Informatie

6.3: De wetten van de thermodynamica - biologie


Vaardigheden om te ontwikkelen

  • Bespreek het concept van entropie
  • Leg de eerste en tweede wet van de thermodynamica uit

Thermodynamica verwijst naar de studie van energie en energieoverdracht waarbij fysieke materie betrokken is. De materie en zijn omgeving die relevant zijn voor een bepaald geval van energieoverdracht worden geclassificeerd als een systeem, en alles buiten dat systeem wordt de omgeving genoemd. Als u bijvoorbeeld een pan water op het fornuis verwarmt, omvat het systeem het fornuis, de pan en het water. Energie wordt overgedragen binnen het systeem (tussen de kachel, pot en water). Er zijn twee soorten systemen: open en gesloten. Een open systeem is een systeem waarin energie kan worden overgedragen tussen het systeem en zijn omgeving. Het kookplaatsysteem is open omdat er warmte verloren kan gaan in de lucht. Een gesloten systeem is een systeem dat geen energie kan overdragen aan zijn omgeving.

Biologische organismen zijn open systemen. Zoals alle dingen in de fysieke wereld, is energie onderworpen aan de wetten van de fysica. De wetten van de thermodynamica regelen de overdracht van energie in en tussen alle systemen in het universum.

De eerste wet van de thermodynamica

De eerste wet van de thermodynamica gaat over de totale hoeveelheid energie in het universum. Het stelt dat deze totale hoeveelheid energie constant is. Met andere woorden, er is altijd precies dezelfde hoeveelheid energie in het universum geweest en zal er altijd zijn. Energie bestaat in veel verschillende vormen. Volgens de eerste wet van de thermodynamica kan energie van plaats naar plaats worden overgedragen of in verschillende vormen worden omgezet, maar het kan niet worden gecreëerd of vernietigd. De overdrachten en transformaties van energie vinden voortdurend om ons heen plaats. Gloeilampen zetten elektrische energie om in lichtenergie. Gaskachels zetten chemische energie van aardgas om in warmte-energie. Planten voeren een van de biologisch meest bruikbare energietransformaties op aarde uit: die van het omzetten van de energie van zonlicht in de chemische energie die is opgeslagen in organische moleculen (Figuur 2.3.b.1). Enkele voorbeelden van energietransformaties worden getoond in figuur (PageIndex{1}).

De uitdaging voor alle levende organismen is om energie uit hun omgeving te halen in vormen die ze kunnen omzetten of omzetten in bruikbare energie om te werken. Levende cellen zijn geëvolueerd om deze uitdaging zeer goed aan te gaan. Chemische energie die is opgeslagen in organische moleculen zoals suikers en vetten, wordt via een reeks cellulaire chemische reacties omgezet in energie in ATP-moleculen. Energie in ATP-moleculen is gemakkelijk toegankelijk om werk te doen. Voorbeelden van het soort werk dat cellen moeten doen, zijn onder meer het bouwen van complexe moleculen, het transporteren van materialen, het aandrijven van de kloppende beweging van trilharen of flagella, het samentrekken van spiervezels om beweging te creëren en reproductie.

De tweede wet van de thermodynamica

De primaire taken van een levende cel om energie te verkrijgen, te transformeren en te gebruiken om werk te doen, lijken misschien eenvoudig. De tweede wet van de thermodynamica verklaart echter waarom deze taken moeilijker zijn dan ze lijken. Geen van de energieoverdrachten die we hebben besproken, samen met alle energieoverdrachten en transformaties in het universum, is volledig efficiënt. Bij elke energieoverdracht gaat een bepaalde hoeveelheid energie verloren in een vorm die onbruikbaar is. In de meeste gevallen is deze vorm warmte-energie. Thermodynamisch wordt warmte-energie gedefinieerd als de energie die van het ene systeem naar het andere wordt overgedragen en geen werk doet. Wanneer een vliegtuig bijvoorbeeld door de lucht vliegt, gaat een deel van de energie van het vliegende vliegtuig verloren als warmte-energie door wrijving met de omringende lucht. Deze wrijving verwarmt de lucht in feite door de snelheid van luchtmoleculen tijdelijk te verhogen. Evenzo gaat wat energie verloren als warmte-energie tijdens cellulaire metabolische reacties. Dit is goed voor warmbloedige wezens zoals wij, omdat warmte-energie helpt om onze lichaamstemperatuur op peil te houden. Strikt genomen is geen enkele energieoverdracht volledig efficiënt, omdat er een deel van de energie verloren gaat in een onbruikbare vorm.

