6.2 Stöðuorka, hreyfiorka, frjáls orka og virkjunarorka

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Skilgreint orku
• Útskýrt muninn á hreyfiorku og stöðuorku
• Rætt hugtökin frjáls orka og virkjunarorka
• Lýst orkukrefjandi og orkulosandi efnahvörfum

Orka er geta til að vinna vinnu. Eins og þú hefur lært er orka til á mismunandi formum. Raforka, ljósorka og varmaorka eru til dæmis ólíkar orkutegundir. Þótt þetta séu kunnuglegar orkutegundir sem við getum séð eða fundið fyrir er einnig til orkutegund sem er mun óáþreifanlegri. Vísindamenn tengja slíka orku jafnvel við hlut sem er staðsettur fyrir ofan jörðu. Til að skilja hvernig orka flæðir inn í og út úr líffræðilegum kerfum er mikilvægt að þekkja betur þær orkutegundir sem finnast í efnislega heiminum.

Orkutegundir

Þegar hlutur er á hreyfingu hefur hann orku. Flugvél á flugi býr til dæmis yfir mikilli orku, því hlutir á hreyfingu geta valdið breytingu, eða unnið vinnu. Hugsaðu þér niðurrifskúlu. Jafnvel hægfara niðurrifskúla getur valdið miklum skemmdum á öðrum hlutum. Niðurrifskúla sem er ekki á hreyfingu getur hins vegar ekki unnið vinnu. Orka hluta á hreyfingu kallast hreyfiorka. Byssukúla á ferð, gangandi manneskja, hröð sameindahreyfing í lofti, sem myndar varma, og rafsegulgeislun eins og ljós hafa öll hreyfiorku.

Hvað ef við lyftum sömu kyrrstæðu niðurrifskúlunni tvær hæðir upp fyrir bíl með krana? Ef niðurrifskúlan hangir kyrr, getum við samt tengt orku við hana? Svarið er já. Hangandi niðurrifskúlan býr yfir orku sem er í grundvallaratriðum frábrugðin hreyfiorku hluta á hreyfingu. Þetta orkuform stafar af möguleika niðurrifskúlunnar til að vinna vinnu. Ef við sleppum kúlunni vinnur hún vinnu. Þar sem þessi orkutegund vísar til möguleika á að vinna vinnu kallast hún stöðuorka. Hlutir flytja orku sína á milli hreyfiorku og stöðuorku á eftirfarandi hátt: Þegar niðurrifskúlan hangir kyrr hefur hún 0 prósent hreyfiorku og 100 prósent stöðuorku. Þegar henni er sleppt byrjar hreyfiorka hennar að aukast, því hún eykur hraða sinn vegna þyngdaraflsins. Um leið tapar hún stöðuorku þegar hún nálgast jörðina. Um miðbik fallsins hefur hún 50 prósent hreyfiorku og 50 prósent stöðuorku. Rétt áður en hún skellur á jörðina hefur kúlan tapað næstum allri stöðuorku sinni og hefur nær hámarkshreyfiorku. Önnur dæmi um stöðuorku eru orka vatns sem haldið er aftur af stíflu (Mynd 6.6) eða manneskju sem er í þann mund að stökkva í fallhlíf úr flugvél.

Við tengjum stöðuorku ekki aðeins við staðsetningu efnis, til dæmis barns sem situr á trjágrein, heldur einnig við byggingu efnisins. Gormur á jörðinni hefur stöðuorku ef hann er þjappaður saman; það sama á við um strekkta teygju. Tilvist lifandi frumna byggist að miklu leyti á stöðuorku í byggingu sameinda. Á efnafræðilegu stigi hafa tengin sem halda atómum sameinda saman stöðuorku. Mundu að uppbyggingarferlar í frumum krefjast orku til að mynda flóknar sameindir úr einfaldari sameindum, en niðurbrotsferlar losa orku þegar flóknar sameindir brotna niður. Sú staðreynd að rof tiltekinna efnatengja getur losað orku sýnir að tengin hafa stöðuorku. Í raun er stöðuorka geymd í tengjum allra fæðusameinda sem við borðum og nýtum síðar. Þessi tengi geta losað orku þegar þau rofna. Vísindamenn kalla stöðuorkuna sem er í efnatengjum og losnar þegar tengin rofna efnaorku (Mynd 6.7). Efnaorka sér lifandi frumum fyrir orku úr fæðu. Rof sameindatengja í eldsneytissameindum veldur losun orkunnar.

