Legile termodinamicii sunt amintite ca argument suprem de fiecare dată când se aduce în discuție deficitul sau surplusul caloric ca unică modalitate de scădere, respectiv creștere în greutate. Argumentul incombatabil este acela că deficitul caloric și funcționarea acestuia – la fel ca a surplusului – se bazează pe legea termodinamicii.
Dar care sunt aceste legi, și cum funcționează? Termenul poate părea complicat sau complex. Însă în final, totul se rezumă la lucruri elementare și feomene simple. Înțelege funcționarea acestor principii și tot ce trebuie să știi despre ele. Descoperă de ce legile termodinamicii stau la baza pierderii în greutate, citind mai jos explicațiile pe înțelesul tuturor.
Cuprins
Legile termodinamicii: totul despre energia la nivelul sistemelor biologice
Toate schimburile de energie sunt supuse legilor fizicii. Iar legile termodinamicii nu sunt altceva decât regulile fizice ale transferului de energie. În consecință, acestea se aplică tuturor sistemelor deschise din lume – ceea ce include toate organismele vii, chiar și omul.
Introducere în legile termodinamicii: concepte de bază
Este necesar mai întâi să stabilim câteva concepte de bază, pentru a putea ulterior să înțelegi legile termodinamicii. Tipurile de sisteme, echilibrul termodinamic, entropia – toate acestea sunt elemente-cheie pentru a înțelege esența fiecăruia dintre principiile termodinamicii.
I. Tipuri de sisteme
Există trei tipuri de sisteme în termodinamică: deschis, închis și izolat.
- Un sistem izolat nu realizează schimburi, nici de energie, nici de materie cu împrejurimile. În realitate, este foarte greu să identificăm un sistem perfect izolat. Un exemplu ilustrativ ar fi, însă, un sistem format dintr-un congelator, cu o cameră sau o întreagă casă ca mediu înconjurător. În interiorul sistemului (al congelatorului), are loc schimb de energie între obiectele pe care le conține. Însă între ele și exteriorul înconjutător (între congelator și restul casei), are loc un schimb minim de energie/căldură – acesta fiind motivul pentru care interiorul rămâne înghețat.
- Un sistem închis realizează doar schimburi de energie cu exteriorul, nu și de materie. Un sistem format dintr-un pahar cu lichid fierbinte acoperit cu o farfurie este un exemplu de sistem închis, în care mediul înconjurător este încăperea sau restul casei. Nu are loc un schimb de materie cu exteirorul (vaporii rămân în interiorul paharului acoperit), însă are loc un schimb de energie (căldura se va răspândi în încăpere).
- Un sistem deschis realizează atât schimburi de energie, cât și de materie cu împrejurimile. Același sistem alcătuit de un pahar cu lichid fierbinte, dar de data aceasta fără o farfurie care să îl acopere, va face schimb atât de energie cu mediul înconjurător, prin răspândirea căldurii, cât și de materie, prin răspândirea vaporilor de apă în aer.
II. Ce tip de sistem este omul și de ce i se aplică principiile termodinamicii?
Din punct de vedere fizic, omul, la fel ca orice altă ființă vie, reprezintă un sistem deschis. Mai exact, între tine și tot ceea ce te înconjoară, se realizează permanent atât un schimb de energie, cât și de materie.
Energia ta provine din alimentele pe care le consumi sub formă de hrană (astfel creând un schimb de materie). În timp ce căldura și mișcarea pe care o exerciți sub formă de plimbare, vorbire și chiar respirare, are un impact asupra mediului înconjurător.
Tuturor acestor schimburi de energie din interiorul tău și dintre tine și mediul înconjurător li se aplică aceleași legi ale fizicii în legătură cu schimburile de energie. Și aici intervin legile termodinamicii.
Ce este termodinamica?
Explicația se poate deduce încă din rădăcinile cuvântului:
termodinamica = thermo + dinamica
Thermo face referire la temperatură. Iar dinamica este cea care cuprinde proprietățile temperaturii: cum se comportă, cum se mișcă. Astfel încât:
Termodinamica este știința care se ocupă cu studiul căldurii și temperaturii, relațiile acestora cu energia și mișcarea, precum și modul prin care diverse forme ale energiei pot fi transferate de la una la cealaltă.
