Termodinamica De Los Seres Vivos 4l5t6s

Cuaderno del Alumno – Área Nutrición – Centro Editor Facultad de Ciencias Médicas, U.N.R.

TERMODINÁMICA: APLICACIÓN AL SER VIVO Dra. Graciela Bazzoni, Dra. Gladis Hernández, Dra. Marta Rasia, Bioq. Daniel Vaccaro. Física Biológica. Facultad de Ciencias Médicas, UNR.

Contenidos Introducción. Objeto y método de la termodinámica. Sistemas termodinámicos. Temperatura y energía cinética. Calor y equilibrio térmico. Energía interna: calor y trabajo. Postulado de permanencia: El Primer Principio. Metabolismo basal. Rendimiento del cuerpo humano como máquina. Potencia. Postulado de evolución: El segundo principio. Homogeneidad y entropía. Interpretación termodinámica del metabolismo animal. Referencias bibliográficas. Guía de autoaprendizaje. Introducción Uno de los problemas centrales y ancestrales de la humanidad desde su aparición, fue el manejo de la energía: ha sido siempre la clave de sus mayores objetivos y de sus sueños de un mundo mejor. Se ha dicho que el hombre de las cavernas inició su marcha hacia la civilización cuando utilizó la energía del fuego para obtener calor y luz, y la energía de sus músculos en la maza, y el arco para su alimento y su supervivencia. Desde entonces el bienestar material del hombre ha dependido, en gran parte, de la utilización de nuevas formas de energía: primero el viento (en las velas y en los molinos) y las caídas de agua. Más tarde, las máquinas mecánicas y las reacciones químicas de los combustibles. Por último, en nuestra época dependemos de la magia de la energía eléctrica, la amenaza de la energía atómica y la promesa de la energía solar. La energía es un concepto básico en ciencia. Por un lado, todo lo que existe -incluso la materia- es energía y, por lo mismo, todo lo que ocurre en el Universo se puede ver como transformaciones energéticas. Por ejemplo, los procesos que denominamos "pensar" y "vivir" requieren de aportes energéticos para que tengan lugar. La energía del sol es la fuente principal de vida en la Tierra. Sin ella, el océano se helaría. La temperatura en la superficie caería casi hasta el cero absoluto (-273 °C). La energía solar dirige los ciclos geofísicos y geoquímicos que mantienen la vida entre ellos, el ciclo del oxígeno, el del agua, el del carbono, y el del clima. El sol nos suministra alimentos, por medio de la fotosíntesis, y la mayor parte de nuestro


combustible. Los combustibles fósiles son simplemente energía solar almacenada –el producto de la fotosíntesis hace millones de años. Casi el 99% de la energía que fluye desde y hacia la superficie terrestre es el resultado de la radiación solar. El calor procedente del centro de la Tierra y las fuerzas gravitatorias del sol y la luna hacen el resto. La radiación solar que recibe la Tierra es el equivalente al total de la energía procedente de 173 millones de inmensas centrales energéticas, trabajando a pleno rendimiento todo el día, cada día. Pero el 30% de esta energía sale reflejada hacia el espacio. Del resto, una gran parte calienta el aire, el mar y la tierra (47%), o se consume por la evaporación y el ciclo del agua (23%). La Termodinámica se desarrolló para estudiar las transformaciones energéticas que tienen lugar en cualquier sistema. Otra importancia del análisis termodinámico es que permite predecir la "factibilidad" de un proceso espontáneo. Introduciremos algunos conceptos de la Termodinámica que resulten accesibles y útiles para su aplicación biológica. Objeto y método de la termodinámica Al decir de Albert Szent-Gyorgyi: “La Termodinámica es una ciencia rara. Es un sistema de lógica basado en tres postulados que nunca fueron probados ni refutados. Manipulando inteligentemente símbolos e ideas ha establecido relaciones entre las distintas formas de energía…que nos permiten espiar desde atrás del escenario cómo trabaja la Naturaleza… La termodinámica puede decirnos cómo hace la Naturaleza para moldear fenómenos tan complejos como la contracción muscular a partir de reacciones más simples.” El análisis de un sistema puede hacerse desde un punto de vista macroscópico o microscópico. Propiedades tales como presión, volumen o temperatura se refieren a las propiedades en gran escala del sistema, proporcionando una descripción macroscópica del mismo. Tal descripción no involucra suposiciones en cuanto a la estructura de la materia. En cambio, una descripción microscópica necesita de la especificación de numerosas variables, por ejemplo la velocidad y posición de las partículas que constituyen la estructura de la materia. Sistemas termodinámicos Desde el punto de vista termodinámico, se define a un sistema como la porción del Universo sometida a estudio.


