Първият закон на термодинамиката обяснява метаболизма на човека: превръщането на храната в енергия, която се използва от тялото за извършване на дейности.

Учебна цел

Контрастен катаболизъм и анаболизъм по отношение на енергията

Ключови точки

    • Човешкият метаболизъм е сложен процес. Първият закон на термодинамиката описва началната и крайната точка на тези процеси.
    • Нашето тяло губи вътрешна енергия. Тази вътрешна енергия може да отиде на три места - за пренос на топлина, за извършване на работа и за съхранение на мазнини.
    • Нашето тяло дава добър пример за необратими процеси. Въпреки че телесните мазнини могат да се преобразуват, за да вършат работа и да произвеждат пренос на топлина, извършената работа върху тялото и преносът на топлина в нея не могат да се преобразуват в телесни мазнини.

Условия

Пълният набор от химични реакции, които протичат в живите клетки.

Реакция, при която атомите на даден елемент губят електрони и валентността на елемента се увеличава.

Енергията, необходима за повишаване на температурата на 1 килограм вода с 1 келвин. Това е еквивалентно на 1000 (малки) калории.

Пълен текст

Метаболизмът при хората е превръщането на храната в енергия, която след това се използва от тялото за извършване на дейности. Това е пример за първия закон на термодинамиката в действие. Като разглеждаме тялото като интересна система, можем да използваме първия закон, за да изследваме преноса на топлина, извършването на работа и вътрешната енергия в дейности, вариращи от сън до тежки упражнения. Например, един от основните фактори при такива дейности е телесната температура - обикновено се поддържа постоянна чрез пренос на топлина към околната среда, което означава, че Q е отрицателно (т.е. тялото ни губи топлина). Друг фактор е, че тялото обикновено работи върху външния свят, което означава, че W е положително. По този начин в такива ситуации тялото губи вътрешна енергия, тъй като ΔU = Q − W е отрицателно.

храня се

Сега помислете за ефектите от храненето. Тялото метаболизира цялата храна, която консумираме. Храненето увеличава вътрешната енергия на тялото чрез добавяне на химическа потенциална енергия. По същество метаболизмът използва процес на окисляване, при който се освобождава химическата потенциална енергия на храната. Това предполага, че въвеждането на храна е под формата на работа. Хранителната енергия се отчита в специална единица, известна като калория. Тази енергия се измерва чрез изгаряне на храна в калориметър, по този начин се определят единиците.

Катаболизъм и анаболизъм

Катаболизмът е пътят, който разгражда молекулите на по-малки единици и произвежда енергия. Анаболизмът е изграждането на молекули от по-малки единици. Анаболизмът изразходва енергията, произведена от катаболното разграждане на вашата храна, за да създаде молекули, по-полезни за тялото ви.

Вътрешна енергия

Нашето тяло губи вътрешна енергия и има три места, където тази вътрешна енергия може да отиде - за пренос на топлина, за извършване на работа и за съхранение на мазнини (малка част също отива за възстановяване и растеж на клетките). Както е показано на фиг. 1, преносът на топлина и извършването на работа извеждат вътрешната енергия от тялото и след това храната я връща обратно. Ако ядете точно точното количество храна, тогава средната ви вътрешна енергия остава постоянна. Каквото и да загубите от пренос на топлина и извършване на работа, се заменя с храна, така че в дългосрочен план ΔU = 0. Ако преяждате многократно, ΔU винаги е положителен и тялото ви съхранява тази допълнителна вътрешна енергия като мазнина. Обратното е вярно, ако ядете твърде малко. Ако ΔU е отрицателно за няколко дни, тогава тялото метаболизира собствените си мазнини, за да поддържа телесната температура и извършва работа, която отнема енергия от тялото. Този процес е начинът, по който диетата води до загуба на тегло.

човешки

Метаболизъм

(а) Първият закон на термодинамиката, приложен към метаболизма. Топлината, пренесена от тялото (Q) и работата, извършена от тялото (W), премахват вътрешната енергия, докато приемът на храна я замества. (Приемът на храна може да се разглежда като работа, извършена върху тялото.) (Б) Растенията преобразуват част от лъчистия топлопренос в слънчевата светлина в съхранена химическа енергия, процес, наречен фотосинтеза.

Метаболизъм

Животът не винаги е толкова прост, както всеки, който спазва диета, знае. Тялото съхранява мазнини или ги метаболизира само ако енергийният прием се промени за период от няколко дни. След като сте били на основна диета, следващата е по-малко успешна, защото тялото ви променя начина, по който реагира на ниския енергиен прием. Вашата базална скорост на метаболизма е скоростта, с която храната се превръща в топлообмен и свършената работа, докато тялото е в пълен покой. Тялото коригира основния си метаболизъм, за да компенсира (частично) прекомерното или недояждането. Тялото ще намали скоростта на метаболизма, вместо да елиминира собствените си мазнини, за да замести загубения прием на храна. Ще се охладите по-лесно и ще се почувствате по-малко енергични в резултат на по-ниската скорост на метаболизма и няма да отслабнете толкова бързо, колкото преди. Упражненията помагат при загуба на тегло, тъй като произвеждат както пренос на топлина от тялото и работата, така и повишават метаболизма ви дори когато сте в покой.

Необратимост

Тялото ни предоставя отлична индикация, че много термодинамични процеси са необратими. Необратим процес може да върви в една посока, но не и обратната, при даден набор от условия. Например, въпреки че телесните мазнини могат да се преобразуват, за да вършат работа и да произвеждат пренос на топлина, извършената работа върху тялото и преносът на топлина в нея не могат да бъдат превърнати в телесни мазнини. В противен случай бихме могли да пропуснем обяда, като се позагреем или като слезем по стълбите. Друг пример за необратим термодинамичен процес е фотосинтезата. Този процес е приемането на една форма на енергия - светлина - от растенията и превръщането й в химическа потенциална енергия. И двете приложения на първия закон на термодинамиката са илюстрирани в. Едно голямо предимство на такива закони за опазване е, че те точно описват началните и крайните точки на сложни процеси (като метаболизъм и фотосинтеза), без да се вземат предвид усложненията между тях.