Starea sistemelor vii în orice moment (stare dinamică) se caracterizează prin faptul că elementele sistemului sunt în mod constant distruse și sunt construite din nou. Acest proces se numește reînnoire biologică. Actualizarea elementelor în sistemele vii necesită un flux constant de substanțe și energie din exterior, precum și eliminarea produselor de căldură și de descompunere în mediul extern. Aceasta înseamnă că sistemele vii trebuie să fie neapărat sisteme deschise. Datorită acestui fapt, se creează și menține un dezechilibru chimic și fizic în ele. Pe acest dezechilibru se bazează capacitatea de lucru a sistemului viu, menită să mențină ordinea înaltă a structurii sale (și prin urmare, menținerea vieții) și punerea în aplicare a diferitelor funcții vitale. În plus, sistemul viu, datorită proprietății deschiderii, realizează staționare, adică constanta stării sale dezechilibrate. Într-un sistem izolat (un astfel de sistem nu schimbă materia și energia cu mediul extern), procesele ireversibile apar într-o stare de neechilibru, care tind să aducă sistemul la o stare de echilibru. Trecerea unui sistem viu într-o astfel de stare înseamnă moarte pentru ea.
Astfel, deschiderea este una dintre cele mai importante proprietăți ale sistemelor vii.
Foarte importantă este problema aplicabilității legilor termodinamicii la sistemele vii.
Legea (începutul) termodinamicii. Prima lege a termodinamicii spune: schimbarea energiei sistemului este egală cu cantitatea de căldură primită de sistem, plus munca forțelor externe efectuate asupra sistemului
Pentru izolat adiabatic (Q = 0, adică schimbul de căldură cu mediul extern nu are loc) și închise (A = 0, adică fără forțe externe) sisteme DE = 0. Ultima afirmație este legea de conservare a energiei: cu toate schimbările care au loc în adiabatică izolat și închis energia totală a sistemului rămân constante.
Dacă luăm în considerare un sistem termodinamic care constă doar dintr-un sistem viu, atunci legea conservării energiei este inaplicabilă, deoarece sistemul viu este deschis. Pentru sistemul termodinamic, care include sistemul viu și mediul cu care sistemul schimbă energia și materia, legea conservării energiei este îndeplinită. Într-adevăr, după cum au arătat experimentele, cantitatea totală de energie pe care organismul o primește într-o anumită perioadă de timp este din nou găsită ulterior sub forma:
a) căldura produsă;
b) în activitatea externă sau substanțele eliberate;
c) sub forma căldurii de combustie a substanțelor sintetizate în această perioadă de timp în detrimentul energiei primite din exterior.
Legea II (începutul) termodinamicii. A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia nu poate scădea niciodată într-un sistem termodinamic izolat. Este zero pentru procesele reversibile și poate crește doar cu procese ireversibile, adică DS ³ 0. Trecerea unui sistem dintr-o stare de echilibru la o stare de echilibru este ireversibilă, deci și DS ³ 0.
Există, de asemenea, o anumită legătură cu ordonarea sistemului, precum și cu informația (mai multă ordonanță corespunde mai multor informații). Se poate vorbi despre unitatea naturii informațiilor și a entropiei. Într-adevăr, creșterea entropiei corespunde tranziției unui sistem de la o stare mai ordonată la o stare mai puțin ordonată. O astfel de tranziție este însoțită de o scădere a informațiilor conținute în structura sistemului. Tulburarea, incertitudinea pot fi interpretate ca o lipsă de informații. La rândul său, creșterea cantității de informații reduce incertitudinea.
Să ne reamintim sensul fizic al entropiei. Toate procesele care apar în mod spontan în natură sunt ireversibile și contribuie la tranziția sistemului la o stare de echilibru, caracterizată întotdeauna de faptul că:
a) în procesul acestei tranziții, o anumită energie este întotdeauna alocată irevocabil și nu poate fi folosită pentru a efectua o muncă utilă;
b) starea de echilibru a elementelor sistemului este caracterizată de cea mai mică ordine.
De aici rezultă că entropia este o măsură a disipării energiei și, ceea ce este cel mai important pentru noi acum, este o măsură a tulburării sistemului.
