Siempre he pensado (no sé por qué!) que la eficiencia de los humanos (y animales y plantas) de las células debe ser igual a, o cerca de la eficiencia de un motor de Carnot o, al menos, debería ser la más alta eficiencia de entre todas las prácticas de los motores. Pero me pregunté cuando vi las respuestas dadas a esta pregunta. Se está hablando de una eficiencia de $18-26\%$. Pero se puede ver aquí que la eficiencia de un motor Otto es de entre $56\%$$61\%$. ¿Hay alguna explicación para esto? Que el ciclo de hacer que las células humanas? Podemos comparar las células vivas con el calor de los motores?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Podemos comparar las células vivas con el calor de los motores?
No, realmente no, porque el ser vivo no es sólo un motor de calor. Hay tres puntos principales que quiero hacer aquí.
1. La Homeostasis Requiere De Un Aporte De Energía
Esta afirmación es especialmente cierto y evidente de los homeotermos Mamíferos (Mammaliaformes, los descendientes de las Therapsid Synapsid Amniotas), y las Aves (Avialae / Dinosauria, descendiente de Dinosauriform Amniotas), que utilizan una gran cantidad de energía simplemente mantener su temperatura corporal dentro de los límites estrictos, es decir, compensar (principalmente por convección) la pérdida de calor de su cuerpo en condiciones de frío y activamente expulsando el calor de sus cuerpos en condiciones de calor. Pero, más en general, el fenómeno de la homeostasis también requiere que el gasto de energía; un organismo vivo es un sistema altamente no-equilibrio termodinámico del sistema, y el exceso de entropías producida por los procesos metabólicos debe ser expulsado a mantenerlo de esa manera. Equilibrio termodinámico sólo se alcanza cuando el ser viviente muere.
A partir de esta consideración por sí sola, sería de esperar que las eficiencias de medición cuando el organismo hace que el trabajo mecánico a ser considerablemente menor que el de un motor de calor.
2. La Acción Muscular No es un Motor de Calor
La acción Muscular es mucho más comparable a un motor eléctrico de un motor de calor. Lo que quiero decir con esto es un motor eléctrico convierte esencialmente en el trabajo de una forma a otra con cerca de cero entropía cambio y despreciable cambio de temperatura; las proteínas motoras convertir de baja entropía de la energía almacenada en forma de ATP para el trabajo mecánico, a través de la hidrólisis de ATP con muy poco cambio de la temperatura de los reactivos como reaccionan. En este caso, la mayoría de medida significativa de la eficiencia probablemente se expresa en dos factores: (1) la relación de la energía libre de $\Delta G$ de la ATP de la reacción de hidrólisis para el total de la variación de entalpía $\Delta H$ de la reacción (la diferencia de $T\,\Delta S$ ser el trabajo que tienen que "dar" a expulsar el exceso de entropía de los reactivos en relación a disminuir la entropía de los productos de reacción) y (2) la relación del trabajo mecánico hecho de la $\Delta G$.
En un motor de calor, tomamos una cantidad de calor de una reserva caliente, reduciendo el último de la entropía por $Q_i/T_i$ en el proceso, pero parece que, si tenemos un frío depósito en $T_o<T_i$ sólo tenemos que "dar la espalda" $Q_o<Q_i$ a la reserva fría para compensar la caída de la entropía en la reserva caliente, así que nos ponemos a "mantener" la energía $Q_i - Q_o > 0$ para hacer el trabajo. En las reacciones biológicas, la mayoría de los comparables proceso a esto es que de la fotosíntesis, donde el "fluido de trabajo" de la luz en equilibrio termodinámico en $6000{\rm K}$ es convertido a "trabajo almacenado" en azúcares y, en última instancia, de la ATP, descargando el exceso de calor a temperatura ambiente $300{\rm K}$ en el proceso. A partir de entonces, todos los seres vivos utilizan esta de baja entropía de almacenamiento de energía como para un motor eléctrico de convertir la energía almacenada en un condensador, ya sea en plantas que utilizan para su propio proceso de la vida, o herbívoros acceder a él a través comen plantas o carnívoros acceder a él a través comido se alimentan de plantas.
Por lo que las plantas y su energía solar de fijación son el componente de la biosfera más comparable a un motor de calor en una estación de energía; la planta de procesos metabólicos y de los animales que comen plantas y otros para obtener acceso a la energía almacenada en las plantas son más como los aparatos eléctricos que utilizan el trabajo extraído por la planta de energía, con muy poco cambio de temperatura.
3. Las proteínas Desnaturalizadas en Aproximadamente el $50{\rm C}$
Para cualquier animal, proceso que puede ser considerado como un motor de calor, la máxima temperatura de entrada puede ser en la mayoría de los unos o unas pocas decenas de grados kelvin por encima de la ambiental. Esto es porque la maquinaria biológica es fatalmente dañado por las temperaturas mucho más altas que $40{\rm C}$. Proteínas se desnaturalizan y pierden sus vitales funciones de la vida a temperaturas muy bajas. Así que si hay algún proceso en la vida que pueden considerarse como razonablemente análoga a la de motores de calor, se podrían prever su eficiencia es muy baja, ya que la eficiencia teórica es del orden de $3\%$ dado este límite.
