Являются ли ферменты вечными двигателями второго рода?

[Мансур Фазлуллин]

В 31.05.2025 в 20:06, Максим0 сказал:

В 31.05.2025 в 19:41, Мансур Фазлуллин сказал:

И как Вы понимаете эту фразу?

"Область термодинамики ограничена в отношении размеров исследуемых тел. Они должны быть достаточно велики, чтобы было обеспечено выравнивание случайных событий микромира. ... Поэтому к таким крупицам вещества не применимы и законы термодинамики (вытекающие из второго начала)."

Я же вам уже ответил! Могу повторить:

Термодинамика опирается на статистику. Чем меньше статистики - тем больше дисперсия. Статистику можно набирать не только за счёт количества наблюдаемых объектов, но и за счёт длительности наблюдения.

У моего ответа есть полнота и нет избыточности. Что вы ещё хотите?

Рассмотрим следующую задачу.

На дне пробирки находится пыльца (1 единица). Её нужно достать. Разбивать, наклонять, переворачивать пробирку нельзя. Длина пробирки 10 см. Для того чтобы достать пыльцу из пробирки есть пипетка, но с помощью пипетки можно достать пыльцу из пробирки, только с глубины не более 5 см.

В пробирку можно наливать воду, но делать это нужно аккуратно, чтобы не произошло перемешивание.

Указанные ограничения - это условия задачи. С чем они связаны не принципиально.

(Для интереса можно порассуждать. Например, за положением пыльцы нужно следить с помощью микроскопа. Пока пыльца совершает броуновские движения - следить можно, но стоит хоть немного задеть пробирку и вызвать перемешивание среды, то пыльца совершает резкое движение и теряется. То же и с пипеткой. Если взять обычную пипетку нужной длины, то можно вызвать перемешивание среды и потерю пыльцы. Поэтому приходится использовать какую-то специальную пипетку.)

Следим за пыльцой с помощью микроскопа и при этом аккуратно заполняем пробирку водой.

Когда пыльца достигнет отметки 5 см. Забираем её с помощью нашей пипетки.

Что показывает данная задача. Что для малых объектов, за счёт случайных событий возможно совершение полезной работы за счёт тепловой энергии, с формальным нарушением второго начала. Но эту полезную работу необходимо суметь зафиксировать иначе за счёт тех же случайных событий она может пропасть.

Например, в описанном примере когда пыльца достигла отметки 5 см вместо того чтобы достать пыльцу с помощью пипетки, мы могли продолжить наблюдения. Но в этом случае пыльца могла опуститься вниз и когда бы она в следующий раз оказалась на нужной отметке неизвестно. Возможно через 5 минут, возможно через год. Это зависит от случайных событий которые мы не можем предсказать.

Так что с точки зрения стороннего наблюдателя Ваш ответ обладает полнотой и в нём нет избыточности.

Но с точки зрения человека которому нужно достать пыльцу Ваш ответ бесполезен.

[Мансур Фазлуллин]

В 31.05.2025 в 20:11, Loiso Pondohva сказал:

В 29.05.2025 в 23:12, Мансур Фазлуллин сказал:

. Почему Вы считаете, что транспортировка субстрата к ферменту за счёт диффузии это не полезная работа? Если Вы доставили груз из точки А в точку В - разве Вы не совершили полезную работу?

Выучите физическое и термодинамическое определение работы...Если я просто доставил груз из точки а в точку б - это не работа. Работой это станет, только если я прикладывал какую-то силу. То есть или двигался с ускорением, или против некоторого поля (гравитационного или электрического). Простое пропадание материальной точки в одном месте и возникновение её в другой - не полезная работа. 

В термодинамике работа также определяется как направленное перемещение против силы, например, перемещение заряда против электрического поля или массы против градиента давления.
Ну или как действие обмена энергией между термодинамической системой и окружающей средой, не связанное с переносом вещества и/или теплообменом
Диффузия же - это спонтанный процесс, движимый градиентом концентрации, и не требует внешнего ввода энергии. Следовательно, диффузия не считается работой в термодинамическом смысле.
Также как диффузия водорода, к пресловутому платиновому катализатору. 
Причём как правильно заметил Максим, на уровне пары молекул, они вполне могут начать двигаться против градиента или видимо нарушать второй закон, просто из-за маленькой области вероятностей. 
(Чтобы понять это, можете глянуть аналогию из этого видео, с 11:39)
https://rutube.ru/video/92fd51724f8f9411d333fc97f75ac4a0/

Такое чувство, что у нас были разные учебники по физики.