Tengill á námsefni

Farðu á þessa síðu og veldu „A simple pendulum“ í valmyndinni undir „Harmonic Motion“ til að sjá hvernig hreyfiorka (K) og stöðuorka (U) pendúls á hreyfingu breytast.

Frjáls orka

Eftir að hafa lært að efnahvörf losa orku þegar orkurík tengi rofna vaknar mikilvæg spurning: hvernig mælum við og lýsum efnahvörfum út frá orkunni sem tengist þeim? Hvernig getum við borið orkuna sem losnar í einu hvarfi saman við orku annars hvarfs? Við notum mælikvarða á frjálsa orku til að mæla þessa orkuflutninga. Þessi frjálsa orka kallast Gibbs-frjáls orka, táknuð með G, eftir Josiah Willard Gibbs sem þróaði mælikvarðann. Samkvæmt öðru lögmáli varmafræðinnar tapast hluti orkunnar í öllum orkuflutningum á ónothæfu formi, til dæmis sem varmi, og það eykur óreiðu. Gibbs-frjáls orka vísar sérstaklega til þeirrar orku í efnahvarfi sem er tiltæk eftir að tekið hefur verið tillit til óreiðu. Með öðrum orðum er Gibbs-frjáls orka nýtanleg orka, eða orka sem er tiltæk til að vinna vinnu.

Sérhvert efnahvarf felur í sér breytingu á frjálsri orku, sem kallast delta G (ΔG). Við getum reiknað breytingu á frjálsri orku fyrir hvaða kerfi sem verður fyrir slíkri breytingu, til dæmis efnahvarf. Til að reikna ΔG drögum við orkuna sem tapast vegna óreiðu, táknaða sem ΔS, frá heildarorkubreytingu kerfisins. Heildarorkan í kerfinu er vermi og er táknuð sem ΔH. Formúlan til að reikna ΔG er eftirfarandi, þar sem T táknar algilt hitastig í kelvin (gráður á Celsíus + 273):

Við lýsum staðalbreytingu á frjálsri orku efnahvarfs sem orkumagni á hvert mól hvarfmyndefnis, annaðhvort í kílójúlum eða kílókaloríum (kJ/mól eða kkal/mól; 1 kJ = 0,239 kkal), við staðlaðar aðstæður pH-gildis, hitastigs og þrýstings. Í líffræðilegum kerfum eru staðlaðar aðstæður yfirleitt reiknaðar við pH 7,0, 25 gráður á Celsíus og 100 kílópascal (1 atm þrýsting). Athugaðu að aðstæður í frumum eru talsvert frábrugðnar þessum stöðluðu aðstæðum og því verða staðalreiknuð ΔG-gildi líffræðilegra hvarfa önnur inni í frumunni.

Orkukrefjandi og orkulosandi efnahvörf

Ef orka losnar í efnahvarfi verður niðurstaðan úr jöfnunni hér að ofan neikvæð tala. Með öðrum orðum hafa hvörf sem losa orku ΔG < 0. Neikvætt ΔG þýðir einnig að hvarfmyndefnin hafa minni frjálsa orku en hvarfefnin, því þau gáfu frá sér hluta frjálsu orkunnar við hvarfið. Hvörf sem hafa neikvætt ΔG og losa þar af leiðandi frjálsa orku kallast orkulosandi hvörf. Við köllum slík hvörf einnig sjálfgeng hvörf, því þau geta átt sér stað án þess að orku sé bætt inn í kerfið. Það er afar gagnlegt fyrir líffræðinga að skilja hvaða efnahvörf eru sjálfgeng og losa frjálsa orku, því hægt er að beisla slík hvörf til að vinna vinnu inni í frumunni. Hér þarf að greina skýrt á milli hugtaksins sjálfgengt og þeirrar hugmyndar að efnahvarf gerist samstundis. Þvert á daglega notkun orðsins er sjálfgengt hvarf ekki endilega hvarf sem gerist skyndilega eða hratt. Ryðgun járns er dæmi um sjálfgengt hvarf sem gerist hægt, smátt og smátt, yfir tíma.

