال حيث يعيش النمل في مجتمع كبير. تخيل الآن أن زلزالًا هز الأرض ودمر مزرعة النمل. في أي من هذين السيناريوهين ، قبل أو بعد الزلزال ، كان نظام مزرعة النمل في حالة انتروبيا أعلى أو أقل؟

كانت مزرعة النمل تحتوي على نسبة أقل من الانتروبيا قبل الزلزال لأنها كانت نظامًا عالي التنظيم. بعد الزلزال ، أصبح النظام أكثر اضطرابًا وكان له إنتروبيا أعلى.

تتم عمليات نقل الطاقة باستمرار في الأنشطة اليومية. فكر في سيناريوهين: الطهي على الموقد والقيادة. اشرح كيف ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على هذين السيناريوهين.

أثناء الطهي ، يتم تسخين الطعام على الموقد ، ولكن لا تذهب كل الحرارة إلى طهي الطعام ، حيث يتم فقد جزء منه كطاقة حرارية للهواء المحيط ، مما يؤدي إلى زيادة الانتروبيا. أثناء القيادة ، تقوم السيارات بحرق البنزين لتشغيل المحرك وتحريك السيارة. هذا التفاعل غير فعال تمامًا ، حيث يتم فقد بعض الطاقة أثناء هذه العملية كطاقة حرارية ، وهذا هو سبب ارتفاع درجة حرارة غطاء المحرك والمكونات الموجودة تحته أثناء تشغيل المحرك. ترتفع درجة حرارة الإطارات أيضًا بسبب الاحتكاك مع الرصيف ، مما يؤدي إلى فقدان طاقة إضافي. هذا النقل للطاقة ، مثل كل الآخرين ، يزيد أيضًا من الانتروبيا.

قائمة المصطلحات

إنتروبيا (S)
مقياس العشوائية أو الفوضى داخل النظام
الحرارة
طاقة الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا تعمل (طاقة حركة الجزيئات أو الجسيمات)
الديناميكا الحرارية
دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية

محتويات

يتشابك تاريخ الديناميكا الحرارية بشكل أساسي مع تاريخ الفيزياء وتاريخ الكيمياء ويعود في النهاية إلى نظريات الحرارة في العصور القديمة. قوانين الديناميكا الحرارية هي نتيجة التقدم المحرز في هذا المجال على مدى القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. أول مبدأ ثابت للديناميكا الحرارية ، والذي أصبح في النهاية القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، صاغه سادي كارنو في عام 1824 في كتابه تأملات في القوة الدافعة للنار. بحلول عام 1860 ، كما تم إضفاء الطابع الرسمي عليه في أعمال العلماء مثل رودولف كلاوزيوس وويليام طومسون ، تم وضع ما يعرف الآن باسم القانونين الأول والثاني. لاحقًا ، صاغ والثر نرنست نظرية نرنست (أو فرضية نرنست) ، والتي تُعرف الآن باسم القانون الثالث ، خلال الفترة ما بين 1906 و 19012. في حين أن ترقيم القوانين عالمي اليوم ، إلا أن العديد من الكتب المدرسية طوال القرن العشرين قامت بترقيم القوانين بشكل مختلف. في بعض المجالات ، اعتبر القانون الثاني للتعامل مع كفاءة المحركات الحرارية فقط ، في حين أن ما يسمى بالقانون الثالث تناول زيادة الانتروبيا. تدريجيًا ، حل هذا الأمر نفسه وأضيف لاحقًا قانون صفري للسماح بتعريف متسق ذاتيًا لدرجة الحرارة. تم اقتراح قوانين إضافية ، لكنها لم تحقق عمومية القوانين الأربعة المقبولة ، ولم تتم مناقشتها بشكل عام في الكتب المدرسية القياسية.

يوفر القانون الصفري للديناميكا الحرارية أساس درجة الحرارة كمعامل تجريبي في الأنظمة الديناميكية الحرارية ويؤسس العلاقة المتعدية بين درجات حرارة الأجسام المتعددة في التوازن الحراري. يجوز النص على القانون بالصيغة التالية:

إذا كان كلا النظامين في حالة توازن حراري مع نظام ثالث ، فإنهما في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض. [4]

على الرغم من أن هذه النسخة من القانون هي واحدة من أكثر الإصدارات التي يتم ذكرها شيوعًا ، إلا أنها ليست سوى واحدة من مجموعة متنوعة من العبارات التي تم تصنيفها على أنها "قانون الصفر". تذهب بعض العبارات إلى أبعد من ذلك ، وذلك لتزويد الحقيقة الفيزيائية المهمة بأن درجة الحرارة أحادية البعد وأنه يمكن للمرء من الناحية النظرية ترتيب الأجسام في تسلسل رقمي حقيقي من أبرد إلى أكثر سخونة. [5] [6] [7]

