TERMODINAMIKA LJUDSKOGORGANIZMA

1

TERMODINAMIČKISISTEM

2

Klasifikacija sistema. Ljudski organizam kao termodinamički sistem

Premastepenu komunikacije saokolinom:• izolovani termodinamičkisistemi• zatvoreni termodinamički sistemi• otvoreni termodinamičkisistemi

Premastepenu homogenosti:• homogeni termodinamički sistem• heterogeni termodinamičkisistem

Ljudski organizam je složen termodinamički sistem (tačnije, otvoren i heterogen), kojineprekidno komunicira sa okolinom. Aktivnosti organizma zahtevaju određeneenergetske zalihe. Energija, koju ljudski organizam dobija iz hrane na bazi odgovarajućihhemijskih reakcija, koristi se za funkcionisanje unutrašnjih organa, vršenje spoljnograda, održavanje konstantne telesne temperature i, konačno, stvaranje zaliha energijeza kasniju upotrebu. Svaka od ovih funkcija je neophodna za opstanak organizma iodržavanjehomeostaze.

Ravnoteža termodinamičkog sistema.Termodinamičke veličine

Osnovno stanje u termodinamici je stanje ravnoteže. Termodinamički sistem se nalazi u ravnoteži akose termodinamičke veličine, koje određuju njegovo stanje, ne menjaju tokom vremena. Stanje sistemauravnoteži je određeno akosupoznatevrednosti svihtermodinamičkih veličina sistema.Funkcionalna veza između njih naziva se jednačina stanja sistema:

3

f p,V,T,c,...=0Eksplicitni oblik ove funkcije može biti veoma složen.Osnovne termodinamičke veličine koje definišu stanje sistema u ravnoteži su njegova temperatura (T),pritisak (p), zapremina (V) i koncentracija (c).Termodinamičkeveličine semoguklasifikovati nasledeći način:

•Ekstenzivne termodinamičke veličine (poseduju svojstvo aditivnosti)•Intenzivne termodinamičke veličine (ne poseduju svojstvo aditivnosti)•Termodinamički potencijali (intenzivne veličine, čiji proizvod sa promenom odgovarajuće ekstenzivne veličine ima dimenzije energije)

Termodinamičkiprocesi

• reverzibilni• ireverzibilni

V1 , p1 V2 , p2

1 21

V

p

p1

p22

V1 V2

1 cal = 4,184 J

4

NULTIZAKONTERMODINAMIKE. Telusemože dovesti (ili odvesti) određena količina toplote ako se onodovede u toplotni kontakt sa nekim drugim telom ili okolinom. Dva sistema se nalaze u toplotnomkontaktu, ako pri zagrevanju jednog raste temperatura drugog sistema. Poduslovom da suizolovani odokoline, sistemi će procesom razmene toplote dostići toplotnu ravnotežu, pri kojoj su njihovetemperature jednake. Svako drugo telo koje stupi u toplotni kontakt sa jednim od ova dva sistema bićeu toplotnoj ravnoteži i sa drugim. U termodinamici se ova fundamentalna činjenica (tranzitivnost)definišekaonulti zakon termodinamike.

TEMPERATURSKE SKALE – Celzijusova i Kelvinovaskala

Merenje temperature umedicini

• Temperatura se teško može meriti direktno, već se određujeindirektno, merenjem promena neke veličine koja je zavisnaod temperature. Ovde će biti objašnjena tri instrumenta i trimoguća načina merenja temperature koji se koriste umedicini, abaziraju sena ovom principu:

• Živin termometar, kod koga se menja zapremina žive;• Termistor, kod koga se menja otpor pogodno načinjenog

otpornika;• Termopar, kod koga se menja potencijalska razlika na

kontaktu između dva metala sa promenom temperature.

