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例析热力学第二定律的角度看生命活动的本质

(2019-02-07 21:46:51)
标签:

教育

热力学第二定律

生命活动的本质

分类: 试题研究和分析

例析热力学第二定律的角度看生命活动的本质

教材研究:教材中能量的转化不作考试要求,这也是一个融合理化生的综合性知识,对当今不分文理科的学生来说,理解上增加一定的难度。用无序到有序需要增加能量的角度去看可以帮助理解能量转化,也就是说,用热力学第二定律知识可以帮助理解。

试题:下列反应中,不属于吸能反应的是(  A 

A.麦芽糖分解成葡萄糖                    B.氨基酸合成蛋白质

C.葡萄糖合成淀粉                           DADPPi合成ATP

答案:A

解析:可以用排除法,合成物质需要能量,即BCD需要能量,答案选择A。也可以用无序到有序去解释,BCD的过程是无序到有序,需要作功,需要提供能量。那么,如何理解麦芽糖分解成葡萄糖是放能反应呢?它是一个有序到无序的过程,放能反应。

例析热力学第二定律的角度看生命活动的本质
必修1第49页的描述

以下是可供理解的知识拓展(来自于网络并修改)

一、热力学第二定律的内容

1、热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向来表述的)

2、不可能从单一热源取热,把它全部变为功而不产生其他任何影响。

第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原,要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用,由此可见,热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异,这种差异决定了过程的方向,人们就用态函数熵来描述这个差异,从理论上可以进一步证明可逆绝热过程Sf=Si, 不可逆绝热过程Sf>Si,式中SfSi分别为系统的最终和最初的熵。

也就是说,在孤立系统内对可逆过程,系统的熵总保持不变;对不可逆过程,系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定律的又一种表述。

熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变,也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则,更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。

二、理解“热力学第二定律”呢?

从现实微观的角度理解就是:热量只能从高向低流动,如果要反过来,就必须额外消耗能量!

事物会自发从有序态转化成无序态

比如:开水变凉,要让水再次烧开,就需要消耗电能,电能的产生需要水的势能或者风能或者核反应;机械表钟不走了,需要人旋转柄头上发条,人的能量又需要饮食产生的新成代谢作用,粮食又需要太阳的光能……

由此追根溯源,从广泛意义理解,假如把我们熟知的宇宙看成一个封闭系统(因为再也找不出第二个系统),那该定律表明了:宇宙的“熵”,即无序程度将与日俱增,无法避免!

三、热力学第二定律的角度看生命活动的本质

如果我们以单一的生命体作为一个系统,那它是一个开放系统,与环境既有物质交换,也有能量的流通(正因如此,生命体可以摄取负熵来延长生命)。

从宏观来看生命(正常死亡的生命)过程就是一个熵增的过程,始态是生命的产生,终态是生命的结束,这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。而这个过程中,生命体通过摄入负熵来抵抗熵增,但是最终也都由于体内熵达到了一定的限度而使生命崩溃。

1、生

以人为例,从一个婴儿开始,我们拥有了一个属于自己的系统,这个系统独立于我们所生活的自然,而生命的一个必然进程就是抵抗熵增

2、老

薛定谔 曾经说过:生命以负熵为生。正是指这个道理,衰老是一个长期的持续性的过程,为了对抗这个过程,吸取负熵是其途径,不同的生命体吸取负熵的方法不同,对于绿色植物则通过光合作用来减少自身的熵,同样对于人类来说,食物就是负熵,这也是人类需要不断进食的原因所在。 但是摄入负熵的能力会随着时间而减弱,当人类摄入的负熵少到体内的平衡受到破坏时,体内的熵达到了一个限度时人的生命也就要终结了。而这之前摄入负熵能力下降的过程就是衰老。

3、病

当受到突发影响,体内的熵出现紊乱(似乎说体内的蛋白质能物质也属于负熵,他们的异常即出现病变的原因)。就随之而来。如果没有及时处理好这种熵的不平衡,就会出现比较大的损伤,以致整个系统的崩坏。

4、死

生命的结局是什么?对于这个问题,很简单死亡,也可说是同化,尘归尘,土归土,将生命中的物质,能量回归系统,与系统同化,而物理学中指出,这种想对于独立的混合具有更大的混乱度,其所拥有的熵也是最大的,这是整个系统遵循热力学第二定律的必然结果,所以死亡同化熵增是必须的,不可违抗的,生命的活动是一个不可逆的过程,一切的返老还童起死回生都是不可能实现的。

链接:关于麦芽糖分解为葡萄糖是吸能的还是放能的问题

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