Una excepción interesante a mi punto 3 en el mar profundo de la vida que viven cerca de los respiraderos hidrotermales. John Rennie escribe:
Volver al último punto, la eficiencia podría, por supuesto, todavía se 100% si los animales tenían un disipador de calor en el cero absoluto. Es el hecho de que hay muy poca diferencia de temperatura disponibles que importa, en lugar de la fuente limitada de la temperatura. Tenga en cuenta también que algunos extremófilos son muy felices viviendo en cerca de agua hirviendo.
así que tenemos criaturas que moran en $100{\rm C}$ y más de los ambientes y la oportunidad para el volcado de calor en el mar que la rodea a temperaturas mucho más bajas. Sin embargo, a mi entender es que estas criaturas todavía utilizan la energía química a partir de lo que se puede extraer de los respiraderos volcánicos, en lugar de trabajar como motores de calor aprovechando el descenso de la temperatura.
accipehoc
Puntos
8
¿Por qué es la eficiencia de las células humanas menor que la eficiencia de un motor Otto?
No. Se están comparando dos cosas muy diferentes. El bajo valor de 18 a 26% de eficiencia que se encontró para el cuerpo humano es la energía producida por el ejercicio de un humano en comparación con la energía consumida por esa persona. El alto valor de 56 a 61% de eficiencia es ideal en el motor de ciclo Otto. Hay que comparar manzanas con manzanas.
Podemos comparar las células vivas con el calor de los motores?
En un sentido, no, por la sencilla razón de que las células no son para calentar motores. Sin embargo, en el sentido de que la eficiencia térmica es la relación entre la energía útil producida durante un ciclo total de energía (energía utilizable además de las pérdidas de calor), uno puede calcular la proporción de energía útil producida durante una célula de músculo de contracción o retracción, el ciclo de la energía química consumida por que la celda en la realización de ese ciclo. Estas eficiencias son comparables números.
Hay un montón de artículos publicados sobre este tema. Por ejemplo, ver a Sharon Jubrias, et al., "La contracción de la eficiencia de acoplamiento de humanos primer interóseo dorsal del músculo." El Diario de Fisiología 586.7 (2008): 1993-2002, el cual busca que los músculos de la mano humana son el 68% de eficiencia. También ver a Nathaniel respuesta a la física.SE pregunta "Humano como un motor de calor".
Las células en un cuerpo humano necesita para ser muy eficiente para obtener los que, al parecer de bajo valor de 18% a 26% de eficiencia, mientras se hace ejercicio. Hay una gran cantidad de consumo de energía que ocurren en el cuerpo humano, además de los músculos de la pierna utilizada para alimentar una bicicleta. Una cierta cantidad si la energía es necesaria para mantener a cada célula en el cuerpo vivo. Esto incluye el cerebro humano, que consume alrededor del 20% de este energético en reposo. El elevado consumo de energía, mientras que el ejercicio requiere que el corazón bombee más rápido, su pecho y su respiración más rápida. Los músculos están consumiendo más energía mientras hace ejercicio, pero son las que contribuyen en nada el trabajo que se realiza.
Ahora echemos un vistazo a un automóvil. El 56% y el 61% de la eficiencia de la figura que se cita para un ideal de Otto motor. El consumo y la potencia de los trazos en un ideal de ciclo Otto motor adiabático reversible procesos. Los trazos son menos que ideales en un verdadero Otto motor de la reducción de la eficiencia considerablemente. Un automóvil tiene costos fijos, como el cuerpo humano. Parte de la energía producida por un motor de automóvil es utilizado para generar electricidad y a la alimentación de las bombas y los ventiladores. Motores de combustión interna de perder aún más energía en forma de combustible sin quemar en el escape, la fricción interna, y las pérdidas en la transmisión.
El 18% a 26% de eficiencia figura es la eficiencia del sistema del cuerpo humano. Cuando uno mira a la eficiencia del sistema de un automóvil, la proporción de la energía que se utiliza para acelerar el coche y empujar a un lado de aire a la energía consumida en forma de gasolina, también es muy baja en los dos dígitos para la ciudad de conducción y bajo a mediados de los adolescentes para conducir en la autopista de la no-velocidades excesivas.
Armend Veseli
Puntos
50
Vamos a calcular la eficiencia del motor mediante el uso de la relación de trabajo y de la gasolina de energía (suponiendo que puede ser completamente convertido a CO2 y H2O). Y vamos a calcular la célula muscular) de la eficiencia por la relación de trabajo (equipos de gimnasio) y la grasa de la energía (suponiendo que se pueda completar convertido a CO2 y H2O). Estos dos de la eficiencia son comparables.
Un motor de gasolina de eficiencia es de aproximadamente 30%. Si el tratamiento de petróleo incluido, que puede ser incluso inferior. Eficacia de la célula 18-26% no es demasiado bajo. La pregunta podría ser: ¿de dónde viene el resto del 82% -74% de energía? Mi pensamiento se puede utilizar para acelerar el sistema de circulación (aumento de latidos del corazón de la frecuencia, el transporte de material, como el oxígeno, etc) y es utilizado como el calor es eliminado del cuerpo. Un grupo demográfico de la parcela debe ser un tema de estudio para la bio ingeniería científicos.
Thaina
Puntos
331
En primer lugar. Carnot motor es el ideal de calor del motor. Ya es la más alta eficiencia posible para su tipo
Segundo. La eficiencia de la necesidad de el alto coste de mantenimiento. Usted necesita material específico, específico de combustible, la condición específica a trabajar y lo más importante es que pueda hacer sólo tarea específica. Para hacer algo de trabajo y duradero y reutilizar lo que ya existe es mejor para sobrevivir en la naturaleza