5

Živin ili galijum (medicinski) termometar1. Princip merenja se bazira na termodinamičkoj ravnoteži tela i

termometra, koji su dovedeni u toplotni kontakt.2. Merenje temperature je indirektno, tj. meri se promena

zapremine tečnosti sa promenom temperature.3. Za punjenje se mora odabrati tečnost, čiji je koeficijent širenja

znatno veći u odnosu nastaklo.4. Kapilara u kojoj se nalazi tečnost, mora biti što uža (r 0,1mm).5. Živin termometar meri temperaturu sa tačnošću od 0,10C.6. Karakteristika živinog – medicinskog termometra je maksimalnost.37

38

39

40

41

42

37,8

0C(a)

6

36

35

suženje kapilare

(b)

Termistor

T

1 GE

R

RR

Termistor je specijalna vrsta otpornika koji menja brzosvoj otpor sapromenom temperature ( 5%/10C).Radi na principu Vitstonovog mosta, pomoću koga seodređuje promena otpora otpornika sa promenomtemperature.

7

2 Skala galvanometra kalibrisana je direktno u stepenima Celzijusa.Preciznost termistora iznosi 0,010C.Zbog svoje male mase brzo stupa u termodinamičkuravnotežu.Pneumograf - specijalna vrsta termistora koji se koristiza monitoring brzine disanja pacijenta merenjemtemperaturske razlike između hladnog udahnutog itoplog izdahnutog vazduha.

Termopar

Gbakar

00C

konstantan

T

Termopar (ili termoelement) se sastoji od dva različita metala, koji su spojeni nakrajevima.

8

Na spojevima se javlja kontaktni potencijal, čija vrednost zavisi od temperature spoja.

Jačina struje zavisi od temperaturske razlike spojeva.Opseg temperature koji se njime može meriti ide od -190 do 3000C.

Preciznost termopara je velika - 0,0010C.

Ako se jedan kraj termopara načini u obliku tanke sonde, njime se može meriti temperatura pojedinačnihćelija.

Termografija - mapiranje telesne temperature

hlađenje

detektor

filter

električni signal

kolimator

A

Slika prikazuje osnovnu šemutermografske jedinice, koja se koristizamerenje radijacijeemitovane Toplotno

sa površinetela. (IC) zračenje sa tela

9

ravno ogledalotoplotno zračenje sa pacijenta horizontalnii

vertikalni drajver za ogledalo i osciloskop

osciloskop

sfeno ogledalo

Dijagram tipične termografske jedinice koja se koristi u medicini za mapiranje telesne temperature.

pacijenta reflektuje se sa ravnog isfernog ogledala. Posle prolaska krozfilter, koji uklanja vidljivu svetlost,snop IC zračenja stiže u detektor ukome se vrši konverzija radijacije uelektrični signal. Dobijeni signal, koji sepojačava u pojačavaču A,proporcionalan je temperaturipovršine sa koje je emitovano ICzračenje.

Pomoću mehaničkog sistemapomera se ogledalo tako da se možedetektovati toplota sa

način cele

različitih delova i na taj dobiti temperaturska slika površine.

Termografija - mapiranje telesne temperature

10

ZAKON ODRŽANJA ENERGIJE U ORGANIZMU PRVI ZAKONTERMODINAMIKE

• Sve aktivnosti ljudskog organizmazahtevaju utrošak energije

• Npr. dok je ljudski organizam u miru(bazalni uslovi) 25% energije kojuorganizam poseduje troše mišići isrce, 19% troši mozak, 10% trošebubrezi, a 27% troši jetra i slezina.Mali procenat od 5% se izbacuje kroz LJUDSKI

O2 IZVRŠENI RAD

fekalije i urin

koja se ne potroši u će biti skladištena kao

• Energija organizmu masti

• Energija u vidu toplote koja se dobijasredine pomaže u

konstantne temperatureiz spoljne održavanju organizma, ali se ne koristi zafunkcionisanje organizma

11

ORGANIZAMHRANA GUBITAK TOPLOTE

ULAZ IZLAZSKLADIŠTENAENERGIJA= +

Metabolizam:energija, toplota, rad i snaga ljudskogtela

• Procesi koji uključuju unos,skladištenje i upotrebu energije uljudskom telu kolektivno senazivaju metabolizam.

