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Thermodynamique*# - Biologie

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Thermodynamique

La thermodynamique s'intéresse à la description des changements dans les systèmes avant et après un changement. Les organismes biologiques sont ce qu'on appelle des systèmes ouverts ; l'énergie est transférée entre eux et leur environnement.

La première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique traite de la quantité totale d'énergie dans l'univers. Il indique que cette quantité totale d'énergie est constante. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers.

Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre, mais elle ne peut être ni créée ni détruite. Les transferts d'énergie ont lieu autour de nous tout le temps. Les ampoules transfèrent l'énergie des centrales électriques en chaleur et en photons de lumière. Les poêles à gaz transfèrent l'énergie stockée dans les liaisons de composés chimiques en chaleur et en lumière. (La chaleur, soit dit en passant, est la quantité d'énergie transférée d'un système à un autre en raison d'une différence de température.)

Les plantes effectuent l'un des transferts d'énergie les plus biologiquement utiles sur Terre : elles transfèrent l'énergie des photons de la lumière solaire dans les liaisons chimiques des molécules organiques. Dans chacun de ces cas, l'énergie n'est ni produite ni détruite, et nous devons essayer de rendre compte de tous de l'énergie lorsque nous examinons certaines de ces réactions.

La première loi et l'histoire de l'énergie

La première loi de la thermodynamique est d'une simplicité trompeuse. Les élèves comprennent souvent que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Pourtant, lorsqu'ils décrivent l'histoire énergétique d'un processus, ils commettent souvent l'erreur de dire des choses telles que "l'énergie est produite à partir du transfert d'électrons de l'atome A à l'atome B". Alors que la plupart d'entre nous comprendront le point que l'étudiant essaie de faire valoir, les mauvais mots sont utilisés. L'énergie n'est pas fabriquée ou produite; il est simplement transféré. Pour être cohérent avec la première loi, lorsque vous racontez une histoire énergétique, assurez-vous d'essayer de suivre explicitement tous les endroits où TOUT l'énergie du système au début d'un processus passe à la fin d'un processus.

La deuxième loi de la thermodynamique

Un concept important dans les systèmes physiques est celui de entropie. L'entropie est liée à la manière dont l'énergie peut être distribuée ou dispersée dans les particules d'un système. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie augmente toujours dans un système et son environnement (c'est-à-dire tout ce qui est en dehors du système).

Cette idée permet d'expliquer la directionnalité des phénomènes naturels. En général, la notion est que la directionnalité vient de la tendance de l'énergie dans un système à se déplacer vers un état de dispersion maximale. La deuxième loi implique donc que dans toute transformation, nous devrions rechercher une augmentation globale de l'entropie (ou de la dispersion de l'énergie), quelque part. À mesure que la dispersion de l'énergie dans un système ou son environnement augmente, la capacité de l'énergie à être dirigée vers le travail diminue.

Gardez à l'esprit: vous trouverez de nombreux exemples dans lesquels l'entropie d'un système diminue localement. Cependant, selon la deuxième loi, l'entropie de l'univers entier peut jamais diminuer. Cela doit signifier qu'il y a une augmentation égale ou supérieure de l'entropie ailleurs dans l'environnement (très probablement dans un système étroitement connecté) qui compense la diminution locale.

L'entropie d'un système peut augmenter lorsque :

  1. le système gagne de l'énergie ;
  2. un changement d'état se produit du solide au liquide au gaz;
  3. un mélange de substances se produit;
  4. le nombre de particules augmente au cours d'une réaction.

Remarque : discussion possible

La deuxième loi dit-elle que l'entropie est conservée ?

Remarque : discussion possible

Les systèmes biologiques, en surface, semblent défier la deuxième loi de la thermodynamique. Ils ne le font pas. Pourquoi?

Figure 1. Une augmentation du désordre peut se produire de différentes manières. Un glaçon fondant sur un trottoir chaud en est un exemple. Ici, la glace est présentée comme un flocon de neige, avec des molécules d'eau organisées et structurées formant le flocon de neige. Au fil du temps, le flocon de neige fondra en un bassin de molécules d'eau désorganisées et en mouvement libre. (La source)

Remarque : discussion possible

Un beau point. La figure 1 ci-dessus traite de l'ordre et du désordre et montre que cela est en quelque sorte lié à un changement d'entropie (ΔS). Il est courant de décrire l'entropie comme une mesure de l'ordre afin de simplifier la description plus concrète reliant l'entropie au nombre d'états dans lesquels l'énergie peut être dispersée dans un système. Alors que l'idée de mesurer l'ordre pour définir l'entropie a quelques défauts, c'est parfois un proxy utile, bien qu'imparfait. Considérez la figure ci-dessus. Ici, l'ordre sert de bon indicateur pour estimer le nombre de façons de distribuer l'énergie dans le système. Pouvez-vous décrire pourquoi c'est le cas?

Si nous considérons les première et deuxième lois ensemble, nous arrivons à une conclusion utile. Chaque fois que l'énergie est transférée ou redistribuée dans un système, l'entropie doit augmenter. Cette augmentation de l'entropie est liée à l'"utilité" de l'énergie pour travailler. Rappelons encore que cette énergie devient généralement de moins en moins disponible à mesure que l'entropie augmente.

