De primaire taken van een levende cel, het verkrijgen, omzetten en gebruiken van energie om arbeid te verrichten, lijken misschien eenvoudig. De tweede wet van de thermodynamica verklaart echter waarom deze taken moeilijker zijn dan ze lijken. Geen van de energie-overdrachten die we hebben besproken, samen met alle energie-overdrachten en transformaties in het universum, is volledig efficiënt. Bij elke energieoverdracht gaat er een hoeveelheid energie verloren in een vorm die onbruikbaar is. In de meeste gevallen is deze vorm warmte-energie. Thermodynamisch wordt warmte-energie gedefinieerd als de energie die wordt overgedragen van het ene systeem naar het andere en die geen arbeid verricht. Bijvoorbeeld, wanneer een vliegtuig door de lucht vliegt, gaat een deel van de energie van het vliegende vliegtuig verloren als warmte-energie door wrijving met de omringende lucht. Deze wrijving verwarmt de lucht doordat de snelheid van de luchtmoleculen tijdelijk toeneemt. Zo gaat er ook wat energie verloren in de vorm van warmte-energie bij stofwisselingsreacties in de cellen. Dit is goed voor warmbloedige wezens zoals wij, want warmte-energie helpt om onze lichaamstemperatuur op peil te houden. Strikt genomen is geen enkele energieoverdracht volledig efficiënt, omdat er wat energie verloren gaat in een onbruikbare vorm.

Figuur 1. Entropie is een maat voor de willekeurigheid of wanorde in een systeem. Gassen hebben een hogere entropie dan vloeistoffen, en vloeistoffen hebben een hogere entropie dan vaste stoffen.

Een belangrijk concept in fysische systemen is dat van orde en wanorde (ook wel willekeur genoemd). Hoe meer energie een systeem aan zijn omgeving verliest, hoe minder geordend en hoe willekeuriger het systeem is. Wetenschappers noemen de mate van willekeur of wanorde in een systeem entropie. Een hoge entropie betekent een grote wanorde en weinig energie (figuur 1). Om entropie beter te begrijpen, kun je denken aan de slaapkamer van een student. Als er geen energie of werk in zou worden gestoken, zou de kamer snel rommelig worden. Het zou bestaan in een zeer ongeordende toestand, een van hoge entropie. Er moet energie in het systeem worden gestopt, in de vorm van werk van de student die alles opruimt, om de kamer weer schoon en ordelijk te maken. Deze toestand is er een van lage entropie. Op dezelfde manier moet een auto of een huis voortdurend onderhouden worden met werk om het in een geordende staat te houden. Als het huis of de auto met rust wordt gelaten, neemt de entropie geleidelijk toe door roest en degradatie. Moleculen en chemische reacties hebben ook variërende hoeveelheden entropie. Als chemische reacties bijvoorbeeld een evenwichtstoestand bereiken, neemt de entropie toe, en als moleculen met een hoge concentratie op één plaats zich verspreiden, neemt de entropie ook toe.

Alle fysische systemen kunnen op deze manier worden beschouwd: Levende wezens zijn zeer geordend en vereisen een constante energie-input om in een toestand van lage entropie te blijven. Wanneer levende systemen energie-opslagmoleculen opnemen en deze omzetten door middel van chemische reacties, verliezen zij een bepaalde hoeveelheid bruikbare energie in het proces, omdat geen enkele reactie volledig efficiënt is. Ze produceren ook afval en bijproducten die geen bruikbare energiebronnen zijn. Dit proces verhoogt de entropie van de omgeving van het systeem. Aangezien elke energieoverdracht resulteert in het verlies van wat bruikbare energie, stelt de tweede wet van de thermodynamica dat elke energieoverdracht of -transformatie de entropie van het universum verhoogt. Hoewel levende wezens zeer geordend zijn en een toestand van lage entropie handhaven, neemt de entropie van het universum in zijn geheel voortdurend toe als gevolg van het verlies van bruikbare energie bij elke energieoverdracht die plaatsvindt. In wezen leveren levende wezens een voortdurende strijd tegen deze voortdurende toename van de universele entropie.

Bijdraag bij!

Verbeter deze paginaLees meer