La termodinámica y la vida

La energía, en cualquiera de sus manifestaciones: química, mecánica, eléctrica, calorífica o luminosa, se transfiere de un sistema a otro por medio de calor o trabajo.

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La termodinámica y la vida

La termodinámica es la rama de la física que estudia los intercambios de calor y de trabajo que se producen entre un sistema, su entorno y origina variaciones en la energía interna del mismo.

La primera ley de la termodinámica se refiere a la ley de conservación de la energía. Esta ley afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma, por lo tanto la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. En la práctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. La entropía es una forma de expresar la segunda ley de la termodinámica ya que se puede entender como el desorden o el grado de deterioro de un sistema. De igual forma la podemos entender como una medida de la distribución aleatoria de un sistema.

Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.

La entropía, coloquialmente, puede considerarse como el desorden de un sistema. Un ejemplo doméstico, sería lanzar un vaso de cristal al suelo, este tenderá a romperse y esparcirse mientras que jamás conseguiremos que lanzando trozos de cristal se forme un vaso.

Los organismos vivos tienen una estructura altamente compleja. Por la segunda ley de la termodinámica tienden en forma natural a la degradación.

El ciclo vital de todos los organismos vivos termina con la muerte, que es cuando los componentes del organismo se integran al medio ambiente para su degradación, de ese modo aumentan el grado de desorden o de entropía propuesto en la misma ley.

Para mantener la vida de cualquier organismo, es necesario reponer la energía que éste gasta constantemente, con la cual se conserva la estructura y buen funcionamiento de los seres vivos. Para el estudio de estas transformaciones, es importante centrar nuestra atención en la bioenergética.

En los sistemas cerrados, como el Universo, la energía se conserva sin importar la cantidad de transformaciones que se hayan propiciado en ella, ya que el total de la energía continúa siendo siempre la misma. La cantidad de energía libre, que se generó como consecuencia de la gran explosión conocida como el Big bang, quedó atrapada en los diferentes sistemas materiales que se han ido formando. Es curioso darnos cuenta que actualmente la cantidad total de energía es la misma que entonces, pese a la gran diferencia de años transcurridos.

La energía, en cualquiera de sus manifestaciones: química, mecánica, eléctrica, calorífica o luminosa, se transfiere de un sistema a otro por medio de calor o trabajo.

Hablemos de un tipo de energía, la energía potencial. Los cuerpos, debido a su posición respecto a la gravedad acumulan una cierta energía la cual es útil sólo cuando se libera porque se realiza algún trabajo; por ejemplo, cuando una roca que se encuentra en la cima se despeña o cae, transforma su energía potencial en energía cinética.

El azúcar o el petróleo tienen una gran cantidad de energía química, sin embargo, para emplearla primero hay que liberarla, lo que sucede cuando se rompen sus enlaces químicos o se oxidan sus moléculas.

Veamos otro ejemplo: El dínamo que se acopla a una bicicleta, al pedalear genera energía eléctrica que en una lámpara, se transforma en luz. Sin embargo, aunque la energía se conserva, en cada transformación se libera calor. La energía eléctrica producida en el dínamo es menor que la aplicada con el pedaleo, pero el dínamo se calienta y hay pérdida de energía. La electricidad obtenida más el calor producido, corresponden a la fuerza ejercida con el movimiento de los pedales.

Ahora hablemos de un ejemplo muscular. Caminar es un trabajo muscular que emplea la energía química obtenida de los alimentos, pero parte de esta energía se transforma en calor, el cual ocasiona que el organismo eleve su temperatura. La suma del calor producido y la energía empleada en el desplazamiento, representan la cantidad de energía química liberada del alimento, es decir, la cantidad de moléculas orgánicas oxidadas. Al final del ejercicio, el organismo ha perdido energía interna, dado que al moverse ha utilizado parte de sus reservas energéticas o de su energía potencial.

Continuemos con los ejemplos. La síntesis de proteínas en el organismo, a partir de los aminoácidos, requiere de un esfuerzo físico o trabajo, así el organismo gana energía interna, para después transferirla del medio a su propio sistema.

Después de cualquier actividad hay una diferencia en el estado energético del sistema. Cada una de las aplicaciones anteriores serán ejemplos de sistemas. Los sistemas pueden ser aislados o abiertos.

Un sistema aislado conserva el calor que se produce con el trabajo, por tanto todas sus partes se calientan, con lo cual el sistema poco a poco se desorganiza hasta que llega el momento en que toda la energía queda en forma de calor o energía cinética desordenada y, el sistema queda totalmente destruido. Cuando esto sucede, se dice que el sistema ha alcanzado el equilibrio termodinámico porque todas sus moléculas están distribuidas por igual, de la misma forma en que la energía está distribuida en todo el sistema y, ya no puede realizar trabajo alguno.

El tiempo que tarda en llegar al equilibrio termodinámico, va en razón del trabajo que realiza. Hay que tomar en cuenta que el hecho de mantener la organización es ya un trabajo (las moléculas se mueven constantemente, sólo a 0º K cesan los movimientos moleculares) por tanto a pesar de no realizar ningún otro trabajo, como el mantenimiento de la organización implica gasto de energía (es un trabajo), el destino del sistema será el mismo.

En un sistema abierto aunque sucede lo mismo, el calor se difunde en el entorno y afecta menos la estructura del sistema, su energía interna disminuye, el sistema se desgasta y también acaba destruido en ocasiones más rápido que el sistema cerrado, pues si bien el calor que produce se disipa, los cambios de temperatura y otras alteraciones del entorno lo afectan y ayudan a acelerar este proceso.

De lo anterior podemos concluir que en el Universo todo sistema pierde orden, es decir, la entropía aumenta constantemente.

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PreguntasDefiniciones

a) La entropía

dice que en una reacción química o proceso químico la energía solo se convierte de una forma a otra.

b) La magnitud de la energía potencial de un cuerpo

es la magnitud termodinámica que mide el desorden de un sistema.

c) La primera ley de la termodinámica

se encuentra determinada por su posición.

d) Un sistema vivo

es un sistema cerrado.

e) La energía no se crea, no se destruye, ni se intercambia con el exterior solo si

es un sistema abierto.
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