Câte și care sunt principiile termodinamicii?
Inițial au fost recunoscute trei principii fundamentale, cunoscute ca cele trei legi ale termodinamicii: prima, a doua și a treia. Mai târziu, primelor trei li s-a mai alăturat un principiu fundamental, cunoscut sub denumirea de legea zero.
Astfel încât astăzi cunoaștem 4 principii ale termodinamicii. Acestea dictează relațiile dintre energie, căldură, temperatură și mișcare în cadrul sistemelor deschise.
Prima lege a termodinamicii
Energia nu poate fi creată sau distrusă sub nicio circumstanță – aceasta este afirmația pe care o enunță prima lege a termodinamicii. Mai exact, enunțul din primul principiu al termodinamicii constă în două afirmații care se completează reciproc:
- Energia nu poate fi creată.
- Energia nu poate fi distrusă.
Mai exact, această primă lege se referă la cantitatea totală de energie din întregul univers. Și anume, totalul de energie dintr-un sistem și mediul său înconjurător este în permanență conservată și rămâne întotdeauna constantă. Pe scurt, totul se rezumă la o concluzie simplă:
Această cantitate de energie din univers nu se schimbă niciodată.
Ea doar își schimbă forma, sau este transferată de la un obiect la celălalt.
Ce este entropia?
Pornind de la prima lege a termodinamicii, energia nu poate fi creată și nici distrusă – dar se poate schimba în forme mai utilizabile, și forme mai puțin utilizabile.
În fiecare schimb sau transformare de energie din lumea reală, o anumită cantitate de energie este preschimbată într-o formă mai puțin utilizabilă, adică incapabilă să genereze mișcare sau lucru. Iar în cele mai multe cazuri, această energie neutilizabilă ia forma căldurii.
Ei bine, căldura care nu generează lucru/mișcare, crește dezordinea din univers. Un exemplu care ilustrează perfect acest fenomen este cel al două corpuri din metal:
- Unul fierbinte, celălalt rece.
- Separat, cele două sunt destul de organizate, moleculele aparținând fiecare corpului său.
- Însă atunci când căldura din obiectul fierbinte se transferă către cel rece, moleculele încep să își schimbe proprietățile și să se miște cu o viteză medie.
- Astfel încât, în locul moleculelor organizate în corpuri diferite, acum avem un grup mai mare de molecule, cu o viteză aproximativ egală.
- Rezultatul este mult mai multă dezordine decât inițial.
Entropia reprezintă gradul de dezordine dintr-un sistem.
Legea a doua a termodinamicii
Fiecare transfer de energie care are loc va crește entropia universului și va reduce cantitatea de energie utilizabilă disponibilă pentru mișcare – aceasta ar fi pe scurt explicația enunțată de legea a doua a termodinamicii.
Ceea ce înseamnă că orice proces, de la seturi de reacții conectate până la cele mai simple reacții chimice, se va îndrepta către o direcție ce va crește entropia totală din univers.
- Asta explică de ce atunci când lași un cub de gheață la temperatura camerei, acesta se topește.
- Sau de ce atunci când se face ordine într-o cameră, în viitor aceasta devine din nou dezordonată.
- Sau de ce putem doar să îmbătrânim, nu și să întinerim.
Este vorba despre direcția către care se îndreaptă fiecare reacție chimică, și faptul că aceasta crește entropia totală din univers.
CITEȘTE ȘI:
În mod precis și exact, legea a doua a termodinamicii poate fi enunțată în două moduri echivalente, ea fiind formulată initial în secolul 19, de către fizicianul scoțian Lord Kelvin (W. Thomson), dar și de fizicianul german Rudolf Clausius, după cum urmează:
- O transformare ciclică al cărei singur rezultat final este să transforme căldura extrasă dintr-o sursă care se află la aceeași temperatură de-a lungul unui proces de lucru (mișcare) este imposibilă.