تعتبر مفاهيم درجة الحرارة والتوازن الحراري أساسية للديناميكا الحرارية وقد تم ذكرها بوضوح في القرن التاسع عشر. اخترع رالف إتش فاولر اسم "قانون الصفر" في ثلاثينيات القرن الماضي ، بعد فترة طويلة من الاعتراف بالقوانين الأولى والثانية والثالثة على نطاق واسع. يسمح القانون بتعريف درجة الحرارة بطريقة غير دائرية دون الإشارة إلى الإنتروبيا ، المتغير المقترن بها. يُقال أن تعريف درجة الحرارة هذا "تجريبي". [8] [9] [10] [11] [12] [13]

القانون الأول للديناميكا الحرارية هو نسخة من قانون الحفاظ على الطاقة ، تم تكييفه للعمليات الديناميكية الحرارية. بشكل عام ، ينص قانون الحفظ على أن الطاقة الكلية لنظام معزول هي طاقة ثابتة يمكن تحويلها من شكل إلى آخر ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.

في نظام مغلق (أي لا يوجد نقل للمادة إلى أو خارج النظام) ، ينص القانون الأول على أن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام (Δيوالنظام ) يساوي الفرق بين الحرارة المزودة للنظام ( س ) والعمل ( دبليو ) انتهى بواسطة النظام على محيطه. (ملاحظة ، اصطلاح التوقيع البديل ، الذي لم يتم استخدامه في هذه المقالة ، هو تعريف دبليو كما أنجز العمل تشغيل النظام بمحيطه):

Δ U s y s t e m = Q - W > = Q-W>.

بالنسبة للعمليات التي تتضمن نقل المادة ، هناك حاجة إلى بيان إضافي.

عندما يتم دمج نظامين معزولين في البداية في نظام جديد ، فإن إجمالي الطاقة الداخلية للنظام الجديد ، يوالنظام ، سيكون مساويًا لمجموع الطاقات الداخلية للنظامين الأوليين ، يو1 و يو2 :

U s y s t e m = U 1 + U 2 < displaystyle U _ < rm > = U_ <1> + U_ <2>>.

تضمن القانون الأول عدة مبادئ:

  • الحفاظ على الطاقة ، الذي ينص على أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، ولكن يمكن فقط تغيير شكلها. والنتيجة الخاصة لذلك هي أن الطاقة الكلية للنظام المعزول لا تتغير.
  • مفهوم الطاقة الداخلية وعلاقتها بدرجة الحرارة. إذا كان للنظام درجة حرارة محددة ، فإن طاقته الإجمالية تتكون من ثلاثة مكونات يمكن تمييزها ، تسمى الطاقة الحركية (الطاقة الناتجة عن حركة النظام ككل) ، والطاقة الكامنة (الطاقة الناتجة عن مجال القوة المفروض خارجيًا) ، والطاقة الداخلية . إن إنشاء مفهوم الطاقة الداخلية يميز القانون الأول للديناميكا الحرارية عن القانون الأكثر عمومية لحفظ الطاقة.
    هي عملية نقل الطاقة من أو إلى نظام بطرق يمكن وصفها بالقوى الميكانيكية العيانية التي تعمل بين النظام ومحيطه. يمكن أن يأتي العمل الذي يقوم به النظام من طاقته الحركية الكلية ، أو من طاقته الكامنة الإجمالية ، أو من طاقته الداخلية.
  • عندما يتم نقل المادة إلى نظام ، يتم نقل الطاقة الداخلية المرتبطة بهذه الكتل والطاقة الكامنة معها.
  • تدفق الحرارة هو شكل من أشكال نقل الطاقة. التسخين هو العملية الطبيعية لنقل الطاقة من أو إلى نظام غير العمل أو نقل المادة. في النظام الحراري الحراري ، لا يمكن تغيير الطاقة الداخلية إلا عن طريق نقل الطاقة كحرارة:

يؤدي الجمع بين هذه المبادئ إلى بيان تقليدي واحد للقانون الأول للديناميكا الحرارية: ليس من الممكن بناء آلة ستخرج العمل بشكل دائم دون قدر مساوٍ من مدخلات الطاقة لتلك الآلة. أو باختصار ، آلة الحركة الدائمة من النوع الأول مستحيلة.

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى عدم رجوع العمليات الطبيعية ، وفي كثير من الحالات ، ميل العمليات الطبيعية إلى التجانس المكاني للمادة والطاقة ، وخاصة درجة الحرارة. يمكن صياغتها بعدة طرق مثيرة للاهتمام ومهمة. واحدة من أبسطها هي عبارة Clausius ، وهي أن الحرارة لا تنتقل تلقائيًا من الجسم الأكثر برودة إلى الجسم الأكثر سخونة.