El sistema puede ser "algo" tan concreto como un automóvil o una célula, o "algo" tan abstracto como una reacción química que no tiene ubicación ni límites materiales. Definir "cuál es el sistema" está a cargo del analista, es lo primero que éste debe realizar, y mantenerlo a lo largo de todo el análisis. Para ello, deberá tener en cuenta que el sistema definido debe ser el más conveniente para describir en forma simple cualquier cambio de materia y/o energía que en él suceda. La definición del sistema incluye fijar sus "límites", los cuales pueden ser reales o imaginarios. Todo lo que queda fuera de ese sistema y que pueda interaccionar con él, se denomina entorno. De tal manera que: SISTEMA + ENTORNO = UNIVERSO Por ejemplo: Si se tiene café caliente en una taza, en un lapso de tiempo la taza se calentará a expensas del café que le cederá calor y ambos alcanzarán una misma temperatura, que será mayor que la del ambiente. A su vez, café y taza se irán enfriando hasta la temperatura ambiente. Esta historia ilustra una sucesión de procesos termodinámicos, en los cuales la energía en forma de calor, fluye de los cuerpos de mayor hacia los de menor temperatura. Se puede estudiar algún aspecto o etapa del ejemplo anterior y, de acuerdo a la elección, el sistema puede ser diferente: a) el café; b) el café y la taza c) el café, la taza, y la habitación. Cuando en un sistema ocurre un proceso, el sistema cambia de estado; es decir, el sistema pasa de un estado inicial a otro final. Cada estado está definido por un conjunto de variables que determinan sus propiedades: temperatura, presión, viscosidad, volumen, etc. Por ejemplo: si el café recién hecho (estado inicial) se deja a temperatura ambiente, pasa a otro estado (final) de menor contenido energético. Veremos que el sistema puede o no interaccionar con el entorno y, de acuerdo a ello, se lo clasifica como: -

Abierto: Si intercambia materia y energía. Ejemplo: un ser vivo, una estufa a gas encendida, una célula, un tejido, una pava hirviendo, etc.

-

Cerrado: Si sólo intercambia energía. Ejemplo: una plancha en funcionamiento, un frasco hermético que contiene agua caliente.

-

Aislado: Cuando no intercambia ni materia ni energía. Ejemplo: el Universo, el termo perfecto.


Se llama proceso al conjunto de modificaciones que se producen en el sistema y que conducen a un cambio de estado del mismo. Para el caso de sistemas abiertos o cerrados, involucra la interacción con el entorno. La sucesión ordenada de estados intermedios o situaciones por las que el sistema atraviesa al evolucionar se denomina camino. Conviene señalar que los procesos que puede experimentar un sistema están siempre vinculados a la existencia de diferencias en los valores de propiedades entre el sistema y el entorno, o entre distintas partes del sistema. Estas diferencias son una manifestación de la existencia, a nivel molecular, de fuerzas responsables de la evolución, y tiene relación con el sentido de la misma, ya que el cambio se produce tendiendo a anularlas. Por ejemplo: un proceso de compresión o expansión se produce a expensas de una diferencia de presión o de temperatura, tendiéndose en ambos casos a anular dicha diferencia. Temperatura y energía cinética Toda la materia, sólida, líquida y gaseosa, está constituida por átomos o moléculas que se agitan continuamente. Por dicho movimiento los átomos o moléculas tienen energía cinética. La energía cinética promedio de las partículas individuales se relaciona en forma directa con lo caliente que se siente algo. Siempre que algo se calienta sabemos que aumenta la energía cinética de sus partículas. Si pones un recipiente con líquido sobre una llama, el recipiente y el líquido se calientan. Cuando un sólido, líquido o gas se calienta, sus átomos o moléculas se mueven con más rapidez. Tienen más energía cinética. La variable que nos indica qué tan caliente o qué tan frío está un objeto respecto de una referencia, es la temperatura. Esta se expresa por medio de un número que corresponde a una marca en cierta escala graduada (°C: Celsius, °K: Kelvin, °F: Farenheit). La temperatura es una "magnitud", es una propiedad de un sistema que puede ser medida. La temperatura se relaciona con el movimiento aleatorio de los átomos y moléculas de una sustancia. En forma más especifica, la temperatura es proporcional a la energía cinética “de traslación” promedio del movimiento molecular, el movimiento que lleva a la molécula de un lugar a otro.. Las moléculas también pueden girar o vibrar, con su energía cinética de rotación y vibración correspondiente, pero esos movimientos no afectan en forma directa a la temperatura.


El efecto de la energía cinética de traslación en función de la energía cinética de vibración y rotación se demuestra en forma dramática en un horno de microondas. Las microondas que bombardean los alimentos hacen que ciertas moléculas de éstos, principalmente las moléculas de agua, vibren y oscilen con gran cantidad de energía cinética. Pero las moléculas que oscilan no cuecen los alimentos. Lo que eleva la temperatura y cuece el alimento es la energía cinética tradicional que las moléculas de agua en oscilación imparten a las moléculas vecinas que rebotan con ellas. Para que lo comprendan mejor, imagina un puñado de canicas que salen despedidas en todas las direcciones al encontrarse con las aspas de un ventilador. Si las moléculas vecinas no interactuaran con las moléculas de agua en oscilación, la temperatura del alimento no cambiaría respecto a la que tenía cuando se encendió el horno. Calor y equilibrio térmico La materia contiene diversas formas de energía: cinética, potencial, química, etc. Es erróneo pensar que la materia contiene calor. Energía Calórica o calor: Es la energía que fluye entre dos cuerpos de distinta temperatura. Así, aumenta el contenido energético del cuerpo que se calienta y disminuye el contenido energético del que se enfría. Es decir, es la energía que se transfiere de un objeto más caliente (el de mayor Energía Cinética molecular promedio) a otro más frío (de menor Energía Cinética molecular promedio) debido a la diferencia de temperatura. Cuando dos o más objetos que están en o alcanzan la misma temperatura, el calor deja de fluir entre ellos y se dice que están en equilibrio térmico. El termómetro permite medir la temperatura de un cuerpo en o con él cuando ambos alcanzan el equilibrio térmico. Con estos conceptos se puede enunciar la ley Cero de la Termodinámica: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces, están en equilibrio térmico entre sí”. “Dos sistemas están en equilibrio térmico, si y sólo sí, tienen la misma temperatura”. Transmisión del calor Para que dos cuerpos, que están a distinta temperatura, alcancen la misma temperatura es necesario transferir energía (calor) del más caliente al más frío. Esta transferencia se puede hacer de tres maneras: -

Conducción: En este caso, la transmisión del calor ocurre debido a los os


directos o choques entre átomos o moléculas. La conducción implica el movimiento de la energía de una molécula a otra. En un sólido con zonas de diferente temperatura, o entre dos cuerpos en o, es el mecanismo más importante de transmisión. Los mejores conductores del calor son los metales, mientras que los líquidos y gases son malos conductores, y por lo tanto son buenos aislantes. La madera, la lana, el papel, la nieve son ejemplos de buenos aislantes. Ejercicio: Si se toca un trozo de metal y un trozo de madera que están a la misma temperatura ambiente. ¿Cuál parece más frío al tacto? ¿Por qué? -

Convección: Aquí, a diferencia de la conducción, lo que se desplaza es la sustancia caliente originando corrientes de convección. Por ejemplo: el aire calentado por una estufa, asciende y calienta las regiones superiores. La brisa marina se origina por lo mismo: durante el día, la arena se calienta más que el agua. El aire sobre ella se eleva y una corriente de aire frío proveniente del agua toma su lugar; durante la noche sucede lo contrario.

-

Radiación: Dado que en el espacio hay vacío, el calor del Sol no se puede transferir por conducción ni por convección para producir el calentamiento de la Tierra. Entonces, ¿cómo llega el calor a la Tierra? Por medio de ondas electromagnéticas que constituyen la radiación. La energía radiante capaz de transmitirse en el vacío comprende diversas bandas del espectro electromagnético, entre ellas, la radiación infrarroja que al ser absorbida por la materia aumenta la agitación térmica de las moléculas provocando aumento de su temperatura. La radiación infrarroja se identifica con el calor. En general, todos los cuerpos emiten y reciben energía radiante del entorno en una cantidad que depende de su temperatura.

Energía interna. Calor y trabajo Un sistema constituido por una sustancia pura, contenida en un recipiente a una dada temperatura, no sólo contiene energía cinética debida al movimiento de sus moléculas (de rotación, traslación o vibración) posee además energía potencial relacionada con las fuerzas de distinta naturaleza (gravitacional, eléctrica, elástica, de presión) que se ejercen sobre dichas moléculas. El total de todas las formas de energía que contiene esa sustancia o sistema se denomina Energía interna (Ei).

Et = Ecinética molecular + Epotencial

molecular

= Ei


Los sistemas termodinámicos contienen energía interna (y no calor). Este contenido de energía interna es inherente a la estructura interna del sistema y es independiente de la energía potencial del sistema en su entorno (si está en un campo de fuerzas) y de su energía cinética (si está en movimiento). Por ejemplo, el valor de energía interna de una sustancia contenida en un recipiente a una temperatura dada, será el mismo independientemente de la altura del recipiente respecto al piso o del movimiento del recipiente (por ejemplo en una centrífuga). Una bomba atómica determinada posee la misma Energía interna, ya sea que se encuentre en un submarino sumergido a miles de metros bajo el nivel del mar o se encuentre en vuelo en la cabeza de un misil. La descripción del estado de un sistema se hace a través de propiedades denominadas variables de estado. La energía interna es una función definida por el estado del sistema como lo son la presión, el volumen y la temperatura; por esto la energía interna es una variable de estado. El valor absoluto de energía interna de un sistema depende de parámetros microscópicos y es difícil de medir con la tecnología actual, pero sí puede calcularse el cambio de energía interna (∆Ei) cuando el sistema cambia de estado que no depende de las particularidades del proceso utilizado para efectuar el cambio. Un sistema cerrado puede modificar su energía interna intercambiando con el entorno algunas de las dos formas de energía en tránsito: calor (Q) y/o trabajo (W), es decir: a) Calor(Q). Si existe diferencia de temperatura (∆T) entre sistema y entorno, habrá un movimiento de energía llamada calor, del más caliente al más frío. b) Trabajo (W) es la energía que entrega el sistema a su entorno cuando ejerce algún tipo de fuerza sobre él, o a la inversa, es la energía que recibe el sistema cuando el entorno ejerce una fuerza (de compresión o expansión, elástica, eléctrica, química, etc.) sobre él. Si el sistema entrega trabajo o calor al entorno, ambas energías tendrán signo negativo. Si el entorno realiza trabajo sobre el sistema o si el sistema recibe calor del entorno ambos tienen signo positivo. De aquí se deducen dos formas para definir el término "energía": 1) Es la capacidad de un sistema para realizar trabajo. 2) Es todo lo que puede transformarse en calor. Cuando un sistema cerrado evoluciona, intercambia calor o trabajo con el entorno, pasando de un estado inicial (1) a un estado final (2), por lo que sufrirá un cambio en su


energía interna. ∆Ei = Ei2 - Ei1 = Q + W

Postulado de permanencia: el primer principio Si analizamos la posibilidad de aumentar la energía interna de un sistema agua - vaso, concluimos que debemos calentar, agitar o iluminar el vaso con agua. Es decir, no puede aumentarse la energía interna del sistema sin que ingrese energía desde el entorno. Es decir, si aislamos el sistema no podrá aumentar su energía interna. La observación de los fenómenos a lo largo de la historia muestra que la energía no surge de la nada. Si un sistema abierto o cerrado "gana" energía, ésta debe provenir del entorno y a la inversa, si un sistema "pierde" energía, ésta pasa al entorno. El Primer Principio se puede enunciar de distintas maneras: - "La energía no puede ser creada ni destruida, se transforma". - "La Energía interna del Universo es constante". - "No existe un sistema abierto o cerrado que realice trabajo perpetuamente sin recibir energía". "Si un sistema cerrado es sometido a un proceso cíclico (vuelve a su estado original), el trabajo producido sobre el medio ambiente es igual al calor extraído del mismo por el sistema". Para un sistema aislado, la energía interna no puede modificarse ∆Ei = Ei2 – Ei1 = 0 El Universo es un sistema aislado, no tiene entorno, por lo tanto la energía interna del Universo es constante. Para un sistema cerrado, su contenido de energía varía durante un proceso de acuerdo al balance entre la energía que gana y la que pierde. Teniendo en cuenta que las formas de energía en tránsito son calor (Q) y trabajo (W) y que estas variables tendrán signo positivo cuando ingresan al sistema y negativo cuando salen de él, para los sistemas cerrados el primer principio tiene la siguiente expresión matemática: ∆Ei sistema = Q + W