• Uopšteno, metabolizam je bilo kojioblik korišćenja energije od straneljudskog organizma i predstavljasumu hemijskih procesa koji sedešavaju u ćeliji kako bi seorganizam održao u životu.

12

Konzervacija energije i gubitak enegrije odavanjem toplote

• Prvi zakon termodinamike je u osnovi zakon održanja energije u bilo kom procesu. Zaljudski organizam (u stanju kada nema unosa hrane i pića i izbacivanja fekalija iurina) najbolje gaje napisati u sledećemobliku:

ΔU = Q W• gde je ∆U promena unutrašnje energije, Q količina toplote koju ljudsko tela prima

ili odaje, aW mehanički rad izvršen od strane ljudskog tela.• Toplotni tok uključuje toplotu stvorenu tokom metaboličkih procesa (Qmet) i gubitke

toplote (Qloss) putem radijacije, konvekcije, kondukcije i evaporacije.

13

Toplota, rad i unutrašnjaenergijaToplota: oblik razmene energije između sistema i okoline kao posledica njihovetemperaturske razlike. Količina razmenjene energije u ovom procesu naziva se količinatoplote∆Q.

Rad: ma koja druga vrsta razmene energije između sistema i okoline. Tada se količinarazmenjene energije naziva količina rada ∆W. Može se predstaviti u opštem slučaju kaozbir dva člana: - mehanički rad, koji predstavlja meru razmenjene energije u mehaničkojformi; - svi drugi vidovi razmenjene energije (hemijski rad, električni rad

14

itd.).

Unutrašnja energija: Ukupna energija u sistemu označava se sa U. U hemijskimprocesima obično se uzima u obzir samo ona energija, koja se može modifikovati uhemijskim procesima. Toznači da se ne uzima u obzir energija veze u jezgrima. U obzir seuzima samo translatorna, vibraciona i rotaciona energija molekula, energija hemijskihveza,energija interakcije među molekulima i sl.Unutrašnja energija je funkcija stanja sistema. To znači da za određeno stanje sistemaunutrašnja energija ima stalnu vrednost, nezavisno od toga kako je sistem došao u tostanje.

Unutrašnji i spoljni radorganizma

15

• Energija metabolizma koristi se za funkcionisanje organizma, pri čemu organizam vršiunutrašnji i spoljašnji rad. Unutrašnji rad organizma - bazalni metabolizam - sastoji seod funkcionisanja pojedinih organa, kontrakcije mišića i kretanja fluida, dok spoljašnjirad predstavlja pomeranje lokomotornog sistema suprotno dejstvu gravitacionesile.

• U stanju potpunog mirovanja za bazalni metabolizam prosečnog zdravog organizmapotrebno je oko 100 kcal/h (100 kcal/h x 24h = 2400 kcal/dan), odnosno 116 J/s. Taveličina, potrebna za održavanje minimalnih funkcija organizma, naziva se brzinabazalnog metabolizma (BMR - basal metabolic rate). Troši se na funkcionisanjeskeletnih mišića (18%), srca (7%), mozga (19%), jetre i slezine (27%) i bubrega (10%).

• BMR kod pojedinca zavisi od funkcije tiroidne žlezde. Sa povećanom aktivnošćutiroidne žlezde povećava sei BMR.

• Povećanje telesne temperature takođe dovodi do povećanja BMR i obratno, jer suhemijski procesi u organizmu izrazito temperaturno zavisni. Promena temperature za10C dovodi do promene BMR za oko 10%. Toobjašnjava smanjenje telesne mase u tokubolesti koju prati povišena temperatura, pogotovu ako se ima u vidu da se tada inačekonzumira manji unos hrane od uobičajenog.

kokoš

zecpas

čovek

svinjagoveče

BMR(kcal/dan)

102

103

104

16

10-1 100 101

pacov

102 103

telesna masa(kg)

Zavisnost BMR od mase tela

Energija metabolizma organizma

17

• Postoji neka vrsta veza između metaboličke oksidacije i sagorevanja, iako naše telodoslovno ne sagoreva svoje gorivo u kiseoniku. Korisno je znati koliko se energijedobija prilikom sagorevanja neke hrane (goriva) jer je to maksimum korisne energijekoja se može dobiti iz raskidanja i uspostavljanja hemiskih veza datog goriva. Ukupnaenergija koja se dobije iz nekog goriva njegovim sagorevanjem (u kalorimetrima prikonstantnoj zapremini) u stvari predstavljaentalpiju.