Een belangrijk concept in fysieke systemen is dat van orde en wanorde (ook bekend als willekeur). Hoe meer energie een systeem aan zijn omgeving verliest, hoe minder geordend en willekeuriger het systeem is. Wetenschappers noemen de mate van willekeur of wanorde binnen een systeem entropie. Hoge entropie betekent hoge wanorde en lage energie (Figuur (PageIndex{2})). Denk aan de slaapkamer van een student om entropie beter te begrijpen. Als er geen energie of werk in zou worden gestopt, zou de kamer snel rommelig worden. Het zou in een zeer ongeordende staat bestaan, een van hoge entropie. Er moet energie in het systeem worden gestoken, in de vorm van de student die aan het werk is en alles opbergt, om de kamer weer in een staat van netheid en orde te brengen. Deze toestand is er een van lage entropie. Evenzo moet een auto of huis constant worden onderhouden met werk om het in een geordende staat te houden. Met rust gelaten, neemt de entropie van het huis of de auto geleidelijk toe door roest en degradatie. Moleculen en chemische reacties hebben ook verschillende hoeveelheden entropie. Als chemische reacties bijvoorbeeld een evenwichtstoestand bereiken, neemt de entropie toe, en als moleculen met een hoge concentratie op één plaats diffunderen en verspreiden, neemt ook de entropie toe.

Wetenschappelijke connectie

Overdracht van energie en de resulterende entropie

Zet een eenvoudig experiment op om te begrijpen hoe energie wordt overgedragen en hoe een verandering in entropie het gevolg is.

  1. Pak een blok ijs. Dit is water in vaste vorm, dus het heeft een hoge structurele orde. Dit betekent dat de moleculen niet veel kunnen bewegen en in een vaste positie staan. De temperatuur van het ijs is 0°C. Als gevolg hiervan is de entropie van het systeem laag.
  2. Laat het ijs smelten bij kamertemperatuur. Wat is nu de toestand van moleculen in het vloeibare water? Hoe vond de energieoverdracht plaats? Is de entropie van het systeem hoger of lager? Waarom?
  3. Verwarm het water tot het kookpunt. Wat gebeurt er met de entropie van het systeem als het water wordt verwarmd?

Alle fysieke systemen kunnen op deze manier worden beschouwd: levende wezens zijn zeer geordend en vereisen een constante energie-input om in een staat van lage entropie te worden gehouden. Omdat levende systemen energie-opslaande moleculen opnemen en ze door chemische reacties transformeren, verliezen ze een hoeveelheid bruikbare energie in het proces, omdat geen enkele reactie volledig efficiënt is. Ze produceren ook afval en bijproducten die geen bruikbare energiebronnen zijn. Dit proces verhoogt de entropie van de omgeving van het systeem. Aangezien alle energieoverdrachten resulteren in het verlies van enige bruikbare energie, stelt de tweede wet van de thermodynamica dat elke energieoverdracht of transformatie de entropie van het universum verhoogt. Hoewel levende wezens zeer geordend zijn en een staat van lage entropie behouden, neemt de entropie van het universum in totaal voortdurend toe als gevolg van het verlies van bruikbare energie bij elke energieoverdracht die plaatsvindt. In wezen verkeren levende wezens in een voortdurende zware strijd tegen deze constante toename van universele entropie.

Samenvatting

Bij het bestuderen van energie gebruiken wetenschappers de term "systeem" om te verwijzen naar de materie en zijn omgeving die betrokken zijn bij energieoverdrachten. Alles buiten het systeem wordt de omgeving genoemd. Enkele cellen zijn biologische systemen. Systemen kunnen worden gezien als een bepaalde hoeveelheid orde. Het kost energie om een ​​systeem meer geordend te maken. Hoe meer geordend een systeem is, hoe lager de entropie. Entropie is een maat voor de wanorde van een systeem. Naarmate een systeem meer wanordelijk wordt, wordt de energie lager en de entropie hoger.

Een reeks wetten, de wetten van de thermodynamica genoemd, beschrijven de eigenschappen en processen van energieoverdracht. De eerste wet stelt dat de totale hoeveelheid energie in het heelal constant is. Dit betekent dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, alleen kan worden overgedragen of getransformeerd. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat elke energieoverdracht enig verlies van energie in een onbruikbare vorm met zich meebrengt, zoals warmte-energie, wat resulteert in een meer ongeordend systeem. Met andere woorden, geen enkele energieoverdracht is volledig efficiënt en neigt naar wanorde.

Beoordelingsvragen

Welke van de volgende is geen voorbeeld van een energietransformatie?

  1. Een lichtschakelaar aanzetten
  2. Zonnepanelen aan het werk
  3. Vorming van statische elektriciteit
  4. Geen van de bovenstaande

EEN

Label elk van de volgende systemen als hoge of lage entropie: i. het moment dat een parfumflesje wordt verspoten vergeleken met 30 seconden later, ii. een oude auto uit de jaren 50 vergeleken met een gloednieuwe auto, en iii. een levende cel vergeleken met een dode cel.

  1. l. laag, ii. hoog, iii. laag
  2. l. hoog
  3. l. hoog, ii. laag, iii. Laag

EEN

Gratis antwoord

Stel je een uitgebreide mierenboerderij voor met tunnels en doorgangen door het zand waar mieren in een grote gemeenschap leven. Stel je nu voor dat een aardbeving de grond deed schudden en de mierenboerderij vernietigde. In welke van deze twee scenario's, voor of na de aardbeving, bevond het mierenboerderijsysteem zich in een staat van hogere of lagere entropie?

