معلومة

2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_06 - علم الأحياء

2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_06 - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم المرتبطة بـ 2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_06

  • طوّر "قصة طاقة" حول تفاعل بيولوجي أو كيميائي حيوي باستخدام القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية. وصف الأحداث من حيث الطاقة ، والوعي بالحفاظ على الطاقة ، ونقل الطاقة ، والانتروبيا ، ثم اربطها بما يحدث على المستوى الجزيئي.
  • شرح القانون الأول للديناميكا الحرارية (حفظ الطاقة).
  • اشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية (الانتروبيا آخذ في الازدياد) وكيف يرتبط بالتفاعلات البيولوجية.
  • صف العلاقة بين الطاقة الحرة والتوازن الكيميائي باستخدام المعادلة ∆G ° = -RTlnKeq، التذرع صراحةً بالحالات "الأولية" و "النهائية" المناسبة (مثل انتهى في قصة الطاقة).
  • تفسير مخططات تنسيق التفاعل وربط التغييرات في المحتوى الحراري لجيبس وطاقة التنشيط بالمعدلات النسبية للتفاعلات ، وظروف التوازن ، وما إذا كان التفاعل مسببًا للطاقة أو مفرطًا للطاقة.
  • افهم كيفية استخدام المعادلة ΔG = ΔH - TΔS واشرح ما يمثله كل مصطلح.
  • تفسير التحول البيوكيميائي والتنبؤ سواء يكون التفاعل تلقائيًا باستخدام مخطط تنسيق تفاعل جيبس ​​الحراري (الطاقة).
  • توقع ما إذا كان رد الفعل اثنين يمكن أن تكون منتجة من الناحية النظريةيقترن بشدة من خلال تفسير جداول المحتوى الحراري القياسي لجيبس.
  • صف مفهوم التوازن في سياق مخططات تنسيق رد الفعل.

المادة والطاقة في علم الأحياء

المادة و الطاقة

مفاهيم المادة والطاقة ضرورية لجميع التخصصات العلمية. نستخدم المصطلح في مجموعة متنوعة من السياقات في الحياة اليومية:

  • "هل يمكننا تحريك الأريكة غدًا؟ ليس لدي طاقة.”
  • "اهلا يا دودى! أطفئ الضوء. نحن بحاجة للحفظ طاقة.”
  • "هذا عظيم طاقة يشرب."

في بعض فصول العلوم ، يتم إخبار الطلاب أن الطاقة تأتي في أشكال مختلفة (أي حركية ، حرارية ،الكهرباء،المحتملة ، وما إلى ذلك). هذا يمكن أن يجعل من الصعب في بعض الأحيان فهم بالضبط ما هي "هي" الطاقة. نربط أيضًا مفهوم الطاقة بالعديد من المعادلات ، لكل منها متغيرات مختلفة ، ولكن يبدو أن جميعها بطريقة ما تحتوي على وحدات عمل. يتمسك! عمل؟ ظننت أننا نتحدث عن الطاقة ؟!

نظرًا لجميع السياقات المختلفة وأحيانًا المعالجات والتعريفات التي تبدو متناقضة ، فمن السهل فهم سبب ظهور هذه الموضوعات تحديًا للعديد من الطلاب وفي النهاية ينتهي بهم الأمر في بعض الأحيان إلى إبعادهم عن الموضوعات وحتى المجالات التي تستخدم هذه الأفكار بشكل كبير. في حين أن مفاهيم المادة والطاقة غالبًا ما ترتبط بالكيمياء والفيزياء ، إلا أنها أفكار مركزية في علم الأحياء ولا نختبئ من هذا في BIS2A. في هذا الصدد ، تتمثل أهدافنا التعليمية في مساعدة الطلاب على تطوير إطار عمليساعديستخدمون مفاهيم المادة والطاقة من أجل:

  • وصف التفاعلات والتحولات البيولوجية بنجاح ؛
  • إنشاء نماذج وفرضيات لـ "كيفية عمل الأشياء" في علم الأحياء تتضمن صراحة المادة والطاقةو؛
  • أن يكون صحيحًا علميًا وينقل هذه الأفكار إلى مشاكل جديدةإلى جانبالتخصصات الأخرى.

بينما قد يكون هناكزوج منالمعادلات المتعلقة بالطاقة للتعلم والاستخدام في BIS2A ، سيكون تركيز الدورة على التطوير القوي لمفاهيم الطاقة والمادة واستخدامها في تفسير الظواهر البيولوجية.

الدافع للتعلمعنالمادة و الطاقة

تجعل المناقشات حول المادة والطاقة بعض طلاب BIS2A قلقين بعض الشيء.بعد كل ذلك، أليست هذه المواضيع تخص الكيمياء أو الفيزياء؟ ومع ذلك ، فإن تحولات المادة ونقل الطاقة ليست ظواهر مخصصة للكيميائيين والفيزيائيين أو حتى العلماء والمهندسين. فهم،تصور، والقيام ببعض المحاسبة الأساسية لتحولات المادة ونقل الطاقة هي مهارات أساسية بغض النظر عن المهنة أو التدريب الأكاديمي. قد يحتاج العالم إلى أوصاف أكثر دقة ومنهجية لهذه التحولات من الفنان ولكن كلاهما يستخدم هذه المهارات في نقاط مختلفة من حياتهم الشخصية أو المهنية. خذ الأمثلة التالية:

مثال 1: المادة وتحول الطاقة في ظاهرة الاحتباس الحراري

دعونا نفكر للحظة في موضوع يؤثر علينا جميعًا ، الاحتباس الحراري. في جوهرها يكمن نموذج بسيط نسبيًامبني علىبناءً على فهمنا للطاقة في الإشعاع الشمسي ، ونقل هذه الطاقة مع المادة الموجودة على الأرض ، ودور ودوران الغازات الرئيسية المحتوية على الكربون في الغلاف الجوي للأرض. بعبارات بسيطة ، تضرب الطاقة الشمسية الأرض وتنقل الطاقة إلى سطحها ، وتسخنها. ينتقل جزء من هذه الطاقة إلى الفضاء. ومع ذلك ، اعتمادًا على تركيز ثاني أكسيد الكربون (وما يسمى بغازات الاحتباس الحراري الأخرى) قد تصبح كميات مختلفة من هذه الطاقة "محاصرة" في الغلاف الجوي للأرض. كمية قليلة جدًا من ثاني أكسيد الكربون وقليل نسبيًا من الطاقة / الحرارةوالمحاصرين- تتجمد الأرض وتصبح غير مضيافة للحياة.يتم حجز الكثير من ثاني أكسيد الكربون والكثير من الحرارة- ترتفع درجة حرارة الأرض وتصبح غير مضيافة للحياة. لذلك ، من المنطقي أن الآليات (البيولوجية أو غيرها) التي تؤثر على مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قد تكون مهمة للنظر في قصة الاحتباس الحراري وأن تطوير فهم جيد لظاهرة الاحتباس الحراري يتطلب من المرء تتبع تدفق الكربون والأكسجين (المادة) من خلال أشكالهما المختلفة والآليات التي بواسطتها الطاقةيتم نقلمن وإلى مكونات النظام المختلفة.

مثال 2: تقلص العضلات

دعونا الآن نفكر في مثال شخصي أكثر ، ثني الذراع بدءًا من وضع ممتد وانتهاءً بوضع مرن. مثل معظم العمليات ، هذا يمكنتوصفوفهمت على مستويات مختلفة من التفاصيل: من وجهة نظر تشريحية حيث النظاميتكون منالعضلات والجلد والعظام إلى وجهة النظر الجزيئية حيث النظاموتتألفمن الجزيئات الحيوية المتفاعلة الفردية. في أي مستوى من التفاصيل ، إذا أردنا إنشاء قصة تصف هذه العملية ، فإننا نعلم أن: (أ) يجب أن يتضمن الوصف حسابًا لما حدث للمسألة في النظام (وهذا يشمل التغيير في موضع صنع الجزيئات حتى أجزاء مختلفة من الذراع "احترق" الوقود لتحريكه) و (ب) بعض الوقودكان يولدلبدء الحركة ، وبالتالي ، فإن أي وصف للعملية يجب أن يتضمن أيضًا تغييرًا محاسبيًا فيطاقة النظام. بعبارات أبسط ، هذا مجرد قول أنه إذا كنت تريد وصف عملية حدث فيها شيء ما ، فأنت بحاجة إلى وصف ما حدث لـ "الأشياء" في النظام وما حدث للطاقة في النظام لجعل العملية تحدث.

لا يمكننا تغطية جميع الأمثلة على المادة ونقل الطاقة في BIS2A. لكننا سوف نستكشف هذه القضايا كثيرًا ونتدرب على وصف التحولات التي تحدث في الطبيعة مع الاهتمام المنظم والصريح بما يحدث للمادة والطاقة في النظام أثناء تغيره. سنقوم بهذا التمرين عبر مستويات هيكلية مختلفة في علم الأحياء ، من المستوى الجزيئي (مثل تفاعل كيميائي واحد) إلى نماذج أكثر نطاقًا وملخصة مثل دورة المغذيات في البيئة. سنمارس هذه المهارة باستخدام أداة تربوية نسميها "قصة الطاقة”.تكون على استعداد لمشاركة!

الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحراريةتشعر بالقلقمع وصف التغييرات في الأنظمة قبل التغيير وبعده. يتضمن هذا عادةً مناقشة حول عمليات نقل الطاقة وتشتتها داخل النظام ومحيطه. في جميع الحالات العملية تقريبًا ، تتطلب هذه التحليلات أن يكون النظام ومحيطهيتم وصفها بالكامل. على سبيل المثال ، عند مناقشة تسخين قدر من الماء على الموقد ، قد يشمل النظام الموقد والوعاء والماء والبيئة أو البيئة المحيطة قد تشمل كل شيء آخر. الكائنات البيولوجيةماذا يكونتسمى الأنظمة المفتوحةيتم نقل الطاقةبينهم وبين محيطهم.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. تنص على أن هذا المقدار الإجمالي للطاقة ثابت.بعبارة أخرى ، هناككانت دائمًا وستظل دائمًا نفس كمية الطاقة في الكون.

وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن للطاقةيتم نقلهامن مكان إلى آخر ، لكنها لا تستطيع ذلكسيتم إنشاءأو دمرت. يتم نقل الطاقة من حولنا طوال الوقت. تنقل المصابيح الطاقة من محطات الطاقة الكهربائية إلى حرارة وفوتونات ضوئية. تنقل مواقد الغاز الطاقة المخزنة في روابط المركبات الكيميائية إلى حرارة وضوء. (الحرارة هي كمية الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر بسبب اختلاف درجة الحرارة.)

تقوم النباتات بأحد أكثر عمليات نقل الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: فهي تنقل الطاقة في فوتونات ضوء الشمس إلى الروابط الكيميائية للجزيئات العضوية. في كل حالة من هذه الحالات ، لا تُصنع الطاقة ولا يتم تدميرها ، وعلينا أن نحاول حسابها الكل الطاقة عندما نفحص بعض هذه التفاعلات.

القانون الأول وقصة الطاقة

القانون الأول للديناميكا الحرارية بسيط بشكل مخادع. غالبًا ما يفهم الطلاب أن الطاقة لا تستطيع ذلكسيتم إنشاءأو دمرت. ومع ذلك ، عند وصف قصة طاقة لعملية ما ، غالبًا ما يرتكبون خطأ قول أشياء مثل "الطاقةويتم إنتاجمن عندنقلالإلكترونات من الذرة A إلى الذرة B. "بينما يفهم معظمنا النقطة التي يحاول الطالب توضيحها ، يتم استخدام الكلمات الخاطئة. الطاقةلم يصنعأو أنتجت ؛يتم نقله ببساطة. لكي تتوافق مع القانون الأول ، عند سرد قصة طاقة ، تأكد من محاولة تتبع جميع الأماكن التي تمر فيها كل الطاقة في النظام في بداية العملية بنهاية العملية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية غير قادر علي. الانتروبيا تتعلق كيف يمكن للطاقةيتم توزيعهاأو مشتتة داخل جسيمات النظام. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الانتروبيا تتزايد دائمًا في النظام و محيطه (أي كل شيء داخل وخارج النظام مجتمعين).

تساعد هذه الفكرة في تفسير اتجاه الظواهر الطبيعية. الفكرة هي أن الاتجاه يأتي من ميل الطاقة في نظام ما للتحرك نحو حالة التشتت الأقصى. لذلك ، يشير القانون الثاني إلى أنه في أي تحول ، يجب أن نبحث عن زيادة شاملة في الانتروبيا (أو تشتت الطاقة) ، في مكان ما. كلما زاد تشتت الطاقة في نظام أو محيطه ، زادت قدرة الطاقة على

يتم توجيهها

نحو النقصان العمل.

نربط السيناريوهات الأربعة أدناه بـ

في ازدياد

إنتروبيا النظام. حاول التفكير في أمثلة محددة عندما:

أ. النظام يكتسب الطاقة ؛
ب. يحدث تغيير في الحالة من صلب إلى سائل إلى غاز ؛
ج. يحدث خلط المواد ؛
د.اليزداد عدد الجسيمات أثناء التفاعل.


مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

تبرير أو دحض الإفادة التالية: "النظم البيولوجية هي استثناء للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، منذ ذلك الحينالخلايا معروفةلترتيب أنفسهم فيهاجداالهياكل عالية التنظيم (فكر: الأنسجة والأعضاء وما إلى ذلك)على الاصحمن أن تكون في حالة أكثر اضطرابًا ".تأكد من التحققخارج ما يقوله أقرانك--هل توافق أو لا توافق على موقفهم و / أو مبرراتهم؟


شكل 1. يمكن أن تحدث زيادة الفوضى بطرق مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك مكعب ثلج يذوب على رصيف ساخن. هنا الجليدمعروضعلى شكل ندفة ثلجية ، مع جزيئات الماء المنظمة والمنظمة التي تشكل ندفة الثلج. بمرور الوقت ، ستذوب ندفة الثلج في مجموعة من جزيئات الماء غير المنظمة والمتحركة بحرية. من الشائع وصف الإنتروبيا كمقياس للترتيبكوسيلةلتبسيط الوصف الأكثر واقعية المتعلق بالإنتروبيا بعدد الحالات التييمكن تشتيت الطاقةفي النظام. في حينفكرةترتيب القياس لتعريف الإنتروبيا به بعض العيوب ، فهو في بعض الأحيان وكيل مفيد ، وإن كان غير كامل. (مصدر)


إذا أخذنا في الاعتبار القانونين الأول والثاني معًا ، فإننا نصل إلى نتيجة مفيدة. كلما كانت الطاقةيتم نقلأو إعادة توزيعها داخل النظام ، يجب أن تزيد الإنتروبيا.هذه الزيادة في الانتروبيا مرتبطةإلى أي مدى "مفيدة" الطاقةفعلالشغل. تذكر مرة أخرى أن هذه الطاقة تصبح أقل توفرًا مع زيادة الإنتروبيا.

ضع في اعتبارك: ستجد العديد من الأمثلة التي تتناقص فيها إنتروبيا النظام محليا. ومع ذلك ، وفقًا للقانون الثاني ، يمكن أن تكون إنتروبيا الكون بأسره أبدا ينقص. يجب أن يعني هذا أن هناك زيادة مساوية أو أكبر في الانتروبيا في مكان آخر في البيئة المحيطة (على الأرجح في نظام متصل بشكل وثيق) تعوض عن الانخفاض المحلي.

نستنتج أنه بينما كل شيءاليجب الحفاظ على الطاقة، إذا أدى التغيير المطلوب إلى زيادة الانتروبيا ، فهذا يعني أن بعض الطاقة ستوزع بطريقة تجعلها أقل فائدة للعمل. في معظم الأوقات ، لا سيما في علم الأحياء ، يمكن لبعض الزيادة في الانتروبيايتم طباشيرحتى نقل الطاقة للتدفئة في البيئة.

قصة الطاقة

نظرة عامة على قصة الطاقة

سواء كنا نعرف ذلك ، فإننا نروي القصص التي تتضمن المادة والطاقة كل يوم. نادرًا ما نستخدم المصطلحات المرتبطة بالمناقشات العلمية حول المادة والطاقة.

مثال1

الإعداد: بيان بسيط بتفاصيل ضمنية
تخبر زميلك في السكن قصة عن كيفية وصولك إلى الحرم الجامعي بقولك ، "لقد ذهبت بالدراجة إلى الحرم الجامعي اليوم." في هذا البيان البسيط توجد عدة افتراضاتهذا هومن المفيد تفريغ الأمتعة ، حتى لو لم يبدوا أنه من الأهمية بمكان تضمينهم صراحة في محادثة غير رسمية بين الأصدقاء حول خيارات النقل.

إعادة تفسير شخص خارجي للعملية
لتوضيح ذلك ، تخيل مراقبًا خارجيًا ، مثل كائن فضائي يشاهد مجيء وذهاب البشر على الأرض. دون فائدة من معرفة الكثير من المعاني الضمنية والافتراضات المعقولة ذلكدفنفي لغتنا ، سيختلف وصف الأجنبي لرحلة ركوب الدراجات الصباحية عن وصفك. ما وصفته بكفاءة بأنه "ركوب الدراجة إلى الحرم الجامعي" قد يكون كذلكيتم وصفها بشكل أكثر تحديدًامن قبل الأجنبي كتغيير في موقع جسم الإنسان ودراجته من موقع واحد (الشقة ، تسمى الموضع A) إلى موقع مختلف (الجامعة ، تسمى الموضع B). قد يكون الفضائي أكثر تجريدًا ويصف رحلة الدراجة على أنها حركة المادة (جسم الإنسان ودراجته) بين الحالة الأولية (في الموقع أ) إلى الحالة النهائية (في الموقع ب). من وجهة نظر الفضائي ، ما يمكن أن تسميه "ركوب الدراجات"يتم وصفها بشكل أكثر تحديدًاكاستخدام لأداة ذات عجلتين تجمع بين نقل الطاقة من المجالات الكهربائية في المركبات الكيميائية إلى تسريع مجموعة الأدوات ذات العجلتين والتي تعمل على تسخين بيئتها. أخيرًا ، مدفونًا في العبارة البسيطة التي تصف كيف بدأنا العمل هو أيضًا الفهم الضمني بأن كتلة الجسم والدراجةتم حفظهافي هذه العملية (مع بعض التحذيرات المهمة التي سنلقي نظرة عليها في المحاضرات المستقبلية) وهذه بعض الطاقةكنتنقلحول النظام والبيئة لتمكين حركة الجسم من الموضع A إلى الموضع B.

ملحوظة: التفاصيل مهمة. ماذا لو كنت تمتلك دراجة كهربائية بالكامل ، والشخص الذي كنت تتحدث معه لا يعرف ذلك؟ ما هي التفاصيل المهمة التي قد يغيرها هذا بشأن القصة "اليومية" التي أخبرتها والتي كان من الممكن أن يوضحها الوصف الأكثر تفصيلاً؟ كيف ستتغير قصة الفضائي؟ في أي سيناريوهات قد تكون هذه التغييرات ذات صلة؟

كما توضح هذه القصة البسيطة ، بغض النظر عن العديد من العوامل ، فإن فعل إنشاء وصف كامل للعملية يتضمن بعض المحاسبة لما حدث للمسألة ، وما حدث للطاقة ، ودائمًا ما يكون بعض الوصف للآلية التي تصف كيفية حدوث التغييرات في المادة والطاقة للنظامتم جلبهحول.

لممارسة هذه المهارة فيBIS2A، سوف نستفيد من شيء نحب أن نطلق عليه "قصة الطاقة". قد يُطلب منك سرد "قصة طاقة" في الفصل ، والتدرب على سرد قصص الطاقة في أدلة دراسة المحاضرة ، واستخدام المفهوم في امتحاناتك. في هذا القسم ، نركز بشكل أساسي على تقديم مفهوم قصة الطاقة وشرح كيفية سردها.من الجدير بالذكر أن ملفمصطلح "قصة الطاقة"يستخدمتقريبياحصريافي(ولها معنى محدد في هذه الفئة). لن يظهر هذا المصطلح الدقيق في الدورات التدريبية الأخرى في جامعة كاليفورنيا في ديفيس (على الأقل في المدى القصير) ، أو إذا ظهر ، فمن غير المحتمل أنيستخدمبنفس الاسلوب. لكأعطى المدربون هذا النهج اسمًا قصيرًا (قصة طاقة) لذلكالذي - التييمكننا جميعًا ربطه بالتمرين المشترك. بهذه الطريقة ، عندما يطلب المدرب من الفصل أن يروي أو يؤلف قصة عن الطاقة ، يعلم الجميعما هو المقصود.

التعريف: قصة الطاقة

قصة الطاقة هي سرد ​​يصف عملية أو حدث. العناصر الحاسمة لهذه الرواية هيعلى النحو التالي:

  1. حدد حالتين على الأقل (على سبيل المثال ، البداية والنهاية)في العمليه.
  2. تحديد وإدراج الأمر في النظام وحالته في بداية العملية ونهايتها.
  3. صف التحول الذي يحدث أثناء العملية.
  4. ضع في اعتبارك "موقع" الطاقة في النظام في بداية العملية ونهايتها.
  5. صف انتقال الطاقة الذي يحدث أثناء العملية.
  6. تحديد ووصف الآلية(ق) مسؤولة عن التوسط في تحويل المادة ونقل الطاقة.

قصة طاقة كاملة سوفتتضمن وصفا لالمتفاعلات الأولية وحالاتها النشطةإلى جانبوصف للمنتجات النهائية وحالاتها النشطة بعد العملية أواكتمل رد الفعل.


مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

نحن نجادل بأن قصة الطاقة يمكن أن تفعل ذلكاستخدمت لتوصيل كل التفاصيل المفيدة التيمطلوبةلوصف أي عملية تقريبًا. هل يمكنك التفكير في عمليةلا يمكن وصفه بشكل كافٍ بقصة الطاقة؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقم بوصف هذه العملية.


المثال 2:طاقةمثال القصة

دعونا نفترض أننا نتحدث عنهعمليةقيادة السيارة من "النقطة أ" إلى "النقطة ب" (انظر الشكل 1).

شكل 1: هذا رسم تخطيطي لسيارة تتحرك من نقطة البداية ، "النقطة أ" ، إلى نقطة النهاية ، "النقطة ب". يمثل المستطيل الأزرق الموضح في الجزء الخلفي من السيارة مستوى البنزين ؛ يمثل الخط الأرجواني المتعرج بالقرب من ماسورة العادم العادم ؛ تمثل الخطوط الزرقاء المتعرجة الموجودة أعلى السيارة اهتزازات صوتية ؛ ويمثل التظليل الأحمر المناطق الأكثر سخونة مما كانت عليه في البداية. المصدر: تم إنشاؤه بواسطةمارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

دعنا نخطو في نموذج تقييم قصة الطاقة:

1. حدد حالتين على الأقل (على سبيل المثال ، البداية والنهاية)في العمليه.

في هذا المثال ، يمكننا بسهولة تحديد حالتين. الحالة الأولى هي السيارة غير المتحركة عند "النقطة أ" بداية الرحلة. الحالة الثانية بعد العمليةتم، هل السيارة غير المتحركة عند "النقطة ب."

2. تحديد وإدراج الأمر في النظام وحالته في بداية العملية ونهايتها.

هنا ، نلاحظ أولاً أن "النظام" يشمل كل شيء في الشكل - السيارة ، والطريق ، والهواء المحيط بالسيارة ، وما إلى ذلك.

من المهم أن نفهم أننا سنطبق القانون الفيزيائي الخاص بحفظ المادة. في أي من العمليات التي سنناقشها ، لا يتم إنشاء المادة أو تدميرها. قد يغير الشكل ، ولكن يجب أن يكون المرء قادرًا على حساب كل شيء في نهاية العمليةالذي - التيكان هناك في البداية.

في بداية العملية ، الأمر في النظاميتكون منالأتى:
1. السيارة وكل ما بداخلها
2. الوقود في السيارة (شيء مميز في السيارة)
3. الهواء (بما في ذلك الأكسجين) حول السيارة.
4. الطريق
5. السائق

في نهاية العملية ،يتم توزيع الأمر في النظامعلى النحو التالي:
1. السيارة وكل الأشياء الموجودة بها في مكان جديد (دعنا نفترض ، بصرف النظر عن الوقود والموضع ، أن شيئًا آخر لم يتغير).
2. هناك وقود أقل في السيارة ، وهو أيضًا في مكان جديد.
3. تغير الهواء.هو - هيالآن يحتوي على أكسجين جزيئي أقل ، والمزيد من ثاني أكسيد الكربون ، والمزيد من بخار الماء.
4. لم يتغير الطريق (لنفترض أنه لم يتغير - باستثناء بضع حصى كانت تتحرك في الأنحاء).
5. لم يتغير السائق (لنفترض أنها لم تتغير - على الرغم من أننا سنرى بنهاية المدةالذي - التيفعلت ، على الأقل قليلاً). ومع ذلك ، فإن السائق الآن في مكان مختلف.

3. وصف التحول الذي يحدث أثناء العملية.

ماذا حدث للأمر في هذه العملية؟ بفضل الكثير من الافتراضات المبسطة ، نرى أن شيئين كبيرين قد حدثا. أولاً ، قامت السيارة وسائقها بتغيير موقعهما - انتقلوا من "النقطة أ" إلى "النقطة ب". ثانيًا ، نلاحظ ذلكقليلا من التغيرت الجزيئات الموجودة في الوقود ، والتي كانت موجودة في السيارة كسائل ، وأصبحت الآن في الغالب على شكل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء (فقاعة أرجوانية تخرج من أنبوب العادم).قليلا من الأصبحت جزيئات الأكسجين التي كانت موجودة في الهواء الآن أيضًا في مكان جديد كجزء من ثاني أكسيد الكربون والماء الذي ترك السيارة.

4. حساب "موقع" الطاقة في النظام في بداية العملية ونهايتها.

من المهم مرة أخرى أن نفهم أنناذاهب لالتذرع بالقانون الفيزيائي للحفاظ على الطاقة. نشترط أن الطاقة في النظام لا يمكنسيتم إنشاءأو دمرت ، وبالتالي الطاقةالذي - التيموجود في النظام في بداية العملية يجب أن يظل موجودًا في نهاية العملية. قد يكونتم إعادة توزيعها، ولكن يجب أن تكون قادرًا على حساب كل الطاقة.

في بداية العملية ،يتم توزيع الطاقة في النظامعلى النحو التالي:
1. الطاقةيرتبطفي الارتباطات بين الذرات التي تشكل موضوع السيارة.
2. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-8F2D9EC406D83AB340468768345CBAEC "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa -entions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الوقود.
3. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-5C17D229EA54D2EBEC8EF65F9A027666 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الهواء.
4. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-FB87FCEFCF1DE323B15FAC3B80C27A72 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي تشكل الطريق.
5. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-0D386227B4B6210CAC210EFB7E7063C4 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها السائق.
6. لكل الأشياء المذكورة أعلاه ، يمكننا القول أيضًا أن هناك طاقة في الحركات الجزيئية للذرات التي تتكون منها المادة.

