6.3: Las leyes de la termodinámica

Habilidades para Desarrollar

• Discutir el concepto de entropía
• Explicar la primera y segunda leyes de la termodinámica

La termodinámica se refiere al estudio de la energía y la transferencia de energía que involucra la materia física. La materia y su entorno relevante para un caso particular de transferencia de energía se clasifican como un sistema, y todo lo que está fuera de ese sistema se llama el entorno. Por ejemplo, al calentar una olla con agua en la estufa, el sistema incluye la estufa, la olla y el agua. La energía se transfiere dentro del sistema (entre la estufa, la olla y el agua). Existen dos tipos de sistemas: abierto y cerrado. Un sistema abierto es aquel en el que se puede transferir energía entre el sistema y su entorno. El sistema de estufa está abierto porque el calor se puede perder en el aire. Un sistema cerrado es aquel que no puede transferir energía a su entorno.

Los organismos biológicos son sistemas abiertos. La energía se intercambia entre ellos y su entorno, ya que consumen moléculas que almacenan energía y liberan energía al ambiente haciendo el trabajo. Como todas las cosas en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes de la física. Las leyes de la termodinámica rigen la transferencia de energía en y entre todos los sistemas del universo.

La Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica trata sobre la cantidad total de energía en el universo. Afirma que esta cantidad total de energía es constante. Es decir, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo. La energía existe en muchas formas diferentes. Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro o transformarse en diferentes formas, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias y transformaciones de la energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Las bombillas transforman la energía eléctrica en energía lumínica. Las estufas de gas transforman la energía química del gas natural en energía térmica. Las plantas realizan una de las transformaciones energéticas más útiles biológicamente en la tierra: la de convertir la energía de la luz solar en la energía química almacenada dentro de las moléculas orgánicas (Figura 2.3.b.1). Algunos ejemplos de transformaciones energéticas se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\).

El reto para todos los organismos vivos es obtener energía de su entorno en formas que puedan transferir o transformar en energía utilizable para hacer el trabajo. Las células vivas han evolucionado para enfrentar muy bien este reto. La energía química almacenada dentro de moléculas orgánicas como azúcares y grasas se transforma a través de una serie de reacciones químicas celulares en energía dentro de moléculas de ATP. La energía en las moléculas de ATP es fácilmente accesible para hacer el trabajo. Ejemplos de los tipos de trabajo que las células necesitan hacer incluyen construir moléculas complejas, transportar materiales, impulsar el movimiento de latido de los cilios o flagelos, contraer las fibras musculares para crear movimiento y reproducción.

Figura\(\PageIndex{1}\): Se muestran dos ejemplos de energía que se transfiere de un sistema a otro y se transforma de una forma a otra. Los humanos pueden convertir la energía química en los alimentos, como este cono de helado, en energía cinética (la energía del movimiento para andar en bicicleta). Las plantas pueden convertir la radiación electromagnética (energía luminosa) del sol en energía química. (crédito “helado”: modificación de obra de D. Sharon Pruitt; crédito “niños en bicicletas”: modificación de obra de Michelle Riggen-Ransom; crédito “hoja”: modificación de obra de Cory Zanker)

La Segunda Ley de la Termodinámica

Las tareas primarias de una célula viva de obtener, transformar y usar energía para hacer el trabajo pueden parecer simples. No obstante, la segunda ley de la termodinámica explica por qué estas tareas son más difíciles de lo que parecen. Ninguna de las transferencias de energía que hemos discutido, junto con todas las transferencias y transformaciones de energía en el universo, es completamente eficiente. En cada transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en una forma que es inutilizable. En la mayoría de los casos, esta forma es energía térmica. 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 en realidad calienta el aire al aumentar temporalmente la velocidad de las moléculas de aire. Asimismo, se pierde algo de energía como energía térmica 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.

Un concepto importante en los sistemas físicos es el de orden y desorden (también conocido como aleatoriedad). Cuanta más energía pierde un sistema a su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema. Los científicos se refieren a la medida de aleatoriedad o trastorno dentro de un sistema como entropía. Alta entropía significa trastorno alto y baja energía (Figura\(\PageIndex{2}\)). Para entender mejor la entropía, piensa en el dormitorio de un estudiante. Si no se le pusiera energía o trabajo, la habitación rápidamente se volvería desordenada. Existiría en un estado muy desordenado, uno de alta entropía. La energía debe ser puesta en el sistema, en la forma de que el alumno haga el trabajo y guardando todo, para que la habitación vuelva a un estado de limpieza y orden. Este estado es uno de baja entropía. De igual manera, un automóvil o casa debe mantenerse constantemente con trabajo para mantenerlo en un estado ordenado. Dejada sola, la entropía de la casa o automóvil aumenta gradualmente a través del óxido y la degradación. Las moléculas y las reacciones químicas también tienen cantidades variables de entropía. Por ejemplo, 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.

Conexión Científica: Transferencia de Energía y Entropía Resultado

Configure un experimento simple para comprender cómo se transfiere la energía y cómo resulta un cambio en la entropía.

1. Toma un bloque de hielo. Esta es agua en forma sólida, por lo que tiene un orden estructural alto. Esto significa que las moléculas no pueden moverse mucho y están en una posición fija. La temperatura del hielo es de 0°C, por lo que la entropía del sistema es baja.
2. Permita que el hielo se derrita a temperatura ambiente. ¿Cuál es ahora el estado de las moléculas en el agua líquida? ¿Cómo se llevó a cabo la transferencia de energía? ¿La entropía del sistema es mayor o menor? ¿Por qué?
3. Calentar el agua a su punto de ebullición. ¿Qué sucede con la entropía del sistema cuando se calienta el agua?

Todos los sistemas físicos pueden pensarse de esta manera: Los seres vivos están altamente ordenados, requiriendo una entrada 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.

Figura\(\PageIndex{2}\): 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.

Resumen

Al estudiar la energía, los científicos utilizan el término “sistema” para referirse a la materia y su entorno involucrados en las transferencias de energía. Todo lo que está fuera del sistema se llama el entorno. Las células individuales son sistemas biológicos. Se puede pensar que los sistemas tienen una cierta cantidad de orden. Se necesita energía para hacer un sistema más ordenado. Cuanto más ordenado es un sistema, menor es su entropía. La entropía es una medida del trastorno de un sistema. A medida que un sistema se vuelve más desordenado, menor es su energía y mayor se vuelve su entropía.

Una serie de leyes, llamadas las leyes de la termodinámica, describen las propiedades y procesos de transferencia de energía. La primera ley establece que la cantidad total de energía en el universo es constante. Esto significa que la energía no puede ser creada o destruida, solo transferida o transformada. La segunda ley de la termodinámica establece que toda transferencia de energía implica alguna pérdida de energía en una forma inutilizable, como la energía térmica, resultando en un sistema más desordenado. En otras palabras, ninguna transferencia de energía es completamente eficiente y tiende al desorden.

Glosario

entropía (S)

medida de aleatoriedad o trastorno dentro de un sistema

calor

energía energía transferida de un sistema a otro que no es trabajo (energía del movimiento de moléculas o partículas)

termodinámica

estudio de energía y transferencia de energía que involucra materia física