De mierenboerderij had vóór de aardbeving een lagere entropie omdat het een zeer geordend systeem was. Na de aardbeving raakte het systeem veel meer ontregeld en had het een hogere entropie.

Energieoverdrachten vinden voortdurend plaats in dagelijkse activiteiten. Bedenk twee scenario's: koken op een fornuis en autorijden. Leg uit hoe de tweede wet van de thermodynamica van toepassing is op deze twee scenario's.

Tijdens het koken warmt het voedsel op op het fornuis, maar niet alle warmte gaat naar het koken van het voedsel, een deel ervan gaat verloren als warmte-energie aan de omringende lucht, waardoor de entropie toeneemt. Tijdens het rijden verbranden auto's benzine om de motor te laten draaien en de auto te verplaatsen. Deze reactie is niet volledig efficiënt, omdat tijdens dit proces energie verloren gaat als warmte-energie, waardoor de motorkap en de onderliggende componenten opwarmen terwijl de motor wordt ingeschakeld. De banden warmen ook op door wrijving met het wegdek, wat extra energieverlies met zich meebrengt. Deze energieoverdracht verhoogt, net als alle andere, ook de entropie.

Woordenlijst

entropie (S)
maat voor willekeur of wanorde binnen een systeem
warmte
energie energie overgedragen van het ene systeem naar het andere die niet werkt (energie van de beweging van moleculen of deeltjes)
thermodynamica
studie van energie en energieoverdracht waarbij fysieke materie betrokken is

Inhoud

De geschiedenis van de thermodynamica is fundamenteel verweven met de geschiedenis van de natuurkunde en de geschiedenis van de scheikunde en gaat uiteindelijk terug tot theorieën over warmte in de oudheid. De wetten van de thermodynamica zijn het resultaat van de vooruitgang die in de negentiende en het begin van de twintigste eeuw op dit gebied is geboekt. Het eerste gevestigde thermodynamische principe, dat uiteindelijk de tweede wet van de thermodynamica werd, werd in 1824 door Sadi Carnot geformuleerd in zijn boek Reflections on the Motive Power of Fire. In 1860 werden, zoals geformaliseerd in de werken van wetenschappers als Rudolf Clausius en William Thomson, wat nu bekend staat als de eerste en tweede wet vastgesteld. Later werd de stelling van Nernst (of het postulaat van Nernst), die nu bekend staat als de derde wet, geformuleerd door Walther Nernst in de periode 1906-1912. Hoewel de nummering van de wetten tegenwoordig universeel is, hebben verschillende leerboeken in de 20e eeuw de wetten anders genummerd. Op sommige gebieden werd aangenomen dat de tweede wet alleen betrekking had op de efficiëntie van warmtemotoren, terwijl wat de derde wet werd genoemd handelde over entropietoenames. Geleidelijk aan loste dit zichzelf op en later werd een nulde wet toegevoegd om een ​​zelfconsistente definitie van temperatuur mogelijk te maken. Er zijn aanvullende wetten voorgesteld, maar deze hebben niet de algemeenheid van de vier geaccepteerde wetten bereikt en worden over het algemeen niet besproken in standaard handboeken.

De nulde wet van de thermodynamica zorgt voor de basis van temperatuur als een empirische parameter in thermodynamische systemen en stelt de transitieve relatie vast tussen de temperaturen van meerdere lichamen in thermisch evenwicht. De wet kan in de volgende vorm worden vermeld:

Als twee systemen beide in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem, dan zijn ze in thermisch evenwicht met elkaar. [4]

Hoewel deze versie van de wet een van de meest genoemde versies is, is het slechts een van de vele verklaringen die worden bestempeld als "de nulde wet". Sommige uitspraken gaan verder, om het belangrijke fysieke feit te leveren dat temperatuur eendimensionaal is en dat men conceptueel lichamen in een reële getallenreeks van kouder naar heter kan rangschikken. [5] [6] [7]

Deze concepten van temperatuur en thermisch evenwicht zijn fundamenteel voor de thermodynamica en werden in de negentiende eeuw duidelijk vermeld. De naam 'nulde wet' werd uitgevonden door Ralph H. Fowler in de jaren '30, lang nadat de eerste, tweede en derde wet algemeen erkend waren. De wet staat de definitie van temperatuur toe op een niet-cirkelvormige manier zonder verwijzing naar entropie, de geconjugeerde variabele. Zo'n temperatuurdefinitie wordt 'empirisch' genoemd. [8] [9] [10] [11] [12] [13]

De eerste wet van de thermodynamica is een versie van de wet van behoud van energie, aangepast voor thermodynamische processen. In het algemeen stelt de behoudswet dat de totale energie van een geïsoleerd systeem constant is, energie kan van de ene vorm in de andere worden omgezet, maar kan niet worden gecreëerd of vernietigd.

