6.3 Lögmál varmafræðinnar

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Rætt hugtakið óreiðu
• Útskýrt fyrsta og annað lögmál varmafræðinnar

Varmafræði er rannsókn á orku og orkuflutningi í efni. Efnið og umhverfi þess sem skipta máli í tilteknu dæmi um orkuflutning kallast kerfi og allt utan kerfisins kallast ytra umhverfi. Þegar vatn er hitað í potti á eldavél nær kerfið til eldavélarinnar, pottsins og vatnsins. Orka flyst innan kerfisins, það er milli eldavélar, potts og vatns. Til eru tvær megingerðir kerfa: opin kerfi og lokuð kerfi. Í opnu kerfi geta bæði orka og efni flust milli kerfisins og ytra umhverfis. Kerfið á eldavélinni er opið vegna þess að það getur tapað varma út í loftið. Lokað kerfi getur flutt orku til ytra umhverfis en ekki efni.

Lífverur eru opin kerfi. Þær skiptast á orku við umhverfi sitt þegar þær taka inn orkugeymandi sameindir og losa orku út í umhverfið með því að vinna vinnu. Eins og allt annað í efnisheiminum lýtur orka lögmálum eðlisfræðinnar. Lögmál varmafræðinnar stýra orkuflutningi í öllum kerfum alheimsins og á milli þeirra.

Fyrsta lögmál varmafræðinnar

Fyrsta lögmál varmafræðinnar fjallar um heildarmagn orku í alheiminum. Það segir að heildarmagn orkunnar sé fast. Með öðrum orðum hefur alltaf verið og mun alltaf vera nákvæmlega sama magn orku í alheiminum. Orka er til á mörgum mismunandi formum. Samkvæmt fyrsta lögmáli varmafræðinnar getur orka flust á milli staða eða breyst í önnur form, en hún getur hvorki myndast né eyðst. Orkuflutningur og orkuumbreytingar eiga sér stað allt í kringum okkur. Ljósaperur breyta raforku í ljósorku. Gaseldavélar breyta efnaorku úr jarðgasi í varmaorku. Plöntur framkvæma eina líffræðilega gagnlegustu orkuumbreytingu á jörðinni: þær breyta ljósorku sólar í efnaorku sem geymd er í lífrænum sameindum (Mynd 6.2). Mynd 6.11 sýnir dæmi um orkuumbreytingar.

Áskorun allra lífvera er að afla orku úr umhverfi sínu á formi sem þær geta flutt eða breytt í nýtanlega orku til að vinna vinnu. Lifandi frumur hafa þróast þannig að þær mæta þessari áskorun mjög vel. Efnaorka sem er geymd í lífrænum sameindum, svo sem sykrum og fitu, breytist í gegnum röð efnahvarfa í frumum í orku í ATP-sameindum. Orkan í ATP-sameindum er auðaðgengileg til vinnu. Dæmi um vinnu sem frumur þurfa að vinna eru að byggja upp flóknar sameindir, flytja efni, knýja slátt bifhára eða svipa, draga saman vöðvaþræði til að skapa hreyfingu og sjá um æxlun.

Annað lögmál varmafræðinnar

Meginverkefni lifandi frumu, að afla orku, umbreyta henni og nota hana til að vinna vinnu, kunna að virðast einföld. Annað lögmál varmafræðinnar útskýrir hins vegar hvers vegna þessi verkefni eru erfiðari en þau líta út fyrir að vera. Hvorki þeir orkuflutningar sem við höfum rætt né aðrir orkuflutningar eða orkuumbreytingar í alheiminum eru fullkomlega skilvirk. Við hvern orkuflutning tapast einhver orka í formi sem ekki er nýtanlegt. Í flestum tilvikum er þetta form varmaorka. Í varmafræðilegum skilningi er varmaorka orka sem flyst frá einu kerfi til annars án þess að vinna vinnu. Þegar flugvél flýgur í gegnum loft tapar hún til dæmis hluta orku sinnar sem varmaorku vegna núnings við loftið í kring. Núningurinn hitar loftið með því að auka tímabundið hraða loftsameinda. Á sama hátt tapast nokkur orka sem varmaorka í efnaskiptahvörfum frumna. Þetta er gagnlegt fyrir jafnheitar lífverur eins og okkur, því varmaorka hjálpar til við að viðhalda líkamshita. Strangt til tekið er enginn orkuflutningur fullkomlega skilvirkur, því einhver orka tapast í ónýtanlegu formi.

