En levande cells primära uppgifter att skaffa, omvandla och använda energi för att utföra arbete kan verka enkla. Termodynamikens andra lag förklarar dock varför dessa uppgifter är svårare än de verkar. Ingen av de energiöverföringar vi har diskuterat, tillsammans med alla energiöverföringar och omvandlingar i universum, är helt effektiv. Vid varje energiöverföring går en viss mängd energi förlorad i en form som är oanvändbar. I de flesta fall är denna form värmeenergi. Termodynamiskt definieras värmeenergi som den energi som överförs från ett system till ett annat som inte utför arbete. När till exempel ett flygplan flyger genom luften går en del av energin i det flygande planet förlorad som värmeenergi på grund av friktion med den omgivande luften. Denna friktion värmer faktiskt upp luften genom att tillfälligt öka luftmolekylernas hastighet. På samma sätt går en del energi förlorad som värmeenergi under cellers metaboliska reaktioner. Detta är bra för varmblodiga varelser som vi, eftersom värmeenergin bidrar till att upprätthålla vår kroppstemperatur. Strängt taget är ingen energiöverföring helt effektiv, eftersom en del energi går förlorad i en oanvändbar form.

Figur 1. Entropi är ett mått på slumpmässighet eller oordning i ett system. Gaser har högre entropi än vätskor och vätskor har högre entropi än fasta ämnen.

Ett viktigt begrepp i fysikaliska system är ordning och oordning (även kallat slumpmässighet). Ju mer energi som ett system förlorar till sin omgivning, desto mindre ordnat och mer slumpmässigt är systemet. Forskare kallar måttet på slumpmässighet eller oordning i ett system för entropi. Hög entropi innebär hög oordning och låg energi (figur 1). För att bättre förstå entropi kan man tänka på en elevs sovrum. Om ingen energi eller arbete läggs ner på det skulle rummet snabbt bli stökigt. Det skulle existera i ett mycket oordnat tillstånd, ett tillstånd med hög entropi. Energi måste sättas in i systemet, i form av att studenten arbetar och lägger undan allting, för att få rummet tillbaka till ett tillstånd av renlighet och ordning. Detta tillstånd är ett tillstånd med låg entropi. På samma sätt måste en bil eller ett hus ständigt underhållas med arbete för att hålla det i ett ordnat tillstånd. Om huset eller bilen lämnas i fred ökar entropin gradvis genom rost och nedbrytning. Molekyler och kemiska reaktioner har också varierande mängder entropi. När kemiska reaktioner till exempel når ett jämviktstillstånd ökar entropin, och när molekyler i hög koncentration på ett ställe diffunderar och sprids ut ökar också entropin.

Alla fysiska system kan betraktas på detta sätt: Levande organismer är mycket välordnade och kräver konstant energitillförsel för att hållas i ett tillstånd med låg entropi. När levande system tar in energilagrande molekyler och omvandlar dem genom kemiska reaktioner förlorar de en viss mängd användbar energi i processen, eftersom ingen reaktion är helt effektiv. De producerar också avfall och biprodukter som inte är användbara energikällor. Denna process ökar entropin i systemets omgivning. Eftersom alla energiöverföringar leder till att en del användbar energi går förlorad, säger termodynamikens andra lag att varje energiöverföring eller omvandling ökar universums entropi. Även om levande varelser är mycket välordnade och upprätthåller ett tillstånd av låg entropi, ökar universums entropi totalt sett ständigt på grund av förlusten av användbar energi med varje energiöverföring som sker. I huvudsak befinner sig levande varelser i en kontinuerlig uppförsbacke mot denna ständiga ökning av universums entropi.

Bidrag!

Förbättra den här sidanLär dig mer