TERMODINAMIKANING IKKINCHI QONUNI. ENTROPIYA. Termodinamika deganda sistemani tashkil etuvchi jismlarning mikroskopik tuzilishini hisobga olmaganda ular orasida energiya almashinuvi mumkin bo’lgan sistemalarni termodinamik sistemalarni qarab chiquvchi fizikaning bo’limi tushuniladi. Muvozanatlik sistemalar termodinamikasi yoki muvozanat muvozanat holatiga o’tuvchi sistemalar va nomuvozanatlik termodinamik sistemalar farqlanadi. Nomuvozanatlik termodinamika biologic sistemalarni ko’rib chiqishda asosiy rol o’ynaydi. Ushbu bobda termodinamika bilan bir qatorda past temperaturali va qizdirilgan muhitlarni davolashda qo’llanilishi bn bog’liq bo’lgan m,asalalar shunimgdek termometriya va kalorimetriya elemrntlari yoritilgan. Termodinamika — termodinamik muvozanat holatida turgan makroskopik tizimlarning umumiy xossalariga bu holatlar orasidagi o'tish jarayonlari toʻgʻrisidagi fan. T. fundamental qonun va tamoyillar asosida quriladi. Termodinamikaning birinchi qonuni - energiyaning saqlanish qonunining termodinamik jarayonlarga moslashtirilgan versiyasi bo'lib, energiya uzatishning uch turini ajratadi: issiqlik, termodinamik ish va moddaning o'tkazilishi bilan bog'liq bo'lgan energiya va ularni funktsiya bilan bog'laydi va bu holati, ichki energiya deb ataladi. Moddani o'tkazmasdan sodir bo'ladigan termodinamik jarayonning birinchi qonuni ko'pincha[1] sifatida ifodalanadi. bu yopiq tizimning ichki energiyasining o'zgarishini bildiradi, tizimga issiqlik sifatida berilgan energiya miqdorini bildiradi va tizimning uning atrofida bajargan termodinamik ish hajmini bildiradi. Ekvivalent shundan iboratki, birinchi turdagi doimiy harakat mashinalari mumkin emas; ish Wuning atrofidagi tizim tomonidan amalga oshiriladigan narsa tizimning ichki energiyasini talab qiladi kamayadi yoki iste'mol qilinadi, shuning uchun bu ish natijasida yo'qolgan ichki energiya miqdori issiqlik sifatida qayta ta'minlanishi kerak tashqi energiya manbai yoki tizimda ishlaydigan tashqi mashina tomonidan ish sifatida (shunday qilib tizimning uzluksiz ishlashi uchun. Kirish Biz qanday tizimmiz: ochiq yoki yopiq? Maʼlumki, bu falsafaga emas, fizikaga oid savoldir. Barcha tirik mavjudotlar singari biz ham ochiq tizim hisoblanamiz, chunki modda va energiyani atrof-muhit bilan almashamiz. Misol uchun, kimyoviy energiyani oziq-ovqat shaklida qabul qilamiz va harakatlanish, gapirish, yurish va nafas olish kabi ishlarni bajaramiz. Biz va atrof-muhit bilan bogʻliq boʻlgan energiya almashinuvlari, shuningdek, tanamizda sodir boʻladigan barcha energiya almashinuvlari (misol uchun, metabolik reaksiyalar) ham biz fizika darsliklarida uchratishimiz mumkin boʻlgan gaz molekulalari yoki issiq va sovuq jismlar oʻrtasidagi energiya almashinuvlari kabi fizika qonunlari jihatidan bir xil taʼriflanadi. Bu yerda biz ikkita fizikaviy qonun – termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarini koʻrib chiqamiz va ular biz kabi biologik tizimlarga qanday tegishli boʻlishini bilib olamiz. Tizimlar va atrof-muhit Biologiyada termodinamika