Nous concluons que même si toute l'énergie doit être conservée, si le changement requis augmente l'entropie, cela signifie qu'une partie de l'énergie sera distribuée d'une manière qui la rendra moins utile pour le travail. Dans de nombreux cas, en particulier en biologie, une partie de l'augmentation de l'entropie peut être attribuée à un transfert d'énergie en chaleur dans l'environnement.


Lois de la thermodynamique et du système biologique

Le principe de conservation de l'énergie. Selon cette loi, "dans tout changement physique ou chimique, la quantité totale d'énergie dans l'univers reste constante, bien que la forme de l'énergie puisse changer". En termes plus simples, l'énergie n'est jamais perdue dans une réaction, une diminution d'une forme d'énergie sera compensée ou équilibrée par une augmentation d'une autre forme d'énergie ailleurs. Ou, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite.

Les cellules vivantes sont de parfaits transducteurs d'énergie, capables de transformer ou d'inter-convertir l'énergie chimique, électromagnétique, mécanique et osmotique avec une efficacité remarquable. Un exemple d'application de la première loi de la thermodynamique aux systèmes vivants est énergétique d'une feuille.

Les feuilles absorbent l'énergie rayonnante directement du soleil et aussi de l'environnement. Une partie de cette énergie est renvoyée dans l'environnement sous forme d'énergie rayonnante et également de chaleur, tandis que le reste est stocké dans des produits photosynthétiques sous forme d'énergie de liaison chimique.

Bien que l'énergie rayonnante absorbée par la feuille ait été transformée, la quantité totale d'énergie restera constante :

Énergie totale absorbée par la feuille = Énergie émise en retour par la feuille + Énergie stockée par la feuille

La deuxième loi de la thermodynamique :

Le concept d'entropie :

La deuxième loi de la thermodynamique est un peu plus difficile à comprendre (comprendre pleinement) car elle est très abstraite ou théorique et implique le concept d'entropie. Qu'est-ce que l'entropie ? L'entropie est une quantité d'état thermodynamique qui mesure le caractère aléatoire, le désordre ou le chaos de l'univers (c'est-à-dire le système plus son environnement).

La deuxième loi de la thermodynamique qui peut être énoncée sous plusieurs formes dit que l'univers tend toujours vers un désordre croissant : « Dans tous les processus naturels, l'entropie de l'univers augmente. » Selon le célèbre physicien du 19e siècle R.J. Clausius (1879), la deuxième loi de la thermodynamique stipule que "l'entropie de l'univers tend vers un maximum"

Le symbole de l'entropie est S. Puisque l'entropie est une grandeur thermodynamique comme une autre, elle peut être mesurée (sauf sa valeur absolue) par des expériences et exprimée en unités d'entropie. Dans le système SI, ces unités sont des joules par mol par degré, c'est-à-dire J moL -1 K -1 et représentées par EU.

Tout changement d'entropie ou de désordre accompagnant un processus du début à la fin est représenté par ∆S. Le changement d'entropie pour tout processus est donné par l'équation,

Si, SFinal > SInitiale, ∆S est positif et vice versa.

Un processus accompagné d'une augmentation de l'entropie a tendance à être spontané. Dans tous les processus spontanés, le S est positif. La vitesse à laquelle le processus se produit est déterminée par des facteurs cinétiques distincts du changement d'entropie. Si un système est à l'équilibre, l'entropie du système plus son environnement est maximale et ∆S est nul.

Considérons un processus très courant de fonte de la glace qui est un processus spontané. Dans la glace, les molécules d'eau sont présentes dans un état hautement ordonné avec une moindre liberté de mouvements mo­léculaires. Dans l'eau liquide, les molécules d'eau sont moins ordonnées avec une plus grande liberté de leurs mouvements moléculaires.

Alors qu'elles sont dans les vapeurs d'eau, les molécules d'eau sont dispersées de manière aléatoire et présentes dans un état hautement désordonné avec la plus grande liberté de leurs mouvements moléculaires. L'entropie de la glace est donc la plus faible, celle de l'eau liquide est plus élevée, tandis que celle des vapeurs d'eau est la plus élevée (Fig. 26.3). Pour le processus de fonte de la glace, ∆S est donc positif.

L'entropie étant un concept thermodynamique, il est plus approprié de l'aborder en termes d'énergie thermique. Tout système qui n'est pas au zéro absolu (-273°C ou OK) a une quantité minimale irréductible d'énergie — énergie sous forme de mouvements thermiques des molécules et dans les vibrations et oscillations de leurs atomes constitutifs. La quantité de cette énergie et la température sont directement proportionnelles.

Au fur et à mesure que la température augmente ou diminue, la quantité de cette énergie augmente également. Parce que la température ne peut pas être maintenue constante lorsque cette énergie est abandonnée (en supposant qu'il n'y a pas de changement physique ou chimique), elle a été appelée énergie isotherme indisponible. Quantitativement, l'énergie isotherme indisponible pour un système particulier est donnée par ST, où T est la température absolue et S est l'entropie.

