Las leyes de la termodinámica.

Publicado el 19 abril, 2018 por acerti •

Mañana se estrena en España la última película de Mateo Gil con el título «Las Leyes de la Termodinámica«, que aborda en clave de comedia como un físico explica su relación con una cotizada modelo mediante las leyes de la física. Esto nos ha hecho plantearnos en A-certi si eres consciente de como le afectan las leyes de la termodinámica a tu vida diaria, o si llegaste a entenderlas alguna vez.

Para empezar. ¿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.

Por ejemplo, si calentaras una olla de agua en la vitrocerámica, el sistema podría incluir la vitrocerámica, 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 cocina de gas 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.
Tú, como otros organismos, eres un sistema abierto. Estés o no consciente de ello, constantemente intercambias energía y materia con tu entorno. Por ejemplo, imagina que te comes una zanahoria o levantas una bolsa de ropa sucia o simplemente exhalas y liberas dióxido de carbono a la atmósfera. En cada caso, estás intercambiando energía y materia con tu entorno.
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.

1. La primera ley de la termodinámica o ley de conservación de la energía.

La primera ley de la termodinámica piensa en grande: se refiere a la cantidad total de energía en el universo, y en particular declara que esta cantidad total no cambia. Dicho de otra manera, la Primera ley de la termodinámica dice que la energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.
Esta ley puede parecer algo abstracta, pero si empezamos a ver los ejemplos, encontraremos que las transferencias y transformaciones de energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Por ejemplo:
  • Los focos transforman energía eléctrica en energía luminosa (energía radiante).
  • Una bola de billar golpea a otra, lo que transfere energía cinética y hace que la segunda bola se mueva.
  • Las plantas convierten la energía solar (energía radiante) en energía química almacenada en moléculas orgánicas.
  • Tú estas transformando la energía química de tu última comida en energía cinética cuando caminas, respiras y mueves tu dedo para desplazarte hacia arriba y hacia abajo por esta página.
Lo importante es que ninguna de estas transferencias es completamente eficiente. En cambio, en cada situación, parte de la energía inicial se libera como energía térmica. Cuando la energía térmica se mueve de un objeto a otro,  recibe el nombre más familiar de calor. Es obvio que los focos de luz incandescente generan calor además de luz, pero las bolas de billar en movimiento también lo hacen (gracias a la fricción), como lo hacen las transferencias de energía química ineficientes del metabolismo vegetal y animal.

Para ver por qué la generación de calor es importante, sigue leyendo sobre la segunda ley de la termodinámica.

Agradecimientos a la khan Academy por el trabajo de divulgación que realizan. Este artículo es un derivado modificado de “The laws of thermodynamics (Las leyes de la termodinámica)”, de OpenStax College, Biología (CC BY 3,0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:30/Biology. El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4,0.

Categoría: Auditoría Energética, Certificación Energética, eficiencia energética, Leyes de la Termodinámica