15.4: Las leyes de la termodinámica
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- 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, durante la fotosíntesis 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. 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 (trifosfato de adenosina). 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, potenciar el movimiento de latido de los cilios o flagelos, contraer las fibras musculares para crear movimiento y reproducción.
La Segunda Ley de la Termodinámica
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.
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.
Resumen
- 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.