elgavrilis's blog

Έχουμε συνηθίσει να πιστεύουμε ότι τα υγρά δεν έχουν δικό τους σχήμα. Αυτό δεν είναι αλήθεια.

Το φυσικό σχήμα οποιουδήποτε υγρού είναι αυτό της σφαίρας. Κατά κανόνα, η βαρύτητα εμποδίζει τα υγρά να πάρουν αυτό το σχήμα. Ένα υγρό είτε απλώνεται σε ένα λεπτό στρώμα αν χυθεί έξω από ένα δοχείο, είτε παίρνει το σχήμα του δοχείου. Αλλά όταν περικλείεται σε ένα άλλο υγρό του ίδιου ειδικού βάρους, σύμφωνα με την αρχή του Αρχιμήδη, «χάνει» το βάρος του, φαίνεται δηλαδή σαν να μην ζυγίζει τίποτα. Τώρα η βαρύτητα δεν έχει καμία επίδραση σε αυτό και παίρνει το φυσικό του σφαιρικό σχήμα.

Εφόσον το ελαιόλαδο επιπλέει στο νερό αλλά βυθίζεται στο αλκοόλ, μπορούμε να αναμίξουμε τα δύο σε τέτοιες αναλογίες ώστε το λάδι ούτε να βυθιστεί ούτε να επιπλεύσει σε αυτό το μείγμα. Κάτι περίεργο συμβαίνει όταν ρίχνουμε λίγο λάδι με τη βοήθεια ενός σταγονόμετρου. Το λάδι συλλέγεται (συγκεντρώνεται) σε μια μεγάλη στρογγυλή σταγόνα που ούτε επιπλέει ούτε βυθίζεται, αλλά αιωρείται όπως φαίνεται στην εικόνα:

Σχήμα: Μικρή ποσότητα λαδιού μέσα σε μίγμα νερού αλκοόλης. Η ποσότητα λαδιού σχηματίζει αιωρούμενη σφαιρική σταγόνα, η οποία ούτε επιπλέει ούτε βυθίζεται.

Για να έχετε μια ακριβή εικόνα της σφαίρας, θα πρέπει να κάνετε το πείραμα σε ένα δοχείο με επίπεδα τοιχώματα – ή σε ένα δοχείο οποιουδήποτε σχήματος αλλά τοποθετημένο μέσα σε ένα δοχείο με επίπεδα τοιχώματα γεμάτο με νερό.

Πρέπει να γίνει το πείραμα αυτό με υπομονή και προσοχή, γιατί διαφορετικά θα σχηματιστούν αρκετές μικρότερες σταγόνες αντί για μία μεγάλη. Δεν χρειάζεται απογοήτευση αν δεν πετύχει. Ακόμα και τότε είναι αρκετά διαφωτιστικό.

Ας προχωρήσουμε περαιτέρω σε αυτό το πείραμα. Πάρτε μία γυάλινη ράβδο ή ένα κομμάτι σύρμα και στερεώστε τη σταγόνα λαδιού. Αρχίστε να την περιστρέφετε. Η σταγόνα συμμετέχει επίσης σε αυτήν την περιστροφή. Μπορείτε να πετύχετε ακόμα καλύτερα αποτελέσματα συνδέοντας στη ράβδο ή το σύρμα έναν μικρό δίσκο από χαρτόνι εμποτισμένο με λάδι και εισάγοντάς τον πλήρως στη σταγόνα που περιστρέφετε. Η περιστροφή αναγκάζει τη σταγόνα να συμπιεστεί και στη συνέχεια να δώσει έναν δακτύλιο λίγα δευτερόλεπτα αργότερα. Καθώς σπάει, ο δακτύλιος δημιουργεί νέες σταγόνες που συνεχίζουν να περιστρέφονται γύρω από την κεντρική.

Σχήμα:Ένας δακτύλιος εκπέμπεται όταν η σταγόνα λαδιού στο αλκοόλ περιστρέφεται με τη βοήθεια μιας ράβδου.