Ef efnahvarf krefst orkuinntaks í stað þess að losa orku er ΔG hvarfsins jákvætt. Í slíku tilviki hafa hvarfmyndefnin meiri frjálsa orku en hvarfefnin. Við getum því litið á hvarfmyndefnin sem orkugeymandi sameindir. Slík efnahvörf kallast orkukrefjandi hvörf og eru ósjálfgeng. Orkukrefjandi hvarf á sér ekki stað af sjálfu sér án þess að frjálsri orku sé bætt við.

Skoðum aftur dæmið um nýmyndun og niðurbrot fæðusameindarinnar glúkósa. Mundu að myndun flókinna sameinda, eins og sykra, úr einfaldari sameindum er uppbyggingarferli og krefst orku. Efnahvörfin sem taka þátt í uppbyggingarferlum eru því orkukrefjandi hvörf. Aftur á móti losar niðurbrotsferlið, þar sem sykur er brotinn niður í einfaldari sameindir, orku í röð orkulosandi hvarfa. Líkt og ryðdæmið hér að ofan felur niðurbrot sykurs í sér sjálfgeng hvörf, en þessi hvörf eiga sér ekki stað samstundis. Mynd 6.8 sýnir nokkur önnur dæmi um orkukrefjandi og orkulosandi hvörf. Síðar í kaflanum verður fjallað nánar um hvað þarf til að láta jafnvel sjálfgeng hvörf ganga skilvirkar.

Myndræn tenging

Skoðaðu hvert ferli og ákveddu hvort það er orkukrefjandi eða orkulosandi. Eykst eða minnkar vermi í hverju tilviki og eykst eða minnkar óreiða?

Mikilvægt hugtak í rannsóknum á efnaskiptum og orku er efnajafnvægi. Flest efnahvörf eru afturkræf. Þau geta gengið í báðar áttir, losað orku út í umhverfið í aðra áttina og tekið orku upp úr umhverfinu í hina áttina (Mynd 6.9). Það sama gildir um efnahvörf í efnaskiptum frumna, til dæmis niðurbrot próteina í stakar amínósýrur og myndun próteina úr stökum amínósýrum. Hvarfefni í lokuðu kerfi ganga í gegnum efnahvörf í báðar áttir þar til þau ná jafnvægisástandi, sem er eitt lægsta mögulega stig frjálsrar orku og ástand hámarksóreiðu. Til að ýta hvarfefnum og hvarfmyndefnum frá jafnvægisástandi þarf orku. Annaðhvort þarf að bæta við, fjarlægja eða breyta hvarfefnum eða hvarfmyndefnum. Ef fruma væri lokað kerfi myndu efnahvörf hennar ná jafnvægi og hún myndi deyja vegna þess að ekki væri næg frjáls orka eftir til að vinna þá vinnu sem þarf til að viðhalda lífi. Í lifandi frumu stefna efnahvörf stöðugt að jafnvægi en ná því aldrei. Ástæðan er sú að lifandi fruma er opið kerfi. Efni fara inn og út, fruman nýtir hvarfmyndefni tiltekinna efnahvarfa í öðrum hvörfum og efnajafnvægi næst aldrei. Þannig eru lífverur í stöðugri, orkukrefjandi baráttu gegn jafnvægi og óreiðu. Þetta stöðuga orkuframboð kemur að lokum frá sólarljósi, sem myndar næringarefni í ljóstillífun.

Virkjunarorka

Annað mikilvægt hugtak tengist orkukrefjandi og orkulosandi hvörfum. Jafnvel orkulosandi hvörf þurfa lítið orkuinntak áður en orkulosandi skref þeirra geta farið af stað. Þessi hvörf losa orku nettó en þurfa samt nokkra upphafsorku. Þetta litla orkumagn, sem öll efnahvörf þurfa til að geta átt sér stað, kallast virkjunarorka, eða frjáls virkjunarorka, og er táknað sem Eₐ (Mynd 6.10).

