Почему КПД человеческих клеток меньше КПД двигателя Отто?

Можем ли мы вообще сравнивать живые клетки с тепловыми двигателями?

Нет, не совсем, потому что живое существо — это не только тепловой двигатель. Здесь я хочу отметить три основных момента.

1. Гомеостаз требует постоянного поступления энергии

Это утверждение особенно верно и очевидно в отношении гомеотермных млекопитающих (Mammaliaformes, потомков амниотов Therapsid Synapsid) и птиц (Avialae/Dinosauria, потомков динозаврообразных Amniotes), которые используют много энергии, просто поддерживая температуру своего тела в строгих пределах. т. е. компенсирующие (в основном конвективные) потери тепла своим телом в холодных условиях и активно отдающие тепло своим телом в жарких условиях. Но в более общем смысле явление гомеостаза также требует затраты энергии; живой организм представляет собой сильно неравновесную термодинамическую систему, и избыточная энтропия, производимая метаболическими процессами, должна быть вытеснена, чтобы она оставалась такой. Термодинамическое равновесие достигается только тогда, когда живое существо умирает.

Только из этого соображения можно было бы ожидать, что эффективность, измеренная при выполнении организмом механической работы, будет значительно меньше, чем у тепловой машины.

2. Мышечная деятельность — это не тепловая машина.

Мышечная деятельность гораздо больше сравнима с электрическим двигателем, чем с тепловым двигателем. Под этим я подразумеваю, что электродвигатель по существу преобразует работу из одной формы в другую с почти нулевым изменением энтропии и незначительным изменением температуры; моторные белки преобразуют энергию с низкой энтропией, хранящуюся в виде АТФ, в механическую работу посредством гидролиза АТФ с очень небольшим изменением температуры реагентов по мере их реакции. В этом случае наиболее содержательная мера эффективности , вероятно, выражается в двух факторах: (1) отношение свободной энергии$\Delta G$реакции гидролиза АТФ к изменению полной энтальпии$\Delta H$реакции (разница$T\,\Delta S$работа, которую мы должны «отдать», чтобы вытеснить избыточную энтропию реагентов по сравнению с продуктами реакции с более низкой энтропией) и (2) отношение выполненной механической работы к доступной$\Delta G$.

В тепловой машине мы берем некоторое количество тепла из горячего резервуара, уменьшая энтропию последнего на$Q_i/T_i$в процессе, но обнаружите, что если у нас есть более холодный резервуар на$T_o<T_i$нам остается только "отдать"$Q_o<Q_i$в холодный резервуар, чтобы компенсировать падение энтропии в горячем резервуаре, поэтому мы можем «сохранить» энергию$Q_i - Q_o > 0$для выполнения работы с. В биологических реакциях наиболее сравнимым с этим процессом является фотосинтез , где «рабочая жидкость» света находится в термодинамическом равновесии при$6000{\rm K}$преобразуется в «запасенную работу» в сахарах и, в конечном счете, в АТФ, сбрасывая избыточное тепло при температуре окружающей среды.$300{\rm K}$в процессе. Отныне все живые существа используют этот запас энергии с низкой энтропией скорее как электродвигатель, преобразующий энергию, хранящуюся в конденсаторе, будь то растения, использующие ее для своего собственного жизненного процесса, или травоядные, получающие к ней доступ через съеденные растения, или плотоядные, получающие доступ к ней через съеденное растение. едоки.

Таким образом, растения и их фиксация солнечной энергии являются компонентом биосферы, наиболее сравнимым с тепловым двигателем на электростанции; метаболические процессы растений и животные, которые едят растения и друг друга, чтобы получить доступ к запасенной в растениях энергии, больше похожи на электрические приборы, которые используют работу, извлекаемую электростанцией, с очень небольшим изменением температуры.

3. Денатурация белков в грубой форме$50{\rm C}$

Для любого животноводческого процесса, который можно рассматривать как тепловую машину, максимальная температура на входе может быть не более чем на несколько или не более чем на несколько десятков градусов по Кельвину выше температуры окружающей среды. Это связано с тем, что биологический механизм смертельно повреждается температурами, намного превышающими норму.$40{\rm C}$. Белки денатурируют и теряют свои жизненно важные функции при очень низких температурах. Таким образом, если в жизни существуют какие-либо процессы, которые можно разумно рассматривать как аналогичные тепловым двигателям, мы должны предвидеть, что их эффективность будет очень низкой, поскольку теоретическая эффективность порядка$3\%$с учетом этого лимита.

Интересное исключение из моего пункта 3 касается глубоководных обитателей вблизи гидротермальных жерл. Джон Ренни пишет:

Что касается последнего пункта, эффективность, конечно, могла бы быть 100%, если бы у животных был теплоотвод при абсолютном нуле. Важен тот факт, что существует очень ограниченная доступная разница температур, а не ограниченная температура источника. Обратите также внимание на то, что некоторые экстремофилы вполне счастливы, живя в воде, близкой к кипящей.