Étant donné que l'énergie et l'entropie isothermiquement indisponibles sont liées à l'énergie du mouvement moléculaire, il est implicite que pour une température particulière, plus d'atomes et de molécules sont libres de se déplacer et de vibrer, c'est-à-dire plus le système est aléatoire ou moins ordonné ou plus chaotique. , plus son entropie sera grande.

Au zéro absolu, lorsque tout mouvement moléculaire cesse, l'entropie d'une substance pure est également nulle, cette déclaration est appelée troisième loi de la thermodynamique.

L'entropie est un état non seulement de l'énergie mais de la matière. Pour l'expliquer davantage, considérons un exemple très courant d'oxydation du glucose,

Ce qui est également illustré schématiquement à la Fig. 26.4.

Les atomes contenus dans une molécule de glucose et 6 molécules d'oxygène, soit un total de 7 molécules, sont dispersés plus aléatoirement par cette réaction d'oxydation et sont maintenant présents dans 12 molécules (6CO2 + 6H2O) avec plus de liberté de mouvement moléculaire. De plus, les six atomes de carbone sont beaucoup moins contraints dans 6CO2 molécules que dans une molécule de glucose, ayant ainsi une entropie plus élevée que cette dernière.

En termes plus simples, chaque fois qu'une réaction chimique entraîne une augmentation du nombre de molécules, ou lorsqu'une substance solide est convertie en produits liquides ou gazeux qui permettent une plus grande liberté de mouvement moléculaire que le désordre moléculaire des solides, et donc l'entropie augmente.

Il est à noter que pour toute réaction donnée, l'entropie de tous les réactifs et produits doit être prise en considération. Pour un système qui n'est pas au repos ou au zéro absolu, la tension naturelle est que l'entropie augmente et que le système soit plus désordonné ou chaotique.

Étant donné que l'entropie représente l'énergie qui n'est pas disponible pour effectuer un travail (énergie isotherme indisponible et timide), l'une des implications de la deuxième loi de la thermodynamique est qu'aucun processus ne peut se dérouler avec une efficacité de 100 %. Ou, "il n'est jamais possible d'utiliser toute l'énergie d'un système pour faire un travail".

Par exemple, la photosynthèse ne sera jamais efficace à 100 % car une partie de l'énergie lumineuse entraînant ce processus sera convertie en chaleur. Parce qu'une partie de l'énergie entraînant un processus sera convertie ou restera sous forme de chaleur, "il n'y aura jamais de machine à mouvement perpétuel".


Fondamentaux de la thermodynamique d'équilibre

Résumé

La thermodynamique est une science de l'énergie dans laquelle la température, car elle est liée à la moyenne des mouvements moléculaires, est un concept important. Guggenheim définit la thermodynamique comme la partie de la physique concernée par la dépendance de toute propriété d'équilibre à la température. La thermodynamique formule également les changements moyens qui se produisent parmi un grand nombre de molécules, c'est donc une science macroscopique. Carnot, Rankine, Clausius, Kelvin, Gibbs et bien d'autres ont développé des formulations de principes thermodynamiques pour décrire la conservation et la conversion de l'énergie. La formulation théorique de la thermodynamique classique est un ensemble de lois naturelles régissant le comportement des systèmes macroscopiques. Ces lois conduisent à un grand nombre d'équations et d'axiomes qui sont exacts, entièrement basés sur la logique et attachés à des contraintes bien définies. Les phénomènes naturels étant loin d'être réversibles, adiabatiques, isothermes, d'équilibre ou idéaux, l'ingénieur doit exercer une approche pragmatique en appliquant les principes de la thermodynamique aux systèmes réels. Certains nouveaux textes ont tenté de présenter les principes et les formulations thermodynamiques de manière applicable aux étudiants et aux ingénieurs, ce qui permettrait aux formulations d'être appliquées à la modélisation, à la conception et à la description de certains phénomènes naturels et complexes. Les principes de la thermodynamique trouvent des applications dans toutes les branches de l'ingénierie et des sciences. En plus de cela, la thermodynamique peut présenter des méthodes et des « corrélations généralisées » pour l'estimation des propriétés physiques et chimiques lorsqu'il n'y a pas de données expérimentales disponibles. De telles estimations sont souvent nécessaires dans la simulation et la conception de divers processus. Ce chapitre couvre brièvement certaines des définitions de base, les principes de la thermodynamique, la production d'entropie, l'équation de Gibbs, les équilibres de phases, les équations d'état et les potentiels thermodynamiques.


Explication incomplète

L'apport d'énergie dans les systèmes biologiques thermodynamiquement ouverts est la prémisse de l'explication habituelle donnée pour l'existence de l'ordre (Figure 3) :

Illustration reliant l'énergie à l'ordre dans un système biologique ouvert (basé sur une figure de Raven et al., 2005).

Illustration reliant l'énergie à l'ordre dans un système biologique ouvert (basé sur une figure de Raven et al., 2005).