Hvers vegna þarf orkulosandi hvarf með neikvætt ΔG samt einhverja orku til að ganga? Ástæðan felst í skrefunum sem eiga sér stað í efnahvarfi. Í efnahvörfum rofna ákveðin efnatengi og ný myndast. Þegar glúkósasameind brotnar niður rofna til dæmis tengi milli kolefnisatóma sameindarinnar. Þar sem þessi tengi geyma orku losa þau orku þegar þau rofna. Til að koma sameindinni í ástand þar sem tengin geta rofnað þarf hún þó að aflagast nokkuð. Lítið orkuinntak þarf til að ná þessu aflagaða ástandi. Þetta ástand kallast hvarfmið og er orkuríkt og óstöðugt. Þess vegna endast hvarfefnissameindir ekki lengi í hvarfmiði heldur halda mjög hratt áfram í næstu skref efnahvarfsins. Línurit yfir frjálsa orku sýna orkusnið tiltekins hvarfs. Hvort hvarfið er orkulosandi eða orkukrefjandi ákvarðar hvort hvarfmyndefnin á línuritinu eru á lægra eða hærra orkustigi en hvarfefnin. Óháð þessu er hvarfmið hvarfsins á hærra orkustigi en hvarfefnin og því er Eₐ alltaf jákvætt.

Tengill á námsefni

Horfðu á hreyfimynd af færslunni frá frjálsri orku yfir í hvarfmið á þessum vef.

Hvaðan kemur virkjunarorkan sem hvarfefni þurfa? Hún kemur venjulega sem varmaorka úr umhverfinu og knýr hvörfin áfram. Varmaorka, heildar tengiorka hvarfefna eða hvarfmyndefna í efnahvarfi, hraðar hreyfingu sameinda og eykur tíðni og kraft árekstra þeirra. Hún hreyfir einnig atóm og tengi innan sameindarinnar lítillega og hjálpar þeim þannig að ná hvarfmiði. Af þessum sökum veldur hitun kerfis því að hvarfefni innan þess hvarfast oftar. Aukinn þrýstingur á kerfi hefur sömu áhrif. Þegar hvarfefni hafa tekið upp næga varmaorku úr umhverfi sínu til að ná hvarfmiði getur hvarfið gengið.

Virkjunarorka tiltekins hvarfs ákvarðar hversu hratt það gengur. Því hærri sem virkjunarorkan er, þeim mun hægara er efnahvarfið. Ryðgun járns sýnir eðlislægt hægt hvarf; það gerist hægt yfir tíma vegna mikillar virkjunarorku. Bruni margra eldsneytisefna, sem er sterkt orkulosandi, gengur einnig á hverfandi hraða nema nægur varmi frá neista yfirvinni virkjunarorkuna. Þegar bruninn hefst losa efnahvörfin hins vegar nægan varma til að viðhalda brunanum og veita nærliggjandi eldsneytissameindum virkjunarorku. Líkt og í þessum hvörfum utan frumna er virkjunarorka flestra frumuhvarfa of há til að varmaorka ein og sér yfirvinni hana á skilvirkum hraða. Með öðrum orðum þarf að lækka virkjunarorku mikilvægra frumuhvarfa til að þau geti átt sér stað á merkjanlegum hraða, það er sem nægur fjöldi hvarfa á tímaeiningu (Mynd 6.10). Þetta kallast hvötun. Fyrir lifandi frumur er þetta mjög mikilvægt. Mikilvægar stórsameindir, eins og prótein, DNA og RNA, geyma mikla orku og niðurbrot þeirra er orkulosandi. Ef hitastig frumunnar eitt og sér veitti næga varmaorku til að þessi orkulosandi hvörf yfirynnu virkjunarþröskulda sína, myndu nauðsynlegir þættir frumunnar sundrast.

Myndræn tenging

Ef engrar virkjunarorku væri þörf til að brjóta niður súkrósa (borðsykur), gætir þú þá geymt hann í sykurkari?