In een gesloten systeem (d.w.z. er is geen overdracht van materie in of uit het systeem), stelt de eerste wet dat de verandering in interne energie van het systeem (usysteem ) is gelijk aan het verschil tussen de aan het systeem toegevoerde warmte ( Q ) en het werk ( W ) gedaan door het systeem op zijn omgeving. (Let op, een alternatieve tekenconventie, die in dit artikel niet wordt gebruikt, is om te definiëren: W als het werk gedaan Aan het systeem door zijn omgeving):

Δ U s y s t e m = Q − W >=Q-W> .

Voor processen die overdracht van materie omvatten, is een nadere verklaring nodig.

Wanneer twee aanvankelijk geïsoleerde systemen worden gecombineerd tot een nieuw systeem, dan zal de totale interne energie van het nieuwe systeem, usysteem , zal gelijk zijn aan de som van de interne energieën van de twee initiële systemen, u1 en u2 :

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

De Eerste Wet omvat verschillende principes:

  • Het behoud van energie, dat zegt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen van vorm kan veranderen. Een bijzonder gevolg hiervan is dat de totale energie van een geïsoleerd systeem niet verandert.
  • Het concept van interne energie en de relatie tot temperatuur. Als een systeem een ​​bepaalde temperatuur heeft, dan heeft zijn totale energie drie te onderscheiden componenten, genaamd kinetische energie (energie als gevolg van de beweging van het systeem als geheel), potentiële energie (energie als gevolg van een extern opgelegd krachtveld) en interne energie . De oprichting van het concept van interne energie onderscheidt de eerste wet van de thermodynamica van de meer algemene wet van behoud van energie.
    is een proces van overdracht van energie van of naar een systeem op manieren die kunnen worden beschreven door macroscopische mechanische krachten die tussen het systeem en zijn omgeving werken. Het werk dat door het systeem wordt gedaan, kan afkomstig zijn van zijn algehele kinetische energie, van zijn algehele potentiële energie of van zijn interne energie.
  • Wanneer materie wordt overgebracht naar een systeem, worden de bijbehorende interne energie en potentiële energie van die massa ermee overgedragen.
  • De warmtestroom is een vorm van energieoverdracht. Verwarming is het natuurlijke proces van het verplaatsen van energie van of naar een systeem anders dan door arbeid of de overdracht van materie. In een diathermisch systeem kan de interne energie alleen worden veranderd door de overdracht van energie als warmte:

Het combineren van deze principes leidt tot één traditionele uitspraak van de eerste wet van de thermodynamica: het is niet mogelijk om een ​​machine te bouwen die voortdurend werk zal leveren zonder een gelijke hoeveelheid energie die aan die machine wordt toegevoerd. Of beter gezegd, een perpetuum mobile van de eerste soort is onmogelijk.

De tweede wet van de thermodynamica geeft de onomkeerbaarheid van natuurlijke processen aan, en in veel gevallen de neiging van natuurlijke processen om te leiden tot ruimtelijke homogeniteit van materie en energie, en vooral van temperatuur. Het kan op verschillende interessante en belangrijke manieren worden geformuleerd. Een van de eenvoudigste is de uitspraak van Clausius, dat warmte niet spontaan van een kouder naar een heter lichaam gaat.

Het impliceert het bestaan ​​van een hoeveelheid die de entropie van een thermodynamisch systeem wordt genoemd. In termen van deze hoeveelheid betekent dit dat:

Wanneer twee aanvankelijk geïsoleerde systemen in afzonderlijke maar nabije gebieden van de ruimte, elk in thermodynamisch evenwicht met zichzelf, maar niet noodzakelijk met elkaar, vervolgens met elkaar mogen interageren, zullen ze uiteindelijk een wederzijds thermodynamisch evenwicht bereiken. De som van de entropie van de aanvankelijk geïsoleerde systemen is kleiner dan of gelijk aan de totale entropie van de uiteindelijke combinatie. Gelijkheid treedt op net wanneer de twee oorspronkelijke systemen al hun respectieve intensieve variabelen (temperatuur, druk) gelijk hebben, dan heeft het uiteindelijke systeem ook dezelfde waarden.

De tweede wet is van toepassing op een breed scala aan processen, zowel omkeerbaar als onomkeerbaar. Volgens de tweede wet, in een omkeerbare warmteoverdracht, een element van overgedragen warmte, Q, is het product van de temperatuur (t), zowel van het systeem als van de bronnen of bestemming van de warmte, met de verhoging (dS) van de geconjugeerde variabele van het systeem, de entropie (S):

Hoewel omkeerbare processen een nuttig en handig theoretisch grensgeval zijn, zijn alle natuurlijke processen onomkeerbaar. Een goed voorbeeld van deze onomkeerbaarheid is de overdracht van warmte door geleiding of straling. Het was lang voor de ontdekking van het begrip entropie bekend dat wanneer twee lichamen, aanvankelijk met verschillende temperaturen, in een directe thermische verbinding komen, de warmte onmiddellijk en spontaan van het warmere lichaam naar het koudere stroomt.

