Pentru studierea energiei, oamenii de știință utilizează termenul de „sistem” atunci când se referă la materie și mediul din jurul său implicat în transferurile de energie, așa cum este un ecosistem. Chiar și celulele individuale sunt sisteme biologice, iar orice sistem ale nevoie de energie pentru a-și menține ordinea. Cu cât un sistem este mai ordonat, cu atât entropia sa este mai mică. (Entropia este măsura dezordinii unui sistem.)
Toate sistemele biologice se supun legilor chimiei și fizicii, inclusiv legilor termodinamicii, care descriu proprietățile și procesele transferului de energie în cadrul sistemelor. Prima lege a termodinamicii spune că energia totală din univers este constantă; energia nu poate fi creată sau distrusă, dar poate fi transformată și transferată. A doua lege a termodinamicii spune că orice transfer de energie implică o pierdere de energie sub o formă inutilizabilă, așa cum este căldura, ceea ce duce la un sistem mai dezordonat. Așadar, niciun transfer de energie nu este complet eficient.
Termodinamica studiază energia și transferul de energie în cadrul materiei. Materia și mediul din jurul său, relevant pentru un anumit transfer de energie, formează împreună un sistem, iar orice există în afara acelui sistem reprezintă vecinătatea. De exemplu, atunci când încălzim un vas cu apă pe aragaz, sistemul include aragazul, vasul și apa. Energia este transferată în cadrul sistemului (între aragaz, vas și apă).
Există două tipuri de sisteme: deschise și închise. Un sistem deschis este un sistem în care energia și materia pot fi transferate liber între sistem și vecinătatea sa. În exemplul de mai sus, sistemul este deschis, deoarece căldura poate fi pierdută în aerul înconjurător. Un sistem închis este un sistem care poate transfera în vecinătate doar energie, nu și materie.
Sistemele biologice sunt sisteme deschise. Energia este mereu schimbată între sistem și vecinătatea sa, pe măsură ce sistemul stochează energia sub formă de molecule și o eliberează în mediu prin desfășurarea activității. La fel ca toate lucrurile din lumea fizică, energia se supune legilor fizicii. Legile termodinamicii guvernează transferul de energie dintre toate sistemele din univers.
Prima lege a termodinamicii
Prima lege a termodinamicii se referă la cantitatea totală de energie din univers. Legea spune că această energie totală este constantă. Cu alte cuvinte, în univers întotdeauna a existat și mereu va exista exact aceeași de cantitate de energie.
Energia există în multe forme diferite. Potrivit primei legi a termodinamicii, energia poate fi transferată dintr-un loc în altul sau poate fi transformată dintr-o formă în alta, dar nu poate creată sau distrusă. Transferurile și transformările de energie au loc permanent în jurul nostru. Becurile transformă energia electrică în energie luminoasă. plitele cu gaz transformă energia chimică a gazului natural în energie termică. Plantele desfășoară una dintre cele mai utile transformări a energiei: convertirea energiei solare în energia chimică stocată în moleculele organice (Figura 5).
Figura 5 – Două exemple ale transferului energie de la un sistem la altul și transformarea acesteia. Oamenii pot converti energia chimică din alimente în energie cinetică. Plantele pot converti radiația electromagnetică (lumina solară) în energie chimică
Provocarea cu care se confruntă toate organismele vii este obținerea energiei din mediul înconjurător într-o formă care să poată fi transferată sau transformată în energie utilă pentru desfășurarea activității. Energia chimică stocată în moleculele organice, așa cum sunt zaharurile sau grăsimile, este transferată, printr-o serie de reacții chimice celulare, în energia din moleculele de ATP. Energia din aceste molecule este ușor accesibilă pentru desfășurarea activității. Exemple de activități desfășurate de celule sunt sinteza de molecule complexe, transportul materialelor, mișcarea cililor și flagelilor, contracția fibrelor musculare și reproducerea.
A doua lege a termodinamicii
A doua lege a termodinamicii spune că niciunul dintre transferurile de energie discutate mai sus este complet eficient. În urma fiecărui transfer de energie există o cantitate de energie care se pierde sub o formă inutilizabilă. În majoritatea cazurilor, această formă de energie este căldura (energia termică).
Din punct de vedere termodinamic, energia termică este definită ca energia transferată de la un sistem la altul și care nu este utilizată pentru desfășurarea activității. De exemplu, atunci când un avion zboară, o parte din energia sa se pierde sub formă de energie termică datorită frecării cu aerul. Această frecare încălzește aerul prin creșterea temporară a vitezei moleculelor de aer.
În același fel, o parte din energie se pierde sub formă de căldură în timpul reacțiilor metabolice celulare. Acest lucru este ceva pozitiv pentru organismele cu sânge cald, așa cum sunt oamenii, deoarece energia termică ne ajută să ne păstrăm temperatura corpului.
Un concept important al fizicii este acela de ordine și dezordine (stare aleatorie). Cu cât un sistem pierde mai multă energie în mediul înconjurător, cu atât acel sistem devine mai dezordonat și mai aleatoriu. Oamenii de știință folosesc termenul de „entropie” pentru a măsura dezordinea unui sistem. O entropie ridicată înseamnă dezordine mare și energie scăzută (Figura 6).
Moleculele și reacțiile chimice dețin un anumit grad de entropie. De exemplu, pe măsură ce reacțiile chimice ajung la o stare de echilibru, entropia lor crește, iar pe măsură ce moleculele dintr-un loc cu concentrație ridicată difuzează și se răspândesc, entropia crește de asemenea.
Figura 6 – Entropia este o măsură a dezordinii unui sistem. Gazele au o entropie mai mare decât lichidele, iar lichidele au o entropie mai mare decât solidele.
Toate sistemele vii sunt extrem de ordonate și au nevoie de aport constant de energie pentru a se menține într-o stare cu entropie scăzută. Pe măsură ce sistemele vii transformă moleculele de stocare a energie prin diferite reacții chimice, ele pierd o parte din energie sub o formă neutilizabilă, deoarece nu este complet eficientă. Ele produce, de asemenea, reziduuri sau produși secundari ce nu pot fi folosiți ca sursă de energie. Acest proces crește entropia vecinătății sistemului.
Din moment ce orice transfer de energie este însoțit de o pierdere de energie, legea a doua a termodinamicii spune că orice transfer sau transformare a energiei crește entropia universului. Chiar dacă sistemele biologice sunt foarte ordonate și își mențin o entropie scăzută, entropia totală a universului crește constant datorită pierderii energiei inutilizabile la fiecare transfer de energie ce are loc. În esență, organismele vii sunt într-o luptă continuă cu această creștere constantă a entropiei universului.
Sursa (text și ilustrații): OpenStax
Zedalis, J. & Eggebrecht, J. (2018). Energy and Metabolism, din Biology for AP® Courses. Houston, Texas, S.U.A.: OpenStax. Preluat de pe https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics