Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.2: Енергія

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3036

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Практично кожне завдання, яке виконують живі організми, вимагає енергії. Поживні речовини та інші молекули імпортуються в клітину для задоволення цих енергетичних потреб. Наприклад, енергія потрібна для синтезу і розпаду молекул, а також транспортування молекул всередину і з клітин. Крім того, такі процеси, як поглинання та руйнування їжі, експорт відходів та токсинів та рух клітини, потребують енергії.

    Вчені використовують термін біоенергетика для опису поняття потоку енергії через живі системи, такі як клітини. Клітинні процеси, такі як побудова та руйнування складних молекул, відбуваються за допомогою поетапних хімічних реакцій. Деякі з цих хімічних реакцій є спонтанними і вивільняють енергію, тоді як інші вимагають енергії для продовження. Разом всі хімічні реакції, що відбуваються всередині клітин, включаючи ті, що споживають або виробляють енергію, називаються метаболізмом клітини.

    Звідки і в якій формі приходить ця енергія? Як живі клітини отримують енергію, і як вони її використовують? У цьому розділі будуть розглянуті різні форми енергії і фізичні закони, які регулюють передачу енергії.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{1}\). Зрештою, більшість форм життя отримують свою енергію від сонця. Рослини використовують фотосинтез для захоплення сонячного світла, а травоїдні їдять рослини для отримання енергії. М'ясоїдні тварини їдять травоїдних тварин, а можливе розкладання рослинного та тваринного матеріалу сприяє створенню басейну поживних речовин.

    Енергія

    Термодинаміка відноситься до вивчення енергії та передачі енергії за участю фізичної речовини. Питання, що стосується конкретного випадку передачі енергії, називається системою, а все, що поза цією матерії, називається оточенням. Наприклад, при нагріванні каструлі з водою на плиті система включає плиту, горщик та воду. Енергія передається всередині системи (між плитою, каструлею і водою). Існує два типи систем: відкрита і закрита. У відкритій системі енергія може обмінюватися з її оточенням. Система плити відкрита, оскільки тепло може втрачатися повітрям. Закрита система не може обмінюватися енергією зі своїм оточенням.

    Біологічні організми - це відкриті системи. Енергія обмінюється між ними та навколишнім середовищем, оскільки вони використовують енергію сонця для виконання фотосинтезу або споживають молекули, що зберігають енергію, та вивільняють енергію в навколишнє середовище, виконуючи роботу та виділяючи тепло. Як і всі речі у фізичному світі, енергія підпорядковується фізичним законам. Закони термодинаміки регулюють передачу енергії в і між усіма системами у Всесвіті. Взагалі енергія визначається як здатність робити роботу, або створювати якісь зміни. Енергія існує в різних формах: електрична енергія, світлова енергія, механічна енергія та теплова енергія - все це різні види енергії. Щоб оцінити спосіб надходження енергії в біологічні системи та з них, важливо зрозуміти два фізичні закони, які керують енергією.

    Перший закон термодинаміки стверджує, що загальна кількість енергії у Всесвіті постійна і збережена. Іншими словами, завжди було і буде, точно така ж кількість енергії у Всесвіті. Енергія існує в самих різних формах. Згідно з першим законом термодинаміки, енергія може передаватися з місця на місце або трансформуватися в різні форми, але вона не може бути створена або знищена. Перенесення і перетворення енергії відбуваються навколо нас весь час. Лампочки перетворюють електричну енергію в світлову і теплову енергію. Газові плити перетворюють хімічну енергію з природного газу в теплову енергію. Рослини виконують одне з найбільш біологічно корисних енергетичних перетворень на землі: перетворення енергії сонячного світла в хімічну енергію, що зберігається в органічних молекулах (рисунок\(\PageIndex{2}\) нижче).

    Завдання для всіх живих організмів полягає в отриманні енергії з оточення у формах, придатних для виконання клітинної роботи. Клітини еволюціонували для вирішення цього виклику. Хімічна енергія, що зберігається в органічних молекулах, таких як цукри та жири, передається і перетворюється через низку клітинних хімічних реакцій в енергію всередині молекул АТФ (аденозинтрифосфату). Енергія в молекулах АТФ легко доступна для роботи. Приклади видів роботи, які повинні зробити клітини, включають будівництво складних молекул, транспортування матеріалів, живлення руху вій або джгутиків та скорочення м'язів для створення руху.

