6.7: Energía Potencial, Cinética, Libre y de Activación - La Segunda Ley de la Termodinámica

Objetivos de aprendizaje

• Explicar cómo los organismos vivos pueden aumentar su orden a pesar de la segunda ley de la termodinámica

La Segunda Ley de la Termodinámica

Las tareas primarias de una célula viva de obtener, transformar y usar la energía para hacer el trabajo pueden parecer bastante simples, pero son más problemáticas de lo que parecen. La segunda ley de la termodinámica explica por qué: Ninguna transferencia de energía o transformaciones en el universo son completamente eficientes. En cada transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en una forma que es inutilizable. En la mayoría de los casos, esta energía es en forma de calor. Termodinámicamente, la energía térmica se define como la energía transferida de un sistema a otro que no está trabajando. Por ejemplo, cuando un avión vuela por el aire, parte de la energía del avión volador se pierde como energía térmica debido a la fricción con el aire circundante. Esta fricción calienta el aire al aumentar temporalmente la velocidad de las moléculas de aire. Asimismo, se pierde algo de energía en forma de calor durante las reacciones metabólicas celulares. Esto es bueno para criaturas de sangre caliente como nosotros porque la energía térmica ayuda a mantener la temperatura de nuestro cuerpo. Estrictamente hablando, ninguna transferencia de energía es completamente eficiente porque parte de la energía se pierde en una forma inutilizable.

Entropía

Un concepto importante en los sistemas físicos es el trastorno (también conocido como aleatoriedad). Cuanta más energía pierde un sistema a su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema. Los científicos definen la medida de aleatoriedad o trastorno dentro de un sistema como entropía. Alta entropía significa trastorno alto y baja energía. Para entender mejor la entropía, recuerda que requiere energía para mantener la estructura. Por ejemplo, piensa en un cubito de hielo. Está hecho de moléculas de agua unidas entre sí en una celosía ordenada. Este arreglo requiere energía para mantener. Cuando el cubito de hielo se derrite y se convierte en agua, sus moléculas están más desordenadas, en una disposición aleatoria en lugar de una estructura. En general, hay menos energía en el sistema dentro de los enlaces moleculares. Por lo tanto, se puede decir que el agua tiene mayor entropía que el hielo.

Esto es válido para sólidos, líquidos y gases en general. Los sólidos tienen la mayor energía interna que los mantiene unidos y, por lo tanto, la entropía más baja. Los líquidos están más desordenados y se necesita menos energía para mantenerlos unidos. Por lo tanto, son mayores en entropía que los sólidos, pero menores que los gases, los cuales están tan desordenados que tienen la mayor entropía y la menor cantidad de energía gastada manteniéndolos unidos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Entropía: La entropía es una medida de aleatoriedad o trastorno en un sistema. Los gases tienen mayor entropía que los líquidos y los líquidos tienen mayor entropía que los sólidos.

Los cambios de entropía también ocurren en reacciones químicas. En una reacción química exergónica donde se libera energía, la entropía aumenta porque los productos finales tienen menos energía dentro de ellos manteniendo sus enlaces químicos juntos. Esa energía se ha perdido para el medio ambiente, generalmente en forma de calor.

Todos los sistemas físicos pueden pensarse de esta manera. Los seres vivos están altamente ordenados, lo que requiere un aporte de energía constante para mantenerse en un estado de baja entropía. A medida que los sistemas vivos toman moléculas que almacenan energía y las transforman a través de reacciones químicas, pierden cierta cantidad de energía utilizable en el proceso porque ninguna reacción es completamente eficiente. También producen residuos y subproductos que no son fuentes de energía útiles. Este proceso aumenta la entropía del entorno del sistema. Dado que todas las transferencias de energía resultan en la pérdida de alguna energía utilizable, la segunda ley de la termodinámica establece que cada transferencia o transformación de energía aumenta la entropía del universo. A pesar de que los seres vivos están altamente ordenados y mantienen un estado de baja entropía, la entropía del universo en total aumenta constantemente debido a la pérdida de energía utilizable con cada transferencia de energía que se produce. Esencialmente, los seres vivos están en una continua batalla cuesta arriba contra este aumento constante de la entropía universal.

Puntos Clave

• Durante la transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en forma de energía térmica inutilizable.
• Debido a que la energía se pierde en una forma inutilizable, ninguna transferencia de energía es completamente eficiente.
• Cuanta más energía pierde un sistema a su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema.
• La entropía es una medida de aleatoriedad y trastorno; entropía alta significa trastorno alto y baja energía.
• A medida que las reacciones químicas alcanzan un estado de equilibrio, la entropía aumenta; y a medida que las moléculas a alta concentración en un lugar se difunden y se extienden, la entropía también aumenta.

Términos Clave

• segunda ley de la termodinámica: Toda transferencia o transformación de energía aumenta la entropía del universo ya que todas las transferencias de energía resultan en la pérdida de alguna energía utilizable.
• entropía: Una medida de aleatoriedad y trastorno en un sistema.