Второй закон термодинамики

С точки зрения биологии второй закон термодинамики наиболее интересен. Он предсказывает направление всех событий, участвующих в энергообмене, и поэтому называется «стрелой времени». Вот один из вариантов формулировки второго закона: «При всех энергообменах или энергетических превращениях, если не происходит потери энергии или подачи ее извне в систему, потенциальная энергия на конечном этапе будет всегда меньше, чем потенциальная энергия исходного состояния».

Второй закон согласуется с повседневным опытом. Камень будет падать с горы, но никогда не поднимется на гору. Тепло будет переходить от более теплого тела к холодному, но никогда в обратном направлении.

Клетки человека могут ферментативно утилизовать глюкозу с образованием С02 и воды, но поскольку мы не можем запасать энергию солнца, как это делают растения, то не в состоянии и ферментативным путем синтезировать глюкозу из двуокиси углерода и воды. В процессе, приводящем к уменьшению потенциальной энергии, энергия выделяется (иначе он бы нарушал первый закон). Такой процесс называют экзергонической реакцией.

Согласно второму закону, только экзергонические реакции могут происходить «спонтанно», т. е. самопроизвольно. (Слово «спонтанно» ничего не говорит о скорости реакции, а только о том, может или не может она произойти.) В то же время эндергонические реакции требуют притока энергии, и тем большего, чем больше разница в энергии между конечным продуктом и исходными компонентами реакции.

О том, является ли данная реакция экзергонической или нет, судят по величине АН, т. е. по изменению количества тепла системы (А означает изменение, Н количество тепла). Короче говоря, изменение количества тепла приблизительно равно изменению потенциальной энергии. Например, изменение энергии, которое происходит при окислении глюкозы, можно измерить в калориметре и выразить в АН.

Окисление 1 моля глюкозы дает 673 ккал. (Моль это количество вещества в граммах, равное молекулярной массе. Например, атомная масса углерода 12, а кислорода 16, поэтому молекулярная масса С02 44, а 1 моль С02 равен 44 г.) Р6Н 120(1+602 >6С02+6H2o ДН=673 ккал/моль. Знак «минус» означает, что энергия выделилась, т. е. химическая реакция с отрицательным значением АН это экзергоническая реакция.

Другой фактор, связанный с накоплением или потерей тепла, может определить направление процесса. Этот фактор называется энтропией и является мерой беспорядка или упорядоченности системы. Например, переход воды из твердого в жидкое состояние и затем в газообразное (водяной пар) эндотермические процессы, потребляющие значительное количество тепла из окружающей среды. В соответствующих условиях они происходят самопроизвольно. Ключевым моментом в этих процессах является увеличение энтропии.

Когда тает лед, вода из твердого состояния переходит в жидкое; при этом рвутся связи, которые удерживали молекулы воды в кристаллах льда. Когда вода испаряется, то рвутся оставшиеся водородные связи и отдельные молекулы переходят в воздушную фазу. В обоих случаях беспорядок системы возрастает. В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с тем, что чем больше число объектов и чем они меньше по размеру, тем больше беспорядок.

Возможность беспорядка больше, если на столе 20 листов бумаги, чем если их 2 или 10. Если вы разрежете 20 листов бумаги пополам, то энтропия системы увеличится, т. е. повысится возможность для создания беспорядка. Общепринято, что между энергией и энтропией существует взаимосвязь. Если вы должны привести в порядок комнату или расположить книги по алфавиту, то понимаете, что кто-то должен поработать и затратить энергию.

И разложить бумаги на столе можно, только затратив энергию. Теперь обратимся к вопросу об изменении энергии, которое определяет ход химических реакций. Как уже обсуждалось, и изменение содержания тепла в системе (АН), и изменение энтропии (AS) приводят к общему изменению энергетического состояния.

Это общее изменение энергетического состояния называется изменением свободной энергии и обозначается AG в честь американского физика Дж. У. Гиббса (18391903), который внес большой вклад в становление термодинамики. Теперь, имея представление о AG, вернемся к примеру с окислением глюкозы. В этой реакции АН равно 673 ккал/ /моль, AG составляет 686 ккал/моль.

Таким образом, фактор энтропии вносит в величину свободной энергии 13 ккал/моль. Изменение тепла и энтропии ведет к снижению энергетического состояния продуктов этой реакции. Величина свободной энергии AG и ее изменение позволяют предсказать характер процесса, если АН равно нулю или имеет положительное значение.

Мы знаем, что тепло переходит от нагретого тела к холодному и молекулы краски распределяются в стакане с водой. В каждом из этих процессов конечное состояние имеет бблыную энтропию и поэтому меньшую потенциальную энергию, чем исходное. Взаимосвязь между AG, АН и энтропией можно выразить следующим уравнением:

AG = ДН - TAS.

Это уравнение означает, что изменение свободной энергии равно изменению количества тепла (отрицательная величина в экзотермических реакциях, когда тепло выделяется) минус изменение энтропии, которое зависит от величины абсолютной температуры Т.

В экзергонических реакциях ДО всегда отрицательная величина, но ДН может быть равно нулю или иметь положительное значение. Поскольку Т всегда положительна, то чем больше изменение энтропии, тем больше величина ДО. Поэтому возможна и другая формулировка второго закона: «Все естественные процессы экзергонические».

Законы термодинамики имеют решающее значение для биологии так же, как для физики и химии. Они позволяют понять принципы, лежащие в основе самых разнообразных процессов и явлений. Кроме того, как будет видно дальше, они позволяют вести своеобразные «бухгалтерские» расчеты в биохимии.

Наиболее интересное применение второго закона в биологии касается взаимосвязи между энтропией, с одной стороны, и порядком и организацией, с другой. Живые системы непрерывно тратят большое количество энергии, чтобы поддержать порядок, т. е. чтобы сохранять состояние, далекое от равновесия. При достижении равновесия химические реакции в клетке остановились бы и никакая работа не совершалась. В состоянии равновесия клетка бы скоро погибла.

_{П. Рейвн, Р. Эверт, С. Айкхорн, Современная ботаника В 2-х томах, Том 1, Перевод с английского канд. биол. наук В. Н. Гладковой, проф. М. Ф. Даниловой, д-ра биол. наук И. М. Кислюк, канд. биол. наук Н. С. Мамушиной под редакцией акад. А. Л. Тахтаджяна}

AOF | 18.11.2020 16:25:15