Mikilvægt hugtak í efnislegum kerfum er regla og óregla, eða tilviljunarkennd niðurröðun. Því meiri orku sem kerfi tapar til ytra umhverfis, þeim mun minni regla og meiri tilviljun verður í kerfinu. Mælikvarði á tilviljunarkennd eða óreglu innan kerfis kallast óreiða. Mikil óreiða þýðir mikil óregla og lítil nýtanleg orka (Mynd 6.12). Til að skilja óreiðu betur má hugsa sér herbergi nemanda. Ef engin orka eða vinna er lögð í herbergið verður það fljótt óreiðukennt. Það væri þá í mjög óreglulegu ástandi, ástandi mikillar óreiðu. Til að koma herberginu aftur í hreint og skipulagt ástand þarf að leggja orku í kerfið með vinnu nemandans. Slíkt ástand er ástand lítillar óreiðu. Á sama hátt þarf stöðugt viðhald og vinnu til að halda bíl eða húsi í skipulögðu ástandi. Ef ekkert er gert eykst óreiða húss eða bíls smám saman með ryði og niðurbroti. Sameindir og efnahvörf hafa einnig mismikla óreiðu. Þegar efnahvörf ná jafnvægi eykst óreiða og þegar sameindir sem eru í háum styrk á einum stað flæða og dreifast út eykst óreiða einnig.

Tenging við vísindalega aðferð

Orkuflutningur og óreiða sem af honum hlýst

Settu upp einfalda tilraun til að skilja hvernig orka flyst og hvernig breyting á óreiðu verður til.

• Taktu ísmola. Þetta er vatn á föstu formi og hefur því mikla byggingarreglu. Sameindirnar geta ekki hreyfst mikið og eru í fastri stöðu. Hitastig íssins er 0 °C. Þess vegna er óreiða kerfisins lítil.
• Láttu ísinn bráðna við stofuhita. Hvert er ástand sameindanna í fljótandi vatninu núna? Hvernig átti orkuflutningurinn sér stað? Er óreiða kerfisins meiri eða minni? Hvers vegna?
• Hitaðu vatnið að suðumarki. Hvað gerist við óreiðu kerfisins þegar vatnið er hitað?

Hugsaðu um öll efnisleg kerfi á þennan hátt: Lífverur eru mjög skipulagðar og þurfa stöðugt orkuinntak til að viðhalda sér í ástandi lítillar óreiðu. Þegar lifandi kerfi taka inn orkugeymandi sameindir og umbreyta þeim með efnahvörfum tapast hluti nýtanlegrar orku í ferlinu, því ekkert hvarf er fullkomlega skilvirkt. Kerfin mynda einnig úrgang og aukaafurðir sem eru ekki gagnlegir orkugjafar. Þetta ferli eykur óreiðu í umhverfi kerfisins. Þar sem allir orkuflutningar valda tapi á einhverri nýtanlegri orku segir annað lögmál varmafræðinnar að sérhver orkuflutningur eða orkuumbreyting auki óreiðu alheimsins. Þótt lífverur séu mjög skipulagðar og viðhaldi ástandi lítillar óreiðu eykst heildaróreiða alheimsins stöðugt vegna taps á nýtanlegri orku við hvern orkuflutning. Í raun eru lífverur í stöðugri baráttu gegn þessari sífelldu aukningu óreiðu í alheiminum.