Если бы субстрат к ферменту двигался прямолинейно и равномерно я бы с Вами согласился, что просто перемещение это не работа.

Но субстрат двигается к ферменту постоянно сталкиваясь с другими молекулами и после каждого столкновения у него появляется ускорение и меняется траектория, а значит в соответствии со вторым законом Ньютона на него действует сила.

F (с вектором) = m*a (с вектором).

Механическая работа - физическая величина, равная произведению силы, действующей на тело, и перемещение тела вдоль направления этой силы.

A = F*s, 

где s - пройденный путь.

Для простоты понимания можно привести следующую аналогию.

Во время игры в футбол, футболисты бьют по мячу. При каждом ударе они прикладывают к мячу силу, которая приводит к его ускорению и изменению направления движения. 

Более того даже если мяч попадёт в штангу на него тоже будет действовать сила, которая приведёт к его ускорению и смене направления.

Допустим в штангу мяч летит со скоростью 50 км/ч. После попадания в штангу сначала он резко замедлится, скорость движения мяча станет равна 0, а его кинетическая энергия преобразуется в энергию сжатия газа внутри него. В этот момент давление внутри мяча повысится.

Затем газ внутри мяча расширится, что приведёт к ускорению мяча и его движению в обратном направлении.

Если этот момент Вам не совсем понятен представьте себе, что мяч находится в состоянии покоя, а Вы ударили по нему штангой со скоростью 50 км/ч. С точки зрения физики нет разницы либо штанга находится в состоянии покоя и в неё влетает мяч, либо мяч находится в состоянии покоя, а в него влетает штанга.

Видео которое Вы мне скинули показалось мне знакомым, по-моему я его уже смотрел.

 

 

 

[Максим0]

В 01.06.2025 в 04:01, Loiso Pondohva сказал:

О кстати. Я вспомнил ещё один прикол. Тесно связанный как с Демоном Максвелла так и с Perpetuum Mobile
Помню мы ещё в школе разбирали потенциальную конструкцию двигателя, который мог бы извлекать энергию из знания о положении и скорости частиц газа (нужно восстановить в голове всю схему как это могло бы работать)
Облом заключался в теории информации и взаимосвязи информации с энтропией)
И то что получение и хранение информации (нами или демоном Максвелла) априори будет затрачивать больше энергии, чем мы получим из этой манпуляции
Воскресить бы это в голове, я помню что там было крайне стройное и красивое рассуждение на данную тему...

Известная штука. С этой стороны есть подкопы - вычислять на кубитах и из результата вычисления копировать только 1 кубит, после чего возвращать потраченную на вычисление энергию проведя вычисление по обратному алгоритму.

Но даже если это получится сделать, мощность полученного устройства будет меньше мной предложенного, а масса, размеры, сложность и стоимость гораздо больше!

Касательно предложенного мной мазера ещё есть одна находка - применять в качестве рабочего тела не ¹⁴N¹H₃, а ¹⁵N¹H₃ - что увеличит выходную мощность и чуток снизит рабочую частоту.

[Максим0]

В 01.06.2025 в 10:22, Мансур Фазлуллин сказал:

Рассмотрим следующую задачу.

На дне пробирки находится пыльца (1 единица). Её нужно достать. Разбивать, наклонять, переворачивать пробирку нельзя. Длина пробирки 10 см. Для того чтобы достать пыльцу из пробирки есть пипетка, но с помощью пипетки можно достать пыльцу из пробирки, только с глубины не более 5 см.

В пробирку можно наливать воду, но делать это нужно аккуратно, чтобы не произошло перемешивание.

Указанные ограничения - это условия задачи. С чем они связаны не принципиально.

(Для интереса можно порассуждать. Например, за положением пыльцы нужно следить с помощью микроскопа. Пока пыльца совершает броуновские движения - следить можно, но стоит хоть немного задеть пробирку и вызвать перемешивание среды, то пыльца совершает резкое движение и теряется. То же и с пипеткой. Если взять обычную пипетку нужной длины, то можно вызвать перемешивание среды и потерю пыльцы. Поэтому приходится использовать какую-то специальную пипетку.)