Итак, у нас есть существа, обитающие в$100{\rm C}$и над окружающей средой, а также возможность сбрасывать тепло в окружающее море при гораздо более низких температурах. Однако я так понимаю, что эти существа по-прежнему используют химическую энергию из того, что они могут извлечь из вулканических жерл, а не работают как тепловые машины, пользуясь перепадом температуры.

Почему КПД человеческих клеток меньше КПД двигателя Отто?

Это не. Вы сравниваете две очень разные вещи. Низкое значение эффективности от 18 до 26%, которое вы нашли для человеческого тела, — это энергия, вырабатываемая тренирующимся человеком, по сравнению с энергией, потребляемой этим человеком. Высокое значение КПД от 56 до 61% соответствует идеальному двигателю с циклом Отто. Нужно сравнивать яблоки с яблоками.

Можем ли мы вообще сравнивать живые клетки с тепловыми двигателями?

В некотором смысле нет, по той простой причине, что клетки не являются тепловыми двигателями. Однако в том смысле, что тепловой КПД представляет собой отношение полезной энергии, произведенной во время цикла, к общей энергии (полезная энергия плюс потери тепла), можно вычислить отношение полезной энергии, произведенной во время цикла сокращения/сокращения мышечной клетки, к химическому энергии, потребляемой этой клеткой при выполнении этого цикла. Эти показатели эффективности сопоставимы.

На эту тему имеется множество опубликованных работ. Например, см. Sharon Jubrias, et al., «Эффективность сопряжения сокращений первой дорсальной межкостной мышцы человека». Журнал физиологии 586.7 (2008): 1993-2002 , в котором говорится, что мышцы руки человека эффективны примерно на 68%. Также см . ответ Натаниэля на вопрос физика SE « Человек как тепловой двигатель ».

Клетки в человеческом теле должны быть достаточно эффективными, чтобы получить такое явно низкое значение эффективности от 18% до 26% во время тренировки. Человеческое тело потребляет много энергии в дополнение к мышцам ног, используемым для приведения в действие велосипеда. Определенное количество энергии необходимо только для поддержания жизни каждой клетки тела. Это включает в себя человеческий мозг, который потребляет около 20% этой энергии покоя. Повышенное потребление энергии во время тренировки требует, чтобы сердце работало быстрее, а грудная клетка учащенно дышала. Эти мышцы потребляют дополнительную энергию во время тренировки, но не вносят никакого вклада в выполняемую работу.

Теперь давайте посмотрим на автомобиль. Приведенный вами показатель эффективности от 56 до 61% относится к идеальному двигателю Отто. Такты впуска и рабочего хода в идеальном двигателе с циклом Отто представляют собой адиабатические обратимые процессы. Эти ходы далеки от идеальных в реальном двигателе Отто, что значительно снижает эффективность. Автомобиль имеет накладные расходы, как и человеческое тело. Часть энергии, производимой автомобильным двигателем, используется для выработки электроэнергии, а также для питания насосов и вентиляторов. Двигатели внутреннего сгорания теряют еще больше энергии в виде несгоревшего топлива в выхлопе, внутреннего трения и потерь в трансмиссии.

Показатель эффективности от 18% до 26% - это системная эффективность человеческого организма. Если посмотреть на системную эффективность автомобиля, то отношение энергии, используемой для ускорения автомобиля и отталкивания воздуха, к энергии, потребляемой в виде бензина, тоже очень низкое, измеряется однозначными числами при движении по городу и низкое. до подросткового возраста для вождения по шоссе на не слишком высоких скоростях.

Давайте рассчитаем КПД двигателя, используя соотношение работы и энергии бензина (при условии, что он может быть полностью преобразован в CO2 и H2O). А давайте рассчитаем клеточную (мышечную) эффективность по соотношению работы (от тренажерного зала) и энергии жира (при условии, что она может быть полностью преобразована в CO2 и H2O). Эти два КПД сопоставимы.

КПД бензинового двигателя составляет около 30%. Если включить переработку нефти, то она может быть еще ниже. КПД ячейки 18-26% - это не так уж и мало. Вопрос может заключаться в том, куда деваются остальные 82-74% энергии? Я думаю, что его можно использовать для ускорения системы кровообращения (увеличение частоты сердечных сокращений, транспортировка материалов, таких как кислород и т. д.), и он расходуется по мере того, как тепло отводится от тела. Демографический сюжет должен стать предметом изучения ученых-биоинженеров.

Первый. Двигатель Карно — идеальная тепловая машина. Это уже максимально возможная эффективность для своего рода

Второй. Эффективность требует высоких затрат на техническое обслуживание. Вам нужен конкретный материал, конкретное топливо, конкретные условия для работы и, самое главное, он может выполнять только конкретную задачу. Сделать что-то просто работающим и долговечным и повторно использовать то, что уже есть, лучше выжить в природе.