• Metabolička oksidacija je nešto manje efikasna i nekada se ne dešava pod istimuslovima (kao što je to prisagorevanju u kalorimetrima)!

• Metabolizam glukoze (reprezentuje ugljenehidrate):C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 + 2870 kJ (686kcal)

• Dakle, 1 mol glukoze (180 g) kombinovan sa 6 molova kiseonika (192 g) produkuje 6molova vode (108 g) i ugljendioksida (264 g), oslobađajući pritom 2870 kJ toplotneenergije. Energija, dobijena po 1 gglukoze, iznosi:

∆Q/m = 2870 kJ/180 g = 15,9 kJ/g (3,8 kcal/g).• Prilikom metaboličke oksidacije telo kombinuje 1 mol glukoze sa 30-32 mol ADP i 30-

32 mol fosfatne grupe Pi da bi se formirala 30-32 mol ATP molekula u kojima se energija skladišti.

Energija metabolizma organizma

• Metabolizam palmitinske kiseline (reprezentuje masti):CH3(CH2)14COOH + 23O2 16H2O + 16CO2 + 2397 kcal

• Dakle, 1 mol palmitinske kiseline (256 g) kombinovan sa 23 molova kiseonika (736 g)produkuje 16 molova vode (288 g) i ugljendioksida (704 g), oslobađajući pritom 2397kcal toplotne energije. Energija, dobijena po 1 gpalmitinske kiseline iznosi:

∆Q/m = 2397 kcal/256 g = 9,3 kcal/g• Prilikom metaboličke oksidacije telo kombinuje 1 mol palmitinske kiseline sa 106 mol

ADP i 106 mol fosfatne grupe Pi da bi se formirala 106 mol ATP molekula u kojima seenergija skladišti.

18

• Pri anaboličkim procesima dolazi do stvaranjta ATP iz ADP i fosfatnegrupe.

• Naše telo koristi energiju iz hrane (npr. glukoze) da bi obavilo ovu anaboličku reakciju.

ATP kao izvorenergije

• Kako naše telo obavlja sintezuATP-a?

20

ATP kao izvorenergije• Sinteza ATP-a se dešava u nizu hemijskih reakcija, u jednom ograničenom delu

kao proces bez prisustva O2– anaerobna glikoliza, a u mnogo većem delu kaoanabolički proces uzkorišćenje O2– aerobni metabolizam ilidisanje.

• Da bi se ATPsintetizovao potrebna je energija koja se dobija iz glukoze koja senalazi u krvi i tako doprema do svih ćelija

• Ili energija iz glikogena (polimer glukoze) koji se direktno koristi u mišićima, ajetra gametaboliše na monomere glukoze koja sezatim trensportuje krozkrv

• Produkti anaerobnog metabolizma se dalje metabolišu aerobno (uz korišćenjeO2) u Krebsovomciklusu i ciklusutransfera elektrona.

• Konačnan rezultat ovog kompleksnog postupka je produkcija 30 do 32 molaATP-aod jednog mola glukoze.

• Tačnije 2 mola ATP će biti produkovana anerobno dok će 28 – 30 molova bitiprodukovano tokom aerobnih reakcija što ukupno daje 30 – 32 mola ATP pomolu glukoze.