Aplicarea celei de-a doua lege a termodinamicii sistemelor vii, fără a ține cont de faptul că acestea sunt sisteme deschise, conduce la o contradicție. Într-adevăr, entropia ar trebui să crească întotdeauna, adică trebuie să crească tulburarea sistemului viu. În același timp, suntem conștienți de faptul că toate sistemele vii creează în mod constant tulburări de la tulburări. Ele creează și mențin dezechilibre fizice și chimice, pe care se bazează capacitatea de lucru a sistemelor vii. În procesul de dezvoltare a fiecărui organism (ortogeneză), precum și în procesul dezvoltării evolutive (filogeneză) se formează în permanență noi structuri și se obține o stare cu o ordine mai înaltă. Și aceasta înseamnă că entropia (tulburarea) unui sistem viu nu ar trebui să crească. Astfel, a doua lege a termodinamicii, valabilă pentru sistemele izolate, pentru sistemele vii care sunt deschise, nu este aplicabilă.
Pentru sistemele termodinamice deschise, schimbarea entropiei constă în suma
unde DSi este schimbarea entropiei în cursul proceselor care se produc în cel mai viu sistem, DSe este schimbarea entropiei în schimbul de materie și energie cu mediul.
Conform celei de-a doua lege a termodinamicii, cantitatea DSi nu poate fi decât pozitivă sau, în cazul limitării (procese reversibile), este zero. Cantitatea dSe poate fi pozitivă (DSe> 0, sistemul primește entropia) și negativ (DSe <0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe <0 и |DSe|> | | DSi | :
ceea ce înseamnă o creștere a ordonării în cazul în care sistemul lasă mai multă entropie decât apare în interiorul acestuia în cursul proceselor ireversibile.
Luați în considerare derivatul entropiei în timp. care se numește rata de schimbare sau producția de entropie. Din expresia DS rezultă că producerea entropiei unui sistem deschis:
Pentru o stare staționară, atunci când neechilibrul în timp nu se schimbă, producția de entropie trebuie să fie egală cu zero (derivatul unei cantități constante):
Asta înseamnă că
și anume Entropia care apare în cursul proceselor care apar în sistem (dSi) trebuie să se transfere complet în mediul extern.
Teorema lui Prigogine. Conform teoremei lui Prigogine, dacă un sistem termodinamic deschis, în condiții neschimbate în timp, este lăsat la el însuși, atunci creșterea entropiei va scădea până când sistemul va atinge o stare de echilibru dinamic; în această stare, câștigul de entropie va fi minim, adică.
Astfel, putem spune că pentru un sistem deschis într-o stare staționară, producția de entropie este minimă.
Pentru sistemele vii, aceasta înseamnă:
În timpul vieții unui sistem viu, elementele sale sunt în mod constant dezintegrat. Entropia acestor procese este pozitivă (există tulburare).
Pentru a compensa dezintegrarea (despăgubirea unei tulburări), munca internă trebuie să fie efectuată sub forma unor procese de sinteză a elementelor în locul celor care s-au rupt. Și aceasta înseamnă că această lucrare interioară este un proces cu entropie negativă (astfel de procese sunt numite negentropice, iar entropia negativă este negentropia).
Procesul negentropic contracarează o creștere a entropiei sistemului, care este asociată cu procesul de dezintegrare și creează ordinea.
Sursa de energie pentru efectuarea muncii interne negentropice sunt:
Pentru organisme - heterotrofe (care hrănesc numai alimente ecologice) - energie sub formă de legături chimice și entropie scăzută a substanțelor organice foarte structurate absorbite. În acest caz, substanțele alimentare absorbite au mai multă ordine (mai puțin entropie) decât produsele eliberate de metabolism. Organismele heterotrofe transferă ordinul (negentropia) de la nutrienți în ei înșiși.
Pentru organisme - autotrofii (auto-sintetizând ele însele nutrienți din compuși anorganici cu participarea radiației solare) - energia soarelui, care reprezintă radiații electromagnetice cu entropie scăzută.
Astfel, metabolismul din punct de vedere al termodinamicii este necesar pentru a contracara creșterea entropiei cauzată de procesele ireversibile în sistemul viu.
Dacă luăm în considerare sistemul "organism viu plus mediu", din care se iau substanțele nutritive și produsele de schimb, atunci este valabilă a doua lege a termodinamicii: entropia acestui sistem crește și nu scade. Aceasta înseamnă că sistemul viu creează în el însuși ordinea datorită faptului că reduce ordinea în mediul înconjurător.
Deci, sistemul viu este un sistem deschis, iar entropia lui nu crește, așa cum se întâmplă într-un sistem izolat. Acest lucru înseamnă că sistemul viu exercită în mod constant o muncă menită să-și mențină ordinea și este într-o stare de echilibru neechilibrată. Producerea entropiei în acest caz (după cum rezultă din teorema lui Prigogine) este minimă.
Astfel, din punctul de vedere al termodinamicii se poate afirma că procesele inerente ale sistemelor vii reduc entropia sistemelor și, prin urmare, organizația care le susține.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: