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Energía Celular
Las leyes de la termodinámica
Primera y segunda leyes de la termodinámica y cómo se aplican a sistemas biológicos.
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Introducción
¿Qué tipo de sistema eres: abierto o cerrado? Pues resulta que esta es una pregunta de física, no una filosófica. Tú, como todos los seres vivos, eres un sistema abierto, es decir, intercambias materia y energía con tu entorno. Por ejemplo, tomas energía química en forma de alimentos y realizas trabajo sobre tu entorno al moverte, hablar, caminar y respirar.
Todos los intercambios de energía que ocurren dentro de ti (como tus muchas reacciones metabólicas) y entre tú y tu entorno, pueden ser descritos por las mismas leyes de la física, como intercambios de energía entre objetos calientes y fríos o moléculas de gas o cualquier otra cosa que podrías encontrar en un libro de texto de física. Aquí, veremos dos leyes físicas —la primera y la segunda ley de la termodinámica— y veremos cómo se aplican a sistemas biológicos como tú.
Sistemas y sus alrededores
En la biología, la termodinámica se refiere al estudio de la transferencia de energía que se produce entre moléculas o conjuntos de moléculas. Cuando hablamos de termodinámica, el elemento o conjunto particular de elementos que nos interesa (que podría ser algo tan pequeño como una célula o tan grande como un ecosistema) se llama sistema, mientras que todo lo que no está incluido en el sistema que hemos definido se llama alrededores.llama alrededores.
Representación generalizada del sistema (un círculo), el entorno (un cuadrado rodeando al círculo) y el universo (sistema + entorno).
Representación generalizada del sistema (un círculo), el entorno (un cuadrado rodeando al círculo) y el universo (sistema + entorno).
Por ejemplo, si calentaras una olla de agua en la estufa, el sistema podría incluir la estufa, la olla y el agua, mientras que los alrededores serían todo lo demás: el resto de la cocina, la casa, el vecindario, el país, el planeta, la galaxia y el universo. La decisión sobre qué es lo que se define como sistema es arbitraria (depende del observador), y según lo que uno quiera estudiar, igual se podría considerar solo el agua, o toda la casa, como parte del sistema. El sistema y los alrededores en conjunto componen el universo.
Hay tres tipos de sistemas en la termodinámica: abierto, cerrado y aislado.
Un sistema abierto puede intercambiar energía y materia con su entorno. El ejemplo de la estufa sería un sistema abierto, porque se puede perder calor y vapor de agua en el aire.
Un sistema cerrado, por el contrario, solo puede intercambiar energía con sus alrededores, no materia. Si ponemos una tapa muy bien ajustada sobre la olla del ejemplo anterior, se aproximaría a un sistema cerrado.
Un sistema aislado es que no puede intercambiar ni materia ni energía con su entorno. Es difícil encontrarse con sistema aislado perfecto, pero una taza térmica con tapa es conceptualmente similar a un sistema aislado verdadero. Los elementos en el interior pueden intercambiar energía entre sí, lo que explica por qué las bebidas se enfrían y el hielo se derrite un poco, pero intercambian muy poca energía (calor) con el ambiente exterior.
Los intercambios de energía que ocurren en seres vivos tienen que seguir las leyes de la física. En este sentido, no son diferentes de las transferencias de energía en, digamos, un circuito eléctrico. Veamos más de cerca cómo las leyes de la termodinámica (las reglas físicas sobre la transferencia de energía) se aplican a seres vivos como tú.
Mediante las leyes de la termodinámica se explican las transformaciones energéticas que ocurren en un sistema sea abierto o cerrado. En dichas leyes están involucrados los diferentes tipos conocidos es decir la energía cinética, la potencial, la energía interna , el calor ye le trabajo. Se producen transformaciones de una forma a otra incluidas las correspondientes a las reacciones químicas. Ademas se atiene al principio universal de conservación de la energía que establece que la energía ni se crea ni se destruye solo se transforma.
La primera y segunda ley de la termodinámica amplían lo dicho. La primera ley es el mismo principio de conservación de la energía. Según sea abierto o cerrado su fórmula o expresión matemática cambiara. Pero están presentes las energías mencionadas.
En particular en las reacciones químicas, la llamada energía química, es la energía potencial atribuible a una sustancia en función de sus enlaces químicos. De acuerdo a la reacción química una sustancia elemento o compuesto se transforma en otra sustancia química, para ello libera de sus enlaces energía potencial que se transforma en energía térmica en forma de calor. Este puede ser absorbido o liberado durante la reacción. Específicamente en química esta energía se llama energía de activación. Las reacciones químicas pueden ser exotérmicas o endotérmicas , lo cual es congruente con la trasformación mencionada.