Ο Βέλγος φυσικός Plateau ήταν ο πρώτος που διεξήγαγε αυτό το διδακτικό πείραμα, του οποίου την κλασική περιγραφή σας έδωσα. Θα ήταν πολύ πιο εύκολο -και εξίσου διδακτικό- να κάνετε αυτό το πείραμα με έναν άλλο τρόπο. Πάρτε ένα μικρό ποτήρι, ξεπλύνετέ το με νερό και γεμίστε το με ελαιόλαδο. Τοποθετήστε το στον πάτο ενός μεγαλύτερου ποτηριού. Στη συνέχεια, ρίξτε προσεκτικά στο ποτήρι αρκετό αλκοόλ για να καλύψετε το ποτήρι. Προσθέστε σταδιακά λίγο νερό με τη βοήθεια ενός κουταλιού. Κάντε το αυτό πολύ προσεκτικά, έτσι ώστε το νερό να στάζει στα τοιχώματα του ποτηριού. Η κορυφή του λαδιού στο ποτήρι αρχίζει να φουσκώνει και όταν έχει προστεθεί αρκετό νερό, το λάδι ανεβαίνει από το ποτήρι σε μια αρκετά μεγάλη σταγόνα και αιωρείται σε αυτό το μείγμα αλκοόλης και νερού, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα που δείχνει απλοποιημένο το πείραμα Plateau:

Ας χρησιμοποιήσουμε ένα άλλο υγρό την ανιλίνη. Η ανιλίνη είναι ένα υγρό που είναι βαρύτερο από το νερό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά ελαφρύτερο από το νερό όταν θερμαίνεται στους 75-85 °C. Θερμαίνοντας το νερό, μπορούμε να κάνουμε την ανιλίνη να κολυμπήσει μέσα σε αυτήν και να πάρει τη μορφή μιας μεγάλης σταγόνας. Σε θερμοκρασία δωματίου, μπορεί να αιωρείται μια σταγόνα ανιλίνης σε ένα διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού. Ένα άλλο βολικό υγρό είναι η σκούρα πορφυρή ορθοτολοϊδίνη, η οποία στους 24°C έχει την ίδια πυκνότητα με το αλμυρό νερό, στο οποίο μέσα χύνεται.

ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ

1) Ένας βιολόγος ασχολείται με τα πράγματα σε μικροσκοπικό επίπεδο. Για να περιγράψει τις κυτταρικές διαστάσεις και την ποσότητα των υλικών που υπάρχουν σε κυτταρικό επίπεδο, χρειάζονται μονάδες κατάλληλες μικρού μεγέθους. Ποιες είναι αυτές οι μονάδες μέτρησης;

Στη βιολογία, οι μονάδες μήκους που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν το μικρόμετρο (μm) και το Angstrom (A°). Ένα μικρόν ισοδυναμεί με 10^-6m (ή 10^-3 χιλιοστά mm). Ένα Angstrom ισοδυναμεί με 10^-10m (ή 10^-7 mm ή 10^-4 μm) .
Οι μάζες εκφράζονται σε χιλιόγραμμα Kg  (1 Kg = 10³ γραμμάρια), μικρογραμμάρια μg (1 μg = 10^-6 g) και νανογραμμάρια ng (1 ng = 10^-9 γραμμάρια). Η μονάδα μοριακής μάζας που χρησιμοποιείται είναι το ντάλτον Da . Ένα ντάλτον ορίζεται ως περίπου το βάρος ενός ατόμου υδρογόνου. Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού (H2O) ζυγίζει περίπου 18 ντάλτον. Ένα ντάλτον έχει μάζα 1,674 x 10^-27 Kg.

2) Γιατί τα στοιχεία άνθρακας, υδρογόνο, οξυγόνο και άζωτο (C, H, O, N) έχουν τεράστια σημασία στη ζωντανή ύλη;

Ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο είναι τα τέσσερα πιο άφθονα στοιχεία στους ζωντανούς οργανισμούς. Στην πραγματικότητα, αποτελούν περίπου το 99% της μάζας των περισσότερων κυττάρων. Αυτά τα τέσσερα στοιχεία πρέπει να διαθέτουν κάποια μοναδική μοριακή ικανότητα που τα οδήγησε στην επιλογή τους ως τα κύρια συστατικά της ζωής. Αυτό μπορεί να φανεί συγκρίνοντας τη σχετική αφθονία των κύριων χημικών στοιχείων στον φλοιό της γης με εκείνα στο ανθρώπινο σώμα.