Entropie kan ook worden gezien als een fysieke maat voor de microscopische details van de beweging en configuratie van een systeem, wanneer alleen de macroscopische toestanden bekend zijn. Dergelijke details worden vaak aangeduid als: wanorde op microscopische of moleculaire schaal, en minder vaak als verspreiding van energie. Voor twee gegeven macroscopisch gespecificeerde toestanden van een systeem is er een wiskundig gedefinieerde grootheid die het 'verschil van informatie-entropie daartussen' wordt genoemd. Dit definieert hoeveel extra microscopische fysieke informatie nodig is om een ​​van de macroscopisch gespecificeerde toestanden te specificeren, gegeven de macroscopische specificatie van de andere - vaak een gemakkelijk gekozen referentietoestand waarvan kan worden aangenomen dat deze bestaat in plaats van expliciet vermeld. Een eindtoestand van een natuurlijk proces bevat altijd microscopisch bepaalbare effecten die niet volledig en exact voorspelbaar zijn uit de macroscopische specificatie van de begintoestand van het proces. Dit is de reden waarom entropie toeneemt in natuurlijke processen - de toename vertelt hoeveel extra microscopische informatie nodig is om de initiële macroscopisch gespecificeerde toestand te onderscheiden van de uiteindelijke macroscopisch gespecificeerde toestand. [14] Op equivalente wijze verspreidt energie zich in een thermodynamisch proces.

De entropie van een systeem nadert een constante waarde als de temperatuur het absolute nulpunt nadert.

Bij nultemperatuur moet het systeem zich in de toestand bevinden met de minimale thermische energie, de grondtoestand. De constante waarde (niet noodzakelijk nul) van entropie op dit punt wordt de resterende entropie van het systeem genoemd. Merk op dat, met uitzondering van niet-kristallijne vaste stoffen (bijvoorbeeld glazen) de resterende entropie van een systeem typisch bijna nul is. [2] Het bereikt echter alleen nul wanneer het systeem een ​​unieke grondtoestand heeft (d.w.z. de toestand met de minimale thermische energie heeft slechts één configuratie of microtoestand). Microstaten worden hier gebruikt om de waarschijnlijkheid te beschrijven dat een systeem zich in een specifieke toestand bevindt, aangezien wordt aangenomen dat elke microtoestand dezelfde kans heeft om zich voor te doen, dus macroscopische toestanden met minder microtoestanden zijn minder waarschijnlijk. In het algemeen is entropie gerelateerd aan het aantal mogelijke microtoestanden volgens het Boltzmann-principe:

Waar S is de entropie van het systeem, kB constante van Boltzmann, en Ω het aantal microstaten. Bij het absolute nulpunt is er maar 1 microstaat mogelijk (Ω=1 aangezien alle atomen identiek zijn voor een zuivere stof en als gevolg daarvan zijn alle orden identiek aangezien er maar één combinatie is) en ln ⁡ ( 1 ) = 0 .

De wederkerige relaties van Onsager worden beschouwd als de vierde wet van de thermodynamica. [15] [16] [17] Ze beschrijven de relatie tussen thermodynamische stromingen en krachten in niet-evenwichtsthermodynamica, in de veronderstelling dat thermodynamische variabelen lokaal kunnen worden gedefinieerd in een toestand van lokaal evenwicht. Deze relaties zijn afgeleid van statistische mechanica volgens het principe van microscopische omkeerbaarheid (bij afwezigheid van magnetische velden). Gegeven een reeks uitgebreide parameters xl (energie, massa, entropie, aantal deeltjes) en thermodynamische krachten Fl (gerelateerd aan intrinsieke parameters, zoals temperatuur en druk), stelt de stelling van Onsager dat [16]


Aansluiting voor AP ® Cursussen

Bij het bestuderen van energie gebruiken wetenschappers de term systeem om te verwijzen naar de materie en zijn omgeving die betrokken zijn bij energieoverdrachten, zoals een ecosysteem. Zelfs afzonderlijke cellen zijn biologische systemen en alle systemen hebben energie nodig om de orde te handhaven. Hoe meer geordend een systeem, hoe lager de entropie. Entropie is een maat voor de wanorde van het systeem. (Zie je slaapkamer als een systeem. Op zondagavond gooi je vuile kleren in de wasmand, zet je boeken weer op de planken en zet je de vuile vaat weer terug in de keuken. Het schoonmaken van je kamer kost energie. Wat gebeurt er geleidelijk als de week vordert?Je raadt het al: entropie.) Alle biologische systemen gehoorzamen aan de wetten van scheikunde en natuurkunde, inclusief de wetten van de thermodynamica die de eigenschappen en processen van energieoverdracht in systemen beschrijven. De eerste wet stelt dat de totale hoeveelheid energie in het universum constant is, energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, maar kan worden getransformeerd en overgedragen. De tweede wet stelt dat elke energieoverdracht enig verlies van energie met zich meebrengt in een onbruikbare vorm, zoals warmte-energie, wat resulteert in een meer ongeordend systeem, bijvoorbeeld je slaapkamer in de loop van een week. Geen enkele energieoverdracht is dus volledig efficiënt. We zullen in meer detail onderzoeken hoe vrije energie wordt opgeslagen, overgedragen en gebruikt wanneer we fotosynthese en cellulaire ademhaling bestuderen.

