Termodinamik temel ilkeleri ile biyolojik sistemlerin analizi

Dunya Gida - - Söyleşi - Prof. Dr. Y. Onur Devres Devres Teknoloji Ltd. Şti.

Termodinamik, kelime olarak ısı ve güç terimlerinden türeyen, ısının ișe dönüștürülmesi ile ilgili temel ilkeleri tanımlayan bir bilim dalıdır. İki temel kanunundan birincisi enerjinin korunumu ilkesini ifade eder: herhangi bir sistemde, sistemle çevresinin etkileșimi sırasında, sistem tarafından kazanılan (veya kaybedilen) enerji, çevresi tarafından kaybedilen (veya kazanılan) enerjiye eșit olmak zorundadır. Bir bașka ifade ile enerji yoktan var edilemez, var olan yok edilemez, ancak bir biçimden diğerine dönüșebilir. Bunu yaparken sistem açık ve kapalı olmak üzere iki șekilde ele alınır. Her ikisinde de sistem sınırları üzerinden ısı ve iș șeklinde enerji alıșveriși yapılabilirken, yalnızca açık sistemde bunlara ek olarak kütle alıșveriși de yapılabilir. Bu nedenle Termodinamik yaklașım ile canlı vücudu, kütle ve enerji alıșverișinin olduğu açık sistem olarak ele alınabilir.

Çevreden canlı vücuduna yapılan enerji giriși besinler yardımı ile sağlanmaktadır. Her besinin kalori ile ifade edilen bir enerji büyük-

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.

lüğü vardır. Bir kalorilik (cal) enerji ile 1 g suyun sıcaklığı 1ºC artırılabilir. Bir kilokalori (kcal) 1000 kaloriye eșit 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 eșittir.

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 olușturmaktadır. 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,

Bașlangıç organik madde (%) + İlave organik madde (%) = Son organik madde (%) eșitliği ortaya çıkar ve bunun en azından %2’nin üzerinde olması gerekir.

Tavuk gübresi hayvan gübreleri arasında en zengini olup; bir ton taze tavuk dıșkısında yaklașık 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 çalıșmaları 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 dıșkı, ısı kaybı ile nem ve CO2 olarak dıșarı 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 dönüșüm olsa idi (et gelișimi ve yağ birikimi yüksek) dıșkısı o mertebe kadar zayıf olurdu. Domuz gübresindeki durum budur. Bir de moda terim ile “serbest dolașan 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 yaklașımıyla tavuk kötü besinlerle beslenirse ve yașı ilerlemișse gübresi de kötü olacaktır.

Tavuklara günlük yaklașık 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 (büyükbaș ve küçükbaș hayvan dıșkısı ve saman) ısıl değeri 2,300 kcal/kg’dır. Sığır ve koyunların da benzer șekilde beslenmesi gerektiği düșünülürse, aldıkları birim kg karșılığı enerjinin büyük bölümünün gübreye gittiği ortaya çıkmaktadır.

Șimdi bu satıra kadar yazılanlardan tavuğu çıkarın ve kendinizi koyun. Bahsedilen hususları, diyetisyenlerin dediklerini bir arada değerlendirin ve așağıdaki 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 çalıșma) arasında yer alır. Yani bulunduğumuz ortamı aydınlatacak bir akkor ampul kadar enerji yayarız.

Organlarımızın çalıșması için enerjiye gereksinimimiz bulunmaktadır. Bu değer dinlenme anında yaklașık 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 düșünülürse 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 yaklașık %70-75’inin yașam fonksiyonlarının sağlanması için kullanıldığı ortaya çıkmaktadır.

Peki yediklerimizin ne kadarı dıșkı olarak atılmaktadır?: Ortalama bir insan günde 100-250 g dıșkı (su, ölü ve canlı bakteri, protein, lif, sindirim sistemi yüzey hücreleri, yağ, tuz, salgı ve ağız yolu ile alınan hazmedilemeyen maddeler) üretmektedir. Bunun yaklașık %70-82’si sudur. 100 g

kabulü ile yeryüzünde yașayan 7.5 milyar insan yılda 274 milyar kg dıșkı (20.5 milyar kg’ı lif olmak üzere 68.5 milyar kg kuru madde) üretmektedirler. Bunun enerji karșılığı 3.27•1014 kcal (yaklașık 20 MJ/kg, 4,780 kcal/kg alt ısıl değer kabulü ile); ya da 43.6 milyon ton mangal kömürü eșdeğeri veya yaklașık 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 șu bilgiler kullanılarak kurulabilir: yumurtanın beyazı 17 Kalori, sarısı 59 Kalori olmak üzere, kaynamıș yumurta toplam 76 Kalori; bir çorba kașığı zeytinyağı 120 Kalori, bir çay kașığı tereyağı 30 Kalori, 10 g peynir yaklașık 40 Kalori, bir çorba kașığı bal 65 Kalori, bir dilim ekmek (35-40 g) 80-90 Kalori, bir bardak süt 100 Kalori, bir elma 50 Kalori, bir çay kașığı șeker 20 Kalori’dir. Ya da bunların yerine, sabah sabah canınız çekti diye bir büyük hamburgeri tercih ederseniz tek bașına 500 Kalori’yi almıș olursunuz. İçeceğiniz hariç.

Tüm bunlardan sonra özetle:

Boyu, kilosu, kas yapısı farklı insanların sindirim sistemlerinin de farklı șekilde çalıșabileceği (enzim salınım miktarı, bağırsaklardaki bakteri miktarı ve besin içeriklerinin emilim verimi vb.);

Kilo alanların aslında sindirim sistemlerinin (kendi kötülüklerine olsa bile) bir anlamda çok bașarılı bir șekilde çalıștığı için (“yedikleri yarıyor”) kilo aldıkları;

Bunu yerine getiremesinler, sindirim sistemleri kötüleșsin diye interpozisyon ameliyatlarının yapıldığı;

Diyetisyenlerin ise, bilmeseler de yalnızca Termodinamiğin Birinci Kanunu’na (enerji dengesi) göre konuya yaklaștıkları;

Her bireyin beslenmesi sırasında, Termodinamiğin İkinci Kanunu kapsamına giren enerji dönüșümü ve veriminin de dikkate alınması gerektiği ortaya çıkmaktadır.

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

Kaynaklar

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

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

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

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

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

Çengel, Y. and Boles, M. A., 1996, Mühendislik Yaklașımıyla 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, HYPERLINK “http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S019689041630245X”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, HYPERLINK “http://arastirma.tarim.gov.tr/tavukculuk/Belgeler/ web English Doc/journal (Dergimiz)/Dergimiz Cilt 10 Ozel sayi/Cilt 10 Ozel Sayi 1 Makale 1 Tarımda Organik Madde ve Tavuk Gübresi.pdf”http://arastirma.tarim.gov.tr/tavukculuk/Belgeler/web%20English%20Doc/journal%20 %28Dergimiz%29/Dergimiz%20Cilt%2010%20Ozel%20 sayi/Cilt%2010%20Ozel%20Sayi%201%20Makale%20 1%20Tar%C4%B1mda%20Organik%20Madde%20 ve%20Tavuk%20G%C3%BCbresi.pdf

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

Newspapers in Turkish

Newspapers from Turkey

© PressReader. All rights reserved.