La réponse est qu'une cellule n'est pas un système isolé : elle puise l'énergie de son environnement sous forme de nourriture, ou sous forme de photons du soleil. et il utilise ensuite cette énergie pour générer de l'ordre en lui-même. Au cours des réactions chimiques qui génèrent l'ordre, la cellule convertit une partie de l'énergie qu'elle utilise en chaleur. La chaleur est rejetée dans l'environnement de la cellule et le perturbe, de sorte que l'entropie totale - celle de la cellule plus son environnement - augmente, comme l'exigent les lois de la physique. (Alberts et al., 2008)

Historiquement, l'incohérence de la deuxième loi et des systèmes vivants a été abordée par le lauréat du prix Nobel Erwin Schrödinger dans son livre de 1944 Qu'est ce que la vie? "Comment l'organisme vivant évite-t-il la décomposition ? La réponse évidente est : en mangeant, en buvant, en respirant et (dans le cas des plantes) en s'assimilant" (Schrödinger, 1992). Les énergies des nutriments et de la lumière du soleil sont nécessaires pour permettre l'ordre biologique sans violer les lois de la thermodynamique. Cependant, les considérations énergétiques seules ne rendent pas compte de l'ordre biologique. C'est ce que l'on peut voir sur les figures 1 et 2. L'énergie considérable, mais focalisée de manière aléatoire, d'un enfant de 3 ans ne rétablirait pas l'ordre dans la pièce.


Lois de la thermodynamique : la première loi


Figure 3. Les hétérotrophes ont besoin de nourriture pour l'énergie. (Cliquez pour agrandir)

Lorsque le glucose est décomposé, il y a une libération d'énergie qui l'accompagne. Comment les organismes utilisent-ils cette énergie ? Ou, mieux encore, pourquoi ont-ils même besoin d'énergie ? Ces questions pas si triviales nécessitent une compréhension de certaines lois générales importantes qui régissent l'utilisation de l'énergie.

Thermodynamique est la physique des transformations énergétiques qui se produisent dans une collection de matière. Formellement, toute collection de matière soumise à un examen thermodynamique est définie comme un "système". La bioénergétique est le domaine de la thermodynamique qui traite spécifiquement des réactions énergétiques qui se produisent dans un organisme énergétiquement, un organisme est un "système". à l'énergie (biologique et non biologique). Les lois de la thermodynamique sont en fait assez simples, mais ont des implications de grande envergure (non seulement pour la vie, mais pour toutes les interactions entre l'énergie et la matière).

Les première loi de la thermodynamique déclare que l'énergie n'est ni créée ni détruite. En d'autres termes, la quantité d'énergie dans l'univers est constante. Ce concept est simple mais peut prêter à confusion. Vous avez peut-être entendu quelqu'un dire que les plantes " fabriquent de l'énergie à partir du soleil ". Les plantes convertissent en fait l'énergie solaire (lumière du soleil) en énergie potentielle moléculaire, sous forme de sucre. N'oubliez pas que les plantes ne « produisent » pas d'énergie. La photosynthèse convertit l'énergie lumineuse (une forme d'énergie cinétique) en énergie chimique. Cette première loi pourrait être considérée comme une « comptabilité ». Elle stipule que l'énergie utilisée et libérée dans toute réaction doit être équilibrée. Notez que l'énergie d'une molécule peut être répartie dans deux ou plusieurs autres molécules.


Réponses et réponses

Qu'entend-on par travail effectué parle système et le travail effectué au le système, en biologique systèmes ?

Cependant, dans les systèmes liés à la physique :
Le travail est simplement une force multipliée par la distance parcourue dans la direction de la force. Un bon exemple de système thermodynamique qui peut fonctionner est le gaz confiné par un piston dans un cylindre. Si le gaz est chauffé, il se dilatera et poussera le piston vers le haut, effectuant ainsi un travail sur le piston. Si le piston est poussé vers le bas, en revanche, le piston travaille sur le gaz et le gaz fait un travail négatif sur le piston. Ceci est un exemple de la façon dont le travail est effectué par un système thermodynamique.

En thermodynamique, le travail (W) est un travail mécanique macroscopique effectué par un système de molécules en mouvement entre des états d'équilibre thermodynamique. Il n'est pas difficile de trouver des exemples de systèmes biologiques qui fonctionnent. Il est un peu plus difficile de fournir des exemples de travaux effectués sur de tels systèmes. Les systèmes vivants sont essentiellement des moteurs thermiques pour effectuer un travail mécanique macroscopique.

Un système biologique en train de travailler : Le corps humain peut soulever mécaniquement un poids par exemple. Le mouvement musculaire nécessaire pour soulever un poids est le résultat de processus thermodynamiques qui se déroulent dans les cellules musculaires qui convertissent l'énergie interne (chimique) en flux de chaleur. Le cœur humain peut être considéré comme un système thermodynamique qui utilise l'énergie interne (chimique) dans ses cellules pour créer un flux de chaleur qui provoque la contraction et l'expansion du muscle cardiaque, pompant le sang dans tout le corps.

Faire des travaux sur un système biologique : En appliquant la RCP à un cœur humain arrêté, on travaille sur ce système et on fait pomper le sang par le cœur.