molekulalar yoki molekulalar jamlanmasida sodir boʻladigan energiya almashinuvlarini oʻrganadi. Termodinamika haqida soʻz borganda, biz qiziqqan muayyan bir narsa yoki narsalar (masalan, bitta hujayra yoki katta ekotizim ham boʻlishi mumkin) toʻplami tizim, tizimdan tashqarida boʻlgan barcha narsalar esa atrof- muhit deb ataladi. Misol uchun, siz qozonga suv solib, uni gaz plitasida isitayotgan boʻlsangiz, bu yerda tizim gaz plitasi, qozon va suv hisoblanadi, atrof-muhit esa qolgan barcha narsa: oshxonaning qolgan qismi, uy, mahalla, mamlakat, sayyora, galaktika va koinotni oʻz ichiga oladi. Tizim sifatida nimani tanlash ixtiyoriy (kuzatuvchiga bogʻliq) boʻlib, siz nimani oʻrganishni istashingizga bogʻliq, siz faqat suvni yoki butun uyni tizimning bir qismi sifatida olishingiz mumkin. Tizim va atrof-muhit birgalikda koinotni tashkil qiladi. Termodinamikada uch xil tizim mavjud: ochiq, yopiq va izolyatsiyalangan. Ochiq tizim oʻzining atrof-muhiti bilan energiya va modda almashadi. Gaz plitasi ochiq tizimga misol boʻladi, chunki issiqlik va suv bugʻlanib, havoda yoʻqolib ketadi. Yopiq tizim oʻzining atrof-muhiti bilan faqat energiya almashadi, modda emas. Agar yuqorida berilgan misoldagi qozon qopqogʻini zich yopsak, u deyarli yopiq tizim boʻladi. Izolyatsiyalangan tizim oʻzining atrof-muhiti bilan modda ham, energiya ham almashmaydi. Mukammal izolyatsiyalangan tizimni topish qiyin, lekin qopqogʻi zich yopiladigan maxsus sovitkich idishlar izolyatsiya qilingan tizimga oʻxshaydi. Idish ichidagi narsalar bir-biri bilan energiya almashishi mumkin, shuning uchun muz biroz eriydi va ichimlikni sovitadi, ammo tashqi muhit bilan juda kam energiya (issiqlik) almashadi. Kirish Biz qanday tizimmiz: ochiq yoki yopiq? Maʼlumki, bu falsafaga emas, fizikaga oid savoldir. Barcha tirik mavjudotlar singari biz ham ochiq tizim hisoblanamiz, chunki modda va energiyani atrof-muhit bilan almashamiz. Misol uchun, kimyoviy energiyani oziq-ovqat shaklida qabul qilamiz va harakatlanish, gapirish, yurish va nafas olish kabi ishlarni bajaramiz. Biz va atrof-muhit bilan bogʻliq boʻlgan energiya almashinuvlari, shuningdek, tanamizda sodir boʻladigan barcha energiya almashinuvlari (misol uchun, metabolik reaksiyalar) ham biz fizika darsliklarida uchratishimiz mumkin boʻlgan gaz molekulalari yoki issiq va sovuq jismlar oʻrtasidagi energiya almashinuvlari kabi fizika qonunlari jihatidan bir xil taʼriflanadi. Bu yerda biz ikkita fizikaviy qonun – termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarini koʻrib chiqamiz va ular biz kabi biologik tizimlarga qanday tegishli boʻlishini bilib olamiz. Tizimlar va atrof-muhit Biologiyada termodinamika molekulalar yoki molekulalar jamlanmasida sodir boʻladigan energiya almashinuvlarini oʻrganadi. Termodinamika haqida soʻz borganda, biz qiziqqan muayyan bir narsa yoki narsalar (masalan, bitta hujayra yoki katta ekotizim ham boʻlishi mumkin) toʻplami tizim, tizimdan tashqarida boʻlgan barcha narsalar esa atrof-muhit deb ataladi.Boshqa organizmlar kabi biz odamlar ham ochiq