Η εξέταση του πίνακα δείχνει ότι η μόνη κοινή αντιστοιχία σε ποσότητα  είναι για το οξυγόνο. Έτσι, μπορούμε να υποθέσουμε ότι υπάρχει κάποιος λόγος για τον οποίο αυτά τα 4 στοιχεία έχουν επιλεγεί για τον ρόλο τους στη ζωή.

Μία ιδιότητα που κάνει αυτά τα στοιχεία ξεχωριστά είναι ότι μπορούν εύκολα να σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς, με αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων. Για να ολοκληρώσουν την εξωτερική τους στιβάδα, το υδρογόνο χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο, το οξυγόνο χρειάζεται δύο, το άζωτο χρειάζεται τρία και ο άνθρακας χρειάζεται τέσσερα. Έτσι, αυτά τα τέσσερα στοιχεία ενώνονται με όμοια (μεταξύ τους) και με ανόμοια (με διαφορετικά) στοιχεία για να σχηματίσουν έναν μεγάλο αριθμό ομοιοπολικών ενώσεων. Επιπλέον, ο άνθρακας, το οξυγόνο και το άζωτο μπορούν επίσης να σχηματίσουν διπλούς δεσμούς διαμοιράζοντας δύο ζεύγη ηλεκτρονίων. Ακόμα περισσότερο, ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει τριπλούς δεσμούς. Αυτό δίνει σε αυτά τα στοιχεία μεγάλη ευελιξία στο σχηματισμό χημικών δεσμών.

Μια άλλη ιδιότητα που καθιστά τον άνθρακα, το οξυγόνο, το υδρογόνο και το άζωτο μοναδικά κατάλληλα για τον ρόλο τους στη ζωντανή ύλη είναι ότι είναι τα ελαφρύτερα στοιχεία που μπορούν να σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Η ισχύς ενός ομοιοπολικού δεσμού είναι αντιστρόφως ανάλογη με τα ατομικά βάρη των συνδεδεμένων ατόμων. Έτσι, αυτά τα τέσσερα στοιχεία είναι ικανά να σχηματίσουν πολύ ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς.

3) Με φωτογραφικά και οπτικά μέσα, μια εικόνα μπορεί να μεγεθυνθεί σχεδόν επ’ αόριστον. Ωστόσο, τα περισσότερα οπτικά μικροσκόπια προσφέρουν μεγεθύνσεις μόνο 1000 έως 1500 φορές το πραγματικό μέγεθος, ενώ τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια προσφέρουν μεγεθύνσεις 100.000 φορές ή και περισσότερο. Εξηγήστε:

Όλα τα μικροσκόπια χαρακτηρίζονται από όρια ανάλυσης. Η ανάλυση αναφέρεται στην καθαρότητα της εικόνας. Αντικείμενα που βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο δεν μπορούν να διακριθούν (να αναλυθούν) ως ξεχωριστά αντικείμενα εάν η απόσταση μεταξύ τους είναι μικρότερη από το μισό του μήκους κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται. Το μέσο μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι 550 νανόμετρα (nm) (ή 5500 A⁰). Έτσι, για τα οπτικά μικροσκόπια, τα αντικείμενα μπορούν να διακριθούν μόνο εάν βρίσκονται σε απόσταση μεγαλύτερη από περίπου 275 νανόμετρα (nm).

Τα αντικείμενα που βρίσκονται σε απόσταση μικρότερη από 275 nm δεν είναι ευδιάκριτα και φαίνονται σαν ένα αντικείμενο. Η αύξηση του μεγέθους της εικόνας ή της μεγέθυνσης δεν θα δώσει ουσιαστικές πληροφορίες, εκτός εάν αυξηθεί και η ανάλυση. Η αύξηση της μεγέθυνσης χωρίς αύξηση της ανάλυσης έχει ως αποτέλεσμα μια μεγαλύτερη εικόνα που εξακολουθεί να είναι θολή.

Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια προσφέρουν ανάλυση λεπτομερειών που διαχωρίζονται από 0,1 έως 0,5 νανόμετρα. Τα ηλεκτρόνια, και όχι το φως, είναι η ακτινοβολία που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Υπενθυμίζεται ότι τα ηλεκτρόνια έχουν και κυματική ιδιότητα εκτός από σωματιδιακή ιδιότητα και μπορούν να θεωρηθούν ως ακτινοβολία εξαιρετικά μικρού μήκους κύματος. Δεδομένου ότι το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου σε κίνηση είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός, η ανάλυση είναι περισσότερο από χίλιες φορές καλύτερη. Δομές όπως η πλασματική μεμβράνη, το ενδοπλασματικό δίκτυο, τα ριβοσώματα, οι μικροσωληνίσκοι και τα μικροϊνίδια δεν ήταν ορατές μέχρι την έλευση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Αυτές οι δομές έχουν πλάτος μικρότερο από 275 nm. Η πλασματική μεμβράνη έχει πάχος 7,5 έως 10 nm (ή 75 έως 100 A⁰). Το ριβόσωμα έχει διάμετρο 15 έως 25 nm (ή 150 έως 250 A⁰). Οι μικροσωληνίσκοι έχουν διάμετρο 20 έως 30 nm και τα μικροϊνίδια κυμαίνονται από 5 έως 10 nm. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία έχει επίσης καταστήσει δυνατή την απεικόνιση της πυρηνικής μεμβράνης και των εσωτερικών μεμβρανών των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών.

4) Διακρίνετε τους όρους “in situ”, “in vitro” και “in vivo”.

Αυτοί οι όροι χρησιμοποιούνται όλοι για να αναφερθούν στο πού λαμβάνει χώρα μια βιοχημική αντίδραση ή διεργασία. Το “In situ” στα λατινικά σημαίνει “στη θέση” και αναφέρεται σε μια αντίδραση που συμβαίνει στη φυσική ή αρχική της θέση. Το “In vitro” στα λατινικά σημαίνει “σε γυαλί” και αναφέρεται σε μια αντίδραση που δεν συμβαίνει στον ζωντανό οργανισμό, αλλά αντίθετα συμβαίνει σε ένα εργαστήριο όπως ένας δοκιμαστικός σωλήνας. Το “In vivo” στα λατινικά σημαίνει “στον ζωντανό” και αναφέρεται σε μια αντίδραση που συμβαίνει στον ζωντανό οργανισμό.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ

5) Να δώσετε τους ακόλουθους ορισμούς: άτομο, ισότοπο, ιόν. Μπορεί ένα και μοναδικό σωματίδιο ύλης να είναι και τα τρία ταυτόχρονα;

 Ένα άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός στοιχείου που μπορεί να διατηρήσει τις χημικές ιδιότητες αυτού του στοιχείου. Αποτελείται από έναν πυρήνα, ο οποίος περιέχει θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια, γύρω από τα οποία περιστρέφονται αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε τροχιές. Για παράδειγμα, ένα άτομο ηλίου περιέχει 2 πρωτόνια, 2 νετρόνια και 2 ηλεκτρόνια.
Ένα ιόν είναι ένα θετικά ή αρνητικά φορτισμένο άτομο ή ομάδα ατόμων. Ένα ιόν που είναι αρνητικά φορτισμένο ονομάζεται ανιόν και ένα θετικά φορτισμένο ιόν ονομάζεται κατιόν.

Τα ισότοπα είναι εναλλακτικές μορφές του ίδιου χημικού στοιχείου. Ένα χημικό στοιχείο ορίζεται με βάση τον ατομικό του αριθμό, ο οποίος είναι ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα του. Τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων με αυτό το στοιχείο, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Δεδομένου ότι η ατομική μάζα καθορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων συν τα νετρόνια, τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου έχουν ποικίλες ατομικές μάζες. Για παράδειγμα, το δευτέριο (²H) είναι ένα ισότοπο του υδρογόνου και έχει ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του. Το υδρογόνο έχει μόνο ένα πρωτόνιο και κανένα νετρόνιο στον πυρήνα του.