Exemples de la deuxième loi de la thermodynamique

Exemples basés sur la déclaration de Clausius’s

1) L'air s'échappe du ballon tout seul

Vous l'avez peut-être remarqué le jour de votre anniversaire.

L'air s'échappe du ballon tout seul après un certain temps.

L'air ne rentre jamais tout seul dans le ballon. Cet exemple est basé sur la déclaration d'Entropie de la deuxième loi de la thermodynamique. C'est un exemple de processus spontané.

2) Deux gaz se mélangeront automatiquement tout seuls

Si nous supprimons ce séparateur blanc comme indiqué dans l'image, alors que se passe-t-il ?

Les deux gaz se mélangeront. Et ce processus se produit également tout seul. C'est donc un exemple de deuxième loi de la thermodynamique qui montre que l'entropie de l'univers augmente en raison de ce processus spontané.

3) Le café chaud se refroidit automatiquement

Cet exemple est également basé sur le principe d'augmentation d'entropie.

Par un hiver glacial, si votre maman vous prépare un café chaud et que vous ne le buvez pas en quelques minutes, alors qu'arrive-t-il à ce café ?

Ce café va refroidir après un certain temps. Droit?

Oui. Il va évidemment se refroidir. Et ce processus se produit tout seul (spontanément).

Comme ce processus se produit spontanément, l'entropie de l'univers va augmenter.

4) L'objet tombe par terre tout seul

Vous avez déjà vécu cela.

Une pierre ou n'importe quel objet tombe toujours seul sur le sol. Ces objets ne montent jamais automatiquement.

Ce processus de chute indique qu'il s'agit d'un processus spontané et pour de tels processus spontanés, l'entropie de l'univers augmente.

5) La glace fond automatiquement

Vous avez déjà vu cela au moins une fois dans votre vie.

Que se passe-t-il si vous gardez de la glace sur une table pendant un certain temps ?

Or, ce processus thermodynamique se produit spontanément (tout seul).

En raison de ce processus spontané, l'entropie de l'univers augmente.

6) L'eau coule toujours du niveau supérieur vers le niveau inférieur

Avez-vous vu l'eau monter automatiquement ?

La réponse est NON.

Parce que l'eau s'écoule toujours spontanément du niveau supérieur vers le niveau inférieur.

Il ne monte jamais automatiquement.

Ainsi, ce processus spontané d'écoulement de l'eau du niveau supérieur vers le niveau inférieur indique l'augmentation de l'entropie de l'univers.

7) Un gaz prend tout le volume du récipient

Que se passera-t-il si vous insérez du gaz dans le récipient fermé. Évidemment, il se répandra dans tout le conteneur (tout seul) et occupera tout l'espace du conteneur.

C'est exactement la même chose que d'appliquer du parfum sur votre chemise et le parfum se répand dans toute la pièce.

Ce processus se produit spontanément (c'est-à-dire tout seul) et à cause de ce processus spontané, l'entropie de l'univers augmente.

Exemple basé sur la déclaration de Kelvin Planck’s

1) Moteur de voitures et de vélos

J'espère que vous connaissez cette déclaration de Kelvin Planck, maintenant laissez-moi vous expliquer comment cet exemple de moteur de voiture ou de moteur de vélo est basé sur la 2ème loi.

Voir, selon la déclaration de Kelvin Planck’s, il devrait y avoir au moins deux réservoirs thermiques (un à température plus élevée et l'autre à température plus basse) alors seul le moteur fonctionnera.

Dans un moteur de voiture et un moteur de vélo, il existe un réservoir à température plus élevée où la chaleur est produite et un réservoir à température plus basse où la chaleur est libérée.

Ainsi ces moteurs sont l'exemple de la deuxième loi de la thermodynamique.

Exemple basé sur la déclaration Clausius’s

1) Réfrigérateur utilisant l'électricité pour changer la direction du flux de chaleur

Vous savez ce qui se passe dans le réfrigérateur ?

La chaleur se déplace du corps à température plus basse (c'est-à-dire à l'intérieur de l'espace du réfrigérateur) vers le corps à température plus élevée (c'est-à-dire à l'extérieur du réfrigérateur).

Mais ce processus n'est pas possible tout seul. Pour rendre ce flux de chaleur possible, il y a un apport d'énergie externe à ce réfrigérateur. Cette énergie externe n'est rien d'autre que de l'énergie électrique qui est ensuite utilisée dans le compresseur du réfrigérateur pour produire un travail mécanique.

Ainsi, cet exemple satisfait l'énoncé de Clausius sur la deuxième loi de la thermodynamique.

J'espère que vous avez trouvé cet article utile.

Faites-moi savoir ce que vous pensez de ces exemples de deuxième loi de la thermodynamique. N'hésitez pas à commenter si vous avez des questions.


Thermodynamique*# - Biologie

La thermodynamique est une branche de la physique qui traite de l'énergie et du travail d'un système. La thermodynamique ne traite que de la réponse à grande échelle d'un système que nous pouvons observer et mesurer expérimentalement. En aérodynamique, la thermodynamique d'un gaz joue évidemment un rôle important dans l'analyse des systèmes de propulsion mais aussi dans la compréhension des écoulements à grande vitesse. La première loi de la thermodynamique définit la relation entre les différentes formes d'énergie présentes dans un système (cinétique et potentielle), le travail que le système effectue et le transfert de chaleur. La première loi stipule que l'énergie est conservée dans tous les processus thermodynamiques.