إنه يعني وجود كمية تسمى إنتروبيا النظام الديناميكي الحراري. من حيث هذه الكمية فإنه يعني ذلك

عندما يُسمح لنظامين معزولين في البداية في مناطق منفصلة ولكن قريبة من الفضاء ، كل منهما في حالة توازن ديناميكي حراري مع نفسه ولكن ليس بالضرورة مع بعضهما البعض ، بالتفاعل ، فسوف يصلان في النهاية إلى توازن ديناميكي حراري متبادل. مجموع الانتروبيا للأنظمة المعزولة في البداية أقل من أو يساوي إجمالي الانتروبيا للتوليفة النهائية. تحدث المساواة فقط عندما يكون لدى النظامين الأصليين جميع متغيراتهما المكثفة (درجة الحرارة والضغط) متساوية ، فإن النظام النهائي له نفس القيم أيضًا.

ينطبق القانون الثاني على مجموعة متنوعة من العمليات ، سواء كانت قابلة للعكس أو لا رجعة فيها. وفقًا للقانون الثاني ، في نقل الحرارة القابل للانعكاس ، يتم نقل عنصر الحرارة ، س، هو ناتج درجة الحرارة (تي) ، كل من النظام ومصادر أو وجهة الحرارة ، مع الزيادة (دي اس) من المتغير المرافق للنظام ، إنتروبيا (س):

في حين أن العمليات القابلة للعكس هي حالة تقييد نظرية مفيدة ومريحة ، فإن جميع العمليات الطبيعية لا رجعة فيها. وخير مثال على هذه اللارجعة هو انتقال الحرارة عن طريق التوصيل أو الإشعاع. كان معروفًا قبل وقت طويل من اكتشاف فكرة الانتروبيا أنه عندما يدخل جسمان ، بدرجات حرارة مختلفة في البداية ، في اتصال حراري مباشر ، فإن الحرارة تتدفق فورًا وتلقائيًا من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأكثر برودة.

يمكن أيضًا النظر إلى الانتروبيا على أنه مقياس مادي يتعلق بالتفاصيل المجهرية للحركة وتكوين النظام ، عندما تكون الحالات العيانية معروفة فقط. غالبًا ما يشار إلى هذه التفاصيل باسم اضطراب على نطاق مجهري أو جزيئي ، وأقل في كثير من الأحيان تشتت الطاقة. بالنسبة إلى حالتين محددتين من الناحية الماكروسكوبية للنظام ، هناك كمية محددة رياضيًا تسمى "اختلاف إنتروبيا المعلومات بينهما". يحدد هذا مقدار المعلومات المادية المجهرية الإضافية المطلوبة لتحديد إحدى الحالات المحددة عيانيًا ، نظرًا للمواصفات العيانية للآخر - غالبًا ما تكون حالة مرجعية مُختارة بشكل ملائم والتي قد يُفترض وجودها مسبقًا بدلاً من ذكرها صراحةً. تحتوي الحالة النهائية للعملية الطبيعية دائمًا على تأثيرات محددة مجهريًا لا يمكن التنبؤ بها بشكل كامل ودقيق من المواصفات العيانية للحالة الأولية للعملية. هذا هو السبب في زيادة الانتروبيا في العمليات الطبيعية - توضح الزيادة مقدار المعلومات المجهرية الإضافية اللازمة لتمييز الحالة الأولية المحددة مجهريًا عن الحالة النهائية المحددة مجهريًا. [14] بشكل مكافئ ، في عملية الديناميكا الحرارية ، تنتشر الطاقة.

تقترب إنتروبيا النظام من قيمة ثابتة عندما تقترب درجة حرارته من الصفر المطلق.

عند درجة حرارة صفر ، يجب أن يكون النظام في حالة مع الحد الأدنى من الطاقة الحرارية ، الحالة الأرضية. تسمى القيمة الثابتة (ليس بالضرورة صفر) للإنتروبيا عند هذه النقطة بالانتروبيا المتبقية للنظام. لاحظ أنه ، باستثناء المواد الصلبة غير البلورية (مثل الزجاج) ، فإن الانتروبيا المتبقية لنظام ما تكون عادةً قريبة من الصفر. [2] ومع ذلك ، فإنها تصل إلى الصفر فقط عندما يكون للنظام حالة أرضية فريدة (أي أن الحالة ذات الحد الأدنى من الطاقة الحرارية لها تكوين واحد فقط ، أو الحالة الدقيقة). يتم استخدام Microstates هنا لوصف احتمال أن يكون النظام في حالة معينة ، حيث يُفترض أن يكون لكل دولة صغيرة نفس احتمالية الحدوث ، لذا فإن الحالات العيانية التي تحتوي على عدد أقل من الدول الصغيرة تكون أقل احتمالًا. بشكل عام ، يرتبط الانتروبيا بعدد الحالات الدقيقة الممكنة وفقًا لمبدأ بولتزمان:

أين س هي إنتروبيا النظام ، كب ثابت بولتزمان ، و Ω عدد الدول الصغيرة. عند الصفر المطلق ، هناك دولة صغيرة واحدة فقط ممكنة (Ω= 1 حيث أن جميع الذرات متطابقة بالنسبة لمادة نقية ونتيجة لذلك فإن جميع الطلبات متطابقة حيث توجد مجموعة واحدة فقط) و ln ⁡ (1) = 0 .