Ένα μόνο σωματίδιο μπορεί να είναι ταυτόχρονα άτομο και ιόν και ισότοπο. Το απλούστερο παράδειγμα είναι το ιόν υδρογόνου H+. Είναι ένα άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο και έτσι έχει αναπτύξει ένα θετικό φορτίο. Εφόσον είναι φορτισμένο, είναι επομένως ένα ιόν. Ένα κατιόν είναι ένα θετικά φορτισμένο ιόν (δηλαδή H+) και ένα ανιόν είναι ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν (δηλαδή Cl^–). Αν κάποιος συγκρίνει τον ατομικό του αριθμό (1) με αυτόν του δευτερίου (1), φαίνεται ότι αν και έχουν διαφορετικές ατομικές μάζες, εφόσον οι ατομικοί τους αριθμοί είναι οι ίδιοι, πρέπει να είναι ισότοπα το ένα του άλλου.

6) Περιγράψτε τις διαφορές μεταξύ ενός στοιχείου και μιας ένωσης.

Όλες οι ουσίες αποτελούνται από ύλη, καθώς έχουν μάζα και καταλαμβάνουν χώρο. Τα στοιχεία και οι ενώσεις αποτελούν δύο γενικές κατηγορίες ύλης. Τα στοιχεία είναι ουσίες που αποτελούνται από πανομοιότυπα άτομα (δηλαδή, άτομα με ίδιους ατομικούς αριθμούς). Αυτός ο ορισμός ενός στοιχείου περιλαμβάνει όλα τα ισότοπα αυτού του στοιχείου. Επομένως, τα 018 και 015 θεωρούνται και τα δύο στοιχειακό οξυγόνο. Μια ένωση είναι μια ουσία που αποτελείται από δύο ή περισσότερα διαφορετικά είδη ατόμων (δύο ή περισσότερα διαφορετικά στοιχεία) συνδυασμένα σε μια καθορισμένη αναλογία βαρών. Αυτή η σταθερή σύνθεση διαφόρων στοιχείων, σύμφωνα με τον νόμο των καθορισμένων αναλογιών, διαφοροποιεί μια ένωση από ένα μείγμα. Τα στοιχεία είναι οι υποκαταστάτες των ενώσεων. Για παράδειγμα, το νερό είναι μια ένωση που αποτελείται από τα δύο στοιχεία υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία 2:1, αντίστοιχα. Αυτή η ένωση μπορεί να γραφτεί ως H20, που είναι ο μοριακός τύπος του νερού. Ο δείκτης “2” που εμφανίζεται μετά το υδρογόνο (H) υποδεικνύει ότι σε κάθε μόριο νερού υπάρχουν δύο άτομα υδρογόνου. Δεν υπάρχει δείκτης μετά το οξυγόνο (0) στον μοριακό τύπο του νερού, πράγμα που υποδηλώνει ότι υπάρχει μόνο ένα άτομο οξυγόνου ανά μόριο νερού. Επομένως, το νερό είναι μια ένωση της οποίας τα μόρια αποτελούνται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου.

7) Ποιοι είναι οι τρεις νόμοι της θερμοδυναμικής; Να περιγράψετε τη βιολογική τους σημασία.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί από τη μία μορφή στην άλλη, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Με άλλα λόγια, η ενέργεια ενός κλειστού συστήματος είναι σταθερή. Έτσι, ο πρώτος νόμος είναι απλώς μια δήλωση του νόμου διατήρησης της ενέργειας.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η συνολική εντροπία (ένα μέτρο της αταξίας ή της τυχαιότητας ενός συστήματος) του σύμπαντος αυξάνεται. Αυτό χαρακτηρίζεται από μείωση της ελεύθερης ενέργειας, η οποία είναι η ενέργεια που είναι διαθέσιμη για την εκτέλεση έργου. Έτσι, οποιαδήποτε αυθόρμητη αλλαγή που συμβαίνει (χημική, φυσική ή βιολογική) θα τείνει να αυξήσει την εντροπία του σύμπαντος.

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρεται σε ένα πλήρως διατεταγμένο σύστημα, και ιδιαίτερα, σε έναν τέλειο κρύσταλλο. Δηλώνει ότι ένας τέλειος κρύσταλλος στο απόλυτο μηδέν (0 Kelvin) θα είχε τέλεια τάξη και επομένως η εντροπία του θα ήταν μηδέν.