في نهاية العملية ،يتم توزيع الطاقة في النظامعلى النحو التالي:
1. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-FE5286D6986C86C573365E214A2BD450 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي تشكل موضوع السيارة.
2. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-36FCBA7FAB7A5A52AA6EFE1496C77DAC "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الوقود.
3. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-7ADC75FE6520374F12582F64FBBFA2 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الهواء.
4. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-CD200593B9FF32A0283119B20FCA6DC1 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي تشكل الطريق.
5. حاول استخدام فعل نشط بدلاً من ذلك. "data-pwa-id =" pwa-E46BF888BA659BB0B991984E695D95C1 "data-pwa-rule-id =" PASSIVE_VOICE "data-pwa-Suggestions =" ​​"> مرتبطةفي الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها السائق.
6. لكل الأشياء المذكورة أعلاه ، يمكننا القول أيضًا أن هناك طاقة في الحركات الجزيئية للذرات التي تتكون منها المادة.

هذا مثير للاهتمام إلى حد ما ، لأن القوائم متشابهة تقريبًا. نعلم أن كمية الطاقة المخزنة في السيارة قد انخفضت ، بسبب نقص الوقود. يجب أن يحدث شيء ما.

5. وصف انتقال الطاقة الذي يحدث أثناء العملية.

في هذاخاصعلى سبيل المثال ، يعتبر نقل الطاقة بين مكونات النظام هو الأكثر إثارة للاهتمام. كما ذكرنا ، تقل الطاقة المخزنة في خزان الوقود للسيارة في نهاية الرحلة ، لأن الوقود الآن أقل. نحن نعلم أيضًا بشكل حدسي (من تجربة الحياة الواقعية) ذلكنقلالطاقة من الوقود إلى شيء آخركان له دور فعال في التحركالسيارة من "النقطة أ" إلى "النقطة ب". إذن ، أين ذهبت هذه الطاقة؟ تذكر ، لم تختف فقط. يجب أن يكون قد انتقل إلى مكان آخر في النظام.

حسنًا ، نعلم أن هناك المزيد من ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في النظام بعد العملية. توجد طاقة في الارتباطات بين تلك الذرات (الذرات التي كانت موجودة في الوقود والهواء). لذا بعض الطاقةذفيكان في الوقود الآن في العادم. دعنا أيضًا نستفيد من تجربة الحياة الواقعية مرة أخرى ، ونذكر أننا نعلم أن أجزاء من سيارتنا قد أصبحت ساخنة بنهاية الرحلة (على سبيل المثال ، المحرك وناقل الحركة والعجلات / الإطارات والعادم وما إلى ذلك). في الوقت الحالي ، سنستخدم حدسنا ونقول إننا نفهم أن جعل شيء ساخنًا ينطوي على بعض نقل الطاقة. لذلك يمكننا أن نفترض بشكل معقول أن بعض الطاقة في الوقود ذهبت (بشكل مباشر أو غير مباشر) إلى تدفئة السيارة وأجزاء من الطريق والعادم - وبالتالي البيئة المحيطة بالسيارة. كما دخلت كمية من الطاقةمتسارعالسيارة من السرعة الصفرية إلى أي سرعة سافرت بها ، ولكن معظم هذه الطاقة تحولت في النهاية إلى حرارة عندما توقفت السيارة.

هذا قليل من التفسير اليدوي ، وسوف نتعلم كيفية القيام بعمل أفضل خلال ربع السنة.النقطة الأساسية هي أننايجب أن يكون قادرًا على إضافة كل طاقة النظام في بداية العملية (في جميع الأماكنوجد) وفي نهاية العملية (في جميع الأماكنوجد) ، ويجب أن تكون هاتان القيمتان متطابقتين.

6. تحديد ووصفآلية(ق) مسؤولة عن التوسط في تحويل المادة ونقل الطاقة.

أخيرًا ، من المفيد محاولة فهم كيفية حدوث هذه التحولات في المادة ونقل الطاقةتم تسهيلها. من أجل الإيجاز ، قد نقول فقط أنه كان هناك جهاز ميكانيكي معقد (المحرك) ساعد في تسهيل تحويل المادة ونقل الطاقة حول النظام واقترن ذلك بالتغيير في موضع السيارة. شخص مهتم بالمحركات سيفعل ذلك، بالطبع،إعطاء شرح أكثر تفصيلاً.

في هذا المثال ، قمنا بمجموعة من الافتراضات المبسطة لتسليط الضوء على العملية والتركيز على تحويل الوقود. لكن هذا جيد. كلما فهمت أكثر عن العمليات ، زادت التفاصيل الدقيقة التي يمكنك إضافتها. لاحظ أنه يمكنك استخدام نموذج تقييم قصة الطاقة لوصف فهمك (أو البحث عن ثغرات في فهمك) لأي عملية تقريبًا (من المؤكدفي علم الأحياء). في BIS2A ، سنستخدم قصة الطاقة لفهم العمليات المتنوعة مثل التفاعلات الكيميائية الحيوية ، وتكرار الحمض النووي ، ووظيفة المحركات الجزيئية ، وما إلى ذلك.

الأهمية:

أولاً: سنعمل على العديد من الأمثلة لقصة الطاقة طوال الدورة - لا تشعر أنك بحاجة إلى التمكن من هذا الموضوع اليوم.

ثانيًا: في حين أنه من المغري التفكير في أن كل هذا غير ضروري أو غير وثيق الصلة بدراستك لعلم الأحياء في BIS2A ، دع هذا بمثابة تذكير بأن المدرسين (أولئك الذين ينشئون التقييمات النصفية والنهائية للدورة التدريبية) ينظرون إليها على أنها مادة أساسية. سنعيد النظر في هذا الموضوع غالبًا خلال الدورة التدريبية ولكننا نحتاج إلى التعرف على بعض المفاهيم الأساسية الآن.

هذا هوالأهميةمادة ومهارة مهمة يجب تطويرها - لا تؤجل دراستها لأنها "لا تبدو" مثل "علم الأحياء" بالنسبة لك اليوم. المصطلح الأكاديمي يتحركجدابسرعة ، وسيكون من الصعب اللحاق بالركب لاحقًا إذا لم تفكر في هذا الأمر الآن.

