Hidrológiai Közlöny 1997 (77. évfolyam)

1-2. szám - 3-4. szám - 3. szám - Sárváry István: Környezetünk és az entrópia

] 126 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 1997. 77. ÉVF. 3. SZ. Kct különböző alacsony-entrópiájú anyag, amelyek szükségesek az élő szervezetek létezéséhez: Élni annyit jelent, mint megmaradni az alacsony-entrópiájú állapotban, jól rendezett állapotban maradni, nem szétszóródni. Az élőlények szerveiket azokból az anyagokból építik fel, amelyeket a környezetükben szétszórva találnak, pl. proteint szintetizálnak aminosavakból. Ebben a folyamatban a nitrogén-atomok, amelyek kezdeti állapotban, az aminosavakban nagyobb térségben oszlanak meg, végül egy szűkebb térségben, a proteinekben csoportosulnak. Entrópiájuk ennek megfelelően csökken. Ezt a folyamatot egy másik folyamatnak kell kiegyensúlyoznia, amelyben alacsony-entrópiájú anyagok magas-entrópiájúvá alakulnak és elhagyják a rendszert. Melyek ezek az anyagok, amelyek szállítják és kiküszöbölik az entrópiát? Két, különböző, alacsony-entrópiájú anyag játszik szerepet ebben a folyamatban: - a tiszta, folyékony állapotban levő víz, és - a szénhidrátok A tiszta, folyékony víz: alacsony entrópiájú anyag, alacsony energia-tartalommal. A víz kétféleképpen tud magas entrópiájú állapotba kerülni: szennyező anyagokat oldva, vagy hőelnyeléssel. A nagy entrópiájú állapotba került víz, amely oldott anyagokat tartalmaz, vagy gőz állapotba kerül, elhagyja a testet, és a környezetbe távozik. A szénhidrátok: alacsony entrópiájú anyagok, magas energia-tartalommal A szénhidrátok oxidációval illetve hőfejlesztéssel jutnak magas entrópiájú állapotba. A szervezetet C0

2 illetve hő formájában hagyják el. A hő jelentős részét ismét csak a gőzzé vált víz szállítja el. Ehhez a folyamathoz oxigén szükséges, ezért lélegzünk. Különbségek a víz és a szénhidrátok termális tulajdonságai között: A víz elpárolgása a párolgás ellen dolgozik: csökken a hőmérséklet a folyékony fázisban, ugyanakkor a nő a gőznyomás a gázfázisban. A víz párolgásának negatív visszacsatolása van. Ezzel ellentétben: a szénhidrátok oxidációja hőt fejleszt, és ez gyorsítja az oxidációt Az égésnek pozitív visszacsatolása van. Az élő szervezetek gyors növekedése és gyors mozgása nem volna lehetséges enélkül a pozitív visszacsatolás nélkül. Az égés túlzott növekedését viszont megint csak a párolgás lassítja le. Az élet kényes egyensúlyát, az ellenőrzött lassú égést tehát épp a fenti két alacsony-entrópiájú anyag termális kontrasztja teszi lehetővé. Egy érdekes tény: Egy ember egységnyi tömege 5000-szer annyi energiát sugároz ki, mint a Nap egységnyi tömege. Számítás: A Nap-állandó 2,0 cal/min.cm

2, a távolság D =1.5. 10

8 km. Ezekből az adatokból számolva a Nap sugárzása 6. 10

2

7 cal/min. Ezt elosztva a Nap tömegével (2.10

30 kg), a Nap fajlagos sugárzására 3.10"

3 cal/min.kg adódik. Másrészt, egy felnőtt ember 60 kg súlyához naponta 2400 kgcal/nap energiát fogyaszt, melynek fele arra szolgál, hogy a testét melegítse. A test ezt a hőt a környezetbe sugározza. Ezekből az adatokból az ember fajlagos sugárzása 15 cal/min.kg, kb. 5000-szer nagyobb, mint a Nap sugárzása. Ha azt gondoljuk, hogy ez a biológiai energia-termelés jó hatásfokát bizonyítja, akkor félreértettük a problémát. Ez a tény ugyanis éppen azt mutatja meg nekünk, milyen nagy tömegű entrópiát kell kiküszöbölnie egy élő szervezetnek hő formájában, azért, hogy élő állapotban, vagyis alacsony-entrópiájú állapotban maradhasson. Az alacsony entrópiájú anyagok folyamatos regenerálódása A tiszta, folyékony vizet a víz körforgása regenerálja, a szénhidrátokat pedig a fotoszintézis. A fotoszintézis folyamán a Nap sugárzása magas energiaállapotú szénhidrátokat épít fel, a víz pedig - amelynek szerepe csak korlátozottan jelenik meg a kémiai egyenletben - alacsony energia-állapotúvá hűti le azokat. A fotoszintézis valójában csak víz jelenlétében lehetséges. Mint fentebb már említettük, ez a két alacsony entrópiájú anyag nagyon szorosan együttműködik a földi életjelenségek fenntartásában. Fotoszintézis: a szénhidrátok regeneráló folyamata A fotoszintézist szokásosan a következő kémiai egyenlettel szokták kifejezni: energia (sugárzás) 6 C0

2 + 6 H

20 => C

6H

1

20

6 + 6 0

2 és általában úgy értelmezik, hogy a Napból jövő energia ebben a reakcióban kötődik meg glukózzá. Ha csak ezt az egyenletet nézzük, akkor úgy tűnik, hogy csak annyi víz vesz részt a folyamatban, amennyi ebben a kémiai formulában megjelenik, és hogy a reakció legfontosabb része a fény energiájának lekötése. Ez viszont csak egyoldalú szemlélete a folyamatnak, csak az energiát veszi figyelembe, az entrópiát pedig elhanyagolja. Mivel a reakcióban résztvevő elemek a folyamat során kompaktabb formába kerülnek (csökkenő entrópia), szükséges, hogy más anyag is részt vegyen a folyamatban, amelynek entrópiája viszont emelkedik. Melyik ez az anyag ? Megint csak a víz: az a vízmennyiség, amely nem jelenik meg a kémiai egyenletben, viszont elpárolog a fotoszintézis során. Ennek megfelelően a fenti egyenletet sokkal helyesebb a következő módon felírni: 6 C0

2 + 12 H

20 = CsHnOs + 6 0

2 + 6 H

20 amelyben már az elpárolgott 6 vízmolekula is szerepel. Közelebbi vizsgálat során azonban kiderül, hogy még ennél is lényegesen több vízre van szükség ahhoz, hogy a fotoszintézis sikeresen létrejöjjön. Az entrópia változásának nyomon követéséhez ugyanis meg kell vizsgálnunk az összes anyagot és állapotukat, ahogyan azok a folyamatban szerepelnek: Anyag Halmazállapot co

2 légnemű CtHnOt szilárd HJ3 folyékony H

20 légnemű o

2 légnemű