On peut imaginer des processus thermodynamiques qui conservent l'énergie mais qui ne se produisent jamais dans la nature. Par exemple, si l'on met un objet chaud en contact avec un objet froid, on observe que l'objet chaud se refroidit et que l'objet froid se réchauffe jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint. Le transfert de chaleur va de l'objet chaud vers l'objet froid. Nous pouvons imaginer un système, cependant, dans lequel la chaleur est plutôt transférée de l'objet froid à l'objet chaud, et un tel système ne viole pas la première loi de la thermodynamique. L'objet froid devient plus froid et l'objet chaud devient plus chaud, mais l'énergie est conservée. Évidemment, nous ne rencontrons pas un tel système dans la nature et pour expliquer cela et des observations similaires, les thermodynamiciens ont proposé un deuxième loi de la thermodynamique. Clasius, Kelvin et Carnot ont proposé diverses formes de la deuxième loi pour décrire le problème de physique particulier que chacun étudiait. La description de la deuxième loi indiquée sur cette diapositive a été tirée du manuel de Halliday et Resnick, "Physics". Cela commence par la définition d'une nouvelle variable d'état appelée entropie. L'entropie a une variété d'interprétations physiques, y compris le désordre statistique du système, mais pour nos besoins, considérons l'entropie comme une autre propriété du système, comme l'enthalpie ou la température.

La deuxième loi stipule qu'il existe une variable d'état utile appelée entropie S. Le changement d'entropie delta S est égal au transfert de chaleur delta Q divisé par la température T.

Pour un processus physique donné, l'entropie combinée du système et de l'environnement reste constante si le processus peut être inversé. Si on note les états initial et final du système par "i" et "f":

Sf = Si (processus réversible)

Un exemple de processus réversible force idéalement un écoulement à travers un tuyau étranglé. Idéal signifie aucune perte de couche limite. Au fur et à mesure que l'écoulement traverse l'étranglement, la pression, la température et la vitesse changent, mais ces variables reviennent à leurs valeurs d'origine en aval de l'étranglement. L'état du gaz revient à ses conditions d'origine et le changement d'entropie du système est nul. Les ingénieurs appellent un tel processus un processus isentropique. Isentropique signifie entropie constante.

La deuxième loi stipule que si le processus physique est irréversible, l'entropie combinée du système et de l'environnement doit augmenter. L'entropie finale doit être supérieure à l'entropie initiale pour un processus irréversible :

Sf > Si (processus irréversible)

Un exemple de processus irréversible est le problème discuté dans le deuxième paragraphe. Un objet chaud est mis en contact avec un objet froid. Finalement, ils atteignent tous les deux la même température d'équilibre. Si nous séparons ensuite les objets, ils restent à la température d'équilibre et ne reviennent pas naturellement à leurs températures d'origine. Le processus de les amener à la même température est irréversible.


Calories, thermodynamique et poids

Lorsqu'on s'oppose à une affirmation scientifique spécifique, il est toujours souhaitable de pouvoir dire que l'affirmation viole une loi scientifique établie. Les créationnistes tentent cela avec leur argument selon lequel l'évolution viole la deuxième loi de la thermodynamique (elle ne le fait pas). La tentation est que de tels arguments soient courts et concis, qu'ils semblent concluants et qu'ils évitent d'avoir à parcourir un ensemble dense et complexe de preuves et de théories scientifiques.

Dans les guerres de régime, la première loi de la thermodynamique a été beaucoup utilisée. Jusqu'à présent, j'ai eu connaissance de deux camps défendant leur position avec des arguments thermodynamiques. Le premier (et celui que je trouve le plus convaincant) est le camp des calories entrantes contre les calories sortantes, qui soutient que les lois de la thermodynamique s'appliquent également aux gens. Cela signifie que la gestion du poids doit être fonction des calories entrées (le total des calories consommées par une personne) et des calories dépensées (la dépense calorique totale, y compris les processus métaboliques, la chaleur perdue, l'exercice et autres). La thermodynamique doit être respectée et donc si l'on veut perdre du poids il faut brûler plus de calories qu'on n'en consomme.

Le deuxième camp sont les défenseurs des régimes amaigrissants spéciaux qui prétendent que le type de calories que l'on consomme affecte considérablement la perte de poids. Ils rejettent le "mantra calorique" et prêchent plutôt les méfaits des glucides, des graisses ou de l'indice glycémique. Ils soutiennent que toutes les calories ne sont pas égales parce que certaines calories sont plus efficaces que d'autres car elles nécessitent moins d'énergie pour se métaboliser. Si vous voulez perdre du poids, vous voulez consommer des calories inefficaces (c'est-à-dire qu'une plus grande partie de l'énergie de ces sources de calories est gaspillée sous forme de chaleur, ou qu'elles nécessitent une activité métabolique globale plus importante, donc moins est disponible pour les muscles et d'autres utilisations). Par conséquent, soutiennent-ils, la thermodynamique (lorsque l'efficacité est prise en compte) favorise la manipulation des macronutriments (protéines, glucides et graisses) pour la perte de poids.