W Q Q


Supongamos un sistema cerrado que absorbe calor del entorno y le entrega trabajo: ∆Ei sistema = +Q - W ∆Ei entorno = -Q + W ∆Ei universo = ∆Ei sistema + ∆Ei entorno = +Q - W -Q + W = 0 Surge que: "La Energía interna del Universo es constante". Por último, si el sistema es abierto: ∆Ei = Q + W + E materia Aplicando el primer principio de la termodinámica, por ejemplo, al sistema ser vivo resulta: ∆Ei = Q + W + E materia Cuando la cantidad de energía incorporada con los alimentos (E materia) es igual a la cantidad liberada al entorno como calor y trabajo (Q + W), la energía interna del organismo se mantiene constante. - Q - W = E materia ∆Ei = 0 Sin embargo, esta situación es más bien la excepción que la regla. Durante el crecimiento, la energía química del organismo aumenta progresivamente (∆Ei tiene signo positivo), lo mismo ocurre cuando un adulto aumenta su peso. Emateria > Q + W ∆Ei > 0 En cambio, hay una disminución de la energía química del organismo en las insuficiencias nutricionales. En períodos de ayuno (desnutrición, inanición) se anula el aporte energético brindado por los alimentos (E

materia

= 0), entonces los compuestos de

depósito como glucógeno, lípidos y proteínas se degradan liberando la energía química almacenada en ellos manteniendo los procesos biológicos. ∆Ei = Q + W + E materia ∆Ei = - Q - W + 0 ∆Ei < 0 Es fácil comprender que en el individuo normal se produzcan fluctuaciones en los depósitos de energía interna que se ponen de manifiesto por cambios en el peso corporal durante el día.


Metabolismo basal El metabolismo consiste en el conjunto de todas las transformaciones que tienen lugar en los sistemas biológicos. Desde el punto de vista de la energía, el metabolismo consiste en el aprovechamiento de la energía química contenida en los alimentos ingeridos y en su eliminación posterior en forma de energía utilizada. El ser vivo obtiene energía de la oxidación de moléculas complejas (carbohidratos, proteínas, grasas) denominada energía metabólica. Una parte la utiliza para sus procesos vitales y el resto es eliminada al exterior en forma de calor. La energía utilizada en los procesos vitales es eliminada finalmente al exterior, también en forma de calor.

La cantidad total de calor eliminado al exterior da idea de la actividad interna del organismo, que se puede estimar midiendo el 02 consumido durante un determinado período. La velocidad con que el organismo consume energía se llama tasa metabólica. En condiciones de reposo una persona de 1,75 m2 de superficie corporal; 1,75 m de altura y 76 Kg de masa, consume 92 Kcal/h. Esta es la cantidad de energía necesaria para desarrollar las funciones corporales mínimas (respiración, bombeo cardíaco, etc.) y se denomina tasa metabólica basal y equivale a consumir aproximadamente 0,3 litros de 02 por minuto. Más allá de la tasa metabólica basal, el consumo energético depende de la actividad física realizada. Por ejemplo: jugando al tenis se consumen 1,26 litros de 02 por minuto, lo que equivale a 6,3 kcal de energía por minuto; caminar lentamente consume 0,76 litros de 02 /min que equivalen a 3,8 kcal/min de energía. La medición del oxígeno consumido por el cuerpo es una buena estimación de la energía liberada (calor más trabajo). Del mismo modo, se puede obtener una estimación de la energía que proveen los distintos tipos de alimento en función del oxígeno


