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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 7
Lektion 2: Hauptsätze der ThermodynamikDie Hauptsätze der Thermodynamik
1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik und wie sie auf biologische System angewendet werden.
Einführung
Was für eine Art von System bist du: ein offenes oder ein geschlossenes? Wie es sich zeigt, ist das eine physikalische Frage und keine philosophische. Wie alle Lebewesen bist du ein offenes System, das heißt, du tauscht sowohl Materie als auch Energie mit deiner Umgebung aus. Du nimmst zum Beispiel chemische Energie in Form von Nahrung zu dir und verrichtest Arbeit in deiner Umgebung Arbeit, indem du dich bewegst, redest, gehst und atmest.
Jeder andere Austausch von Energie, der in deinem Inneren (wie zum Beispiel viele Stoffwechselreaktionen) und zwischen dir und deiner Umgebung stattfindet, kann durch die gleichen Gesetze der Physik wie der Energieaustausch zwischen heißen und kalten Objekten, Gasmolekülen oder allem anderen, was du in Physikbüchern finden kannst, beschrieben werden. Hier schauen wir uns zwei Gesetze der Physik an – der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – und sehen, wie diese auf biologische Systeme wie dich zutreffen.
Systeme und Umgebung
Die Thermodynamik in der Biologie bezieht sich auf die Untersuchung von Energieübertragungen, die in Molekülen und Ansammlungen von Molekülen stattfinden. Wenn wir über die Thermodynamik reden, werden die bestimmten Elemente oder die Ansammlung von Elementen, für die wir uns interessieren (dabei kann es sich um so etwas kleines wie eine Zelle oder so etwas großes wie das Ökosystem handeln) als System bezeichnet. Alles, was nicht zum von uns definiertem System gehört, wird Umgebung genannt.
Wenn du zum Beispiel einen Topf Wasser auf dem Herd erwärmst, enthält das System vielleicht den Herd, den Topf und das Wasser, während die Umgebung alles andere umfasst: den Rest der Küche, des Hauses, der Nachbarschaft, des Landes, des Planeten, der Galaxis und des Universums. Die Entscheidung, was als System definiert wird, ist willkürlich (dem Untersucher überlassen) und hängt davon ab, was du untersuchen möchtest. Du kannst genauso auch nur das Wasser oder das gesamte Haus als Teil des Systems definieren. Das System und die Umgebung zusammen bilden das Universum.
Es gibt drei Arten von Systemen in der Thermodynamik: offen, geschlossen und isoliert.
- Ein offenes System kann sowohl Energie als auch Materie mit seiner Umgebung austauschen. Die Herdplatte kann zum Beispiel ein offenes System sein, weil Wärme und Wasserdampf in die Luft verloren gehen können.
- Ein geschlossenes System kann andererseits nur Energie mit seiner Umgebung austauschen, keine Materie. Wenn wir einen sehr fest sitzenden Deckel auf den Topf aus dem vorherigen Beispiel setzen, wäre er einem geschlossenen System sehr nah.
- Ein isoliertes System kann weder Materie noch Energie mit seiner Umgebung austauschen. Ein perfektes isoliertes System ist sehr schwer zu erreichen, aber ein isolierter Getränkekühler mit einem Deckel ist vom Konzept her sehr ähnlich zu einem echten isolierten System. Die Elemente innerhalb des System können untereinander Energie austauschen, was der Grund dafür ist, dass die Getränke kalt werden und das Eis etwas schmilzt. Aber sie tauschen auch eine sehr geringe Energiemenge (Wärme) mit der äußeren Umgebung aus.
Wie andere Organismen auch bist du ein offenes System. Egal ob bewusst oder unbewusst, tauscht du ununterbrochen Energie und Materie mit deiner Umgebung aus. Stell dir zum Beispiel vor, dass du eine Karotte isst, einen Korb Wäsche auf den Tisch hebst oder einfach nur ausatmest und Kohlendioxid in die Atmosphäre abgibst. In jedem Beispiel tauscht du Energie und Materie mit deiner Umgebung aus.
Der Energieaustausch, der in Lebewesen stattfindet, muss den Gesetzen der Physik folgen. In dieser Hinsicht ist er nicht anders als ein Energieaustausch in zum Beispiel einem elektrischen Kreislauf. Werfen wir einen näheren Blick darauf, wie die Hauptsätze der Thermodynamik (physikalische Gesetze für den Energietransfer) für Lebewesen wie dich gelten.
