Warum ist der Wirkungsgrad menschlicher Zellen geringer als der Wirkungsgrad eines Ottomotors?

Können wir lebende Zellen überhaupt mit Wärmekraftmaschinen vergleichen?

Nein, nicht wirklich, denn das Lebewesen ist nicht nur eine Wärmekraftmaschine. Es gibt drei Hauptpunkte, die ich hier hervorheben möchte.

1. Homöostase erfordert eine konstante Energiezufuhr

Diese Aussage ist besonders wahr und offensichtlich für homöotherme Säugetiere (Mammaliaformes, abstammend von den Therapsid Synapsid Amniotes) und Vögel (Avialae / Dinosauria, abstammend von Dinosauriform Amniotes), die viel Energie verbrauchen, nur um ihre Körpertemperatur innerhalb strenger Grenzen zu halten, dh sie kompensieren den (hauptsächlich konvektiven) Wärmeverlust ihres Körpers bei Kälte und führen aktiv Wärme aus ihrem Körper bei Hitze ab. Aber ganz allgemein erfordert das Phänomen der Homöostase auch Energieaufwand; Ein lebender Organismus ist ein thermodynamisches System, das sich in hohem Maße im Ungleichgewicht befindet, und überschüssige Entropien, die durch Stoffwechselprozesse erzeugt werden, müssen ausgestoßen werden, damit dies so bleibt. Das thermodynamische Gleichgewicht wird erst erreicht, wenn das Lebewesen stirbt.

Allein aus dieser Überlegung würden wir erwarten, dass die gemessenen Wirkungsgrade, wenn der Organismus mechanische Arbeit verrichtet, erheblich geringer sind als die einer Wärmekraftmaschine.

2. Muskeltätigkeit ist keine Wärmekraftmaschine

Die Muskelaktion ist viel eher mit einem Elektromotor als mit einer Wärmekraftmaschine vergleichbar. Was ich damit meine, ist, dass ein Elektromotor im Wesentlichen Arbeit von einer Form in eine andere mit nahezu null Entropieänderung und vernachlässigbarer Temperaturänderung umwandelt; Motorproteine ​​wandeln als ATP gespeicherte Energie mit niedriger Entropie durch die Hydrolyse von ATP mit sehr geringer Temperaturänderung in den Reagenzien während ihrer Reaktion in mechanische Arbeit um. In diesem Fall wird das wahrscheinlich aussagekräftigste Maß für die Effizienz in zwei Faktoren ausgedrückt: (1) dem Verhältnis der freien Energie$\Delta G$der ATP-Hydrolysereaktion auf die Gesamtenthalpieänderung$\Delta H$der Reaktion (der Unterschied$T\,\Delta S$die Arbeit ist, die wir "aufgeben" müssen, um die überschüssige Entropie der Reaktanten relativ zu Reaktionsprodukten mit niedrigerer Entropie auszutreiben) und (2) das Verhältnis der geleisteten mechanischen Arbeit zur verfügbaren$\Delta G$.

In einer Wärmekraftmaschine entnehmen wir einem heißen Reservoir eine Wärmemenge und verringern dessen Entropie um$Q_i/T_i$dabei aber feststellen, ob wir ein kälteres Reservoir an haben$T_o<T_i$wir müssen nur "zurückgeben"$Q_o<Q_i$zum kalten Reservoir, um den Entropieabfall im heißen Reservoir auszugleichen, so dass wir Energie "behalten" können$Q_i - Q_o > 0$für die Arbeit mit. Bei biologischen Reaktionen ist der damit am ehesten vergleichbare Prozess der der Photosynthese , bei der das „Arbeitsmedium“ Licht im thermodynamischen Gleichgewicht anliegt$6000{\rm K}$wird in "gespeicherte Arbeit" in Zucker und schließlich in ATP umgewandelt, wobei überschüssige Wärme bei Umgebungstemperatur abgegeben wird$300{\rm K}$dabei. Von nun an nutzen alle Lebewesen diesen Energiespeicher mit niedriger Entropie ähnlich wie ein Elektromotor, der die in einem Kondensator gespeicherte Energie umwandelt, seien es Pflanzen, die ihn für ihren eigenen Lebensprozess nutzen, oder Pflanzenfresser, die über gefressene Pflanzen darauf zugreifen, oder Fleischfresser, die über gefressene Pflanzen darauf zugreifen Esser.

