Ana içerik
Konu: Biyoloji Kütüphanesi > Ünite 7
Ders 2: Termodinamik YasalarıTermodinamik Yasaları
Birinci ve İkinci Termodinamik Yasalarının biyolojideki yeri.
Giriş
Açık mı yoksa kapalı bir sistem misiniz? Görünen o ki bu bir felsefe değil fizik sorusu. Bütün canlıların sistemleri gibi sizinki de açık bir sistem; bir başka deyişle, bu, çevrenizle madde ve enerji alışverişi yapabileceğiniz bir sistem. Örneğin; besin tüketerek kimyasal enerji alırsınız; hareket ederek, konuşarak, yürüyerek ve nefes alarak da çevremizde iş yaparız.
Metabolik tepkimeler gibi içimizde ya da bizimle çevremiz arasında gerçekleşen tüm enerji alışverişleri, fizik ders kitaplarında bulabileceğimiz sıcak ve soğuk cisimler ya da gaz molekülleri arasında gerçekleşen enerji alışverişlerini tanımlayan fizik yasaları tarafından tanımlanır. Bu bölümde, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını inceleyerek, bizim gibi biyolojik sistemler açısından ne anlama geldiklerini öğreneceğiz.
Sistemler ve çevremiz
Termodinamiğin biyolojideki yeri, molekül ve molekül grupları arasındaki enerji aktarımlarının araştırılmasını konu alır. Termodinamiktan bahsettiğimizde, bir hüce kadar küçük ya da bir ekosistem kadar geniş olabilecek birim ya bu birimlerden oluşan gruplar, sistem olarak adlandırılır. Bu anlamda, sisteme dahil olmayan öğeler de çevre olarak sınıflandırılır.
Örnek vermek gerekirse, ocakta ısıtmakta olduğumuz bir kap su söz konusu olduğunda, sistem, ocak, kap ve suyu içerirken; çevre olarak da, diğer her şeyi yani mutfağın geri kalan kısmını, evi, kasabayı, ülkeyi, galaksiyi ve evreni tanımlıyor oluruz. Neyin ya da nelerin sistem olarak tanımlanacağı çok belirgin olmamakla birlikte, tamamen gözlem yapan kişiye bağlıdır ve araştırılmak istenen konuya göre, yalnızca suyu ya da evin tamamını da sistem olarak tanımlamak mümkündür. Sistem ve çevresi bir araya geldiğinde evreni meydana getirirler.
Termodinamikte, açık, kapalı ve izole olmak üzere üç sistem çeşidi bulunur.
- Açık sistemler çevreleri ile hem eneji hem de madde alışverişinde bulunabilirler. Az önce bahsettiğimiz ocakta kaynayan su; ısı ve su buharı çevreye dağılacağından, açık sistemlere verilebilecek bir örnektir.
- Öte yandan, kapalı sistemler, çevreleri ile yalnızca enerji alışverişinde bulunurlar, herhangi bir madde alışverişi gerçekleşmez. Bir önceki örnekteki kabın üzerini sıkı sıkıya örtecek olursak, kapalı sisteme oldukça yakın bir sistem elde etmiş oluruz.
- İzole sistemler, çevreleri ile ne enerji ne de madde alışverişinde bulunamayan sistemlerdir. Kusursuz izole bir sistem bulmak son derece zordur ancak kapağı olan izolasyonlu bir içecek soğutucusu, kavramsal olarak gerçek bir izole sisteme yakın kabul edilebilecek bir sistemdir. Soğutucunun içindekiler birbirleri ile enerji alışverişi gerçekleştirebilir. İçeceğin soğumasının, buzun da kısmen erimesinin sebebi budur. Ancak bu sistem çevresi ile çok küçük bir enerji (ısı) alışverişi gerçekleştirebilir.
Diğer tüm organizmalar gibi siz de, açık bir sistemsiniz. Farkında olsanız da olmasanız da, çevrenizle sürekli olarak enerji ve madde alışverişinde bulunuyorsunuz. Örnek olarak bir havuç yediğinizde ya da bir kutuyu masanın üzerine kaldırdığınızda ya da soluk vererek atmosfere karbondioksit verdiğinizde çevrenizle enerji ve madde alışverişinde bulunmuş olursunuz.
Canlı organizmaların içinde gerçekleşen enerji alışverişleri, fizik yasalarına uymak zorundadır. Bu anlamda da, örneğin elektrik devrelerinde gerçekleşen enerji alışverişlerinden farklı değillerdir. Şimdi gelin, termodinamik yasalarının yani enerji alışverişiyle ilişkili fizik kurallarının, sizin gibi canlılara nasıl uygulandığını daha yakından inceleyelim.
