Termodinamik temel ilkeleri ile biyolojik sistemlerin analizi

Termodinamik, kelime olarak ısı ve güç terimlerinden türeyen, ısının işe dönüştürülmesi ile ilgili temel ilkeleri tanımlayan bir bilim dalıdır.

Enerji yoktan var edilemez, var olan yok edilemez, ancak bir biçimden diğerine dönüşebilir. Bunu yaparken sistem açık ve kapalı olmak üzere iki şekilde ele alınır. Her ikisinde de sistem sınırları üzerinden ısı ve iş şeklinde enerji alışverişi yapılabilirken, yalnızca açık sistemde bunlara ek olarak kütle alışverişi de yapılabilir. Bu nedenle Termodinamik yaklaşım ile canlı vücudu, kütle ve enerji alışverişinin olduğu açık sistem olarak ele alınabilir.

Prof. Dr. Y. Onur Devres

Devres Teknoloji Ltd. Şti.

Termodinamik, kelime olarak ısı ve güç terimlerinden türeyen, ısının işe dönüştürülmesi ile ilgili temel ilkeleri tanımlayan bir bilim dalıdır. İki temel kanunundan birincisi enerjinin korunumu ilkesini ifade eder: herhangi bir sistemde, sistemle çevresinin etkileşimi sırasında, sistem tarafından kazanılan (veya kaybedilen) enerji, çevresi tarafından kaybedilen (veya kazanılan) enerjiye eşit olmak zorundadır. Bir başka ifade ile enerji yoktan var edilemez, var olan yok edilemez, ancak bir biçimden diğerine dönüşebilir. Bunu yaparken sistem açık ve kapalı olmak üzere iki şekilde ele alınır. Her ikisinde de sistem sınırları üzerinden ısı ve iş şeklinde enerji alışverişi yapılabilirken, yalnızca açık sistemde bunlara ek olarak kütle alışverişi de yapılabilir. Bu nedenle Termodinamik yaklaşım ile canlı vücudu, kütle ve enerji alışverişinin olduğu açık sistem olarak ele alınabilir.

Çevreden canlı vücuduna yapılan enerji girişi besinler yardımı ile sağlanmaktadır. Her besinin kalori ile ifade edilen bir enerji büyüklüğü vardır. Bir kalorilik (cal) enerji ile 1 g suyun sıcaklığı 1ºC artırılabilir. Bir kilokalori (kcal) 1000 kaloriye eşit olup, 1 kg suyun sıcaklığının 1ºC artırılması için verilmesi gereken enerji olarak da tanımlanabilir. Besinlerin enerji değerleri tanımlanırken kullanılan Kalori birimi aslında kcal olup, bu farkın ortaya konulabilmesi için genellikle büyük harf ile yazılır. Bir Kalori, SI birim sisteminde kullanıldığında 4.184 kJ’e eşittir.

Üç temel besin grubunun ortalama enerji miktarları karbonhidratlar için 4.1 kalori/g, proteinler için 5.7 kalori/g, yağlar için 9.3 kalori/g’dır. Bunların haricinde su, mineraller ve vitaminler de besinlerle birlikte vücuda alınmaktadırlar, ancak metabolize edilemediklerinden dolayı enerji değeri sıfırdır. Bunlara ek olarak besinlerin vücutta oksidatif bir reaksiyona girebilmesi için de hava ve özellikle içindeki O2’ne ihtiyaç duyulmaktadır.

Yediğimiz besinler tarımsal faaliyetler sonucunda üretilirler. Bu sırada topraktaki organik madde miktarı ürünün kalitesini, verimini ve hasat sonrası dayanımını doğrudan etkiler. Türkiye tarım toprakları ne yazık ki organik madde bakımından oldukça zayıftır. Topraktaki organik madde oranı %3-4 ise iyi, %4’den büyük ise yüksek olarak sınıflandırılır. Ülkemizde bunların toplamı tarım alanlarımızın yalnızca %8.6’sına denk gelmektedir. Orta olarak sınıflandırılan grup %2-3 oranında organik madde içeriği ile %22.4’lük bir tarım alanını oluşturmaktadır. Geri kalan %69 oranındaki tarımsal alanın organik madde içeriği ise %2’nin altında olup, az (%1-2, %49.8) ve çok az (<%1, %19.2) olarak sınıflandırılmaktadır. Toprağın organik madde açısından istenen seviyelere çıkarılabilmesi için ahır gübresi, tavuk gübresi ya da hümik madde (fülvik asit, hümik asit ve hümin) ilavesine ihtiyaç bulunmaktadır. Yani toprakta kütle dengesi kurulursa,

Başlangıç organik madde (%) + İlave organik madde (%) = Son organik madde (%)

eşitliği ortaya çıkar ve bunun en azından %2’nin üzerinde olması gerekir.