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik denkt groß: Er handelt von der Gesamtmenge an Energie im Universum und vor allem sagt er, dass sich diese Gesamtmenge nicht ändert. Anders gesagt: Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik sagt, dass Energie nicht geschaffen oder zerstört werden kann. Sie kann nur ihre Form ändern oder von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden.
Dieser Hauptsatz wirkt vielleicht etwas abstrakt, aber wenn wir uns ein paar Beispiele anschauen, werden wir sehen, dass Übertragungen und Umwandlungen von Energie ständig um uns herum stattfinden: Zum Beispiel:
- Glühbirnen wandeln elektrische Energie in Lichtenergie (Strahlungsenergie) um.
- Wenn eine Billardkugel eine andere trifft, wird kinetische Energie übertragen, sodass sich die zweite Kugel bewegt.
- Pflanzen wandeln die Energie des Sonnenlichts (Strahlungsenergie) in chemische Energie um, die in organischen Molekülen gespeichert wird.
- Du wandelst chemische Energie aus deinem letzten Snack in kinetische Energie um, wenn du gehst, atmest und deinen Finger bewegst, um diese Seite nach unten und oben zu scrollen.
Wichtig ist, dass keine dieser Übertragungen vollständig effizient ist. Stattdessen wird in jedem der Szenarien ein Teil der Ausgangsenergie als thermische Energie freigesetzt. Wenn thermische Energie von einem Objekt auf ein anderes übertragen wird, ist die übliche Bezeichnung Wärme. Es ist offensichtlich, dass brennende Glühbirnen zusätzlich zum Licht Wärme produzieren, aber auch sich bewegende Billardkugeln machen das (dank der Reibung) und auch bei den ineffizienten Übertragungen von chemischer Energie im pflanzlichen und tierischen Stoffwechsel entsteht Wärme. Um zu sehen, warum diese Wärmebildung wichtig ist, musst du dir den 2. Hauptsatz der Thermodynamik anschauen.
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik
Auf den ersten Blick scheint der 1. Hauptsatz der Thermodynamik großartige Nachrichten zu bringen. Wenn Energie niemals gebildet oder zerstört wird, bedeutet das, dass Energie immer wiederverwertet werden kann, oder?
Naja, ja und nein. Energie kann weder gebildet oder zerstört werden, aber sie kann von nützlicheren Formen in weniger nützliche umgewandelt werden. Wie sich zeigt, wird in jeder realen Energieübertragung oder -umwandlung ein Teil der Energie in eine Form umgewandelt, die unbrauchbar ist (keine Arbeit verrichten kann). In den meisten Fällen nimmt diese unbrauchbare Energie die Form von Wärme an.
Auch wenn Wärme unter den richtigen Bedingungen auch Arbeit verrichten kann, kann sie niemals in andere (arbeitverrichtende) Art von Energie mit 100%iger Effizienz umgewandelt werden. Jedes Mal, wenn also eine Übertragung stattfindet, wird ein Teil der nützlichen Energie von einer nützlichen in eine unbrauchbare Kategorie verschoben.
Wärme erhöht die Unordnung des Universums
Wenn Wärme keine Arbeit verrichtet, was macht sie dann genau? Wärme, die keine Arbeit verrichtet, trägt dazu bei, die Unordnung (Entropie) des Universums zu erhöhen. Das wirkt vielleicht wie ein großer Logiksprung, also gehen wir einen Schritt zurück und schauen uns an, wieso das der Fall ist.
Wenn du zwei Objekte (zum Beispiel zwei Blöcke aus dem gleichen Metall) mit unterschiedlichen Temperaturen hast, ist dein System ziemlich organisiert. Die Moleküle sind nach ihrer Geschwindigkeit aufgeteilt: Sich langsam bewegende Moleküle im kälteren Objekt und schnellere im wärmeren Objekt. Wenn die Wärme vom wärmeren Objekt zum kälteren Objekt übertragen wird (was spontan passiert), verlangsamen sich die Moleküle im wärmeren Objekt und die im kühleren werden schneller, solange bis alle Moleküle die gleiche durchschnittliche Geschwindigkeit haben. Jetzt haben wir keine Aufteilung zwischen schnellen und langsamen Molekülen mehr, sondern einfach nur einen großen Pool mit Molekülen der gleichen Geschwindigkeit – ein weniger geordneter Zustand als zu unserem Ausgangspunkt.
Das System neigt dazu, diese ungeordnete Konfiguration einzunehmen, weil es statistisch wesentlich wahrscheinlicher ist als die nach Temperatur aufgeteilte Konfiguration (d. h. dass es viel mehr mögliche Zustände gibt, die dem ungeordneten Zustand entsprechen). Du kannst mehr über dieses Konzept in den Videos dieses Tutorials oder in diesem einfachen Physikvideos erfahren.
