Enthalpie und Entropie. Die Wärmeenergie, die bei der

S T O F F W E C H S E L + E N E R G I E H A U S H A LT
Grundlagen des Zellstoffwechsels
Enthalpie und Entropie. Die Wärmeenergie, die bei der
Verbrennung von Glucose (s. Abb. 170.1) an die Umgebung abgegeben wird, ist gleich der Differenz des Energieinhalts (innere Enthalpie) der Ausgangsstoffe und der
Endprodukte der Reaktion. Diese Reaktionswärme wird
nur beim Verbrennen als Wärme frei (Abb. 152.1). In der
Zelle kann sie Nutzarbeit leisten. Daher nennt man sie besser Enthalpieänderung DH. Die molare Enthalpieänderung der Verbrennung von Glucose beträgt also DH =
− 2820 kJ. Das negative Vorzeichen sagt aus, dass Energie
bei der Verbrennung an die Umgebung abgegeben wird.
Beim Verbrennen von Glucose verschwindet deren hoch
geordnete räumliche Struktur und es entstehen je Glucose
zwölf kleine Moleküle (CO2, H2O) in Form von Gasen mit
geringem Ordnungsgrad. Auch das ist eine Art Energiefreisetzung. Die Entstehung von Ordnung oder von Unordnung bei einer Reaktion muss also bei genauer Betrachtung in die Energieüberlegung mit einbezogen werden. Wird Ordnung hergestellt, so ist dafür Energie aufzuwenden. Entsteht – wie bei der Verbrennung von Glucose
– Unordnung, so wird mehr Energie frei, als der im Kalorimeter gemessenen Reaktionswärme (Enthalpieänderung)
entspricht. Dem trägt man Rechnung durch Einführung
der Größe Entropie. Wie bei der Enthalpie kann man aber
keinen absoluten Wert, sondern nur eine Differenz, die
Entropieänderung DS angeben. Beim Glucose-Abbau
treibt die Zunahme der Entropie die Reaktion zusätzlich
in Richtung der einfachen Moleküle. Wenn Wasser
verdunstet, gehen Moleküle in die ungeordnete Gasphase
über; die Entropie nimmt zu. Daher läuft die Reaktion ab,
obwohl die Auflösung der Molekülverbände des flüssigen
Wassers Wärmeenergie benötigt.Verdunstung von Wasser
führt daher zur Abkühlung (»Verdunstungskälte«).
– +
elektrische Zündung
Rührer
Thermometer
Isolierung
Wasser
Brennkammer
mit Sauerstoff gefüllt
(unter Überdruck)
Bombe
Gefäß mit Probe
(organischer Stoff,
dessen Energiegehalt
gemessen wird)
Abb. 152.1: Schema eines Kalorimeters. Die bei der Verbrennung freiwerdende Wärmemenge erwärmt das umgebende
Wasser. Eine Temperaturerhöhung um 1 °C je Liter Wasser
entspricht 4,19 kJ (= 1 kcal).
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Den Energiebetrag, den eine bestimmte Glucosemenge
maximal zur Verrichtung von Arbeit zur Verfügung stellen könnte, bezeichnet man als maximale Nutzarbeit.
Dieser Wert kann unter tatsächlichen Bedingungen nicht
erreicht werden, da stets Wärmeverluste auftreten. Die
Enthalpieänderung DH einer Reaktion ist zusammengesetzt aus der maximalen Nutzarbeit DG und der temperaturabhängigen Entropieänderung:
DH = DG + TDS
oder: DG = DH – TDS
Beim Glucoseabbau ist DH negativ (Freisetzung von
Energie, bei vollständigem Abbau von 1 Mol: –2820 kJ)
und DS positiv (Zunahme der Entropie, TDS bei Zimmertemperatur + 55 kJ). Daher ist DG negativer als DH
(− 2875 kJ), der Betrag der maximalen Nutzarbeit ist
infolge der Entropiezunahme höher als der DH-Wert.
Wenn Zellen Arbeit verrichten, z. B. sich bewegen oder
Stoffe umsetzen, kann Wärmeenergie nicht genutzt werden. Wärmeenergie kann nur dann Arbeit verrichten,
wenn ein Temperatur- und Druckgefälle besteht. Dies
zeigen die Wärmekraftmaschinen (Dampfmaschine), bei
denen ein Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit
umgewandelt wird.
Bei Reaktionen, die unter Energiefreisetzung ablaufen,
erhält DG ein negatives Vorzeichen, weil die Energie vom
System abgegeben wird. Man nennt solche Reaktionen
exergonische Reaktionen. Diese laufen »freiwillig« ab. Umsetzungen, die der Energiezufuhr bedürfen, nennt man
endergonisch; ihr DG-Wert ist positiv. Ist die Entropieänderung DS positiv, so nimmt die Unordnung zu, ist DS
negativ, so nimmt der Ordnungsgrad zu. Bringt man zwei
Körper verschiedener Temperatur zusammen, so erfolgt
ein Temperaturausgleich. Dieser Vorgang ist nicht umkehrbar (irreversibel), d. h. Wärme geht nicht von selbst
von einem kälteren auf einen wärmeren Körper über, obwohl dies nach dem Energieerhaltungssatz möglich wäre.
Ebenso sind Diffusionsvorgänge irreversibel. Auch der
Nichtumkehrbarkeit dieser Reaktionen trägt die Entropiegröße Rechnung; sie nimmt bei irreversiblen Reaktionen zu.
Im Organismus kommt es durch die Stoffwechselreaktionen nicht zu einer Zunahme der Entropie, sondern es
wird die Ordnung, z. B. der Zellen, aufrechterhalten.
Wenn ein Lebewesen durch Vermehrung der Zahl der
Zellen (mit geordneten Strukturen) wächst, wird die
Ordnung sogar vermehrt. Die Lebewesen nutzen aber die
Energie des Sonnenlichts oder der organischen Nahrung,
überführen sie letztlich in die qualitativ »schlechtere«
Energieform der Wärme (mit höherer Entropie) und
geben sie ab. Lebewesen bauen ihre Ordnung auf, indem
sie die Entropie in ihrer Umgebung vermehren. ■