Tavuk gübresi hayvan gübreleri arasında en zengini olup; bir ton taze tavuk dışkısında yaklaşık olarak 36.9 kg azot (N), 48.09 kg fosfor (P2O5) ve 21.69 kg potasyum (K2O) bulunur. Bunu elde etmek için 14-16 adet tavuğun bir yıl boyunca çalışmaları gerekir. Termodinamiğin Birinci Kanun’u açısından bakıldığında enerjinin korunması gerekir. Yani bir tavuğun yediği besinlerden elde ettiği enerjinin metabolik ve günlük faaliyetlerinde kullandığı ile kötü günler için yağ olarak depolanan bölüm haricinde kalanı dışkı, ısı kaybı ile nem ve CO2 olarak dışarı atılır. Enerjinin korunması gerekiyorsa ve tavuk gübresi de bu kadar değerli ise, aslında tavuğun beslenme sisteminin kötü olması gerekir. Tersten bakarsak aldığı besinlerden, gövdesi içinde verimli bir dönüşüm olsa idi (et gelişimi ve yağ birikimi yüksek) dışkısı o mertebe kadar zayıf olurdu. Domuz gübresindeki durum budur. Bir de moda terim ile “serbest dolaşan tavuk” olsa idi (yani bir anlamda spor yapsa idi) et oranı bir miktar artacak ancak yağ oranı azalacaktı. Yine Termodinamiğin Birinci Kanunu veya bilmeyenler için doğru bir mantık yaklaşımıyla tavuk kötü besinlerle beslenirse ve yaşı ilerlemişse gübresi de kötü olacaktır.

Tavuklara günlük yaklaşık 120-130 g; protein (%15-%20), karbonhidrat, yağ, vitamin, mineral içeren yem ve su verilir. Yemlerin enerji değeri 2,500-2,650 kcal/kg’dır. Farklı bir ürün olmakla birlikte aynı grupta yer alan tezeğin (büyükbaş ve küçükbaş hayvan dışkısı ve saman) ısıl değeri 2,300 kcal/kg’dır. Sığır ve koyunların da benzer şekilde beslenmesi gerektiği düşünülürse, aldıkları birim kg karşılığı enerjinin büyük bölümünün gübreye gittiği ortaya çıkmaktadır.

Şimdi bu satıra kadar yazılanlardan tavuğu çıkarın ve kendinizi koyun. Bahsedilen hususları, diyetisyenlerin dediklerini bir arada değerlendirin ve aşağıdaki paragrafa devam edin.

Hatırlarsınız Matrix filminde makinaların esir aldığı insanlar bir anlamda “pil” olarak kullanılıyorlardı. Bir insan ne kadarlık pil olabilir ki? Ortam iklimlendirmesi hesaplamaları sırasında, ortamda bulunan insanlardan gelen ısı kazancı ortalama olarak 100-120 W (dinlenme halinde) ya da 220 W (beden faaliyeti ile çalışma) arasında yer alır. Yani bulunduğumuz ortamı aydınlatacak bir akkor ampul kadar enerji yayarız.

Organlarımızın çalışması için enerjiye gereksinimimiz bulunmaktadır. Bu değer dinlenme anında yaklaşık 85 W yani 85 J/s olup, karaciğer ve dalak (%23); beyin (%16); kalp (%6); böbrekler (%9); iskelet kasları (%15) ve diğer organlar (%16) tarafından tüketilir. İnsanın fiziksel aktivitesi için alınan enerjinin %20’si, gıdaların hazmedilmesi ve bu sırada açığa çıkan ısı için de %10 harcanmaktadır. Bir dakikanın 60 saniye, bir günün (24 x 60 x 60 =) 86,400 saniye ettiği düşünülürse dinlenme halinde bir insanın (85 J/s x 86,400 s =) 7,344,000 J yani 1,755 kcal’lik (Kalori’lik) bir enerjiye gereksinimi bulunmaktadır. İnsan vücudunun günlük enerji gereksiniminin erkekler için 2,400-2,700 Kalori, kadınlar için 1,800-2,200 Kalori olduğu konusunda genel bir mutabakat bulunmaktadır. Bu hesaplamalardan bir kere daha, aldığımız enerjinin yaklaşık %70-75’inin yaşam fonksiyonlarının sağlanması için kullanıldığı ortaya çıkmaktadır.

Peki yediklerimizin ne kadarı dışkı olarak atılmaktadır?: Ortalama bir insan günde 100-250 g dışkı (su, ölü ve canlı bakteri, protein, lif, sindirim sistemi yüzey hücreleri, yağ, tuz, salgı ve ağız yolu ile alınan hazmedilemeyen maddeler) üretmektedir. Bunun yaklaşık %70-82’si sudur. 100 g kabulü ile yeryüzünde yaşayan 7.5 milyar insan yılda 274 milyar kg dışkı (20.5 milyar kg’ı lif olmak üzere 68.5 milyar kg kuru madde) üretmektedirler. Bunun enerji karşılığı 3.27•1014 kcal (yaklaşık 20 MJ/kg, 4,780 kcal/kg alt ısıl değer kabulü ile); ya da 43.6 milyon ton mangal kömürü eşdeğeri veya yaklaşık 40-50 milyar USD olarak hesaplanabilir. Bu atıkların yakılma yerine, biyogaz yolu ile değerlendirildiğinde hem enerjisinden hem de geri kalanından organik gübre olarak yararlanılabileceğinin de not edilmesinde fayda bulunmaktadır.