De gepresenteerde informatie en de voorbeelden die in de sectie worden benadrukt, ondersteunen concepten en leerdoelen die worden beschreven in Big Idea 2 van het AP ® Biology Curriculum Framework. De leerdoelen die in het leerplankader worden vermeld, bieden een transparante basis voor de cursus AP ® Biologie, een op onderzoek gebaseerde laboratoriumervaring, educatieve activiteiten en AP ® -examenvragen. Een leerdoel voegt vereiste inhoud samen met een of meer van de zeven wetenschapspraktijken.

Groot idee 2 Biologische systemen gebruiken vrije energie en moleculaire bouwstenen om te groeien, te reproduceren en om dynamische homeostase te behouden.
Blijvend begrip 2.A Voor groei, reproductie en onderhoud van levende systemen is vrije energie en materie nodig.
Essentiële kennis 2.A.1 Alle levende systemen vereisen een constante input van vrije energie.
Wetenschapspraktijk 6.2 De student kan verklaringen van fenomenen construeren op basis van wetenschappelijke bewijzen.
Leerdoel 2.1 De student kan uitleggen hoe biologische systemen vrije energie gebruiken op basis van empirische gegevens dat alle organismen een constante energietoevoer nodig hebben om de organisatie in stand te houden, te groeien en zich voort te planten.

De Science Practices Assessment Ancillary bevat aanvullende testvragen voor deze sectie die u zullen helpen bij de voorbereiding op het AP ® -examen. Deze vragen hebben betrekking op de volgende normen:

Thermodynamica verwijst naar de studie van energie en energieoverdracht waarbij fysieke materie betrokken is. De materie en zijn omgeving die relevant zijn voor een bepaald geval van energieoverdracht worden geclassificeerd als een systeem, en alles buiten dat systeem wordt de omgeving genoemd. Als u bijvoorbeeld een pan water op het fornuis verwarmt, omvat het systeem het fornuis, de pan en het water. Energie wordt binnen het systeem overgedragen - tussen het fornuis, de pan en het water. Er zijn twee soorten systemen: open en gesloten. Een open systeem is een systeem waarin energie kan worden overgedragen tussen het systeem en zijn omgeving. Het kookplaatsysteem is open omdat er warmte verloren kan gaan in de lucht. Een gesloten systeem is een systeem dat geen energie kan overdragen aan zijn omgeving.

Biologische organismen zijn open systemen. Er wordt energie uitgewisseld tussen hen en hun omgeving, omdat ze energie-opslaande moleculen verbruiken en energie afgeven aan de omgeving door te werken. Zoals alle dingen in de fysieke wereld, is energie onderworpen aan de wetten van de fysica. De wetten van de thermodynamica regelen de overdracht van energie in en tussen alle systemen in het universum.


29 De wetten van de thermodynamica

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

Thermodynamica verwijst naar de studie van energie en energieoverdracht waarbij fysieke materie betrokken is. De materie en zijn omgeving die relevant zijn voor een bepaald geval van energieoverdracht worden geclassificeerd als een systeem, en alles buiten dat systeem is de omgeving. Als u bijvoorbeeld een pan water op het fornuis verwarmt, omvat het systeem het fornuis, de pan en het water. Energieoverdrachten binnen het systeem (tussen fornuis, pan en water). Er zijn twee soorten systemen: open en gesloten. Een open systeem is een systeem waarin energie kan worden overgedragen tussen het systeem en zijn omgeving. Het kookplaatsysteem is open omdat het warmte aan de lucht kan afgeven. Een gesloten systeem is een systeem dat geen energie kan overdragen aan zijn omgeving.

Biologische organismen zijn open systemen. Energie-uitwisseling tussen hen en hun omgeving, omdat ze energie-opslaande moleculen verbruiken en energie afgeven aan de omgeving door te werken. Zoals alle dingen in de fysieke wereld, is energie onderworpen aan de wetten van de fysica. De wetten van de thermodynamica regelen de overdracht van energie in en tussen alle systemen in het universum.