Entropie und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik
Der Grad der Unordnung eines Systems wird Entropie genannt. Da wir wissen, dass bei jeder Energieübertragung etwas Energie in eine unbrauchbare Form (wie Wärme) umgewandelt wird und dass Wärme, die keine Arbeit verrichtet, die Unordnung des Universums erhöht, können wir eine biologisch relevante Version des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik aufstellen: Jede stattfindende Übertragung von Energie erhöht die Entropie des Universums und reduziert die Menge an nutzbarer Energie, die für die Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht (oder verändert im extremsten Fall die Gesamtentropie nicht). Mit anderen Worten, jeder Prozess, wie eine chemische Reaktion oder ein Reihe verbundener Reaktionen, läuft immer in die Richtung an, welche die Gesamtentropie des Universums vergrößert.
Zusammenfassend können wir sagen, dass der 1. Hauptsatz der Thermodynamik uns etwas über die Erhaltung von Energie zwischen Prozessen sagt, während der 2. Hauptsatz der Thermodynamik etwas über die Richtung eines Prozesses aussagt, und zwar von einer geringeren zu einer höheren Entropie (im gesamten Universum).
Entropie in biologischen Systemen
Eine Implikation des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik ist, dass ein Prozess irgendwie die Entropie des Universums erhöhen muss, damit er ablaufen kann. Wenn du über Lebewesen wie dich selbst nachdenkst, kommen vielleicht sofort ein paar Fragen auf. Bist du nicht letzten Endes eine ziemlich geordnete Ansammlung von Materie? Jede Zelle deines Körpers besitzt ihre eigene innere Organisation; die Zellen sind in Geweben angeordnet und die Gewebe in Organen; und dein gesamter Körper hält ein sorgfältiges System für Transport, Austausch und Handel aufrecht, das dich am Leben hält. Auf den ersten Blick ist es deshalb vielleicht nicht ganz eindeutig, wie du oder sogar ein einfaches Bakterium einen Anstieg der Entropie des Universums darstellen kann.
Um das zu verdeutlichen, schauen wir uns die Energieübertragungem an, die in deinem Körper stattfinden – sagen wir, wenn du spazieren gehst. Wenn du die Muskeln in deinem Bein anspannst, um deinen Körper vorwärts zu bewegen, nutzt du chemische Energie aus komplexen Molekülen wie Glukose und wandelst diese in kinetische Energie um (und wenn du bergaufwärts läufst auch in potenzielle Energie). Du machst das jedoch mit einer ziemlich geringen Effizienz: ein großer Anteil der Energie aus deinen Treibstoffquellen wird einfach nur in Wärme umgewandelt. Ein Teil der Wärme hält deinen Körper warm, aber der größte Teil wird in die Umgebung abgegeben.
Die Übertragung von Wärme erhöht die Entropie der Umgebung, genauso wie die Tatsache, dass du große, komplexe Biomoleküle aufnimmst und diese in eine Vielzahl kleiner, einfacher Moleküle wie Kohlendioxid und Wasser umformst, wenn du Treibstoff metabolisierst, um dich zu bewegen. Dieses Beispiel verwendet eine sich bewegende Person, aber das gleiche gilt auch für eine Person oder jeden anderen Organismus in Ruhe. Die Person oder der Organismus hält eine Basalrate metabolischer Aktivität aufrecht, welche den Abbau komplexer Moleküle in einfachere und in größerer Anzahl vorliegender Moleküle und die Freisetzung von Wärme ermöglicht, welche die Entropie der Umgebung erhöht.
Allgemein gesagt können Prozesse, die lokal die Entropie verringern, wie solche, die hochorganisierte Körper von Lebewesen aufbauen und aufrechterhalten, tatsächlich stattfinden. Diese lokale Verringerung der Entropie kann jedoch nur unter Energieaufwand eintreten, bei der einiges dieser Energie in Wärme oder andere unnütze Formen von Energie umgewandelt wird. Der Nettoeffekt des ursprünglichen Prozesses (lokale Verringerung der Entropie) und der Energieübertragung (Anstieg der Entropie der Umgebung) ist ein Gesamtanstieg der Entropie des Universums.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das hohe Maß der Organisation von Lebewesen durch eine konstante Zufuhr von Energie aufrechterhalten und durch einen Anstieg der Entropie der Umgebung ausgeglichen wird.
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