Αυτοί οι τρεις νόμοι επηρεάζουν τον βιολογικό καθώς και τον χημικό και φυσικό κόσμο. Τα ζωντανά κύτταρα εκτελούν την εργασία τους χρησιμοποιώντας την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε χημικούς δεσμούς. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής ορίζει ότι κάθε χημικός δεσμός σε ένα δεδομένο μόριο περιέχει μια ποσότητα ενέργειας ίση με την ποσότητα που ήταν απαραίτητη για τη σύνδεση των ατόμων μεταξύ τους. Έτσι, τα ζωντανά κύτταρα είναι ταυτόχρονα μετατροπείς που μετατρέπουν άλλες μορφές ενέργειας σε ενέργεια χημικού δεσμού και απελευθερωτές που απελευθερώνουν αυτήν την ενέργεια χρησιμοποιώντας την ενέργεια του χημικού δεσμού για να παράγουν έργο. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ένας ζωντανός οργανισμός είναι μια αποθήκη πιθανής χημικής ενέργειας λόγω των πολλών εκατομμυρίων ατόμων που συνδέονται μεταξύ τους σε κάθε κύτταρο, μπορεί να φαίνεται ότι η ίδια ενέργεια θα μπορούσε να μεταδίδεται συνεχώς από οργανισμό σε οργανισμό χωρίς την απαιτούμενη εξωκυτταρική πηγή ενέργειας. Ωστόσο, μια βαθύτερη εξέταση δείχνει ότι αυτό δεν ισχύει. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μας λέει ότι κάθε μετασχηματισμός ενέργειας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της χρησιμοποιήσιμης ή ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. Κατά συνέπεια, υπάρχει μια σταθερή αύξηση στην ποσότητα ενέργειας που δεν είναι διαθέσιμη για την παραγωγή έργου (αύξηση της εντροπίας). Επιπλέον, η ενέργεια μεταφέρεται συνεχώς από τους ζωντανούς οργανισμούς στην άβια ύλη (π.χ., όταν γράφετε, ξοδεύετε ενέργεια για να κινήσετε το μολύβι, όταν κάνει κρύο έξω το σώμα σας χάνει θερμότητα για να ζεστάνει τον αέρα, κ.λπ.). Το σύστημα των ζωντανών οργανισμών, επομένως, δεν μπορεί να είναι ένα στατικό ενεργειακό σύστημα και πρέπει να αναπληρώνεται από ενέργεια που προέρχεται από τον άβιο κόσμο.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι επίσης χρήσιμος στην εξήγηση της απώλειας ενέργειας από το σύστημα σε κάθε διαδοχικό τροφικό επίπεδο σε μια τροφική πυραμίδα. Στην ακόλουθη τροφική πυραμίδα, η ενέργεια στο επίπεδο του παραγωγού είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια στο επίπεδο του καταναλωτή Ι, η οποία είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια του επιπέδου του καταναλωτή II. Κάθε μετασχηματισμός ενέργειας μεταξύ των μελών των διαδοχικών επιπέδων συνεπάγεται την απώλεια χρησιμοποιήσιμης ενέργειας και αυτή η απώλεια χρησιμεύει στην αύξηση της εντροπίας. Έτσι, αυτή η αναπόφευκτη απώλεια προκαλεί τη συνολική ποσότητα ενέργειας σε κάθε τροφικό επίπεδο χαμηλότερη από ό,τι στο προηγούμενο επίπεδο.

Το γεγονός ότι το νερό παραμένει στο ίδιο επίπεδο μέσα από σωλήνες που επικοινωνούν, μπορεί να αποδειχθεί αν γεμίσουμε ένα σωλήνα του κήπου με νερό και φέρουμε κοντά τα άκρα του. Οι στάθμες είναι ίδιες. Και θα παραμείνουν ίδιες κι’ όταν τα δύο άκρα απομακρυνθούν το ένα από το άλλο. Αυτό όμως δεν το ήξεραν οι Ρωμαίοι μηχανικοί που σχεδίαζαν προσεγμένα υδραγωγεία με ψηλές αψίδες και αγωγούς τριγύρω, ώστε να είναι βέβαιοι πως το νερό θα κυλά πάντα..λίγο χαμηλότερα από τη δεξαμενή προς την πόλη.