Следим за пыльцой с помощью микроскопа и при этом аккуратно заполняем пробирку водой.

Когда пыльца достигнет отметки 5 см. Забираем её с помощью нашей пипетки.

Что показывает данная задача. Что для малых объектов, за счёт случайных событий возможно совершение полезной работы за счёт тепловой энергии, с формальным нарушением второго начала. Но эту полезную работу необходимо суметь зафиксировать иначе за счёт тех же случайных событий она может пропасть.

Например, в описанном примере когда пыльца достигла отметки 5 см вместо того чтобы достать пыльцу с помощью пипетки, мы могли продолжить наблюдения. Но в этом случае пыльца могла опуститься вниз и когда бы она в следующий раз оказалась на нужной отметке неизвестно. Возможно через 5 минут, возможно через год. Это зависит от случайных событий которые мы не можем предсказать.

Так что с точки зрения стороннего наблюдателя Ваш ответ обладает полнотой и в нём нет избыточности.

Но с точки зрения человека которому нужно достать пыльцу Ваш ответ бесполезен.

Усовершенствую ваш опыт:

Вместо воды наливаем ртуть, в итоге сила Архимеда преобладает над броуновским движением и пыльца плавает на поверхности ртути. Все остальные размышления копируем с ваших. Пыльцу подняло? - Подняло. Чем не вечный двигатель?

[Мансур Фазлуллин]

В 01.06.2025 в 12:03, Максим0 сказал:

Усовершенствую ваш опыт:

Вместо воды наливаем ртуть, в итоге сила Архимеда преобладает над броуновским движением и пыльца плавает на поверхности ртути. Все остальные размышления копируем с ваших. Пыльцу подняло? - Подняло. Чем не вечный двигатель?

Формулировка Томсона-Кельвина второго начала термодинамики:

Невозможно превратить в работу теплоту какого-либо тела, не произведя никакого другого действия, кроме охлаждения этого тела.

А теперь объясните как предложенная Вами модель с ртутью противоречит этой формулировке?

[Максим0]

В 01.06.2025 в 14:59, Мансур Фазлуллин сказал:

Формулировка Томсона-Кельвина второго начала термодинамики:

Невозможно превратить в работу теплоту какого-либо тела, не произведя никакого другого действия, кроме охлаждения этого тела.

А теперь объясните как предложенная Вами модель с ртутью противоречит этой формулировке?

Ну как же, пыльцу ведь подняло? Подняло. А на все другие действия, по аналогии с водной моделью, мы положим болт и объявим это "вечным двигателем второго рода"! Или я неправильно применил ваш метод?

[Loiso Pondohva]

В 01.06.2025 в 08:57, Мансур Фазлуллин сказал:

Если бы субстрат к ферменту двигался прямолинейно и равномерно я бы с Вами согласился, что просто перемещение это не работа.

Но субстрат двигается к ферменту постоянно сталкиваясь с другими молекулами и после каждого столкновения у него появляется ускорение и меняется траектория, а значит в соответствии со вторым законом Ньютона на него действует сила.

Хорошо. Но как именно вы извлекли энергию из диффузии? Как я и сказал, фермент всё ещё не совершает НИКАКОЙ работы. Вот буквально, он рассеивает энергию, а не упаковывает. Как я сказал, смотреть энергию Гиббса химической реакции.

 

Диффузия к ферменту (со всеми вашими столкновениями и ускорениями) всё еще не отличается от диффузии к любой другой точке X,Y,Z в пространстве. 

Вы же представляете будто фермент, это некоторая "тепловая трещотка" (уж простите, не помню русского термина). Это не так. 

Плюс как мы указали с Максимом (и как вы могли понять из видео) 2 ЗТ неприменим к отдельным частицам. Нужен статистический эффект. Конечно для одного двух атомов вы спокойно "нарушите" 2ЗТ. И даже нагревать горячее холодным можно, как я уже сказал, если это система из 4-10 частиц и пары "квантов" теплоты.
Более того, в двух брусках чья температура уже уравновесилась, постоянно один холодный атом, нет-нет, а нагреет горячий.
 