Termodinamiğin Birinci Kanunu
Termodinağin birinci yasası çok büyük düşünür: evrendeki toplam enerji miktarını ele alır ve özellikle de, bu toplam miktarın değişmediğini öne sürer. Farklı bir şekilde ifade edecek olursak, Termodinamiğin Birinci Yasasının enerjinin yoktan var edilemeyeceğini ya da varken yok edilemeyeceğini öne sürdüğünü söyleyebiliriz. Enerji ancak form (biçim) değiştirip, bir cisimden diğerine aktarılabilir.
Bu yasa bir miktar soyut kalmış olabilir ancak örnekler üzerinden ilerlediğimizde, enerji aktarımlarının ya da dönüşümlerinin; çevremizde sürekli olarak gerçekleşen şeyler olduklarını göreceğiz. Örneğin:
- Ampuller, elektrik enerjisini ışık (ışıyan) enejisine dönüştürürler.
- Bir bilardo topu diğerine çarptığında, kinetik enerjisini ikinci topa aktarır ve ikinci top bu şekilde hareket eder.
- Bitkiler, güneş enerjisini (ışıyan enerji), organik moleküllerde depolanan kimyasal enerjiye dönüştürürler.
- Siz de, yediğiniz son yemekteki kimyasal enerjiyi, yürüyerek, soluk alarak ve bu sayfayı okumak için parmağınızla aşağıya yukarıya indirerek kinetik enerjiye dönüştürüyorsunuz.
Bu noktada, bu aktarımların (transferlerin) hiç birinin yüzde yüz verimli olmadıklarını bilmenizde fayda var. Az önce saydığımız senaryoların her birinde, başlangıçtaki enerjinin bir kısmı termal enerjisi olarak çevreye salınmaktadır. Termal enerji, bir cisimden diğerine aktarıldığında, daha yagın olarak kullanılan ısı kelimesi ile adlandırılır. Parlayan ampullerin ışık yanında ısı ürettikleri açık olsa da, sürtünme sayesinde hareket halindeki bilardo topları ve bitki ve hayvan metabolizmalarındaki verimsiz kimyasal enerji aktarımları için de aynı durum söz konusudur. Isı üretiminin önemini anlamak için Termodinamiğin İkinci Yasasına kadar beklemenizi öneririz.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasasının ilk bakışta harika bir şey olduğunu düşünmüş olabilirsiniz. Enerji yoktan var edilemiyor ya da varken yok edilemiyorsa, enerjiyi geri dönüştürüp sürekli olarak kullanabiliriz, öyle değil mi?
Cevap, hem evet hem de hayır… Enerji yoktan var edilemez ya da varken yok edilemez ancak faydalı formlardan daha az faydalı formalara dönüşebilir. Gerçek hayatta gerçekleşen tüm enerji aktarımı ya da dönüşümlerinde, enerjinin bir kısmının kullanılamayacak bir başka deyişle iş yapamayacak bir forma dönüştüğünü bilmelisiniz. Kullanılamayacak bu enerji çoğu durumda, ısı enejisi formundadır.
Isı, doğru koşullar altında iş yapabilir ancak iş yapabilecek diğer enerji türlerine hiç bir zaman 100% dönüştürülemez. Bu da, bir enerji aktarımı gerçekleştiğinde, faydalı olarak sınıflandırılan enerjinin bir kısmının faydasız olarak sınıflandırılan bir türe dönüşeceği anlamına gelir.
Isı, evrenin rasgeleliğini arttırır
Isı eğer iş yapmıyorsa ne yapıyor olabilir? İş yapmayan ısı, evrenin rasgeleliğini (düzensizliğini) arttırır. Kafanızın bir miktar karışmış olabileceği ihtimaline karşılık gelin bunun neden bu şekilde olduğunu biraz daha ayrıntılı bir şekilde inceleyelim.
Aynı metalden iki parça gibi, elimizde sıcaklıkları farklı iki cisim olduğunda, sistemimizin göreli olarak düzenli olduğunu söyleyebiliriz. Bu, soğuk cisimdekilerin yavaş, sıcak cisimdekilerin de hızlı hareket ettikleri yani moleküllerin hızlarına göre ayrılmış olmaları anlamına geliyor. Isı, sıcak cisimden, soğuk cisme aktarıldığında (ki bu, kendiliğinden gerçekleşen bir olaydır), tüm moleküller aynı ortalama hıza sahip olana kadar, sıcak cisimdeki moleküller daha yavaş, soğuk cisimdeki moleküller de daha hızı hareket etmeye başlarlar. Bu da, yavaş ve hızlı moleküller arasındaki ayrımın sonuna geldiğimiz, artık elimizde aynı hızda hareket eden bir molekül havuzu olduğu ve başlangıçtakine göre çok daha düzensiz bir sisteme sahip olduğumuz anlamına gelir.