تعتبر العلاقات المتبادلة Onsager القانون الرابع للديناميكا الحرارية. [15] [16] [17] يصفون العلاقة بين التدفقات الديناميكية الحرارية والقوى في الديناميكا الحرارية غير المتوازنة ، على افتراض أن المتغيرات الديناميكية الحرارية يمكن تعريفها محليًا في حالة توازن محلي. هذه العلاقات مستمدة من الميكانيكا الإحصائية تحت مبدأ الانعكاس المجهري (في غياب المجالات المغناطيسية). نظرا لمجموعة من المعلمات واسعة النطاق Xأنا (الطاقة ، الكتلة ، الإنتروبيا ، عدد الجسيمات) والقوى الديناميكية الحرارية Fأنا (المتعلقة بالمعلمات الجوهرية ، مثل درجة الحرارة والضغط) ، تنص نظرية Onsager على أن [16]


اتصال لدورات AP ®

في دراسة الطاقة ، يستخدم العلماء مصطلح النظام للإشارة إلى المادة وبيئتها المتضمنة في عمليات نقل الطاقة ، مثل النظام البيئي. حتى الخلايا المفردة هي أنظمة بيولوجية وجميع الأنظمة تتطلب طاقة للحفاظ على النظام. كلما كان النظام أكثر ترتيبًا ، انخفض إنتروبيا. الانتروبيا هو مقياس لاضطراب النظام. (فكر في غرفة نومك كنظام. في مساء يوم الأحد ، ترمي الملابس المتسخة في سلة الغسيل ، وتعيد الكتب على الرفوف ، وتعيد الأطباق المتسخة إلى المطبخ. يتطلب تنظيف غرفتك مدخلاً من الطاقة. ما يحدث تدريجياً عندما يتقدم الأسبوع؟ لقد خمنته: الانتروبيا.) جميع الأنظمة البيولوجية تخضع لقوانين الكيمياء والفيزياء ، بما في ذلك قوانين الديناميكا الحرارية التي تصف خصائص وعمليات نقل الطاقة في الأنظمة. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون هي طاقة ثابتة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، ولكن يمكن تحويلها ونقلها. ينص القانون الثاني على أن كل عملية نقل للطاقة تنطوي على بعض فقدان الطاقة بشكل غير قابل للاستخدام ، مثل الطاقة الحرارية ، مما يؤدي إلى نظام أكثر اضطرابًا ، مثل غرفة نومك على مدار أسبوع. وبالتالي ، لا يوجد نقل للطاقة فعال بشكل كامل. سوف نستكشف كيف يتم تخزين الطاقة المجانية ونقلها واستخدامها بمزيد من التفصيل عندما ندرس التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي.

المعلومات المقدمة والأمثلة الموضحة في القسم ، دعم المفاهيم وأهداف التعلم الموضحة في الفكرة الكبيرة 2 من إطار منهج علم الأحياء AP ®. توفر أهداف التعلم المدرجة في إطار المناهج الدراسية أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، وتجربة معملية قائمة على الاستفسار ، وأنشطة تعليمية ، وأسئلة اختبار AP ®. يدمج هدف التعلم المحتوى المطلوب مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة.

فكرة كبيرة 2 تستخدم النظم البيولوجية الطاقة المجانية ولبنات البناء الجزيئية للنمو والتكاثر والحفاظ على التوازن الديناميكي.
الفهم الدائم 2 يتطلب نمو وتكاثر وصيانة الأنظمة الحية طاقة ومواد مجانية.
المعرفة الأساسية 2-أ 1 تتطلب جميع الأنظمة الحية مدخلات ثابتة من الطاقة المجانية.
ممارسة العلوم 6.2 يمكن للطالب بناء تفسيرات للظواهر بناءً على الأدلة المنتجة من خلال الممارسات العلمية.
هدف التعلم 2.1 يستطيع الطالب شرح كيفية استخدام الأنظمة البيولوجية للطاقة المجانية بناءً على البيانات التجريبية التي تتطلب جميع الكائنات الحية مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ على التنظيم والنمو والتكاثر.

يحتوي ملحق تقييم الممارسات العلمية على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP ®. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. يتم تصنيف المادة وبيئتها ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة كنظام ، وكل شيء خارج هذا النظام يسمى البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام - بين الموقد والوعاء والماء. هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. النظام المفتوح هو النظام الذي يمكن فيه نقل الطاقة بين النظام ومحيطه. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. النظام المغلق هو النظام الذي لا يمكنه نقل الطاقة إلى محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم ، حيث يستهلكون جزيئات تخزين الطاقة ويطلقون الطاقة إلى البيئة من خلال القيام بالعمل. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة لقوانين الفيزياء. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.