Die Pflanzen und ihre solare Energiebereitstellung sind also der Bestandteil der Biosphäre, der am ehesten mit einer Wärmekraftmaschine in einem Kraftwerk vergleichbar ist; Die pflanzlichen Stoffwechselprozesse und Tiere, die Pflanzen und sich gegenseitig fressen, um Zugang zu gespeicherter Energie in Pflanzen zu erhalten, ähneln eher den elektrischen Geräten, die die vom Kraftwerk extrahierte Arbeit mit sehr geringer Temperaturänderung nutzen.

3. Proteine ​​denaturieren ungefähr$50{\rm C}$

Für jeden tierischen Prozess, der als Wärmekraftmaschine angesehen werden könnte, kann die maximale Einlasstemperatur höchstens einige wenige oder höchstens einige zehn Grad Kelvin über der Umgebungstemperatur liegen. Dies liegt daran, dass biologische Maschinen durch Temperaturen viel höher als tödlich beschädigt werden$40{\rm C}$. Proteine ​​denaturieren und verlieren ihre lebenswichtigen Funktionen bei sehr niedrigen Temperaturen. Wenn es also irgendwelche Prozesse im Leben gibt, die man sich einigermaßen analog zu Wärmekraftmaschinen vorstellen kann, würden wir ihre Effizienz als sehr gering einschätzen, da die theoretische Effizienz in der Größenordnung von liegt$3\%$angesichts dieser Grenze.

Eine interessante Ausnahme zu meinem Punkt 3 findet sich in Tiefseelebewesen, die in der Nähe von hydrothermalen Quellen leben. John Rennie schreibt:

Zum letzten Punkt, der Wirkungsgrad könnte natürlich immer noch 100% betragen, wenn Tiere einen Kühlkörper am absoluten Nullpunkt hätten. Es ist eher die Tatsache, dass eine sehr begrenzte Temperaturdifferenz verfügbar ist, als die begrenzte Quellentemperatur. Beachten Sie auch, dass einige Extremophile ziemlich glücklich sind, in fast kochendem Wasser zu leben.

Wir haben also Kreaturen, die darin wohnen$100{\rm C}$und über Umgebungen und die Möglichkeit, Wärme bei viel niedrigeren Temperaturen in das umgebende Meer abzugeben. Meinem Verständnis nach nutzen diese Kreaturen jedoch immer noch die chemische Energie aus dem, was sie aus den Vulkanschlote extrahieren können, anstatt als Wärmekraftmaschinen zu arbeiten, die den Temperaturabfall ausnutzen.

Warum ist der Wirkungsgrad menschlicher Zellen geringer als der Wirkungsgrad eines Ottomotors?

Es ist nicht. Du vergleichst zwei sehr unterschiedliche Dinge. Der niedrige Wert von 18 bis 26 % Effizienz, den Sie für den menschlichen Körper gefunden haben, ist die Energie, die von einem trainierenden Menschen produziert wird, verglichen mit der von dieser Person verbrauchten Energie. Der hohe Wert von 56 bis 61 % Wirkungsgrad ist für einen idealen Ottomotor. Man muss Äpfel mit Äpfeln vergleichen.

Können wir lebende Zellen überhaupt mit Wärmekraftmaschinen vergleichen?

In gewissem Sinne nein, aus dem einfachen Grund, dass Zellen keine Wärmekraftmaschinen sind. In dem Sinne jedoch, dass die thermische Effizienz das Verhältnis der während eines Zyklus erzeugten nutzbaren Energie zur Gesamtenergie (nutzbare Energie plus Wärmeverluste) ist, kann man das Verhältnis der während eines Muskelzellenkontraktions- / -rückzugszyklus erzeugten nutzbaren Energie zur Chemikalie berechnen Energie, die von dieser Zelle bei der Durchführung dieses Zyklus verbraucht wird. Diese Wirkungsgrade sind vergleichbare Zahlen.