21

ATP kao izvorenergije• Osnovni katabolički proces za oslobađanje energije:

ATP + H2O ADP + neorganski fosfat + energija

• Oslobođena energija je 7 do 14 kcal/mol u zavisnosti od uslova. U tipičnim ćelijskim uslovimaiznosi:

• 12 - 14kcal/mol

30 ATP/mol glukoze 14 kcal/mol ATP = 420 kcal/mol glukoze• Znamo da se direktnom oksidacijom mola glukoze dobija

686 kcal.• Zbog čega se ljudski organizam “muči” da prvo pretvara energiju

glukoze u ATP, a zatim koristi ATP kao izvor energije?

23

ATP kao izvorenergije• Efikasnost ljudskog organizma u iskorišćavanju glukoze u formi energije

koja se može iskoristiti iz ATP-a je:• 420 kcal/680 kcal = 61%• Tačnije ova efikasnost se kreće u intervalu 61% do 65% u zavisnosti od

toga koliko organizam u datom trenutku produkuje ATP-a iz molaglukoze

• Ova efikasnost nije savršena, ali je prilično dobra kada je upoređujemosa npr. bilo kojom toplotnom mašinom koje imaju efikasnost 10 – 20%.Međutim i ljudski organizam u pretvaranju energije iz npr. glukoze umehanički rad takođe nije efikasan.

• Efikasnost organizma se definiše, kao i kod mašina, kao odnosizvršenog rada i utrošene energije izražen u procentima. Njegovavrednost nije velika – moglo bi se reći da je uobičajena vrednost oko10%. Za dobro uvežban organizam pri vršenju napornog rada (naprimer, vožnja bicikla) može biti maksimalno 20%.

24

Kako da “sagorite” kalorije?

25

II zakon termodinamike (2zTd) je jednostavan za razumevanje!

• 2zTd je baziran na ljudskom iskustvu

• 2zTd ne potiče iz neke komplikovane teorije i gomileformula

(Ne)razumljivi II zakontermodinamike1. Sipate mleko u crnu

kafu i dobijetebelu2. Tiganj će se hladiti

kada ga skinete sašporeta

3. Gvožđe će rđati na vazduhu

4. Ledene kockice će se otopiti u vašoj limunadi, osim ako je ne pijete u hladnjači

II ZAKON TERMODINAMIKE

Za one koji ne znaju što je entropija, prethodna

rečenica ne znači mnogo.

ENTROPIJA seuZATVORENOMSITEMUmože samo povećavati ili ostati konstantna.

ΔS 0Entropija univerzuma nikada ne opada.

Neumoljivi II zakontermodinamike• “Nered” se u zatvorenom

sistemu može samo povećavati ili ostati konstantan.

Šta je, stvarno, entropija?• Entropija grč. έντροπή "obrt ka

unutra"• Uveo Rudolf Clausius, 1865• “Predlažem

veličinu Sda nazovemo

entropija, po Grčkojreči transformacija. Namernosam izabrao naziv entropija štoje više moguće bude sličan rečienergija zato što su toliko bliskepo fizičkom značaju da mi se činida je prikladno i da im nazivibudu slični”

Šta je, stvarno, entropija?• Sadi Carnot (1803) primetio da u

toplotnom ciklusu jedan deo energijeostaje nedostupan za transformaciju u rad,ali nije znaokoliki

• Problem je rešio Clausius (1854) - količnikdobijene i izgubljene toplote jednakkoličniku vrednosti temperatura toplijeg ihladnijeg rezervoara

• Clausius: tako konzerviran – konstantanodnos mora korespondirati nekoj realnojfizičkoj veličini...i tako je nastalaentopija

• Termodinamička definicija kao mera"oslabljenosti" u obavljanju korisnograda

Q Qh c

Th Tc

Uticaj promene entropije

• U tihoj i mirnoj biblioteci (što jeekvivalentno sistemu sa niskomtemperaturom) viknete “Hej ti”

• Ako to isto uradite nafudbalskoj utakmici (sistem sa visokom temperaturom)

• Efekat degeneracije energije u procesu “vikanja” se drastično razlikuje ako se desi u biblioteci ili nastadionu

• Dakle, entropija nije neki magloviti pojam ili ideja, većmerljiva fizička veličina