29 قوانين الديناميكا الحرارية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. يتم تصنيف المادة وبيئتها ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة كنظام ، وكل شيء خارج هذا النظام هو المحيط. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. النظام المفتوح هو النظام الذي يمكن أن تنتقل فيه الطاقة بين النظام ومحيطه. نظام الموقد مفتوح لأنه يمكن أن يفقد الحرارة في الهواء. النظام المغلق هو النظام الذي لا يمكنه نقل الطاقة إلى محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم ، حيث يستهلكون جزيئات تخزين الطاقة ويطلقون الطاقة إلى البيئة من خلال القيام بالعمل. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة لقوانين الفيزياء. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

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. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، قد تنتقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تتحول إلى أشكال مختلفة ، لكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. 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. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية ((الشكل)). (الشكل) أمثلة على تحولات الطاقة.

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. تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. 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.


القانون الثاني للديناميكا الحرارية

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. لا تعتبر أي من عمليات نقل الطاقة التي ناقشناها ، إلى جانب جميع عمليات نقل وتحولات الطاقة في الكون ، فعالة تمامًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية ، يعرّف العلماء الطاقة الحرارية على أنها طاقة تنتقل من نظام إلى آخر لا يقوم بعمل. على سبيل المثال ، عندما تطير طائرة في الهواء ، فإنها تفقد بعض طاقتها كطاقة حرارية بسبب الاحتكاك بالهواء المحيط. يؤدي هذا الاحتكاك في الواقع إلى تسخين الهواء عن طريق زيادة سرعة جزيء الهواء مؤقتًا. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي. هذا جيد للمخلوقات ذوات الدم الحار مثلنا ، لأن الطاقة الحرارية تساعد في الحفاظ على درجة حرارة أجسامنا. بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، لأن بعض الطاقة تُفقد في صورة غير صالحة للاستعمال.

أحد المفاهيم المهمة في الأنظمة الفيزيائية هو مفهوم النظام والفوضى (أو العشوائية). كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام في المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا المرتفعة تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة ((الشكل)). لفهم الكون بشكل أفضل ، فكر في غرفة نوم الطالب. إذا لم يتم وضع أي طاقة أو عمل فيه ، فستصبح الغرفة فوضوية بسرعة. سيكون موجودًا في حالة مضطربة للغاية ، حالة انتروبيا عالية. يجب وضع الطاقة في النظام ، في شكل قيام الطالب بالعمل ووضع كل شيء بعيدًا ، من أجل إعادة الغرفة إلى حالة النظافة والنظام. هذه الحالة هي حالة ذات إنتروبيا منخفضة. وبالمثل ، يجب صيانة السيارة أو المنزل باستمرار مع العمل من أجل إبقائه في حالة منظمة. إذا تُركت بمفردها ، فإن الكون & # 8217s أو السيارة & # 8217s تزداد تدريجياً من خلال الصدأ والتدهور. تحتوي الجزيئات والتفاعلات الكيميائية على كميات متفاوتة من الانتروبيا أيضًا. على سبيل المثال ، عندما تصل التفاعلات الكيميائية إلى حالة من التوازن ، تزداد الإنتروبيا ، وعندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر ، تزداد الإنتروبيا أيضًا.

نقل الطاقة والإنتروبيا الناتجة قم بإعداد تجربة بسيطة لفهم كيفية انتقال الطاقة وكيفية التغيير في نتائج الانتروبيا.

  1. خذ كتلة من الجليد. هذا ماء في صورة صلبة ، لذلك له ترتيب بنيوي عالٍ. هذا يعني أن الجزيئات لا يمكنها التحرك كثيرًا وهي في وضع ثابت. درجة حرارة الجليد & # 8217s هي 0 درجة مئوية. نتيجة لذلك ، فإن إنتروبيا النظام & # 8217s منخفضة.
  2. اترك الثلج يذوب في درجة حرارة الغرفة. ما هي حالة الجزيئات في الماء السائل الآن؟ كيف تم نقل الطاقة؟ هل إنتروبيا النظام & # 8217s أعلى أم أقل؟ لماذا ا؟
  3. سخني الماء حتى درجة الغليان. ماذا يحدث للنظام و # 8217s عندما يتم تسخين الماء؟

فكر في جميع الأنظمة الفيزيائية على هذا النحو: الكائنات الحية مرتبة بشكل كبير ، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ على نفسها في حالة انخفاض الانتروبيا. نظرًا لأن الأنظمة الحية تأخذ جزيئات تخزين الطاقة وتحولها من خلال تفاعلات كيميائية ، فإنها تفقد قدرًا من الطاقة القابلة للاستخدام في العملية ، لأنه لا يوجد تفاعل فعال تمامًا. كما أنها تنتج نفايات ومنتجات ثانوية ليست مصادر طاقة مفيدة. تزيد هذه العملية من إنتروبيا محيط النظام. نظرًا لأن جميع عمليات نقل الطاقة تؤدي إلى فقدان بعض الطاقة القابلة للاستخدام ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن كل نقل أو تحول للطاقة يزيد الكون & # 8217s الكون. على الرغم من أن الكائنات الحية مرتبة بشكل كبير وتحافظ على حالة منخفضة من الانتروبيا ، فإن الكون في المجموع يتزايد باستمرار بسبب فقدان الطاقة القابلة للاستخدام مع كل عملية نقل للطاقة تحدث. بشكل أساسي ، الكائنات الحية في معركة شاقة مستمرة ضد هذه الزيادة المستمرة في الكون.