Bien que je convienne qu'il s'agit d'un argument thermodynamique légitime, ce qui n'a pas été démontré (que ce soit du point de vue de la science fondamentale ou de la recherche sur la perte de poids), c'est que l'efficacité a un effet significatif. La plupart des études sur la perte de poids montrent que l'apport calorique total est assez bien corrélé avec la perte de poids, du moins à court terme.

J'ai été surpris d'apprendre qu'il existe maintenant un troisième camp, utilisant des arguments thermodynamiques pour prétendre, essentiellement, que les régimes amaigrissants ne fonctionnent pas.

Sandy Szwarc, qui écrit le blog Junkfood Science (bien que présentée comme un blog "sceptique", elle a acquis une réputation mitigée et semble nier tout lien entre l'alimentation, le poids et la santé) a récemment écrit une entrée intitulée The First Law of Thermodynamics in vrai vie. Pour sauter à sa conclusion, elle écrit :

La croyance populaire selon laquelle les gens peuvent simplement manger moins, faire plus d'exercice et contrôler leur poids défie la première loi de la thermodynamique.

Pour arriver à cette conclusion, elle avance un argument assez bizarre et incohérent. En fait, en lisant cet article de blog, j'ai eu l'impression de lire deux articles distincts. Le milieu substantiel de l'entrée est un argument principalement raisonnable sur les limites du régime alimentaire et de l'exercice pour perdre du poids. Cependant, cela est pris en sandwich entre des arguments impliquant la première loi de la thermodynamique qui ne sont que des hommes de paille non pertinents et des non sequiturs.

C'est comme si elle avait un argument raisonnable, mais dense, à faire valoir sur les complexités du contrôle du poids, mais a décidé de l'envelopper dans un argument thermodynamique pour lui donner plus de piquant et de punch. Tout ce qu'elle a réussi à faire, c'est d'embrouiller désespérément ses lecteurs et de détourner l'attention de ses vrais arguments.

La première loi de la thermodynamique

Comme c'est souvent le cas lorsque la science est réduite en octets sonores, cela devient faux. Tel est le cas de la distorsion de la loi de la thermodynamique qui a été simplifiée dans la sagesse populaire : « calories entrantes = calories sortantes ». Cet adage simpliste est devenu quelque chose que « tout le monde sait » être vrai. C'est derrière des croyances largement répandues que la gestion de notre poids est simplement une question d'équilibre entre les calories et l'exercice. Bien que cela ait malheureusement été utilisé pour vendre de nombreux régimes hypocaloriques et programmes d'exercices pour brûler des calories pour la perte de poids, il a également été utilisé pour soutenir les croyances selon lesquelles les personnes obèses « doivent certainement mentir » sur leur régime alimentaire et leur niveau d'activité, car sinon leur incapacité à perdre du poids semblerait « défier la loi de la thermodynamique ».

Bien que cela puisse sembler inconcevable, cette maxime simplifiée n'est guère plus qu'une superstition et une légende urbaine. Pour réaliser ce fait, nous devons d'abord retourner en classe de physique et remplir la moitié manquante de la première loi de la thermodynamique.

La première loi de la thermodynamique, ou bilan énergétique, stipule essentiellement que dans un système fermé, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement transformée ou transférée.

Il y a un certain nombre d'hommes de paille dans son argumentation. La première est que la perte de poids est une question de calories et d'exercice, et que cela est basé sur la thermodynamique. Elle déforme cependant cette position. L'argument thermodynamique reconnaît qu'il existe de nombreuses sources de « calories dépensées » et que cela n'est pas assimilé à de l'exercice. L'activité physique globale peut être augmentée sans exercice spécifique. En écrivant à ce sujet, moi et d'autres soulignons que la plupart des calories sont consommées par notre taux métabolique de base. Une façon d'augmenter les calories est d'augmenter le métabolisme.

Elle confond les conseils pratiques sur ce qui fonctionne avec les arguments thermodynamiques. La thermodynamique est absolument claire - la matière et l'énergie ne peuvent pas disparaître ou être créées, le bilan doit être équilibré.

D'un point de vue pratique, l'exercice augmente les calories dépensées, et il augmente le taux métabolique de base, et le tissu musculaire brûle plus de calories que la graisse, et les personnes en forme sont susceptibles de brûler plus de calories au cours de leur journée. De plus, bien que nous reconnaissions que les calories dépensées peuvent être augmentées en augmentant simplement le métabolisme, il n'existe aucun moyen sûr et sain de le faire directement. Les stimulants agissent à court terme, mais ne sont pas sûrs et provoquent un gain de poids de rebond.

Son argument sur un système fermé par rapport à un système ouvert n'est pas pertinent - un autre homme de paille. The calories in vs calories out argument is about calories going into and out of the human system – it treats it, by definition, as an open system.