طاقة

الطاقة مفهوم مركزي في جميع العلوم. الطاقة هي خاصية للنظام. بينما يمكنلا تكون مخلوقةولا يتم تدميرها ، فإن فهم نقل الطاقة حول الأنظمة الفيزيائية هو عنصر أساسي لفهم كيف ولماذا تتغير الأشياء. في الأقسام التالية ، سوف نستكشف بعض المفاهيم الأساسية المرتبطة بالتحولات الشائعة في علم الأحياء والكيمياء: قابلية ذوبان الجزيئات الحيوية المختلفة ، وصنع وكسر الروابط الكيميائية ، ونقل الإلكترونات ، ونقل الطاقة من وإلى الضوء ، ونقل الطاقة كحرارة. في الفصل ، ستجرى العديد من المناقشات فيسياقال قصة الطاقة ، لذلك عندما نفكر في رد فعل للتحول ، سنكون مهتمين بتعريف النظام المعني بدقة ومحاولة حساب جميع عمليات نقل الطاقة المختلفة التي تحدث داخل النظام ، مع التأكد من أننا نلتزم قانون حفظ الطاقة.

هناك الكثير من الأمثلة حيث نستخدم مفهوم الطاقة في حياتنا اليومية لوصف العمليات. يمكن لراكب الدراجة الهوائية للوصول إلى الحرم الجامعي للدراسة. يمكن لفعل تحريك نفسها ودراجتها من النقطة أ إلى النقطة بيمكن شرحهاإلى حد مامن خلال فحصالتحويلاتالطاقة التييأخذمكان. يمكننا أن ننظر إلى هذا المثال من خلال مجموعة متنوعة من العدسات ، ولكن كعلماء أحياء ، فإننا على الأرجح نريد أن نفهم سلسلة الأحداث التي تشرح كيف أن الطاقةيتم نقلمن جزيئات الطعام ، إلى النشاط المنسق للجزيئات الحيوية في ثني راكب الدراجةعضلة، وأخيرًا ، إلى حركة الدراجة من النقطة أ إلى النقطة ب. للقيام بذلك ، نحتاج إلى ذلكيكون قادرا علىنتحدث عن الطرق المختلفة التي يمكن للطاقةيتم نقلهابين أجزاء النظام وأين يوجديتم تخزينهأو نقلها خارج النظام. في القسم التالي ، سنرى أيضًا الحاجة إلى التفكير في كيفية تلك الطاقةيتم توزيعمن بين العديد من الدول الصغيرة (الحالات الجزيئية) للنظام ومحيطه.

كيف سنتعامل مع تصور الطاقة

فيBIS2Aسوف نفكر في الطاقة مع "الأشياء" استعارة، مجاز. لاحظ ، مع ذلك ، أن هذه الطاقة ليس مادة ، بل هو بالأحرى خاصية من النظام. لكننا سنفكر في الأمر ، بمعنى ما ، على أنه ملكية يمكن أن تفعل ذلكيتم التخزينفي جزء من نظام مادي ويتم نقلها أو "نقلها" من مكان تخزين إلى آخر. الفكرة هي تعزيز المفهوم القائل بأن الطاقة تحافظ على هويتها عند نقلها - فهي لا تغير الأشكال في حد ذاتها. يشجعنا هذا أيضًا على التأكد من أن الطاقة دائمًا لها منزل وأننا نحسب كل الطاقة في النظام قبل وبعد التحول ؛ لا يتم "صنعها" أو "ضياعها" فقط (كلاهمامن هؤلاءأفكار تتعارض مع قانون الحفاظ على الطاقة). عندما يتم نقل الطاقة ، يجب أن نحدد من أين تأتي وأين تتجه - كل ذلك! مرة أخرى ، لا يمكننا أن نضيع بعض الشيء. عند الطاقةيتم نقل، يجب أن يكون هناكأن تكون بعض الآليات المرتبطةمع هذا النقل. لنفكر في ذلك لمساعدتنا في شرح بعض الظواهر التي نهتم بها. هذه الآلية هي جزء من "الكيفية" التي نهتم بفهمها غالبًا. أخيرًا ، إذا تحدثنا عن النقل ، فنحنيجبندرك أن كلا المكونين ،يتم تغيير جزء النظام الفيزيائي الذي تخلى عن الطاقة وجزء النظام الذي استقبل تلك الطاقةمن حالاتهم الأولية. يجب أن نتأكدالذي - التيننظر إلىجميع المكونات نظام للتغييرات في الطاقة عند فحص التحول.

مصادر الطاقة

في النهاية ، مصدر الطاقة للعديد من العمليات التي تحدث على سطح الأرض يأتي من الإشعاع الشمسي. ولكن كما سنرى ، كانت البيولوجيا كذلكذكي جدافي الاستفادة من مجموعة متنوعة من أشكال الطاقة لبناء الكائنات الحية والحفاظ عليها. بينما ننتقل من خلال هذه الدورة ، سوف نستكشف مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة والطرق التيعلم الأحياءابتكرلنقل الطاقة من هذه الأنواع من الوقود.

الطاقة في التفاعلات الكيميائية

تتضمن التفاعلات الكيميائية إعادة توزيع الطاقة داخل المواد الكيميائية المتفاعلة ومع بيئتها. لذلك ، سواء أعجبك ذلك أم لا ، نحتاج إلى تطوير بعض النماذج التي يمكن أن تساعدنا في وصف مكان الطاقة في النظام (ربما كيف يتم "تخزينها" / توزيعها) وكيف يمكنتحركحول في رد فعل. النماذج التي نطورها لن تفعل ذلكأن تكون مفرطة في التفاصيلبمعنى أنها ترضي كيميائيًا أو فيزيائيًا متشددًا بمستوى التفاصيل الفنية ، لكننا نتوقع أنهما يجب أن يظلوا على صواب تقنيًا وألا يشكلوا نماذج عقلية غير صحيحة تجعل من الصعب فهم "التحسينات" لاحقًا.

في هذا الصدد ، فإن أحد المفاهيم الأساسية التي يجب فهمها هو أننا سنفكر في نقل الطاقة بين أجزاء النظام بدلاً من الإشارة إلى الكثير من التفكير فيه على أنه تحول. التمييز بين "التحويل" و "التحويل" مهم لأن الأخير يعطي الانطباع بأن الطاقة هي خاصية موجودة في أشكال مختلفة ، وأنه يتم إعادة تشكيلها بطريقة ما. الاستخدام الشائع لمصطلح "تحويل" فيما يتعلق بالطاقة مفهوم لأن الظواهر المختلفة المرتبطة بمفهوم الطاقة "تبدو" مختلفة بالنسبة لنا. ومع ذلك ، فإن إحدى المشكلات المحتملة في استخدام لغة "التحويل" هي أنه من الصعب أحيانًا التوفيق مع فكرة الحفاظ على الطاقة (وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية) إذا كانت تتغير شكلها باستمرار. كيف يمكن لكيان الطاقةيتم حفظهاإذا لم يعد هو نفس الشيء بعد التحول (على سبيل المثال ، تحول)؟ يخبرنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية أنه لا يوجد تحول يحفظ كل الطاقة في النظام. إذا كانت الطاقة "تتحول" ، فكيف يمكن ذلكيتم حفظهاولا تزال متسقة مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟

وبالتالي،بدلاً من ذلك ، سوف نتعامل مع هذه المشكلة عن طريق نقل الطاقة وتخزينها بين أجزاء مختلفة من النظام ، وبالتالي نفكر في الطاقة كخاصية يمكن إعادة توزيعها. نأمل أن يجعل ذلك حساب الطاقة أسهل. لا يعني ذلك أن فكرة "نقل الطاقة" متسقة ومتوافقة مع مصطلحات مثل "الطاقة الكامنة" و "الطاقة الحركية" ، حيث إنها مفيدة لوصف كيفية استخدام الطاقةيتم توزيعبين حركة المادة والمجالات المختلفة (مثل الكهربائية ،الجاذبية، إلخ.)فينظام.