ملخص القسم

في دراسة الطاقة ، يستخدم العلماء مصطلح "النظام" للإشارة إلى المادة وبيئتها المتضمنة في عمليات نقل الطاقة. كل شيء خارج النظام هو المحيط. الخلايا المنفردة هي أنظمة بيولوجية. يمكننا التفكير في الأنظمة على أنها تتمتع بقدر معين من النظام. يتطلب الأمر طاقة لجعل النظام أكثر ترتيبًا. كلما كان النظام أكثر ترتيبًا ، انخفض إنتروبيا. الانتروبيا هو مقياس لاضطراب النظام & # 8217s. عندما يصبح النظام أكثر اضطرابًا ، كلما انخفضت طاقته وزادت إنتروبيا.

قوانين الديناميكا الحرارية هي سلسلة من القوانين التي تصف خصائص وعمليات نقل الطاقة. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة. هذا يعني أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة ، فقط نقلها أو تحويلها. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن كل عملية نقل للطاقة تنطوي على بعض فقدان الطاقة بشكل غير قابل للاستخدام ، مثل الطاقة الحرارية ، مما يؤدي إلى نظام أكثر اضطرابًا. بعبارة أخرى ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، وكل ذلك ينقل الاتجاه نحو الفوضى.

راجع الأسئلة

أي مما يلي ليس مثالاً على تحول الطاقة؟

  1. تشغيل مفتاح الضوء
  2. الألواح الشمسية في العمل
  3. تشكيل الكهرباء الساكنة
  4. لا شيء مما بالأعلى

في كل من الأنظمة الثلاثة ، حدد حالة الانتروبيا (منخفضة أو عالية) عند مقارنة الأول والثاني: i. في اللحظة التي يتم فيها رش زجاجة عطر مقارنة بـ 30 ثانية لاحقًا ، ii. سيارة قديمة من خمسينيات القرن الماضي مقارنة بسيارة جديدة تمامًا. خلية حية مقارنة بالخلية الميتة.

  1. أنا. منخفض ، ثانيا. عالية ، ثالثا. قليل
  2. أنا. منخفض ، ثانيا. عالية ، ثالثا. عالي
  3. أنا. عالية ، ثانيا. منخفض ، ثالثا. عالي
  4. أنا. عالية ، ثانيا. منخفض ، ثالثا. قليل

أسئلة التفكير النقدي

تخيل مزرعة نملة متقنة بها أنفاق وممرات عبر الرمال حيث يعيش النمل في مجتمع كبير. تخيل الآن أن زلزالًا هز الأرض ودمر مزرعة النمل. في أي من هذين السيناريوهين ، قبل أو بعد الزلزال ، كان نظام مزرعة النمل في حالة انتروبيا أعلى أو أقل؟

كانت مزرعة النمل تحتوي على نسبة أقل من الانتروبيا قبل الزلزال لأنها كانت نظامًا عالي التنظيم. بعد الزلزال ، أصبح النظام أكثر اضطرابًا وكان له إنتروبيا أعلى.

تتم عمليات نقل الطاقة باستمرار في الأنشطة اليومية. فكر في سيناريوهين: الطهي على الموقد والقيادة. اشرح كيف ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على هذين السيناريوهين.

أثناء الطهي ، يتم تسخين الطعام على الموقد ، ولكن لا تذهب كل الحرارة إلى طهي الطعام ، حيث يتم فقد جزء منه كطاقة حرارية للهواء المحيط ، مما يؤدي إلى زيادة الانتروبيا. أثناء القيادة ، تقوم السيارات بحرق البنزين لتشغيل المحرك وتحريك السيارة. هذا التفاعل غير فعال تمامًا ، حيث يتم فقد بعض الطاقة أثناء هذه العملية كطاقة حرارية ، وهذا هو سبب ارتفاع درجة حرارة غطاء المحرك والمكونات الموجودة تحته أثناء تشغيل المحرك. ترتفع درجة حرارة الإطارات أيضًا بسبب الاحتكاك مع الرصيف ، مما يؤدي إلى فقدان طاقة إضافي. هذا النقل للطاقة ، مثل كل الآخرين ، يزيد أيضًا من الانتروبيا.