- O tranformare ciclică al cărei singur rezultat final este să transfere căldura dintr-un corp la o anumită temperatură către un corp la o temperatură mai înaltă este imposibil.
Practic, cel mai simplu mod în care se poate explica legea a doua a termodinamicii este după cum urmează:
Starea de entropie a întregului univers ca sistem izolat va crește de-a lungul timpului, și schimbările de entropie din univers nu pot fi niciodată negative.
Legea a treia a termodinamicii
Considerând o structură cristalină total perfectă (100% pură), la temperatura zero absolut (0 Kelvin), aceasta nu va avea nicio entropie. Acesta este enunțul din legea a treia a termodinamicii.
Cu alte cuvinte:
Entropia unui sistem tinde către o valoare constantă pe măsură ce temperatura se apropie de zero absolut.
Această afirmație din legea a treia a termodinamicii practic permite cuantificarea amplitudinii absolute a entropiilor.
Ce este echilibrul termodinamic?
Conceptul de echilibru termodinamic presupune că nu există nicio tendință ca starea și proprietățile unui sistem să se schimbe spontan, și că acestea se pot schimba doar ca efect al acțiunilor altor sisteme.
Legea zero a termodinamicii
Dacă fiecare dintre două sisteme se află în echilibru termodinamic cu un al treilea sistem, cele două sisteme inițiale se află în echilibru termic una față de cealaltă. Acesta este enunțul elaborat prin legea zero a termodinamicii, care vine în completarea primelor trei legi, legea zero a termodinamicii. Pe scurt, ceea ce susține legea zero poate fi ilustrat astfel:
- Se consideră sistemele A, B și C.
- Dacă sistemul A se află în echilibru termodinamic cu sistemul C,
- Și totodată sistemul B se află în echilibru termodinamic cu sistemul C,
- Atunci sistemul A și sistemul B se află în echilibru termodinamic unul față de celălalt.
Practic, asta este ceea ce ilustrează principiul zero:
Între două sisteme care se află în echilibru termodinamic nu va avea loc niciun schimb de căldură. Sistemele care se află în echilibru termodinamic vor avea aceeași temperatură.
Un exemplu perfect pentru înțelegerea principiului zero și a echilibrului termodinamic îl constituie un vulcan și atmosfera. Când magma erupe din vulcan, aceasta va face un schimb de căldură cu atmosfera până când magma și atmosfera vor ajunge la aceeași temperatură. Totodată, principiul zero explică de ce este posibilă funcționarea termometrelor.
Scurtă istorie a termodinamicii: 7 Etape Importante în Elaborarea Principiilor
- În 1600, are loc stabilirea noțiunilor fizice de bază ale căldurii și temperaturii în 1600.
- Într-un final, s-a acceptat la 1850 afirmația conform căreia căldura reprezintă o formă de energie.
- Fizicianul francez Nicolas Leonard Sadi Carnot este considerat părintele termodinamicii, fiind responsabil pentru originile legii a doua, precum și a altor concepte importante. În 1824, el a adus în discuție câteva dintre conceptele termodinamicii.
- În 1850, W. Thomson și Rudolf Clausius au enunțat prima lege a termodinamicii.
- Tot atunci, Rudolf Clasius și W. Thomson au continuat și cu elaborarea enunțului din legea a doua a termodinamicii, la care și-a adăugat contribuția și matematicianul grec Constantin Caratheodory.
- Inițail formulată de către omul de știință german Walther Hermann Nernst în 1906 sub forma unei teoreme recunoscută cu premiul Nobel pentru chimie din 1920, legea a treia a termodinamicii a fost reformulată mai târziu și de către fizicianul german Max Karl Ernst Ludwig Planck.
- În 1872, omul de știință scoțian James Clerk Maxwell, respectiv Max Planck mai târziu, în 1897, au elaborat enunțurile cuprinse în legea zero a termodinamicii. Astfel încât în 1939, omul de știință Ralph H. Fowler a numit aceste enunțuri legea zero a termodinamicii.