    У лівій частині цієї діаграми зображена енергія, що передається з конуса морозива двом хлопчикам, які їдуть на велосипедах. У правій частині зображено рослина, що перетворює світлову енергію в хімічну енергію: Світлова енергія представлена сонцем, а хімічна енергія представлена зеленим листом на гілці.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\). Показані деякі приклади енергії, що передається і трансформується з однієї системи в іншу і з однієї форми в іншу. Їжа, яку ми споживаємо, забезпечує наші клітини енергією, необхідною для виконання тілесних функцій, так само, як світла енергія забезпечує рослини засобами для створення хімічної енергії, яка їм потрібна. (Кредит «морозиво»: модифікація роботи Д.Шарона Пруітта; кредит «діти»: модифікація роботи Макса з Провіденсу; кредит «лист»: модифікація роботи Корі Занкера)

    Основні завдання живої клітини з отримання, перетворення та використання енергії для роботи можуть здатися простими. Однак другий закон термодинаміки пояснює, чому ці завдання важче, ніж вони здаються. Всі передачі та перетворення енергії ніколи не бувають повністю ефективними. При кожній передачі енергії деяка кількість енергії втрачається в непридатному для використання вигляді. У більшості випадків такою формою є теплова енергія.

    Термодинамічно теплова енергія визначається як енергія, що передається від однієї системи до іншої, яка не працює. Наприклад, при включенні лампочки частина енергії, що перетворюється з електричної енергії в світлову, втрачається у вигляді теплової енергії. Так само деяка енергія втрачається як теплова енергія під час клітинних метаболічних реакцій.

    Важливою концепцією у фізичних системах є порядок і розлад. Чим більше енергії, яка втрачається системою до свого оточення, тим менш впорядкована і більш випадкова система. Вчені називають міру випадковості або розладу всередині системи як ентропію. Висока ентропія означає високий розлад і низьку енергію. Молекули та хімічні реакції також мають різну ентропію. Наприклад, ентропія збільшується у міру того, як молекули при високій концентрації в одному місці дифузно і розтікаються. Другий закон термодинаміки говорить про те, що енергія завжди буде втрачатися як тепло в енергетичних передачах або перетвореннях. Живі істоти високо впорядковані, що вимагає постійного споживання енергії для підтримки в стані низької ентропії.

    Потенційна та кінетична енергія

    Коли об'єкт знаходиться в русі, є енергія, пов'язана з цим об'єктом. Подумайте про кулю, що руйнує. Навіть повільно рухається шкідництво м'яч може завдати великої шкоди іншим об'єктам. Енергія, пов'язана з об'єктами в русі, називається кінетичною енергією. Куля, що перевищує швидкість, що йде людина та швидкий рух молекул у повітрі - все це має кінетичну енергію. Що робити, якщо той самий нерухомий шкідницький куля піднятий на два поверхи над землею за допомогою крана? Якщо підвішений шкідницький куля не рухається, чи є з ним пов'язана енергія? Відповідь - так. Енергія, яка була потрібна для підняття руйнуючого кулі, не зникла, а тепер зберігається в шкіднику м'яч в силу його положення і сили тяжіння, що діє на нього. Цей тип енергії називається потенційною енергією (рис.\(\PageIndex{3}\) Нижче). Якби м'яч впав, потенційна енергія трансформувалася б в кінетичну енергію, поки вся потенційна енергія не буде вичерпана, коли м'яч спирався на землю. Кулі, що руйнують, також розгойдуються, як маятник; через гойдалки відбувається постійна зміна потенційної енергії (найвища у верхній частині гойдалки) на кінетичну енергію (найвища в нижній частині гойдалки). Інші приклади потенційної енергії включають енергію води, що проводиться за греблі або людина збирається стрибати з парашутом з літака.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{3}\). Негазована вода має потенційну енергію; рухома вода, наприклад, у водоспаді або швидко тече річці, має кінетичну енергію. (Кредит «гребля»: модифікація роботи «Паскаль» /Flickr; кредит «водоспад»: модифікація роботи Френка Гуальтьєрі)

    Потенційна енергія пов'язана не тільки з розташуванням речовини, але і з будовою речовини. Навіть пружина на землі має потенційну енергію, якщо вона стиснута; так само як і гумка, яка натягується туго. На молекулярному рівні зв'язки, які утримують атоми молекул разом, існують в певній структурі, яка має потенційну енергію. Той факт, що енергія може вивільнятися при розпаді певних хімічних зв'язків, означає, що ці зв'язки мають потенційну енергію. Насправді існує потенційна енергія, що зберігається в зв'язках всіх харчових молекул, які ми їмо, яка використовується для використання. Тип потенційної енергії, яка існує в хімічних зв'язках і виділяється, коли ці зв'язки розриваються, називається хімічною енергією. Хімічна енергія відповідає за забезпечення живих клітин енергією з їжі. Вивільнення енергії відбувається при порушенні молекулярних зв'язків всередині молекул їжі.

    Автори та атрибуція