consumido para su oxidación. La tasa metabólica basal depende fundamentalmente de la función tiroidea. Una persona con una glándula tiroides hiperactiva tendrá mayor metabolismo basal que una normal. La tasa metabólica depende también de la temperatura corporal. Los procesos químicos que se desarrollan en el cuerpo son dependientes de la temperatura; un pequeño cambio en ella puede producir un gran cambio en la velocidad de las reacciones químicas. Por ejemplo: la hibernación utilizada durante las cirugías cardíacas (se mantiene al paciente a baja temperatura) tiene por finalidad disminuir el metabolismo para reducir el flujo sanguíneo. Es obvio que para mantener un peso constante, un individuo debe consumir alimentos en la cantidad justa y necesaria para atender al metabolismo basal más la actividad física que desarrolla. Comiendo muy poco provocará una pérdida de peso y a la inversa, un aumento del peso corporal. Observando la gráfica de la utilización de la energía por el organismo vivo, resulta evidente que sólo una pequeña parte es entregada al entorno como trabajo. Más aún, algunas veces el esfuerzo realizado no constituye “trabajo” en un sentido físico. Sabiendo que trabajo es el desplazamiento logrado contra una fuerza, si una persona camina o corre sobre una superficie horizontal a velocidad constante (la fuerza de gravedad que actúa sobre ella, es perpendicular al movimiento), el trabajo que realiza es nulo. De igual manera, si la persona empuja un cuerpo y no logra desplazarlo, el trabajo externo es cero porque el desplazamiento es nulo. Sin embargo, en ambas circunstancias los músculos realizan trabajo interno, se utiliza energía química para la contracción muscular y parte se pierde como calor. Este es retirado por la sangre y conducido hacia la piel para disiparlo al exterior. Sabiendo que trabajo es el desplazamiento logrado contra una fuerza, si una persona camina o corre sobre una superficie horizontal a velocidad constante (la fuerza de gravedad que actúa sobre ella, es perpendicular al movimiento), el trabajo que realiza es nulo. De igual manera, si la persona empuja un cuerpo y no logra desplazarlo, el trabajo externo es cero porque el desplazamiento es nulo. Sin embargo, en ambas circunstancias los músculos realizan trabajo interno, se utiliza energía química para la contracción muscular y parte se pierde como calor. Este es retirado por la sangre y conducido hacia la piel para disiparlo al exterior.


Rendimiento del cuerpo humano como máquina El ser vivo puede analizarse como una máquina. Claro que su funcionamiento se encuentra alejado del ideal debido a que solo parte de la energía química de los alimentos es utilizada por el hombre para realizar trabajo mecánico: los procesos vitales que ocurren en él implican un gasto energético mucho mayor que el trabajo externo producido. La relación entre el trabajo que efectúa una máquina o el ser vivo sobre el entorno y la energía total consumida para realizarlo, se denomina rendimiento(R) o eficiencia. Generalmente se lo expresa como porcentaje, y se calcula de la siguiente manera: R = (W realizado / Energía total) x 100 El rendimiento del cuerpo humano como máquina puede estudiarse a través de la prueba ergométrica: un individuo pedalea sobre una bicicleta fija que tiene una resistencia ajustable en diferentes valores. De esta manera, el trabajo externo realizado y la potencia desarrollada pueden medirse al igual que el oxígeno consumido durante dicha actividad. Sabiendo que por cada litro de oxígeno consumido se producen entre 4.8 y 5 kcal, se puede calcular la cantidad de energía total consumida durante la prueba. Con el trabajo externo (W) realizado y la energía total consumida podemos obtener la eficiencia o rendimiento (R) del cuerpo como máquina. Ejemplo: Durante un ejercicio físico que implique un trabajo de 10 Kcal/hora, el organismo proporciona 60 Kcal/hora de las cuales 50 Kcal/hora se eliminan al exterior como calor. El rendimiento de la operación es del 17 %. La eficiencia del cuerpo humano en condiciones óptimas puede alcanzar valores del orden del 25%. La actividad deportiva más eficiente es el ciclismo. Potencia En la definición de trabajo, no se especifica cuánto tiempo se tarda en hacerlo. Subir una escalera de 10 metros de altura a una persona de 80 Kg, implica realizar el mismo trabajo en 1 minuto que en 10 minutos. ¿Por qué se siente más fatigado cuando lo realiza en menos tiempo? Para responder a esta pregunta es necesario referirse a la rapidez con que se realiza el trabajo, es decir, a la potencia. Potencia (P) se define como el trabajo realizado (W) por unidad de tiempo (t). P=W/t Su unidad:

watt (wattios): Joule / segundo


Postulado de evolución: el segundo principio Consideremos los siguientes procesos que provienen de nuestra vida cotidiana: a) el agua caliente abandonada en un recipiente cerrado, se enfría hasta la temperatura ambiente; b) un globo que se pincha se desinfla; c) una pelota que rueda hasta el borde de la mesa cae al piso; d) una gota de tinta que cae en un vaso de agua se difunde. En estos procesos espontáneos, el balance energético demuestra que cumplen el primer principio. Sin embargo, en los procesos inversos a los enunciados: e) el agua a temperatura ambiente se calienta; f) el globo se infla; g) la pelota se eleva hasta la mesa; h) la tinta dispersa se separa del agua, se cumple también el primer principio, pero la experiencia nos dice que nunca ocurrirán espontáneamente. Ello se debe a que el primer principio se refiere a la energía total. Pero aquí conviene resaltar que no toda la energía de un sistema está disponible para realizar trabajo. De acuerdo a este concepto, hay una energía útil y otra inútil (realmente no es inútil, sino “no disponible” para realizar trabajo en las actuales condiciones del sistema). Así, la energía total del sistema es la suma de la energía útil más la inútil. El primer principio tampoco explica que un proceso consuma energía. Por ejemplo, un coche para moverse consume energía química de la nafta. En realidad, el coche libera al entorno una cantidad de calor equivalente a la energía que toma de la nafta satisfaciendo el primer principio, lo que en realidad consume es energía útil y libera energía inútil. La energía útil que contiene el sistema es una variable de estado que se la denomina energía libre (F) y mide la energía que está disponible para realizar trabajo. Aplicando estos conceptos a los procesos espontáneos enunciados, todos ellos se acompañan de disminución de F (∆F <0). Cuando un sistema aumenta su energía libre durante un proceso (∆F > 0) es porque recibe E libre del entorno. Un proceso así no puede darse en un sistema aislado. Para que los procesos de los ejemplos e, f, g y h se lleven a cabo es necesario la intervención del calentador, el inflador, el elevador y el destilador, respectivamente, que pertenecen al entorno. Ellos, al entregar energía útil al sistema, sufren una disminución de su energía útil. ∆F sistema >0 y ∆F entorno <0 De modo que, si consideramos al entorno más el sistema en conjunto como un único sistema más amplio (obsérvese que tal sistema es el universo -típicamente aisladoy que, en consecuencia, solo pueden ocurrir en él procesos espontáneos), se cumple que:


∆F total = ∆F sistema + ∆F entorno < 0 que son las condiciones propuestas para los procesos espontáneos. La entropía (S) no es una forma de energía, es una propiedad del sistema relacionada con su contenido de energía que no puede ser transformada en trabajo (es una medida del grado de inutilidad de su Ei). La energía entrópica (o "inútil") se obtiene multiplicando S x T (entropía por temperatura). La entropía mide el grado de desorden del sistema, y cuanto mayor sea el mismo, menor es su capacidad para realizar trabajo. "S" es una propiedad del sistema y es una variable de estado. El Segundo principio refiere que cuando ocurre un proceso espontáneo, disminuye la capacidad del sistema de realizar trabajo, es decir, disminuye su Energía libre (∆F< 0). A su vez, siempre que ocurre un proceso, hay transformación de energía útil (F) en energía inútil (T.∆S). Pero, ¿en qué tipo de energía inútil aparece esa transformación de energía útil, teniendo en cuenta que la energía no puede destruirse sino transformarse? El calor es la forma menos útil de energía, porque toda forma de energía puede transformarse ilimitadamente en calor, pero la transformación de calor en otra forma de energía es difícil y limitada. Por lo dicho, también es una forma privilegiada de energía ya que cualquier forma de energía puede transformarse íntegramente en calor, pero nunca se puede transformar todo el calor en otra forma de energía. En consecuencia, dado que en cualquier proceso, al menos una parte de la energía que implica se transforma en calor, ésta es la única forma de energía que aumenta constantemente. Por lo tanto, toda la energía del Universo con el transcurso del tiempo será entrópica: habrá desaparecido incluso la materia y toda la energía estará exclusivamente como calor y en consecuencia no disponible para realizar procesos. Esta situación es conocida como muerte entrópica del Universo. El postulado de evolución (segunda propiedad de la energía) es el Segundo Principio de la Termodinámica: -

"En un sistema aislado, sólo pueden ocurrir procesos espontáneos que van acompañados de un aumento de entropía".

