5.3: Мислення ентропічно (і термодинамічно)
- Page ID
- 2741
Ми, звичайно, не в змозі навчити вас (строго) основам хімії та хімічних реакцій (або фізики з цього приводу), але ми можемо надати коротке оновлення, яке зосереджується на ключових моментах, які ми будемо використовувати знову і знову 149. Перший закон термодинаміки полягає в тому, що в той час як форми енергії можуть змінюватися, тобто можуть бути перетворені між різними формами, загальна кількість енергії всередині замкнутої системи залишається постійною. Знову ж таки, нам потрібно чітко визнати різницю між певною системою і Всесвітом в цілому. Всесвіт в цілому сама по собі (мабуть) замкнута система. Якщо ми беремо якусь ізольовану частину системи, ми повинні визначити межу системи, межу і те, що всередині неї є частиною системи, решта Всесвіту поза прикордонним шаром - ні. Хоча ми розглянемо природу кордону більш молекулярно в наступному розділі, ми можемо передбачити, що однією з ключових особливостей кордону є її вибірковість у пропуску енергії та/або речовини в систему та з неї, і які обмеження вона застосовується до цих рухів.
Припускаючи, що вас ознайомили з хімією, ви можете розпізнати рівняння вільної енергії Гібба: ΔG = ΔH - TΔS, де T - температура системи 150. З нашої особливо біологічної точки зору, ми можемо думати про ΔH як кількість тепла, що виділяється в (або поглинається з) навколишнього середовища в ході реакції, а ΔS як зміна системного фактора, відомого як ентропія. Щоб розмістити це рівняння в контексті, давайте подумаємо про просту реакцію:
масло змішане з водою масло + вода (окремо) ΔG негативна
Хоча типова реакція передбачає зміни типів та кількості присутніх молекул, ми можемо розширити цю точку зору на всі типи реакцій, включаючи ті, що включають зміни температури різних частин системи (батонна модель вище) та поділ різних типів молекул у рідині ( масляно-водний приклад). Кожна реакція характеризується своєю постійною рівноваги, K eq, яка є функцією як самої реакції, так і умов, в яких здійснюється реакція. Ці умови включають такі параметри, як початковий стан системи, концентрації реагентів, а також температура і тиск системи. У біологічних системах ми зазвичай ігноруємо тиск, хоча тиск буде важливим для організмів, які живуть на морському дні (і, можливо, гірських вершин).
Константа рівноваги для реакції визначається як швидкість прямої реакції k f (реагенти на продукти), поділена на швидкість зворотної реакції k r (продукти до реагентів). При рівновазі (де нічого макроскопічного не відбувається), k f разів концентрація реагентів дорівнює k r разів концентрації продуктів. Для термодинамічно сприятливої реакції, тобто тієї, яка сприяє продуктам, k f буде більше, ніж k r, а K eq буде більшим, часто набагато більшим за одиницю. Чим більше K екв, тим більше продукту і тим менше буде реагент, коли система знаходиться в рівновазі. Якщо константа рівноваги менше 1, то при рівновазі концентрація реагентів буде більше концентрації продуктів.
\[K_{eq}={k_f}/{k_r}\]\[K_f (reactants)=K_r (products)\]
Хоча концентрація реагентів і продуктів реакції при рівновазі залишається постійною, помилково думати, що система статична. Якби ми вдивлялися в систему на молекулярному рівні, ми виявили б, що при рівновазі реагенти продовжують утворювати продукти, а продукти переставляються, утворюючи реагенти з аналогічною швидкістю 151. Це означає, що чистий потік, швидкість утворення продукту мінус швидкість утворення реагенту, буде дорівнює нулю. Якщо при рівновазі реакція пішла майже до завершення і K eq >> 1, залишиться дуже мало реагентів і багато продуктів. Твір прямої швидкості постійної рази малих концентрацій реагентів дорівнюватиме добутку зворотної швидкості постійної рази високих концентрацій продукту. Враховуючи, що більшість реакцій пов'язані з фізичними зіткненнями між молекулами, зміни частоти продуктивних зіткнень між реагентами або продуктами зростають у міру збільшення їх концентрацій. Навіть неймовірні події можуть відбуватися, нехай і нечасто, якщо швидкість подій попередників досить висока.