حذر

إذا فكرنا في نقل الطاقة من جزء من نظام إلى آخر ، فنحن أيضًا بحاجة إلى توخي الحذر ليس معاملة الطاقة كمادة تتحرك مثل سائل أو "شيء". بدلاً من ذلك ، نحن بحاجة إلى تقدير الطاقة باعتبارها خاصية لنظام يمكنه ذلكتقاسوأعيد تنظيمه ولكن هذا ليس "شيئًا" ولا شيئًاالذي - التيفي وقت ما في شكل ثم في وقت لاحق في شكل آخر.

نظرًا لأننا غالبًا ما نتعامل مع تحولات الجزيئات الحيوية ، يمكننا أن نبدأ بالتفكير في أين يمكن للطاقةيتم إيجاده/ مخزنة في هذه الأنظمة. سنبدأ بـزوج منمن الأفكار وإضافة المزيد إليها لاحقًا.

دعونا نقترح أن مكان واحد يمكن أن الطاقةيتم التخزينهو في حركة المادة. للإيجاز ، سنعطي الطاقة المخزنة في الحركة اسمًا: الطاقة الحركية. تكون الجزيئات في علم الأحياء في حالة حركة ثابتة ، وبالتالي لها قدر معين من الطاقة الحركية (الطاقة المخزنة في الحركة) المرتبطة بها.

دعنا نقترح أيضًا أن هناك قدرًا معينًا من الطاقة المخزنة في الجزيئات الحيوية نفسها وأن كمية الطاقة المخزنة في تلك الجزيئاتيرتبطمع أنواع وأعداد الذرات في الجزيئات وتنظيمها (عدد وأنواع الروابط بينها). مناقشة أين بالضبط الطاقةيتم تخزينهفي الجزيئات وراءهانطاقهذه الفئة ، ولكن يمكننا تقريبها من خلال الإشارة إلى وجود وكيل جيد في الروابط.قد تترافق أنواع مختلفة من الروابطمع تخزين كميات مختلفة من الطاقة. في بعض السياقات ،يمكن تسمية هذا النوع من تخزين الطاقةالطاقة الكامنة أو الطاقة الكيميائية. مع هذا الرأي ، واحدمن الأشياءالذي يحدث أثناء تكوين وكسر الروابط في تفاعل كيميائي هو ذلكيتم نقل الطاقةحول النظام إلى مختلفانواع منسندات. فيسياققصة الطاقة ، يمكن نظريًا حساب كمية الطاقة المخزنة في الروابط وحركة المواد المتفاعلة والطاقة المخزنة في الروابط وطاقة المنتجات.

في بعض الأحيان ، قد تجد أنه عندما تضيف الطاقة المخزنة في المنتجات والطاقة المخزنة في المواد المتفاعلة ، فإن هذه المبالغ غير متساوية. إذا كانت الطاقة في المواد المتفاعلة أكبر من تلك الموجودة في المنتجات ، فأين ذهبت هذه الطاقة؟ كان لا بد من نقلها إلى شيء آخر. بعض سوفمن المؤكدانتقلت إلى أجزاء أخرى من النظام ، مخزنة في حركة الجزيئات الأخرى (تسخين البيئة) أو ربما في الطاقة المرتبطة بفوتونات الضوء. أحد الأمثلة الجيدة الواقعية هو التفاعل الكيميائي بين الخشب والأكسجين (المواد المتفاعلة) وتحويله إلى ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات). في البداية ، تكون الطاقة في النظام إلى حد كبير في الروابط الجزيئية للأكسجين والخشب (المواد المتفاعلة). لا تزال هناك طاقة متبقية في ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات) ولكن أقل مما كانت عليه في البداية. كلنا نقدر ذلكتم نقل بعض هذه الطاقةللطاقة في الضوء والحرارة.يسمى هذا التفاعل حيث يتم نقل الطاقة إلى البيئةطارد للحرارة.على النقيض من ذلك ، فيبعض ردود الفعل ، ستنتقل الطاقة من البيئة. ردود الفعل هذه ماص للحرارة.

ليس نقل الطاقة داخل أو خارج التفاعل من البيئة هو الشيء الوحيد الذي يحددما إذا كان رد الفعل سيكون تلقائيًا أم لا. سنناقش ذلك قريبًا. في الوقت الحالي ، من المهم أن تشعر بالراحة مع فكرة أن الطاقة يمكن أن تفعل ذلكيتم نقلهابين المكونات المختلفة للنظام أثناء التفاعل وأنه يجب أن تكون قادرًا على تصور تتبعه.

طاقة حرة

إذا أردنا وصف التحولات ، فمن المفيد أن يكون لدينا مقياس لـ (أ) كمية الطاقة الموجودة في النظام ، (ب) تشتت تلك الطاقة داخل النظام و (ج) كيف تتغير هذه العوامل بين البداية والنهاية من عملية. مفهوم طاقة حرة، غالبًا ما يشار إليها باسم Gibbs energy أو Gibbs enthalpy (اختصارًا بالحرف G) ، بمعنى ما ، يفعل ذلك بالضبط. يمكننا تعريف طاقة جيبس ​​بعدة طرق قابلة للتحويل ، ولكن أحد الطرق المفيدة في علم الأحياء هو المحتوى الحراري (الطاقة الداخلية) لنظام ما مطروحًا منه إنتروبيا النظام المقاسة حسب درجة الحرارة.غالبًا ما يتم الإبلاغ عن الفرق في الطاقة المجانية عند حدوث عملية مامن حيث التغير (Δ) في المحتوى الحراري (الطاقة الداخلية) المشار إليه H ، مطروحًا منه التغير المقياس لدرجة الحرارة (Δ) في الإنتروبيا ، والمشار إليه S. انظر المعادلة أدناه.