Οι σύγχρονοι “Ρωμαίοι” σήμερα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν ότι έχει απομείνει από τα υδραγωγεία που κατασκεύασαν οι μακρινοί πρόγονοί τους. Αν και οι Ρωμαίοι σκλάβοι της αρχαιότητας έκαναν πολύ καλή δουλειά, δεν μπορούμε να πούμε το ίδιο για τους Ρωμαίους μηχανικούς που ήταν υπεύθυνοι. Οι γνώσεις τους στη στοιχειώδη φυσική ήταν σαφώς ανεπαρκείς.

Το σχήμα αναπαριστά μια εικόνα που φυλάσσεται στο Γερμανικό Μουσείο του Μονάχου. Όπως βλέπετε, οι Ρωμαίοι δεν έθαβαν τα συστήματα ύδρευσης στο έδαφος, αλλά τα τοποθετούσαν σε ψηλά στηρίγματα από τοιχοποιία. Γιατί; Δεν είναι οι υπόγειοι σωλήνες του τύπου που χρησιμοποιούμε σήμερα πιο απλοί; Οι Ρωμαίοι μηχανικοί της αρχαιότητας είχαν μια πολύ θολή αντίληψη, για την αρχή των συγκοινωνούντων δοχείων. Φοβόντουσαν ότι σε δύο δεξαμενές που συνδέονται με έναν πολύ μακρύ σωλήνα, το νερό δεν θα ανέβαινε στο ίδιο επίπεδο. Επιπλέον, αν οι σωλήνες τοποθετούνταν στο έδαφος και ακολουθούσαν το φυσικό ανάγλυφο, σε ορισμένα σημεία το νερό θα έπρεπε να ρέει προς τα πάνω, και αυτό ήταν κάτι που οι Ρωμαίοι φοβόντουσαν ότι δεν θα γινόταν. Αν έβαζαν σωλήνες στο έδαφος και ακολουθούσαν τη φυσική κλίση, θα έβλεπαν πως σε μερικές θέσεις το νερό θα έπρεπε να κυλά προς τα πάνω. Ήταν όμως δύσπιστοι σ’ αυτό όπως αναφέρθηκε. Ο αποδεικτικός πειραματισμός δεν ήταν ακόμη στη μόδα. Οι σκλάβοι που δούλευαν ήταν άφθονοι, και έτσι κτίζονταν πολύπλοκα υδραγωγεία.

Αν οι Ρωμαίοι μηχανικοί είχαν καταλάβει ότι μπορούσαν να κάνουν το νερό να κυλίσει προς τα πάνω, τόσο καλά όσο και προς τα κάτω, τότε τα Ρωμαϊκά υδραγωγεία δεν θα είχαν κατασκευαστεί!

Γι’ αυτό τα υδραγωγεία τους συνήθως έχουν κλίση σε όλο το μήκος τους. Συχνά έπρεπε είτε να ακολουθήσουν τους σωλήνες σε μια κυκλική διαδρομή είτε να ανεγείρουν ψηλές καμάρες. Ένα ρωμαϊκό υδραγωγείο, γνωστό ως Aqua Marcia, έχει μήκος 100 Km, αν και είναι η μισή απόσταση μεταξύ των δύο σημείων του σε ευθεία γραμμή. Όπως θα δείτε, η άγνοια αυτή των αρχαίων Ρωμαίων για έναν στοιχειώδη νόμο της φυσικής προκάλεσε την κατασκευή 50 χιλιομέτρων επιπλέον τοιχοποιίας.