tizim hisoblanamiz. Bu haqda oʻylaymizmi, yoʻqmi, biz doimiy ravishda atrof- muhit bilan modda va energiya almashamiz. Misol uchun, tasavvur qiling, bir boʻlak sabzi yeyapsiz yoki bir sumka yukni koʻtarib ketyapsiz yoki boʻlmasa oddiygina nafas olib, nafas chiqarib, atmosferaga karbonat angidridni chiqarishni faraz qiling. Sanalgan barcha holatda ham siz atrofingiz bilan energiya va modda almashinuvini amalga oshirasiz. Tirik organizmlarda sodir boʻladigan energiya almashinuvi fizika qonunlariga boʻysunadi. Shu tufayli ular elektr tarmoqlarining energiya uzatishidan farq qilmaydi. Keling, termodinamikaning qonunlari (energiya uzatishning fizik qonunlari) biz kabi tirik mavjudotlarga qaysi jihatdan tegishli ekanligini koʻrib chiqamiz. Termodinamikaning birinchi qonuni Termodinamikaning birinchi qonuni juda keng oʻylaydi: u koinotdagi umumiy energiya miqdorini hisobga oladi, xususan, bu umumiy miqdor oʻzgarmasligini aytadi. Boshqacha qilib aytganda, termodinamikaning birinchi qonuniga koʻra, energiyani yaratib ham, yoʻq qilib ham boʻlmaydi. U faqat shaklini oʻzgartirishi yoki bir jismdan boshqasiga oʻtishi mumkin.Bu qonun mavhum boʻlib koʻrinishi mumkin, ammo biz yon-atrofimizdagi misollarga qarasak, atrofimizda doimiy energiya uzatilishi va energiyaning oʻzgarishi sodir boʻlayotganligiga guvoh boʻlamiz. Misol uchun: Elektr chirogʻi elektr energiyasini yorugʻlik energiyasiga aylantiradi (nurlanish energiyasi). Bir bilyard toʻpi ikkinchisiga urilganda, kinetik energiya uzatadi va ikkinchi toʻpni harakatlantiradi. Oʻsimliklar quyosh nuri energiyasini organik molekulalarda saqlanadigan kimyoviy energiyaga aylantiradi. Yurganingizda, nafas olganingizda yoki ushbu sahifani yuqoridan pastga tushirish uchun barmogʻingiz harakatidan foydalanganingizda, oxirgi tanovulingizdan olgan kimyoviy energiyani kinetik energiyaga aylantirasiz. Muhimi, ushbu energiya uzatishlarning hech qaysisi mutlaqo samarasiz ketmaydi. Har bir jarayonda boshlangʻich energiyaning baʼzi qismi issiqlik energiyasi sifatida chiqariladi. Boshlangʻich energiyaning bir jismdan ikkinchisiga harakatlanishi natijasida chiqadigan energiya issiqlik energiyasi deb ataladi. Elektr chiroqlari yorugʻlik bilan birgalikda issiqlik ham hosil qiladi, bilyard koptogida esa ishqalanish tufayli issiqlik hosil boʻladi, oʻsimlik va hayvonlardagi kimyoviy energiya almashinuvida ham shunday. Bunday issiqlik hosil boʻlishining nima uchun muhim ekanligini bizga termodinamikaning ikkinchi qonuni tushuntirib beradi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni Bir qarashda termodinamikaning birinchi qonuni ajoyib yangilikdek koʻrinishi mumkin. Agar energiya hech qachon yaratilmasa yoki yoʻq boʻlmasa, demak, energiya qayta va qayta ishlanadi, shunday emasmi? Xoʻsh... javob ha va yoʻq. Energiyani yaratib ham, yoʻq qilib ham boʻlmaydi, ammo u koʻproq foydali shakllardan kamroq foydali shakllarga oʻzgarishi mumkin. Koʻrinib turibdiki, hayotimizda sodir boʻladigan har bir energiya uzatishida yoki energiya oʻzgarishida energiyaning bir qismi foydalanib