enzymy11

^Termodynamika 105

me, ciepło; dynamis, siła) stanowi opis relacji między różnymi formami energii i wpływu energii na materię na poziomie makroskopowym. Ponieważ dotyczy to również biochemii, termodynamika jest najczęściej stosowana do ustalenia warunków, w których obecności procesy zachodzą spontanicznie (same z siebie).

W termodynamice układ definiowany jest jako materia zawarta w określonej przestrzeni. Materia pozostałej części wszechświata nazywana jest otoczeniem. Według pierwszej zasady termodynamiki, stanowiącej matematyczne wyrażenie prawa zachowania energii, energia całkowita układu i jego otoczenia jest stała:

AE = E_b-E_a = Q-W

gdzie Ea to energia układu na początku procesu, a Eb- na końcu procesu. Q oznacza ciepło pochłonięte przez układ, a W to praca wykonana przez ten układ. Zmiana energii układu zależy tylko od stanu wyjściowego i końcowego, a nie od drogi przemiany. Procesy, w których wyniku układ uwalnia ciepło (co oznacza ujemną wartość Q), są nazywane procesami egzotermicznymi; te, w których wyniku układ pochłania ciepło (co oznacza dodatnią wartość Q), są nazywane procesami endotermicznymi. W układzie SI jednostką energii jest dżul (J), ale nadal często stosuje się kalorię (1 kcal = 4, 184 kj).

Na podstawie pierwszej zasady termodynamiki nie można przewidzieć, czy dana reakcja przebiegnie spontanicznie, ponieważ niektóre reakcje przebiegające spontanicznie charakteryzują się dodatnią wartością A£. Dlatego do opisu reakcji należy się posłużyć funkcją inną niż AE. Jedną z takich funkcji jest entropia (S), stanowiąca miarę stopnia przypadkowości lub nieuporządkowania układu. Entropia układu wzrasta (AS jest dodatnia), kiedy układ staje się bardziej nieuporządkowany. Według drugiej zasady termodynamiki proces może zajść spontanicznie tylko wtedy, gdy suma entropii układu i jego otoczenia wzrasta (co można również wyrazić stwierdzeniem, że wszechświat zmierza w kierunku maksymalnego nieuporządkowania). Tak więc:

(ASukiadu + ASotoczenia) > 0 dla procesu spontanicznego

Jednakże trudno jest zastosować entropię jako kryterium możliwości spontanicznego przebiegu procesu biochemicznego, ponieważ zmiany entropii reakcji chemicznych nie są łatwo mierzalne. Ponadto obok zmian entropii układu konieczna jest znajomość zmian entropii otoczenia. Trudności te można obejść, stosując inną funkqę termodynamiczną, nazywaną energią swobodną (G). Została ona zaproponowana przez Josiaha Willarda Gibbsa, który za jej pomocą powiązał pierwszą i drugą zasadę termodynamiki:

AG = AH - TAS

gdzie AG to zmiana energii swobodnej układu podczas przemiany przy stałym ciśnieniu (P) i temperaturze (T), AH - zmiana entalpii (zawartość cieplna) tego układu, a AS - zmiana entropii tego układu. Zmianę entalpii można wyrazić za pomocą równania:

AH = AE + PAV