To further muddy things she writes:

Balance in an open system, like the human body, is when all energy going into the system equals all energy leaving the system plus the storage of energy within the system. But energy in any thermodynamic system includes kinetic energy, potential energy, internal energy, and flow energy, as well as heat and work processes.

The first sentence is true – all energy must ultimately equal out or thermodynamics is violated. Her second sentence is also true – all forms of energy must be considered. But she makes it seem as if the second sentence refutes the first, which it doesn’t.

Her comment that the thermodynamic argument is used to accuse fat people of lying about their food intake is a non sequitur. It allows for the fact that there may be metabolic differences among people. Also, it is possible that overweight people do not lie about their caloric intake, they just grossly underestimate it.

The Biology of Weight Control

Szwarc then goes on to discuss various studies concerning the biology of weight control. In this section I actually agree with most of her arguments, which essentially add up to the fact that dieting does not work. To quickly summarize her points – most people who lose weight by dieting will gain it back, it requires a huge effort of will to significantly alter one’s “natural” weight, and it is even difficult to gain weight if one is naturally skinny.

There are various reasons for this, but the major one is that our bodies evolved in a calorie-limited environment. Surviving lean times was a priority, and so when we reduce our caloric intake our bodies interpret that as starvation and reduce the basal metabolic rate to conserve energy. When we overeat our bodies interpret that as a time of plenty and takes advantage of the extra calories by increasing metabolic expenditures. This has the net effect of resisting any significant change in body weight.

While I have significant disagreements with some of the ultimate conclusions Szwarc draws from these facts, I agree with others. I agree that these well-established facts of biology make it very difficult for most people to lose weight, and that dieting almost always fails for these reasons.

If she had simply written an article summarizing this research in order to make this point, she would have had an excellent article, and one important to the public discourse on dieting.

But (even the thermodynamic nonsense aside) she also overreaches in her conclusions, mainly through cherry picking her data. Elle écrit:

In the 1980s, Dr. Leibel had advertised to find people who’d maintained 100 pound weight losses for at least a year and a half. A colleague at the lab, Dr. Bruce Schneider, said that “he got six people and all of them were wacked.” Successful long-term losers are “monomaniacal and completely obsessed with their weight.” They’d made weight control their life, becoming extremely upset if they didn’t jog a certain number of miles a day, counting calories and constantly fantasizing about food, exhibiting every sign of dysfunctional eating behavior.

While it makes sense that obsessive-compulsive exercising is one way to keep weight off, it is premature to conclude that only the “wacked” can maintain weight loss. For example, the National Weight Control Registry tracks people who have lost an average of 66 pounds and kept it off for more than 5 years. While 90% do exercise every day, most of them get their exercise by walking. Most also made sensible changes to their eating habits.

She then turns to the notion of a set point, writing:

Dr. Leibel and colleagues at Rockefeller University later showed that when someone gains only about 10% of weight over their natural set point, their metabolisms augmenter by at least 16% over and above the expected increase for their size, as the body works hard to balance energy to maintain its natural size.

Again, there is a great deal of evidence to support the conclusion that our metabolism adjusts in response to weight gain or weight loss – but this does not mean there is an unavoidable set point of “natural” weight. This cannot be the entire picture. For example, over the last 20 years average weights in this country (and the West in general) have been steadily increasing. Just watch the animated map of the US showing obesity trends.

Weight and set point cannot be only about genetics, that cannot explain the undeniable trend toward increased weight in America. It is difficult to pin down what other factors are playing a role – and everyone likes to blame their favorite boogy man. It is likely a combination of increased sedentariness and increased portion size. There may be other factors as well, including metabolic effects or changes in food choices. This is a separate and complex question. But genetics alone is insufficient as an explanation.

Szwarc’s thermodynamics argument is worthless and misleading – an unnecessary distraction from her real points, which are themselves a mixed bag. I agree with her that diet and exercise alone are not sufficient to explain weight gain or loss, as we also need to consider major changes in metabolism. I also agree that will power is not sufficient for most people to make long term changes to their weight. It is simply too difficult to maintain. I agree that the evidence shows that dieting often does not work. And I agree that genetics has a huge influence on our weight and body type – not everyone can and should be skinny.

However, I disagree with her ultimate conclusion that any conscious attempt at weight control is hopeless (unless you are a fanatic) and we are slaves to our genetic set points. Recent history belies this conclusion.

Rather – I would conclude that weight control is difficult, but not impossible. In addition, I believe that the popular weight loss industry is making the problem worse by distracting the public from those strategies for which there is at least some evidence of efficacy and focusing on minute, short term, and probably insignificant effects from manipulating macronutritent proportions.

The evidence suggests that long term weight loss is possible through lifestyle changes. Increasing daily activity and regular exercise is helpful. People have difficulty estimating what they eat, so keeping a diary is also very helpful.

Further, if will power is not the answer because it is too difficult to maintain, then it would seem that the answer is to make lifestyle changes as easy as possible so they can be sustained. From a public health point of view, healthful choices need to be made easier. The real lessons from the studies that Szwarc cites is that long term weight control requires sustainable strategies, not quick fixes and not magical diets.


Voir la vidéo: Introduction à la thermodynamique (Février 2023).