boʻlmaydigan (yaroqsiz) shaklga oʻtadi. Koʻp hollarda ushbu foydalanib boʻlmaydigan energiya issiqlik shaklini oladi. Aslida issiqlikdan muayyan bir sharoitda foydalanish mumkin boʻlsa-da, ammo u hech qachon 100% samaradorlik bilan (ish bajaradigan) boshqa turdagi energiyaga aylana olmaydi. Shunday qilib, har doim energiya uzatilganda, foydali energiyaning maʼlum miqdori foydasiz energiyaga aylanadi. Issiqlik koinot tasodifiyligini oshiradi Agar issiqlik ish bajarmasa, unda issiqlik oʻzi nima vazifani bajaradi? Ish bajarmaydigan issiqlik koinotning tasodifiyligi (tartibsizligi)ni oshirishga yoʻnaladi. Bu biroz tushunarsiz boʻlib tuyulishi mumkin, shuning uchun bir qadam ortga qaytib, bu qanday boʻlishi mumkinligini koʻrib chiqamiz. Agar qoʻlingizda ikkita jism (aytaylik, bir xil metalldan yasalgan ikkita blok- gʻisht) bor va ular turli haroratda boʻlsin, bunda sizning tizimingiz nisbatan tartibli boʻladi: molekulalar tezlik boʻyicha taqsimlanadi, sovuqroq jismdagi molekulalar sekinroq va issiqroq jismdagi molekulalar tezroq harakatlanadi. Agar issiqlik issiqroq jismdan sovuqroq jismga qarab harakatlansa (oʻz-oʻzidan shunday boʻladi), issiq jismdagi molekulalar harakati sekinlashadi va sovuq jismdagi molekulalar harakati tezlashadi, bu holat barcha molekulalar bir xil oʻrtacha tezlikda harakatlanguniga qadar davom etadi. Endi biz bir xil tezlikda harakatlanadigan molekulalarning bitta katta toʻplamiga ega boʻldik. Bu bizning boshlangʻich holatimizga nisbatan kamroq tartibli holat. Tizimning harorat jihatdan ajralgan konfiguratsiyadan koʻra yuqoridagi kabi tartibsiz konfiguratsiya tomon harakatlanish ehtimoli statistik jihatdan yuqori (yaʼni tartibsiz konfiguratsiyaga mos keladigan koʻplab ehtimoliy vaziyatlar mavjud). Bu haqda termodinamika qonunlari toʻgʻrisidagi videolarimiz va ushbu video orqali ham koʻproq bilib olishingiz mumkin. Entropiya va termodinamikaning ikkinchi qonuni Tasodifiylik va tartibsizlik darajasi entropiya deb ataladi. Har bir energiya uzatilishi qanchadir energiya miqdorini yaroqsiz shaklga (masalan, issiqlik) aylantirishini va ish bajarmaydigan energiya, yaʼni issiqlik koinotdagi tasodifiylik va tartibsizlikni oshirishini bilgan holda termodinamikaning ikkinchi qonunini biologiya fani nuqtayi nazaridan taʼriflashimiz mumkin: har bir energiya uzatish koinot entropiyasini oshiradi va ish bajarish uchun yaroqli boʻlgan foydali energiyani kamaytiradi (yoki ekstremal holatlarda umumiy entropiyani oʻzgarmagan holda qoldiradi). Boshqacha aytganda, kimyoviy reaksiya yoki oʻzaro bogʻliq reaksiyalar ketma-ketligi kabi har qanday jarayon koinotning umumiy entropiyasini oshiradigan yoʻnalishda davom etadi. Ikkinchi qonunning aql bovar qilmas oqibatlari haqida bilish uchun bu yerni bosing! Xulosa qilsak, termodinamikaning birinchi qonuni jarayonlar orasidagi energiya saqlanishi toʻgʻrisida boʻlsa, termodinamikaning ikkinchi qonuni jarayonlarning past entropiyadan yuqori entropiya tomon (butun koinotda) yoʻnalganligi haqida gapiradi. Biologik tizimlarda entropiya