قائمة المصطلحات


قوانين الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية يشير إلى دراسة الطاقة ونقل الطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. يتم تصنيف المادة وبيئتها ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة كنظام ، ويطلق على كل شيء خارج هذا النظام اسم البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. النظام المفتوح هو النظام الذي يمكن فيه نقل الطاقة بين النظام ومحيطه. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. النظام المغلق هو النظام الذي لا يمكنه نقل الطاقة إلى محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم ، حيث يستهلكون جزيئات تخزين الطاقة ويطلقون الطاقة إلى البيئة من خلال القيام بالعمل. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة لقوانين الفيزياء. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. It states that this total amount of energy is constant. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. Light bulbs transform electrical energy into light energy. 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 the energy of sunlight into the chemical energy stored within organic molecules ([link]). Some examples of energy transformations are shown in [link].

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. Living cells have evolved to meet this challenge very well. Chemical energy stored within organic molecules such as sugars and fats is transformed through a series of cellular chemical reactions into energy within molecules of ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. Examples of the types of work that cells need to do include building complex molecules, transporting materials, powering the beating motion of cilia or flagella, contracting muscle fibers to create movement, and reproduction.

The Second Law of Thermodynamics

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. None of the energy transfers we’ve discussed, along with all energy transfers and transformations in the universe, is completely efficient. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. Thermodynamically, طاقة حرارية is defined as the energy transferred from one system to another that is not doing work. For example, when an airplane flies through the air, some of the energy of the flying plane is lost as heat energy due to friction with the surrounding air. This friction actually heats the air by temporarily increasing the speed of air molecules. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي. This is good for warm-blooded creatures like us, because heat energy helps to maintain our body temperature. Strictly speaking, no energy transfer is completely efficient, because some energy is lost in an unusable form.

An important concept in physical systems is that of order and disorder (also known as randomness). كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. Scientists refer to the measure of randomness or disorder within a system as entropy. High entropy means high disorder and low energy ([link]). To better understand entropy, think of a student’s bedroom. If no energy or work were put into it, the room would quickly become messy. It would exist in a very disordered state, one of high entropy. Energy must be put into the system, in the form of the student doing work and putting everything away, in order to bring the room back to a state of cleanliness and order. This state is one of low entropy. Similarly, a car or house must be constantly maintained with work in order to keep it in an ordered state. Left alone, the entropy of the house or car gradually increases through rust and degradation. Molecules and chemical reactions have varying amounts of entropy as well. For example, as chemical reactions reach a state of equilibrium, entropy increases, and as molecules at a high concentration in one place diffuse and spread out, entropy also increases.

Transfer of Energy and the Resulting Entropy Set up a simple experiment to understand how energy is transferred and how a change in entropy results.

  1. Take a block of ice. This is water in solid form, so it has a high structural order. This means that the molecules cannot move very much and are in a fixed position. The temperature of the ice is 0°C. As a result, the entropy of the system is low.
  2. Allow the ice to melt at room temperature. What is the state of molecules in the liquid water now? How did the energy transfer take place? Is the entropy of the system higher or lower? لماذا ا؟
  3. Heat the water to its boiling point. What happens to the entropy of the system when the water is heated?

All physical systems can be thought of in this way: Living things are highly ordered, requiring constant energy input to be maintained in a state of low entropy. As living systems take in energy-storing molecules and transform them through chemical reactions, they lose some amount of usable energy in the process, because no reaction is completely efficient. They also produce waste and by-products that aren’t useful energy sources. This process increases the entropy of the system’s surroundings. Since all energy transfers result in the loss of some usable energy, the second law of thermodynamics states that every energy transfer or transformation increases the entropy of the universe. Even though living things are highly ordered and maintain a state of low entropy, the entropy of the universe in total is constantly increasing due to the loss of usable energy with each energy transfer that occurs. Essentially, living things are in a continuous uphill battle against this constant increase in universal entropy.

ملخص القسم

In studying energy, scientists use the term “system” to refer to the matter and its environment involved in energy transfers. Everything outside of the system is called the surroundings. Single cells are biological systems. Systems can be thought of as having a certain amount of order. It takes energy to make a system more ordered. The more ordered a system is, the lower its entropy. الانتروبيا هو مقياس لاضطراب النظام. As a system becomes more disordered, the lower its energy and the higher its entropy become.

A series of laws, called the laws of thermodynamics, describe the properties and processes of energy transfer. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة. This means that energy can’t be created or destroyed, only transferred or transformed. The second law of thermodynamics states that every energy transfer involves some loss of energy in an unusable form, such as heat energy, resulting in a more disordered system. In other words, no energy transfer is completely efficient and tends toward disorder.

راجع الأسئلة

Which of the following is not an example of an energy transformation?

  1. Turning on a light switch
  2. Solar panels at work
  3. Formation of static electricity
  4. None of the above

Label each of the following systems as high or low entropy: i. the instant that a perfume bottle is sprayed compared with 30 seconds later, ii. an old 1950s car compared with a brand new car, and iii. a living cell compared with a dead cell.