В 01.06.2025 в 07:22, Мансур Фазлуллин сказал:

следить с помощью микроскопа

А тут мы на территории демонов Максвелла. Снова. 
Демон Максвелла ведь не невозможен как устройство. Его более чем легко создать, и без микроскопа с наблюдателем, а намного более выгодно.
Тем не менее.
Информация связывается с физической энтропией через принцип Больцмана: S=k(B)lnΩ где Ω - число микросостояний системы. ΔS=kBln(2)*I Где ln2⋅I характеризует физическую стоимость информации (1 бит <-> k(B) ln2 Дж/К Что это значит на практике. Что Стирание 1 бита информации, к примеру требует минимум(!) k(B)TLn(2) РАБОТЫ
Нужно вспомнить другие формулы, но в общем-то определение вектора частицы, и хранение этой информации - это тоже энергозатраты и рассеивание энергии, для уменьшения локальной энтропии (в данном случае локально в мозге наблюдающего)

Изменено 1 Июня, 2025 в 12:13 пользователем Loiso Pondohva

[Мансур Фазлуллин]

В 01.06.2025 в 14:29, Максим0 сказал:

Ну как же, пыльцу ведь подняло? Подняло. А на все другие действия, по аналогии с водной моделью, мы положим болт и объявим это "вечным двигателем второго рода"! Или я неправильно применил ваш метод?

Давайте возьмём не пыльцу, а пылинку из какого-нибудь материала у которого плотность выше чем плотность воды, например в два раза. При этом объём на дне которая занимала наша пылинка стала занимать капелька воды того же объёма. Т.е. наша пылинка поменялась местами с капелькой воды такого же объёма. Поднявшись со дна на высоту Δh потенциальная энергия нашей пылинки увеличилась на величину Еп = mgΔh. Потенциальная энергия капельки занявшей место пылинки уменьшился, на величину Еп(воды) = mgΔh/2, т.к плотность воды в два раза меньше. 

Итого за счёт подъёма пылинки потенциальная энергия среды в пробирке увеличилась на величину Еп=mgΔh, а за счёт опускания капельки на место пылинки на дне энергия среды в пробирке уменьшилась на Еп=mgΔh/2.

Таким образом, за счёт того что пылинка на дне поменялась местами с капелькой потенциальная энергия среды в пробирке увеличилась на mgΔh/2. Есть закон сохранения энергии, если где-то что-то прибыло, значит где-то что-то убыло. Увеличение потенциальной энергии среды произошло за счёт уменьшения кинетической энергии молекул воды, которые подняли пылинку со дна. Если проводить этот опыт в термосе (исключить теплообмен с окружающей средой), то можно зафиксировать снижение температуры. Да оно будет незначительным, т.к. масса пылинки не большая. Но его можно рассчитать и экспериментально проверить.

А теперь если проводить опыт со ртутью в термосе удастся ли зафиксировать снижение температуры и за счёт чего?

 

 

[Мансур Фазлуллин]

В 01.06.2025 в 14:54, Loiso Pondohva сказал:

Хорошо. Но как именно вы извлекли энергию из диффузии? Как я и сказал, фермент всё ещё не совершает НИКАКОЙ работы. Вот буквально, он рассеивает энергию, а не упаковывает. Как я сказал, смотреть энергию Гиббса химической реакции.

 

Диффузия к ферменту (со всеми вашими столкновениями и ускорениями) всё еще не отличается от диффузии к любой другой точке X,Y,Z в пространстве. 

Вы же представляете будто фермент, это некоторая "тепловая трещотка" (уж простите, не помню русского термина). Это не так. 

Плюс как мы указали с Максимом (и как вы могли понять из видео) 2 ЗТ неприменим к отдельным частицам. Нужен статистический эффект. Конечно для одного двух атомов вы спокойно "нарушите" 2ЗТ. И даже нагревать горячее холодным можно, как я уже сказал, если это система из 4-10 частиц и пары "квантов" теплоты.
Более того, в двух брусках чья температура уже уравновесилась, постоянно один холодный атом, нет-нет, а нагреет горячий.
 