Bu faaliyetleri yerine getirebilmek için kahvaltıya oturduğumuzda, yediklerimizin enerji dengesi şu bilgiler kullanılarak kurulabilir: yumurtanın beyazı 17 Kalori, sarısı 59 Kalori olmak üzere, kaynamış yumurta toplam 76 Kalori; bir çorba kaşığı zeytinyağı 120 Kalori, bir çay kaşığı tereyağı 30 Kalori, 10 g peynir yaklaşık 40 Kalori, bir çorba kaşığı bal 65 Kalori, bir dilim ekmek (35-40 g) 80-90 Kalori, bir bardak süt 100 Kalori, bir elma 50 Kalori, bir çay kaşığı şeker 20 Kalori’dir. Ya da bunların yerine, sabah sabah canınız çekti diye bir büyük hamburgeri tercih ederseniz tek başına 500 Kalori’yi almış olursunuz. İçeceğiniz hariç.

Tüm bunlardan sonra özetle:

i. Boyu, kilosu, kas yapısı farklı insanların sindirim sistemlerinin de farklı şekilde çalışabileceği (enzim salınım miktarı, bağırsaklardaki bakteri miktarı ve besin içeriklerinin emilim verimi vb.);
ii. Kilo alanların aslında sindirim sistemlerinin (kendi kötülüklerine olsa bile) bir anlamda çok başarılı bir şekilde çalıştığı için (“yedikleri yarıyor”) kilo aldıkları;
iii. Bunu yerine getiremesinler, sindirim sistemleri kötüleşsin diye interpozisyon ameliyatlarının yapıldığı;
iv. Diyetisyenlerin ise, bilmeseler de yalnızca Termodinamiğin Birinci Kanunu’na (enerji dengesi) göre konuya yaklaştıkları;
v. Her bireyin beslenmesi sırasında, Termodinamiğin İkinci Kanunu kapsamına giren enerji dönüşümü ve veriminin de dikkate alınması gerektiği ortaya çıkmaktadır.

Diğer taraftan son söz olarak, Dünya nüfusunun yaklaşık %1’ini oluşturan ülkemizde, kanalizasyona her yıl yaklaşık 500 milyon USD’nin atılmasının önüne geçilmesi için yapılması gerekenler olduğunu bir kere daha belirtmekte fayda olmaktadır.


Kaynaklar:

Anon., 2017a, Yumurta Tavukçuluğu, http://www.tarimkutuphanesi.com/YUMURTA_TAVUKCULUGU__00114.html

Anon., 2017b, Work, Energy and Power in Humans, http://philschatz.com/physics-book/contents/m42153.html

Anon., 2017c, Hümik Asit, http://www.gursoytarim.net/index.asp?sec=1&firmamenuid=431

Anon., 2017d, How Much Energy Could We Generate By Burning All Our Poop, http://www.iflscience.com/environment/how-much-energy-could-we-generate-by-burning-all-our-poop/

Anon., 2017e, Metabolic Heat Gain from Persons, http://www.engineeringtoolbox.com/metabolic-heat-persons-d_706.html

Çengel, Y. and Boles, M. A., 1996, Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Türkçesi: T. Derbentli, McGrawHill-Literatür, 867s.

Kandjov, I.M., 1998, Thermal stability of the human body under environmental air conditions, Journal of Therm. Biol., 23, No:2, pp.117-121.

Lamprecht, I., 2003, Calorimetry and thermodynamics of living systems, Thermochimica Acta 405, pp.1–13.

Onabajo, T. ve ark., 2016, Energy Recovery From Human Faeces via Gasification: A Thermodynamic Equilibrium Modelling Approach,Energy Conversion and Management, Vol. 118, s.364-376, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S019689041630245X

Taban, S. ve ark., 2013, Tarımda Organik Madde ve Tavuk Gübresi, Cilt 10, Özel Sayı, s.9-13, http://arastirma.tarim.gov.tr/tavukculuk/Belgeler/web%20English%20Doc/journal%20%28Dergimiz%29/Dergimiz%20Cilt%2010%20Ozel%20sayi/Cilt%2010%20Ozel%20Sayi%201%20Makale%201%20Tar%C4%B1mda%20Organik%20Madde%20ve%20Tavuk%20G%C3%BCbresi.pdf

Yıldırım, H., T. ve ark., 2012, Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Odunun Enerjide Kullanımı ve Gelecek Senaryoları, 12. Enerji Kongresi, http://www.dektmk.org.tr/upresimler/enerjikongresi12/39-HasanTezcanYildirim.pdf

Ağustos 2017 sayısının 85.sayfasında yayımlanmıştır.