• Formulacija drugog zakona termodinamike i izražavanje

“Termidinamička”entropija

entropije kroz dve makroskopske veličine kakve su toplota itemperatura je zaista neverovatna jer je prava „priroda“entropije otkrivena tek kasnije

“Logička” ili “statistička” entropija• Ludwig

izražavaBoltzmannentropiju

(1905)koristeći

statističke metode

• To je stanje za koje postojinajviše mikrostanja

• Sistem prepušten samsebiteži stanju najvećeg haosa

“Logička”entropija• Imamo 100 novčića• Bacimo ih sveodjednom• Najmanja je verovatnoća da

padnu 100 pisma ili 100glava• Za 50 pisma i 50 glava bilo kako

raspoređenih postoji približno 1029načina

• Odnosno makrostanje “50 pisma i 50 glava” može dase dobije sa 1029 mikrostanja

...da zvuči više naučnoSvaki makroskopski sistem se sastoji od atoma (?)

Red i nered mogu se definisati na skali atoma

(Ne)red u sistemu je vezan uz broj načina na koji njegove atome možemorasporediti, a da se sam sistem ne promeni

Što je veći broj načina na koji se nekimakroskopski sistem može dobiti to jetaj sistemverovatniji

Sistemi se spontano razvijaju u smeru sve verovatnijih makroskopskih stanja

RichardFeynman

..postoji samo jedna entropija

• Uprkos očiglednoj razlici između dva značenjaentropije, termodinamičkog i logičkog, pravilo“entopija zatvorenog sistema se nikad nesmanjuje” važi zaoba

• ...ili stvari se nikad ne organizuju“sameod sebe”

ŽIVOT i 2zTd

• Živa bića, na prvi pogled,narušavaju 2zTd jer imajustalan ili čak rastući "red“

• Stalna temperatura tela

• Održanje Ph vrednosti

• Jednom rečju..homeostaza

• Entropija se ne povećava nego smanjuje

Da li je 2zTdugrožen?• Nijedno živo biće nije

zatvoren sistem• Dok je živo,neprestano

razmenjuje energiju isupstancu sokolinom ŽivobićeŽivobiće OkolinaOkolina

• Entropija se može smanjivati u jednom delu sistema (živo biće),

• ...ali mora rasti u celokupnom zatvorenom sistemu (živo biće + okolina)

Si 0 So 0

S f Si So 0

ŽIVOT i 2zTd• Red se u čovečijem organizmu uspostavlja delovanjem različitih

mehanizama (biokatalizatora) i tosve prema genetičkim programima• Međutim, do reda ne dolazi se“džabe”.• Mora da seplati!• Moneta kojom plaćamo jeATP.

ŽIVOT i 2zTd

organizma dešava se i na• Smanjenje entropije molekularnom nivou:

DNA RNA PROTEIN

INFORMACIJA + ENTROPIJA =const.

„NEGATIVNA”ENTROPIJA• Šta je onda to tako dragoceno sadržano u našoj

hrani što nas spasavaod smrti?

• Organizam može jedino usporavati proces umiranja neprestanim uzimanjem negativne entropije (koja je zapravo nešto veoma pozitivno)

• ŽIVOT - neprekidno „upijanje“ reda iz okoline

EVOLUCIJA i 2zTd

• Česte su tvrdnje da evolucija ne važi upravozbog 2zTd

• Kao...2zTd je dokaz da evolucija ne možepostojati jer bi, eto, njezino postojanjenarušilo taj prirodnizakon

• Ne postoji neslaganje između 2zTd i procesaevolucije, i to, zbogSunca

• Cela Zemlja, takođe, NIJE zatvoreni sistem.Onaneprekidno prima energiju od Sunca

• Ta energija koja na Zemlju stiže izvanaomogućuje da se lokalno odvijaju procesi u kojima se entropija smanjuje

pak sistemu (Zemlja + Sunce) neprekidno raste odnosno 2zTd

• U širementropijavaži