De eerste wet van de thermodynamica

De eerste wet van de thermodynamica gaat over de totale hoeveelheid energie in het universum. Het stelt dat deze totale hoeveelheid energie constant is. Met andere woorden, er is altijd precies dezelfde hoeveelheid energie in het universum geweest en zal er altijd zijn. Energie bestaat in veel verschillende vormen. Volgens de eerste wet van de thermodynamica kan energie van plaats naar plaats worden overgedragen of in verschillende vormen veranderen, maar het kan niet worden gecreëerd of vernietigd. De overdrachten en transformaties van energie vinden voortdurend om ons heen plaats. Gloeilampen zetten elektrische energie om in lichtenergie. Gaskachels zetten chemische energie van aardgas om in warmte-energie. Planten voeren een van de biologisch meest bruikbare energietransformaties op aarde uit: die van het omzetten van zonlichtenergie in de chemische energie die is opgeslagen in organische moleculen ((Figuur)). (Figuur) voorbeelden van energietransformaties.

De uitdaging voor alle levende organismen is om energie uit hun omgeving te halen in vormen die ze kunnen omzetten of omzetten in bruikbare energie om te werken. Levende cellen zijn geëvolueerd om deze uitdaging zeer goed aan te gaan. Chemische energie die is opgeslagen in organische moleculen zoals suikers en vetten, wordt via een reeks cellulaire chemische reacties omgezet in energie binnen ATP-moleculen. Energie in ATP-moleculen is gemakkelijk toegankelijk om werk te doen. Voorbeelden van het soort werk dat cellen moeten doen, zijn onder meer het bouwen van complexe moleculen, het transporteren van materialen, het aandrijven van de kloppende beweging van trilharen of flagella, het samentrekken van spiervezels om beweging te creëren en reproductie.


De tweede wet van de thermodynamica

De primaire taken van een levende cel om energie te verkrijgen, te transformeren en te gebruiken om werk te doen, lijken misschien eenvoudig. De tweede wet van de thermodynamica verklaart echter waarom deze taken moeilijker zijn dan ze lijken. Geen van de energieoverdrachten die we hebben besproken, samen met alle energieoverdrachten en transformaties in het universum, is volledig efficiënt. Bij elke energieoverdracht gaat een bepaalde hoeveelheid energie verloren in een vorm die onbruikbaar is. In de meeste gevallen is deze vorm warmte-energie. Thermodynamisch definiëren wetenschappers warmte-energie als energie die van het ene systeem naar het andere gaat en geen werk doet. Wanneer een vliegtuig bijvoorbeeld door de lucht vliegt, verliest het een deel van zijn energie als warmte-energie door wrijving met de omringende lucht. Deze wrijving verwarmt de lucht in feite door de snelheid van het luchtmolecuul tijdelijk te verhogen. Evenzo gaat wat energie verloren als warmte-energie tijdens cellulaire metabolische reacties. Dit is goed voor warmbloedige wezens zoals wij, omdat warmte-energie helpt om onze lichaamstemperatuur op peil te houden. Strikt genomen is geen enkele energieoverdracht volledig efficiënt, omdat er een deel van de energie verloren gaat in een onbruikbare vorm.

Een belangrijk concept in fysieke systemen is dat van orde en wanorde (of willekeur). Hoe meer energie een systeem aan zijn omgeving verliest, hoe minder geordend en willekeuriger het systeem. Wetenschappers noemen de mate van willekeur of wanorde binnen een systeem entropie. Hoge entropie betekent hoge wanorde en lage energie ((Figuur)). Denk aan de slaapkamer van een student om entropie beter te begrijpen. Als er geen energie of werk in zou worden gestopt, zou de kamer snel rommelig worden. Het zou in een zeer ongeordende staat bestaan, een van hoge entropie. Er moet energie in het systeem worden gestoken, in de vorm van de student die aan het werk is en alles opbergt, om de kamer weer in een staat van netheid en orde te brengen. Deze toestand is er een van lage entropie. Evenzo moet een auto of huis constant worden onderhouden met werk om het in een geordende staat te houden. Alleen gelaten, neemt de entropie van een huis of auto geleidelijk toe door roest en degradatie. Moleculen en chemische reacties hebben ook verschillende hoeveelheden entropie. Als chemische reacties bijvoorbeeld een evenwichtstoestand bereiken, neemt de entropie toe, en als moleculen met een hoge concentratie op één plaats diffunderen en verspreiden, neemt ook de entropie toe.

Overdracht van energie en de resulterende entropie Zet een eenvoudig experiment op om te begrijpen hoe energie wordt overgedragen en hoe een verandering in entropie het gevolg is.

  1. Pak een blok ijs. Dit is water in vaste vorm, dus het heeft een hoge structurele orde. Dit betekent dat de moleculen niet veel kunnen bewegen en in een vaste positie staan. De temperatuur van het ijs is 0°C. Als gevolg hiervan is de entropie van het systeem laag.
  2. Laat het ijs smelten bij kamertemperatuur. Wat is nu de toestand van moleculen in het vloeibare water? Hoe vond de energieoverdracht plaats? Is de entropie van het systeem hoger of lager? Waarom?
  3. Verwarm het water tot het kookpunt. Wat gebeurt er met de entropie van het systeem als het water wordt verwarmd?