Sistem, statik açıdan sıcaklıklarına göre ayrılmış sisteme göre çok daha olası olduğu için, bu, daha düzensiz olan konfigürasyona doğru ilerler. Bu arada, düzensiz konfigürasyona denk gelen olası birçok hal olduğunu da eklemek isteriz. Bu kavramı, bu alıştırmadaki videolarda ya da buradaki fizik videosunda incelemeye devam edebilirsiniz.
Entropi ve Termodinamiğin İkinci Yasası
Bir sistemdeki rasgelelik ya da düzensizlik düzeyi, entropi olarak adlandırılır. Enerji aktarımlarının, enerjinin bir kısmının, ısı enerjisi gibi kullanılamayacak enerji formlarına dönüşmesine sebep olduğunu ve iş yapamayan ısı enerjisinin de evrenin rasgeleliğini arttırdığını bildiğimize göre, Termodinamiğin İkinci Yasasının biyoloji açısından geçerli bir versiyonunu oluşturabiliriz: gerçekleşen her enerji aktarımı, evrenin entropisini arttırırken, iş yapabilecek faydalı enerji miktarını azaltmakta ya da en uç durumda, entropide değişime sebep olmamaktadır. Başka bir deyişle, kimyasal tepkimeler ya da bağlı tepkime dizileri, evrenin toplam entropisini arttıracak yönde ilerleyeceklerdir.
Özetlemek gerekirse, Termodinamiğin Birinci Yasası bize enerjinin süreçlerdeki korunumu hakkında bilgi verirken, Termodinamiğin İkinci Yasası da, evrenin tamamında düşük entropiden yüksek entropiye doğru ilerleyen, süreçlerin yönünden bahsetmektedir.
Biyolojik sistemlerde entropi
Termodinamiğin ikinci yasasına bağlı olarak, bir sürecin gerçekleşmesi için evrenin entropisini arttırması gerektiğini söyleyebiliriz. Ve bu, kendiniz gibi canlı organizmalar söz konusu olduğunda kafanızda bazı soru işaretlerinin oluşmasına sebep olabilir. Sonuç olarak, biz, maddelerden oluşan son derece düzenli bir sistem değil miyiz? Vücudumuzdaki her bir hücrenin kendisine ait bir düzeni bulunur. Hücreler, dokuları; dokular, organları oluşturacak şekilde düzenlenmişlerdir ve vücudumuz da, bizi hayatta tutan taşıma, alışveriş ve ticaret sistemlerini korur. İlk bakışta net olmasa da, basit bir bakteri bile evrenin entropisini arttırabilir!
Daha net olması adına, vücudumuzda gerçekleşen enerji aktarımlarını daha yakından inceleyelim. Örnek olarak yürüyüş yapmaya çıktığımızı ele alalım. Vücudumuzu ileriye doğru hareket ettirmek için bacak kaslarımızı kastığımızda; glikoz gibi kompleks moleküllerdeki kimyasal enerjiyi, kinetik enerjiye; bir yokuş çıkıyorsak ek olarak bir de potansiyel enerjiye dönüştürürüz. Bu oldukça verimsiz bir süreçtir: yakıt olarak kullandığımız kaynaklardan gelen enerjinin büyük bir kısmı ısıya dönüşür. Bu ısının bir kısmı, vücudumuzun sıcaklığını korumak için kullanılır ancak çok büyük bir kısmı çevremize salınır.
Metabolizmamızın, büyük ve kompleks moleküllerden, karbondioksit ve su gibi küçük ve daha basit moleküller elde ederek yürüyebilmemizi sağladığı bu ısı aktarımı, çevrenin entropisini arttırır. Bu örnekte hareket halindeki bir insandan bahsediyor olsak da, aynı durum; dinlenme halindeki bir insan ya da bir organizma için de geçerlidir. Bu insan ya da organizma, metabolik aktiviteleri için bazal bir oranı korumak zorundadır. Ve bu süreçler de, kompleks moleküllerin daha basit ve sayıca fazla moleküle parçalanması ile gerçekleştiği için, ısı açığa çıkararak, çevrenin entropisini arttırmış olur.
Daha genel bir ifade kullanacak olursak, canlıların son derece düzenli vücutlarını korumak ve hayatta tutmak için gerçekleşen ve yerel olarak entropiyi düşüren süreçler, bulunmaktadır. Ancak entropideki bu yerel düşüşler; enerjinin bir kısmının ısı enerjisine ya da kullanılamayan diğer enerji türlerine dönüştüğü ve enerjinin harcandığı durumlarda meydana gelir. Bu durumda, ilk sürecin yani yerel entropi düşüşünün ve çevrenin entropisini arttıran enerji aktarımının net etkisi ise, evrenin toplam entropisinde bir artış olarak gerçekleşir.
Özetlemek gerekirse, canlıların yüksek düzeyde düzen içeren sistemleri, sürekli bir enerji girdisi gerektirmektedir. Bu da çevrenin entropisinde bir artışa sebep olur.
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
Henüz gönderi yok.