Năng lượng sinh học

Năng lượng sinh học
Hệ thống sống cần năng lượng để chuyển động, lớn
lên, tổng
hợp các phân tử sinh học và vận chuyển ion, phân tử
qua màng.
Các cơ thể lấy năng lượng từ môi trường sống và sử
dụng năng
lượng đó để thực hiện các quá trình sống có hiệu quả.
Để nghiên cứu năng lượng sinh học đòi hỏi phải có
hiểu biết về
nhiệt động học, một số định luật, nguyên lý mô tả
nguồn, trao đổi
nhiệt, năng lượng và vật chất trong hệ thống nghiên
cứu.
2
Nhiệt động học cho chúng ta xác định quá trình hoá
học và
phản ứng có thể tự xảy ra hay không.
Mặc dù nhiệt động học là khái niệm phức tạp, nhưng
nó dựa
trên ba định luật tương đối đơn giản và dễ hiểu.
Một vài nguyên lý của nhiệt động học cơ bản được
đưa ra trong
chương này bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh
entropy, hàm
năng lượng tự do và mối liên quan giữa entropy và
thông tin.
Chương này cũng đề cập đến ATP và những hợp chất
cao năng
khác.
Khái niệm về nhiệt động học cơ bản

Bất kỳ sự quan tâm nào của nhiệt động học cũng phải
phân biệt
giữa hệ thống và môi trường.
Hệ thống là một phần của vũ trụ mà chúng ta quan
tâm, trong
khi đó môi trường là gồm tất cả những gì còn lại. Có
ba trạng thái cơ
bản: hệ thống cô lập, hệ thống đóng và hệ thống mở.
Hệ thống cô lập: Không có sự trao đổi chất và năng
lượng với
môi trường.
Hệ thống đóng: Có trao đổi năng lượng, nhưng không
có trao
đổi chất với môi trường.
Hệ thống mở: Có trao đổi chất và năng lượng với môi
trường.
Cơ thể sống là hệ thống mở điển hình có trao đổi chất
(dinh
dưỡng và sản phẩm thải ra) và năng lượng (nhiệt từ
trao đổi chất)
với môi trường.
Định luật 1: Nhiệt, công và các dạng năng lượng
khác
Trước đây trong sự phát triển của nhiệt động học
người ta cho
rằng nhiệt độ có thể biến đổi thành những dạng năng
lượng khác và
tất cả các dạng năng lượng một cách cơ bản có thể
biến đổi thành
một số dạng khác.

Định luật 1 nói rằng: tổng năng lượng của một hệ
thống cô lập
là không thay đổi.
Các nhà nhiệt động học đã mô phỏng thành một hàm
toán học
để nghiên cứu sự biến đổi nhiệt và sử dụng công
trong những hệ
thống nhiệt động học. Hàm này được gọi là năng
lượng nội năng,
thường ký hiệu là E hoặc U. Năng lượng này chỉ phụ
thuộc vào trạng
thái hiện tại của một hệ thống và vì vậy được coi là
hàm trạng thái.
Năng lượng nội năng không phụ thuộc vào hệ thống
xảy ra như thế
nào và vì vậy không phụ thuộc vào đường hướng.
Nói một cách
khác là chúng ta có thể thay đổi hệ thống bằng bất cứ
con đường nào
3
và cho đến khi nào hệ thống trở về trạng thái ban đầu,
năng lượng
nội năng sẽ không thay đổi.