Denk aan alle fysieke systemen op deze manier: Levende wezens zijn zeer geordend en vereisen constante energie-input om zichzelf in een staat van lage entropie te houden. Omdat levende systemen energie-opslaande moleculen opnemen en ze door chemische reacties transformeren, verliezen ze een hoeveelheid bruikbare energie in het proces, omdat geen enkele reactie volledig efficiënt is. Ze produceren ook afval en bijproducten die geen bruikbare energiebronnen zijn. Dit proces verhoogt de entropie van de omgeving van het systeem. Aangezien alle energieoverdrachten resulteren in het verlies van bruikbare energie, stelt de tweede wet van de thermodynamica dat elke energieoverdracht of -transformatie de entropie van het universum vergroot. Even though living things are highly ordered and maintain a state of low entropy, the universe’s entropy in total is constantly increasing due to losing usable energy with each energy transfer that occurs. Essentially, living things are in a continuous uphill battle against this constant increase in universal entropy.


Sectie Samenvatting

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. The first law states that the total amount of energy in the universe is constant. 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.

Beoordelingsvragen

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

In each of the three systems, determine the state of entropy (low or high) when comparing the first and second: 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. l. low, ii. high, iii. laag
  2. l. low, ii. high, iii. hoog
  3. l. high, ii. low, iii. hoog
  4. l. high, ii. low, iii. laag

Vragen over kritisch denken

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.

Woordenlijst


The Laws of Thermodynamics

Thermodynamics refers to the study of energy and energy transfer involving physical matter. The matter and its environment relevant to a particular case of energy transfer are classified as a system, and everything outside of that system is called the surroundings. For instance, when heating a pot of water on the stove, the system includes the stove, the pot, and the water. Energy is transferred within the system (between the stove, pot, and water). There are two types of systems: open and closed. An open system is one in which energy can be transferred between the system and its surroundings. The stovetop system is open because heat can be lost into the air. A closed system is one that cannot transfer energy to its surroundings.

Biological organisms are open systems. Energy is exchanged between them and their surroundings, as they consume energy-storing molecules and release energy to the environment by doing work. Like all things in the physical world, energy is subject to the laws of physics. The laws of thermodynamics govern the transfer of energy in and among all systems in the universe.

The First Law of Thermodynamics

The first law of thermodynamics deals with the total amount of energy in the universe. It states that this total amount of energy is constant. In other words, there has always been, and always will be, exactly the same amount of energy in the universe. Energy exists in many different forms. According to the first law of thermodynamics, energy may be transferred from place to place or transformed into different forms, but it cannot be created or destroyed. The transfers and transformations of energy take place around us all the time. Light bulbs transform electrical energy into light energy. Gas stoves transform chemical energy from natural gas into heat energy. 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].

The challenge for all living organisms is to obtain energy from their surroundings in forms that they can transfer or transform into usable energy to do work. 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. Energy in ATP molecules is easily accessible to do work. 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

A living cell’s primary tasks of obtaining, transforming, and using energy to do work may seem simple. However, the second law of thermodynamics explains why these tasks are harder than they appear. None of the energy transfers we’ve discussed, along with all energy transfers and transformations in the universe, is completely efficient. In every energy transfer, some amount of energy is lost in a form that is unusable. In most cases, this form is heat energy. 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. Likewise, some energy is lost as heat energy during cellular metabolic reactions. 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). The more energy that is lost by a system to its surroundings, the less ordered and more random the system is. 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? Waarom?
  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.

Sectie Samenvatting

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. Entropy is a measure of the disorder of a system. 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. The first law states that the total amount of energy in the universe is constant. 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.

Beoordelingsvragen

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. l. low, ii. high, iii. laag
  2. l. low, ii. high, iii. hoog
  3. l. high, ii. low, iii. hoog
  4. l. high, ii. low, iii. Laag

Gratis antwoord

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.

Woordenlijst


The Second Law of Thermodynamics

A living cell’s primary tasks of obtaining, transforming, and using energy to do work may seem simple. However, the second law of thermodynamics explains why these tasks are harder than they appear. None of the energy transfers we’ve discussed, along with all energy transfers and transformations in the universe, is completely efficient. In every energy transfer, some amount of energy is lost in a form that is unusable. In most cases, this form is heat energy. 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. Likewise, some energy is lost as heat energy during cellular metabolic reactions. 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). The more energy that is lost by a system to its surroundings, the less ordered and more random the system is. 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.


Referenties

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

Vander Heiden, M. G. et al. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 97, 4666–4671 (2000).

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

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

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

Rottenberg, H. & Wu, S. L. Biochim. Biofysica. Acta 1404, 393–404 (1998).


Sectie Samenvatting

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. The first law states that the total amount of energy in the universe is constant. 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.


Bekijk de video: Thermodynamische systemen (Januari- 2022).