Legile termodinamicii și pierderea în greutate
În timp ce legile zero și a treia nu sunt atât de relevante pentru pierderea în greutate, prima și a doua lege se aplică perfect procesului de scădere în greutate.
I. Prima lege a termodinamicii și pierderea în greutate: ,,O calorie este o calorie”.
Conform primei legi a termodinamicii, energia este întotdeauna conservată. Aplicată la procesul de pierdere în greutate, înseamnă că toate caloriile din oricare dintre cei trei macronutrienți (proteine, grăsimi, carbohidrați) sunt echivalente. Energia niciuneia dintre acestea nu este distrusă ca prin farmec atunci când o mănânci. Astfel încât un deficit caloric va crește entropia și va susține slăbirea.
II. A doua lege a termodinamicii și pierderea în greutate: ,,O calorie este o calorie” omite principiul al doilea al termodinamicii.
Având în vedere că nutriția este în continuare studiată și se dezvoltă constant, acesta rămâne în continuare un subiect destul de controversat. Și asta pentru că în cazul explicației de mai sus, nu este luată în considerare și legea a doua a termodinamicii, care susține că energia este dispersată spontan dacă nu este oprită.
Proteina și carbohidrații sunt metabolizate diferit, iar energia lor este, în consecință, dispersată sub forme diferite. Când proteina este descompusă de către organism, se eliberează mai multă energie sub formă de căldură decât se convertește în energie chimică.
Astfel încât, spre exemplu, deși o anumită cantitate de carne și o felie de pâine pot avea același număr de calorii, energia generată astfel în corp ca și combustibil pentru mișcare sau deposit de grăsime, va fi diferită. De aceea, biochimiștii contrazic și infirmă zicala ,,O calorie este o calorie”.
Aceștia susțin că nu toate caloriile sunt egale. Mai mult, în urma unui studiu (PMC506782) pe mai multe grupuri de oameni ale căror rezultate arată că o dietă cu același număr de calorii dar cu mai puțini carbohidrați conduce la slăbire mai eficientă decât cu mai puține grăsimi sau mai multe proteine.
Concluzie: legile termodinamicii și procesele metabolice
Rezumând în cel mai scurt mod posibil legile termodinamicii, acestea sunt astăzi patru la număr după ce inițial au fost enunțate trei, și sunt elaborate după cum urmează:
- Prima lege a termodinamicii enunță că energia este constantă și nu poate fi nici creată, nici distrusă, sub niciun fel de circumstanțe.
- Legea a doua a termodinamicii afirmă că fiecare transfer de energie va crește entropia totală a universului și niciun transfer nu este 100% eficient, adică nu toată energia transferată va fi utilizabilă.
- Legea termodinamicii a treia enunță că entropia unui sistem tinde către o valoare constantă pe măsură ce temperatura sistemului se apropie de zero absolut. Aceasta permite cuantificarea amplitudinii absolute a entropiilor.
- Recunoscută mai târziu a legea zero a termodinamicii, aceasta vine în completarea primelor trei cu mențiunea că dacă fiecare din două sisteme se află în echilibru termodinamic cu un al treilea sistem, primele două sisteme se află în echilibru termodinamic unul cu celălalt.
Legile termodinamicii sunt principii importante ale fizicii, cu primele două principii aplicate în mod special în sfera biologiei. Acestea guvernează procesele metabolice (chimice) din toate organismele biologice – inclusiv omul, motiv pentru care sunt aduse în discuție în mod special în problematica pierderii în greutate.
Surse:
- britannica.com/science/thermodynamics/Thermodynamic-equilibrium
- khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics
- chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Thermodynamics/The_Four_Laws_of_Thermodynamics/Second_Law_of_Thermodynamics
- wolframscience.com/reference/notes/1019b
- britannica.com/biography/Walther-Nernst
- livescience.com/50833-zeroth-law-thermodynamics.html
- ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC506782/
- nature.com/articles/news040816-2
- news-medical.net/life-sciences/Metabolism-Thermodynamics.aspx
- thoughtco.com/laws-of-thermodynamics-373307
