Термодинамиканың екінші заңы

Тірі жасушаның энергия алу, түрлендіру және жұмысты орындау бойынша негізгі міндеттері қарапайым болып көрінуі мүмкін. Алайда, термодинамиканың екінші заңы бұл міндеттердің пайда болуынан қиын екенін түсіндіреді. Біз талқылаған энергия тасымалдауларының ешқайсысы, ғаламдағы барлық энергия трансферттері мен трансформацияларымен қатар, толық тиімді емес. Энергияның әрбір ауысуында энергияның бір бөлігі жарамсыз күйде жоғалады. Көп жағдайда бұл форма жылу энергиясы болып табылады. Термодинамикалық түрде ғалымдар жылу энергиясын жұмыс жасамайтын бір жүйеден екінші жүйеге ауысатын энергия деп анықтайды. Мысалы, ұшақ ауа арқылы ұшқанда қоршаған энергиямен үйкеліс әсерінен энергиясының бір бөлігін жылу энергиясы ретінде жоғалтады. Бұл үйкеліс ауа молекуласының жылдамдығын уақытша жоғарылату арқылы ауаны қыздырады. Сол сияқты, жасушалық метаболикалық реакциялар кезінде энергияның бір бөлігі жылу энергиясы ретінде жоғалады. Бұл біз сияқты жылы қанды тіршілік иелері үшін жақсы, себебі жылу энергиясы біздің дене температурамызды ұстап тұруға көмектеседі. Қатаң айтқанда, ешқандай энергия тасымалдау толық тиімді болмайды, себебі энергияның бір бөлігі жарамсыз күйде жоғалады.

Физикалық жүйелердегі маңызды ұғым - тәртіп пен тәртіпсіздік (немесе кездейсоқтық). Жүйе қоршаған ортаға неғұрлым көп энергия жоғалтса, соғұрлым жүйе аз және кездейсоқ болады. Ғалымдар жүйеде кездейсоқтық немесе тәртіпсіздік өлшемін энтропия деп атайды. Жоғары энтропия жоғары тәртіпсіздік пен энергияның аздығын білдіреді. Энтропияны жақсы түсіну үшін студенттің жатын бөлмесі туралы ойланыңыз. Егер оған күш те, жұмыс та жұмсамаса, бөлме тез арада лас болып кетер еді. Ол өте ретсіз күйде, жоғары энтропия жағдайында болар еді. Бөлмені тазалық пен тәртіпті қалпына келтіру үшін энергияны жүйеге енгізу керек. Бұл күй төмен энтропияға жатады. Дәл осылай автокөлікті немесе үйді реттелген күйде ұстау үшін оны үнемі күтіп ұстау қажет. Жалғыз қалған үйдің немесе автокөліктің энтропиясы тот пен деградация арқылы біртіндеп артады. Молекулалар мен химиялық реакциялар әр түрлі мөлшерде энтропияға ие. Мысалы, химиялық реакциялар тепе -теңдік күйге жеткенде энтропия жоғарылайды, ал жоғары концентрациядағы молекулалар бір жерде таралып, таралса, энтропия да артады.

Энергияның берілуі және нәтижесінде пайда болатын энтропия Энергияның қалай өтетінін және энтропияның өзгеруі қалай болатынын түсіну үшін қарапайым эксперимент жасаңыз.

Барлық физикалық жүйелерді осылай ойлап көріңіз: тірі заттар өте реттелген, олар өздерін төмен энтропиялық күйде ұстау үшін үнемі энергияны қажет етеді. Тірі жүйелер энергияны сақтайтын молекулаларды қабылдап, оларды химиялық реакциялар арқылы түрлендіре отырып, олар осы процесте пайдалы энергияның бір бөлігін жоғалтады, себебі ешқандай реакция толықтай тиімді болмайды. Олар сонымен қатар пайдалы энергия көзі болып табылмайтын қалдықтар мен қосалқы өнімдер шығарады. Бұл процесс жүйенің айналасындағы энтропияны арттырады. Барлық энергия тасымалдары біршама пайдалы энергияны жоғалтуға әкелетіндіктен, термодинамиканың екінші заңы энергияның әрбір ауысуы немесе түрленуі ғаламның энтропиясын жоғарылататынын айтады.