Termodinamikaning ikkinchi qonuni oqibatlaridan biri shuki, jarayon sodir boʻlishi uchun u koinot entropiyasini oshirishi kerak. Oʻzimiz kabi boshqa tirik organizmlar haqida oʻylaganimizda bizda bir qancha savollar uygʻonishi mumkin. Nahotki, biz moddalarning juda yaxshi tartibga ega toʻplami emasmiz? Tanamizdagi har bir hujayra oʻz ichki tartibiga ega; hujayralar toʻqimalarni va toʻqimalar organlarni tashkil qiladi; butun tanamiz bizni tirik ushlab turadigan transport, almashinuv va ayirboshlashdan iborat oʻzining aqlli tizimiga ega. Shunday qilib, biz kabi tirik mavjudotlar yoki oddiy bir bakteriya ham koinot entropiyasining oshishini aks ettirishi mumkinligi bir qarashda bizga aniq koʻrinmasligi mumkin. Buni tushunish uchun, keling, tanamizda sodir boʻlayotgan energiya almashinuvlarini koʻrib chiqamiz. Aytaylik, yurganimizda sodir boʻladigan energiya almashinuvi. Tanamizni oldinga harakatlantirish uchun oyoq mushaklarimiz qisqarganida, glyukoza kabi murakkab molekulalardagi kimyoviy energiyadan foydalanamiz va uni kinetik energiyaga aylantiramiz (agar yuqoriga qarab yursak, kimyoviy energiyani potensial energiyaga aylantiramiz). Ammo biz buni juda kam samaradorlik bilan qilamiz: bizdagi yoqilgʻi manbaidagi energiyaning katta qismi faqat issiqlikka aylanadi. Issiqlikning baʼzi qismi tanamizni issiq ushlab turadi, lekin uning katta qismi atrof-muhitga tarqaladi. Biz katta va murakkab biomolekulalarni olib, ularni karbonat angidrid va suv kabi kichkina, oddiy molekulalarga aylantirganimiz va yurishimiz uchun yoqilgʻini metabolizlaganimiz sababli issiqlikning bunday uzatilishi atrof-muhit entropiyasini oshiradi. Ushbu misolda biz insonning harakatlanishini koʻrib chiqdik, lekin bu tinch holatdagi inson yoki boshqa biror-bir organizmga nisbatan ham amal qiladi. Inson yoki boshqa bir organizm tanasida metabolik faoliyat darajasi doimiy saqlanadi, bu murakkab molekulalarning kichikroq va koʻp sonli molekulalarga parchalanishiga hamda issiqlikning tarqalishiga olib keladi, bu esa atrof-muhit entropiyasini oshiradi. Umuman aytganda, tirik mavjudotlarning tanalarini yuqori darajada tartibli tashkillashtiradigan va oʻsha tartibni ushlab turadigan jarayonlar kabi entropiyani mahalliy (lokal) kamaytiradigan jarayonlar ham sodir boʻladi. Ammo entropiyadagi bu mahalliy pasayishlar faqatgina energiya sarfi bilan sodir boʻladi, bunda energiyaning baʼzi qismi issiqlikka yoki foydalanilmaydigan boshqa shakllarga aylanadi. Dastlabki jarayonning (entropiyadagi mahalliy pasayish) va energiya uzatish (atrof-muhit entropiyasi oshishi)ning yakuniy natijasi bu koinot entropiyasining umumiy oshishidir. Xulosa qilib aytganda, jonli mavjudotlarning yuqori darajada tartibli tashkil etilishi doimiy energiya kiritilishi evaziga saqlab turiladi va atrof-muhit entropiyasining oʻsishi orqali muvozanatda ushlanadi. Entropiya va boshqa termodinamik funksiyalarning absolyut qiymatini aniqlashda termodinamikaning uchinchi qonunidan foydalaniladi. V. Nernst jismlarning issiqlik sig‘imini past temperaturalarda tekshirish natijasida (1906 yilda) termodinamikaning uchinchi qonuniga asosan quyidagicha ta’rif berdi: temperatura absolyut nolgacha pasaytirilganda kimyoviy jihatdan bir jinsli har qanday kondensatlangan moddaning entropiyasi nolga yaqinlashadi. Buni quyidagicha yozish mumkin: (8.1) Nernst termodinamik funksiyalarning qiymatlarini aniqlash va unga asoslanib turib, kimyoviy muvozanat masalalarini hal qilmoqchi bo‘ladi. SHu maqsadda u jismlarning xossalarini absolyut nolga yaqin temperaturada tekshirdi. Tekshirishlar past temperaturalarda jismlarning issiqlik sig‘imi temperaturaning pasayishi bilan keskin kamayib ketishi kuzatiladi. Absolyut nolga yaqin temperaturada jismning issiqlik sig‘imi temperaturaning uchinchi darajasiga proporsional ravishda kamayadi: (8.2) bunda: CV - moddaning o‘zgarmas hamdagi issiqlik sig‘imi, T - absolyut temperatura, - proporsionallik koeffitsienti. Moddalarni juda past temperaturada tekshirish natijasida ularning bu sharoitda issiqlikni tarqatish xossasini yo‘qotish ma’lum bo‘ldi. So‘ngra past temperaturalarda moddalarning kimyoviy moyilligi temperaturaga qarab o‘zgarishi o‘rganildi. Natijalar quyidagi issiqlik teoremasi deb ataluvchi xulosaga olib keldi. Absolyut nolga yaqin temperaturalarda kimyoviy reaksiyalarning issiqqlik effekti amalda kimyoviy jarayonning maksimal ishiga teng bo‘ladi. Demak, past temperatura sharoitida (Nernst teoremasiga muvofiq) kimyoviy reaksiyaning issiqlik effekti kimyoviy moyillikning o‘lchovi bo‘lishi mumkin: (8.3) Bertlo 1875 yilda moddalarning kimyoviy moyilligini o‘lchash uchun reaksiya issiqlik effektidan foydalanishni taklif qildi. U quyidagi prinsipni ta’rifladi: tashqaridan energiya berilmaydigan sistemadagi moddalar orasida borishi mumkin bo‘lgan reaksiyalardan qaysi birida eng ko‘p issiqlik ajralib chiqsa, o‘sha reaksiya o‘z- o‘zicha sodir bo‘ladi. Bertlo prinsipiga muvofiq, moddalar orasida sodir bo‘ladigan reaksiyaning issiqlik effekti qancha katta bo‘lsa, o‘sha moddalarning kimyoviy moyilligi ham shuncha kuchli, reaksiya natijasida hosil bo‘lgan modda ham shuncha barqaror bo‘ladi. Bertlo prinsipi faqat ekzotermik qaytmas reaksiyalar uchungina o‘rinli bo‘lib, endotermik reaksiyalar uchun bu prinsipni tatbiq etib bo‘lmaydi. Agar bu prinsip to‘g‘ri bo‘lganda edi, endotermik reaksiyalar umuman sodir bo‘lmasligi kerak bo‘lar edi, chunki endotermik reaksiyada issiqlik yutiladi, ya’ni reaksiyaning issiqlik effekti manfiy ishoraga ega bo‘ladi. Endotermik reaksiyalarning mavjudligi Bertlo prinsipi umumiy prinsip emasligini ko‘rsatadi. FOYDALANILGAN DARSLIKLAR 1. Bazarbayev M.I., Mullajonov I. va boshq. Biofizika, Darslik. Toshkent. 2018 y. 2. Remizov A.N. Tibbiy va biologik fizika, Darslik. Toshkent, 2005 y. Internet manbalar 1. http://www.medbiophys.ru/ 2. http://www.biophys.msu.ru/ 3. http://biophysics.spbstu.ru/useful_links 4. http://medulka.ru/biofizika 5. http://www.library.biophys.msu.ru/ http://www.bio.fizteh.rг/ www.biophys.msu.ru (http://www.biophys.msu.ru/) Кафедра биофизики - Биофак МГУ Официальный сайт кафедры биофизики МГУ.