ΔG = ΔH − TΔS

نحن غالبا ما نفسرالطاقة جيبس ​​هي كمية الطاقة المتاحة للقيام بعمل مفيد. مع القليل من التلويح باليد ، يمكننا تفسير هذا البيان من خلال استدعاء الفكرة المقدمة في القسم الخاص بالانتروبيا ، والتي تنص على تشتت الطاقة (المطلوب بموجب القانون الثاني) المرتبط بالتغيير الإيجابي في الانتروبيا بطريقة ما تجعل بعض الطاقة التييتم نقلأقل فائدة للعمل. يمكن للمرء أن يقول أنه يعكس هذا جزئيًا في مصطلح (T∆S) للمعادلة.

لتوفير أساس لمقارنات عادلة للتغيرات في طاقة جيبس ​​بين التحولات أو التفاعلات البيولوجية المختلفة ،يتم قياس تغير الطاقة الحرة للتفاعلتحت مجموعة من الظروف التجريبية القياسية المشتركة.يتم التعبير عن تغير الطاقة الحرة القياسي الناتج عن تفاعل كيميائيكمقدار من الطاقة لكلخلدمن منتج التفاعل (إما بالكيلو جول أو كيلو كالوري ، kJ /مولأو كيلو كالوري /مول؛ 1 كيلو جول = 0.239 كيلو كالوري) ، عند القياس عند درجة حموضة ودرجة حرارة وظروف ضغط قياسية. ظروف الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والضغط القياسيةيتم توحيدها بشكل عامعند درجة الحموضة 7.0 و 25 درجة مئوية و 100 كيلو باسكال (1ماكينة الصراف الآليالضغط) ، على التوالي. من المهم ملاحظة أن الظروف الخلوية تختلف عن هذه الشروط القياسية ، وبالتالي فهي فعلية (∆G) ستختلف داخل الخلية اختلافًا كبيرًا عن تلك المحسوبة في ظل الظروف القياسية.

التوازن الكيميائي - جزء 2: طاقة جيبس

في قسم سابق ، بدأنا وصفًا للتوازن الكيميائي فيكونتيxر منالمعدلات الآجلة والعكسية. قدمنا ​​ثلاث أفكار رئيسية:

  1. عند التوازن ، لا تتغير تركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات في تفاعل قابل للانعكاس في الوقت المناسب.
  2. التفاعل القابل للانعكاس عند التوازن ليس ثابتًا - تستمر المواد المتفاعلة والمنتجات في ذلكتحويل داخليعند التوازن ، لكن معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية هي نفسها.
  3. نحنلنالوقوع في فخ الطالب الشائع بافتراض أن التوازن الكيميائي يعني أن تركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات متساوية عند التوازن.

هنا نوسع مناقشتنا ونضع مفهوم التوازن في سياق طاقة جيبس ​​، ونعزز أيضًا تمرين قصة الطاقة للنظر في حالات "قبل / بداية" و "بعد / نهاية" للتفاعل (بما في ذلك مرور الوقت المتأصل) .

شكل 1. مخطط تنسيق رد الفعل لرد فعل عكسي شامل للطاقة. المعادلات المتعلقة بطاقة جيبس ​​وثابت التوازن: R = 8.314 J mol-1 ك-1 أو 0.008314 كيلوجول · مول-1 ك-1؛ T هي درجة الحرارة في كلفن. الإسناد:مارك ت. Facciotti (عمل أصلي)

يوضح الشكل أعلاه العلاقة التي يتم الاستشهاد بها بشكل شائع بين ∆G ° وKeq:

∆G ° = -RT ln Keq

هنا ، تشير G ° إلى طاقة جيبس ​​في ظل الظروف القياسية (على سبيل المثال ، جو واحد من الضغط ، 298 كلفن). تصف هذه المعادلة التغيير في طاقة جيبس ​​للمواد المتفاعلة التي تتحول إلى منتجات في تفاعلالذي - التيفي حالة توازن.لذلك يمكننا التفكير في قيمة ∆G °باعتبارها جوهرية للمواد المتفاعلة والمنتجات نفسها. ∆G ° هومثلفرق الطاقة الكامنة بين المواد المتفاعلة والمنتجات. باستخدام هذا المفهوم كأساس ، يمكن للمرء أيضًا التفكير في رد فعل تكون فيه حالة "البداية" في مكان ما خارج التوازن.في هذه الحالة، قد يكون هناك "إمكانية" إضافية مرتبطة بحالة البداية خارج التوازن. يساهم هذا المكون "المضاف" في ∆G للتفاعل ويمكنتضاف بشكل فعالللتعبير عن طاقة جيبسعلى النحو التالي:

∆G = ∆G ° + RT ln Q

أينسيسمىحاصل رد الفعل. من وجهة نظر BIS2A ، سوف نستخدم طريقة بسيطة (بعض الشيءتعريف غير مكتمل ولكنه وظيفي)ل

Q = [المنتجات] ÷ [المتفاعلات]

فيشرط محدد غير متوازن. يمكن للمرء أن يوسع هذه الفكرة ويحسب فرق طاقة جيبس ​​بين حالتين غير متوازنتين ، بشرطهماتم تعريفها بشكل صحيحوبالتالي حساب تغيرات طاقة جيبس ​​بين حالات عدم التوازن المحددة على وجه التحديد. غالبًا ما تكون هذه النقطة الأخيرة ذات صلة بالتفاعلات الموجودة في الأنظمة البيولوجية مثلغالبًا ما يتم العثور على ردود الفعل هذهفي مسارات متعددة الخطوات تحافظ على ردود الفعل الفردية في حالة عدم التوازن.

هذا يقودنا إلى نقطة الارتباك بالنسبة للبعض. في العديد من كتب علم الأحياء ، لا تتضمن مناقشة التوازن مناقشة معدلات التفاعل إلى الأمام والعكس فحسب ، بل تشمل أيضًا بيانًا مفاده أن ∆G = 0 عند التوازن. هذا يمكنتكون مربكةلأن هذه المناقشات غالبًا ما تتبع مناقشات قيم غير الصفر ∆G ° فيسياقالتوازن (∆G ° = -RTlnKeq). الفارق الدقيق الذي يجب الإشارة إليه هو أن ∆G ° تشير إلى إمكانات طاقة جيبس ​​الكامنة في التحول الكيميائي بين المواد المتفاعلة والمنتجات وحدها. هذهمختلفمن النظر في تقدم رد الفعل من حالة خارج التوازن أنلقد تم وصفهبواسطة:

∆G = ∆G ° + RT ln Q

يمكن توسيع هذا التعبيرعلى النحو التالي:

∆G = -RT ln Keq + RT ln Q

إلىاجعل الفروق الدقيقة في تركيز أوضح.في هذه الحالةلاحظ أنه مع اقتراب Q من Keq ، يصبح التفاعل ∆G أقرب إلى الصفر ، ويصل في النهاية إلى الصفر عندما Q = Keq. هذا يعني أن طاقة جيبس ​​للتفاعل (∆G) تصل إلى الصفر عند التوازن ، وليس أن فرق الجهد بين الركائز والمنتجات (∆G °) يصل إلى الصفر.