  1. أنا. low, ii. high, iii. قليل
  2. أنا. low, ii. high, iii. عالي
  3. أنا. high, ii. low, iii. عالي
  4. أنا. high, ii. low, iii. قليل

إستجابة مجانية

Imagine an elaborate ant farm with tunnels and passageways through the sand where ants live in a large community. Now imagine that an earthquake shook the ground and demolished the ant farm. In which of these two scenarios, before or after the earthquake, was the ant farm system in a state of higher or lower entropy?

The ant farm had lower entropy before the earthquake because it was a highly ordered system. After the earthquake, the system became much more disordered and had higher entropy.

Energy transfers take place constantly in everyday activities. Think of two scenarios: cooking on a stove and driving. Explain how the second law of thermodynamics applies to these two scenarios.

While cooking, food is heating up on the stove, but not all of the heat goes to cooking the food, some of it is lost as heat energy to the surrounding air, increasing entropy. While driving, cars burn gasoline to run the engine and move the car. This reaction is not completely efficient, as some energy during this process is lost as heat energy, which is why the hood and the components underneath it heat up while the engine is turned on. The tires also heat up because of friction with the pavement, which is additional energy loss. This energy transfer, like all others, also increases entropy.

قائمة المصطلحات


The Second Law of Thermodynamics

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. None of the energy transfers we’ve discussed, along with all energy transfers and transformations in the universe, is completely efficient. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. Thermodynamically, heat energy is defined as the energy transferred from one system to another that is not doing work. For example, when an airplane flies through the air, some of the energy of the flying plane is lost as heat energy due to friction with the surrounding air. This friction actually heats the air by temporarily increasing the speed of air molecules. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي. This is good for warm-blooded creatures like us, because heat energy helps to maintain our body temperature. Strictly speaking, no energy transfer is completely efficient, because some energy is lost in an unusable form.

An important concept in physical systems is that of order and disorder (also known as randomness). كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. Scientists refer to the measure of randomness or disorder within a system as entropy . High entropy means high disorder and low energy ([Figure 2]). To better understand entropy, think of a student’s bedroom. If no energy or work were put into it, the room would quickly become messy. It would exist in a very disordered state, one of high entropy. Energy must be put into the system, in the form of the student doing work and putting everything away, in order to bring the room back to a state of cleanliness and order. This state is one of low entropy. Similarly, a car or house must be constantly maintained with work in order to keep it in an ordered state. Left alone, the entropy of the house or car gradually increases through rust and degradation. Molecules and chemical reactions have varying amounts of entropy as well. For example, as chemical reactions reach a state of equilibrium, entropy increases, and as molecules at a high concentration in one place diffuse and spread out, entropy also increases.


مراجع

Nicholls, D. G. & Ferguson, S. J. Bioenergetics 2 (Academic, London, 1992).

Vander Heiden, M. G. et al. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 97, 4666–4671 (2000).

Vander Heiden, M. G., Chandel, N. S., Schumacker, P. T. & Thompson, C. B. مول. زنزانة 3, 159–167 (1999).

Vander Heiden, M. G., Chandel, N. S., Williamson, E. K., Schumacker, P. T. & Thompson, C. B. زنزانة 91, 627–637 (1997).

Pfaff, E., Heldt, H. W. & Klingenberg, M. يورو. J. Biochem. 3, 484–493 (1969).

Rottenberg, H. & Wu, S. L. بيوكيم. بيوفيز. اكتا 1404, 393–404 (1998).


ملخص القسم

In studying energy, scientists use the term “system” to refer to the matter and its environment involved in energy transfers. Everything outside of the system is the surroundings. Single cells are biological systems. We can think of systems as having a certain amount of order. It takes energy to make a system more ordered. The more ordered a system, the lower its entropy. Entropy is a measure of a system's disorder. As a system becomes more disordered, the lower its energy and the higher its entropy.

The laws of thermodynamics are a series of laws that describe the properties and processes of energy transfer. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة. This means that energy cannot be created or destroyed, only transferred or transformed. The second law of thermodynamics states that every energy transfer involves some loss of energy in an unusable form, such as heat energy, resulting in a more disordered system. In other words, no energy transfer is completely efficient, and all transfers trend toward disorder.


شاهد الفيديو: الدحيح - الإنتروبي (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Moll

    ليس من الضروري تجربة كل شيء على التوالي

  2. Whitby

    إسمح لي لما أنا هنا للتدخل… مؤخرا. لكنهم قريبون جدًا من الموضوع. يمكنهم المساعدة في الإجابة. اكتب إلى رئيس الوزراء.

  3. Bicoir

    بالأحرى رأي مسلية

  4. Tevis

    إذا كنت شخصًا أكثر مبادئًا ، مثل العديد من زملائك ، فستكون أفضل بكثير ... تعلم!

  5. Mohamet

    واو ، انظر ، شيء ميداني.

  6. Meztigul

    )))))))) لا أستطيع أن أخبرك :)



اكتب رسالة