Es gibt viele Veröffentlichungen zu diesem Thema. Siehe zum Beispiel Sharon Jubrias, et al., "Contraction Coupling Efficiency of Human First Dorsal Interosseous Muscle". The Journal of Physiology 586.7 (2008): 1993-2002 , das feststellt, dass die Muskeln in einer menschlichen Hand zu etwa 68 % effizient sind. Siehe auch Nathaniels Antwort auf die physik.SE-Frage „ Der Mensch als Wärmekraftmaschine “.

Die Zellen in einem menschlichen Körper müssen ziemlich effizient sein, um diesen scheinbar niedrigen Wert von 18% bis 26% Effizienz während des Trainings zu erreichen. Zusätzlich zu den Beinmuskeln, die zum Antreiben eines Fahrrads verwendet werden, wird im menschlichen Körper viel Energie verbraucht. Eine bestimmte Menge an Energie wird benötigt, um jede Zelle im Körper am Leben zu erhalten. Dazu gehört auch das menschliche Gehirn, das etwa 20 % dieser Ruheenergie verbraucht. Der erhöhte Energieverbrauch während des Trainings erfordert, dass das Herz schneller pumpt und die Brust schneller atmet. Diese Muskeln verbrauchen während des Trainings zusätzliche Energie, tragen aber nichts zur geleisteten Arbeit bei.

Betrachten wir nun ein Auto. Die von Ihnen genannten 56 bis 61 % Wirkungsgrad beziehen sich auf einen idealen Ottomotor. Die Ansaug- und Arbeitstakte in einem idealen Ottomotor sind adiabatische reversible Prozesse. Diese Hübe sind bei einem echten Ottomotor alles andere als ideal und reduzieren den Wirkungsgrad erheblich. Ein Auto hat Gemeinkosten, genau wie der menschliche Körper. Ein Teil der von einem Automotor erzeugten Energie wird zur Stromerzeugung und zum Antrieb von Pumpen und Lüftern verwendet. Verbrennungsmotoren verlieren noch mehr Energie in Form von unverbranntem Kraftstoff im Abgas, innerer Reibung und Verlusten im Getriebe.

Der Wirkungsgrad von 18 % bis 26 % ist der Systemwirkungsgrad eines menschlichen Körpers. Betrachtet man den Systemwirkungsgrad eines Automobils, das Verhältnis der aufgewendeten Energie zum Beschleunigen des Autos und zum Verdrängen der Luft zur verbrauchten Energie in Form von Benzin, so ist auch dieser sehr gering, im Stadtverkehr im einstelligen Bereich und niedrig bis Mitte Teenager für Autobahnfahrten bei nicht übermäßiger Geschwindigkeit.

Lassen Sie uns den Motorwirkungsgrad berechnen, indem wir das Verhältnis von Arbeit und Benzinenergie verwenden (unter der Annahme, dass sie vollständig in CO2 und H2O umgewandelt werden kann). Und lassen Sie uns die Zell-(Muskel-)Effizienz durch das Verhältnis von Arbeit (von Fitnessgeräten) und Fettenergie (vorausgesetzt, sie kann vollständig in CO2 und H2O umgewandelt werden) berechnen. Diese beiden Wirkungsgrade sind vergleichbar.

Der Wirkungsgrad eines Benzinmotors liegt bei etwa 30 %. Zählt man die Ölverarbeitung dazu, kann es sogar noch niedriger sein. Zelleffizienz 18-26% ist nicht zu niedrig. Die Frage könnte sein, wohin die restlichen 82 % bis 74 % der Energie gehen? Meiner Meinung nach kann es zur Beschleunigung des Kreislaufsystems verwendet werden (Erhöhung der Herzschlagfrequenz, Transport von Material wie Sauerstoff usw.) und es wird verbraucht, wenn Wärme aus dem Körper entfernt wird. Ein demografisches Diagramm sollte ein Studienthema für Bioingenieurwissenschaftler sein.

Zuerst. Der Carnot-Motor ist die ideale Wärmekraftmaschine. Es ist bereits die höchstmögliche Effizienz für seine Art

Zweite. Effizienz erfordert hohe Wartungskosten. Sie benötigen ein bestimmtes Material, einen bestimmten Brennstoff, eine bestimmte Bedingung, um zu arbeiten, und vor allem kann es nur eine bestimmte Aufgabe erfüllen. Etwas einfach funktionieren und langlebig zu machen und das wiederzuverwenden, was es bereits gibt, ist besser, um in der Natur zu überleben