ΕΝΑ ΑΙΝΙΓΜΑ ΜΕ ΤΣΑΓΙΕΡΕΣ

Το σχήμα δείχνει δύο τσαγιέρες ίδιου πλάτους και πάχους. Η μία, ωστόσο, είναι ψηλότερη από την άλλη. Ποια από τις δύο χωράει περισσότερο; Ένα άτομο που δεν σκέφτεται πιθανότατα θα έδειχνε την ψηλότερη. Ωστόσο, και τις δύο, θα μπορούσαμε να την γεμίσουμε μόνο μέχρι το ύψος του στομίου τους, και αν ρίξουμε περισσότερο, θα χυθεί. Τώρα, επειδή τα στόμια και των δύο τσαγερών βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, η χαμηλότερη χωράει ακριβώς όσο υγρό και η ψηλότερη. Καταλαβαίνουμε εύκολα γιατί. Η τσαγιέρα και το στόμιό της είναι δύο συγκοινωνούντα δοχεία και επομένως και στο εσωτερικό τους το υγρό θα πρέπει να βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο, παρόλο που η ποσότητα υγρού στο στόμιο είναι πολύ μικρότερη από την ποσότητα μέσα στην ίδια την τσαγιέρα.  Δεν θα μπορέσετε ποτέ να γεμίσετε την καφετιέρα μέχρι πάνω, εκτός αν το στόμιο είναι αρκετά ψηλό. Σε κάθε απόπειρα να βάλουμε περισσότερο νερό, το νερό απλώς θα συνεχίσει να χύνεται. Συνήθως το στόμιο είναι κατασκευασμένο να είναι λίγο ψηλότερο από το καπάκι της τσαγιέρας, για να μπορεί κανείς να το γείρει χωρίς να χυθεί το περιεχόμενό της.

Ένα δοχείο είναι γεμάτο με νερό μέχρι το χείλος. Ένα διπλανό ίδιο δοχείο είναι επίσης γεμάτο με νερό μέχρι το χείλος, αλλά με ένα κομμάτι ξύλου να επιπλέει μέσα, όπως φαίνεται στην εικόνα:

Ποιο από τα δύο είναι βαρύτερο; Αν και το ρωτήσαμε αυτό σε διαφορετικούς ανθρώπους, πήραμε αντιφατικές απαντήσεις. Κάποιοι είπαν ότι ο κουβάς με το κομμάτι ξύλου μέσα θα ήταν βαρύτερος επειδή περιείχε ένα κομμάτι ξύλου εκτός από το νερό. Άλλοι είπαν ότι ο κουβάς με το νερό χωρίς το κομμάτι ξύλου θα ήταν βαρύτερος, αφού το νερό γενικά ζυγίζει περισσότερο από το ξύλο. Κανένας από τους δύο δεν είχε δίκιο. Και οι δύο κουβάδες ζυγίζουν το ίδιο. Ο δεύτερος κουβάς, πράγματι, περιέχει λιγότερο νερό από τον πρώτο, επειδή το ξύλο εκτοπίζει μέρος του νερού. Συγκεκριμένα εκτοπίζει ποσότητα νερού ίση με το βάρος του. Σύμφωνα δηλαδή με τον σχετικό νόμο, κάθε σώμα που επιπλέει εκτοπίζει με το βυθισμένο μέρος του ακριβώς τόσο υγρό (σε βάρος) όσο ζυγίζει ολόκληρο αυτό το σώμα. Γι’ αυτό ισορροπεί η ζυγαριά.

Τώρα προσπαθήστε να λύσετε ένα άλλο πρόβλημα. Πάρτε ένα ποτήρι νερό, βάλτε το στον ένα δίσκο της ζυγαριάς, και βάλτε ένα βάρος δίπλα του. Ισορροπήστε τη ζυγαριά. Στη συνέχεια, ρίξτε το βάρος δίπλα στο ποτήρι μέσα σε αυτήν. Τι συμβαίνει με τη ζυγαριά; Σύμφωνα με την αρχή του Αρχιμήδη, στο νερό το βάρος πρέπει να ζυγίζει λιγότερο από ότι όταν βρίσκεται έξω από το ποτήρι.

Κατά συνέπεια, δεν θα έπρεπε να ανέβει αυτός ο δίσκος της ζυγαριάς; Ωστόσο, η ζυγαριά δείχνει το ίδιο!  Οι δίσκοι διατηρούν την ισορροπία τους. Γιατί; Όταν ρίχνεται στο ποτήρι, το βάρος εκτόπισε μέρος του νερού, το οποίο στη συνέχεια ανέβηκε σε υψηλότερο επίπεδο από πριν. Αυτό πρόσθεσε στην πίεση που ασκείται στον πυθμένα του δοχείου, το οποίο έτσι διατηρούσε μια πρόσθετη δύναμη ισοδύναμη με το βάρος που αφαιρέθηκε λόγω της άνωσης.