А тут мы на территории демонов Максвелла. Снова. 
Демон Максвелла ведь не невозможен как устройство. Его более чем легко создать, и без микроскопа с наблюдателем, а намного более выгодно.
Тем не менее.
Информация связывается с физической энтропией через принцип Больцмана: S=k(B)lnΩ где Ω - число микросостояний системы. ΔS=kBln(2)*I Где ln2⋅I характеризует физическую стоимость информации (1 бит <-> k(B) ln2 Дж/К Что это значит на практике. Что Стирание 1 бита информации, к примеру требует минимум(!) k(B)TLn(2) РАБОТЫ
Нужно вспомнить другие формулы, но в общем-то определение вектора частицы, и хранение этой информации - это тоже энергозатраты и рассеивание энергии, для уменьшения локальной энтропии (в данном случае локально в мозге наблюдающего)

1. Вы написали, что катализаторы не совершают работу в термодинамическом смысле. Они лишь ускоряют реакции которым всё равно суждено произойти из-за того, что энергия катализируемых реакций ΔG < 0. 

А можно ли рассматривать ускорение реакций катализаторами как полезную работу в практическом смысле?

Поясню свой вопрос примером. Сейчас для того чтобы получать топливо приходится перерабатывать тяжёлые нефти и нефтяные остатки. Да хоть молекулам гудрона и суждено стать молекулами той же дизельной фракции, т.к. ΔG < 0. Но всё равно вместо того чтобы ждать несколько миллионов лет когда это произойдёт строят различные установки, где ради того чтобы ускорить процесс "которому всё равно предрешено произойти" приходится создавать температуру под 500 градусов и давление около 200 атмосфер. 

 

2. Демон Максвелла следит за молекулами. Масса молекулы воды - 3*10^(-23) г.

Масса пыльцы отдельных растений может достигать 80 мг. Даже если принять массу пыльцы 10 мг, то масса пыльцы превышает массу молекул более чем на 20 порядков. 

Масса человека больше массы пыльцы где-то на 7 порядков.

Так что пыльца гораздо ближе к нам чем к владениям демона Максвелла, и на мой взгляд, распространять выводы сделанные для демона Максвелла на пыльцу не корректно.

Примером эксперимента с пыльцой и микроскопом я хотел наглядно продемонстрировать, что в результате взаимодействия микрочастиц в следствии случайных событий может возникать полезная работа, а значит потенциально её можно зафиксировать. Если помните я выдвигал предположение, что ферменты способны это делать. И предлагал даже метод как экспериментально это проверить с помощью компьютерного моделирования.

Я подумал указанный эксперимент можно провести и без моделирования. Для этого потребуется верхняя часть пластикового стаканчика (тор), два маленьких магнитика, гвоздик, нитка, два металлических колечка.

Кладём тор на стол. К положению на 12 и 6 часов крепим магнитики. В положение на 3 часа (справа) крепим гвоздик по направлению к 6 часам, но до левой части должен оставаться зазор, чтобы при сжиманиях гвоздик не касался левой стороны. К гвоздику прикрепляем нитку с металлическими колечками на концах. Длину нитки подбираем так, чтобы если наш тор резко водить из стороны в сторону, колечки не примагничивались. Если нитка будет слишком длинной и при резких движениях тора колечки примагнитятся,  то это будет косвенно подтверждать, что броуновские движения фермента способствуют химической реакции, а это не совсем, то что нам нужно.

Сделали модель фермента. В этой модели тор - это сам фермент без активных центров. Магнитики - это активные центры фермента. Гвоздик с ниткой и колечками это субстрат. Для наглядности нитку можно подрезать, что бы при напряжении она рвалась.

Проверили что при резких движениях без деформации тора колечки не цепляются к магнитикам.

Затем начинаем резко двигать тор,  сжимая его, имитируя удары молекул которые деформируют фермент.

Сначала сжимаем в положении на 3 и 9 часов. При этом когда мы сжимаем расстояние между магнитиками и колечками увеличиваются, поэтому ничего не происходит.

Затем сжимаем в положение на 12 и 6 часов. При таких сжиманиях расстояние между колечками и магнитиками уменьшаются. Колечки примагничиваются и при разжимании тора нитка рвётся. Тем самым имитируя химическую реакцию.

Как Вы считаете данный эксперимент подтверждает, что ферменты способны использовать определённые удары молекул среды для ускорения химической реакции? 

 

 

 

[yatcheh]

В 01.06.2025 в 19:32, Мансур Фазлуллин сказал:

А можно ли рассматривать ускорение реакций катализаторами как полезную работу в практическом смысле?

 

В практическом смысле - можно. Катализатор - это машина времени, которая переносит нас в будующее, где всё уже сделано...

Изменено 1 Июня, 2025 в 17:35 пользователем yatcheh