-

"La Entropía (S) del Universo siempre crece, con cada proceso que se produce en él". Aplicando este principio a uno de los ejemplos enunciados al comienzo:


d) Una gota de tinta que cae en un vaso de agua, difunde. En un primer momento, el sistema tinta–agua se halla en un estado de baja entropía (ordenado porque no están mezcladas las moléculas de tinta con las de agua). Con el transcurso del tiempo, las moléculas de tinta difunden alcanzándose un estado final donde todas las moléculas se hallan mezcladas (macroscópicamente homogéneo; microscópicamente desordenado), es decir, un estado con un alto contenido entrópico. El sistema utilizó su propio contenido de energía útil para realizar el proceso de difusión, provocando un aumento de su desorden. ¿Qué ocurre con los parámetros termodinámicos que estamos estudiando cuando se llega al fin de un proceso espontáneo? La energía útil del sistema alcanza el mínimo valor mientras que la entropía alcanza el máximo valor. Entonces, el sistema ya no evolucionará; permanecerá estable en el tiempo mientras se mantengan las condiciones que lo llevaron a ese estado (∆F= 0 y ∆S= 0). Es decir, habrá alcanzado el equilibrio termodinámico. Equilibrio es un término empleado por artistas, economistas, políticos, psiquiatras, atletas y militares y en cada caso tiene una acepción distinta. Termodinámicamente, un sistema se halla en estado de equilibrio cuando el sistema mantiene constantes sus variables de estado (F, S, Ei) sin aporte o ayuda desde el entorno. Homogeneidad y entropía Otra forma de abordar el segundo principio es desde el concepto de homogeneidad. Es útil para aplicar a la biología, porque explica los procesos de flujo, tan comunes en los seres vivos. Para los ejemplos enunciados al principio, las situaciones de equilibrio serán: en (a) cuando la temperatura del agua sea igual a la del ambiente, en (b) cuando la presión en el globo sea igual a la del entorno, en (c) cuando la tiza no pueda descender más y en (d) cuando la tinta esté uniformemente distribuida en el agua. Antes de ocurrir los procesos existían inhomogeneidades de temperatura en (a), de presión en (b), de altura en (c) y de concentración en (d) que generaron flujos de calor (a), de materia (b), (c) y (d). Estas inhomogeneidades dieron lugar a procesos que las destruyeron llevando a los sistemas a sus equilibrios (homogeneidad). Asociando estos conceptos con los enunciados anteriormente, podemos decir que el contenido de "S" de un sistema mide su grado de homogeneidad. Dicho de otra manera, la incapacidad de su energía de generar flujos.


Aplicando lo visto a nuestro organismo y dado que la vida es un conjunto de procesos: la sangre circula, el aire de los alvéolos es constantemente renovado, en todas las células hay flujos de sustancias que atraviesan las membranas saliendo o entrando, etc. Para que estos procesos ocurran, son necesarias inhomogeneidades: la diferencia de presión de la sangre entre los extremos arterial y venoso del sistema circulatorio; de presiones parciales de gases entre el ambiente y nuestros pulmones; la diferencia de concentración de sustancia a ambos lados de la membrana, etc. Los procesos vitales accionan en el sentido de destruir estas inhomogeneidades y nuestro organismo se encarga de restaurarlas constantemente con el aporte de energía libre (F) (el trabajo cardíaco, el trabajo de los músculos respiratorios, el trabajo de las bombas iónicas, etc.). La energía libre aportada por estos sistemas proviene en última instancia de los alimentos. Ciertas moléculas complejas han sido seleccionadas evolutivamente para actuar como depósito de energía libre. Esta energía es de tipo química y es la energía de los enlaces químicos de moléculas altamente ordenadas. Nuestro cuerpo puede considerarse como un sistema abierto al cual ingresa energía química de éstas moléculas orgánicas complejas (polisacáridos y lípidos). Durante el catabolismo, esas moléculas son degradadas en moléculas más simples, más desordenadas (CO2 y H2O) liberándose la energía libre de sus enlaces químicos rotos. En una primera etapa, esa energía queda almacenada en los llamados compuestos de alto contenido energético (como el ATP), con enlaces especiales denominados macroérgicos, con los que el organismo “paga” la restauración de sus inhomogeneidades. Antiguamente se consideraba que los sistemas biológicos (una sola oveja, una manada, todas las ovejas del mundo, todos los animales del mundo, toda la biosfera) estaban en equilibrio. Actualmente se considera que en un organismo, desde que se origina hasta su muerte, ocurren una serie de crisis y transiciones, es decir en un huevo fecundado las células se dividen y forman una masa (mórula) que no queda como tal, sino que luego se ahueca (blástula) y más tarde se invagina (gástrula), pasando después por otros estados que incluyen los de embrión, feto, niño, adolescente, adulto, anciano y cadáver. Cada una de las etapas desde embrión hasta adulto joven se caracteriza por procesos que lo alejan del estado de equilibrio. En todas estas etapas, en el organismo suceden procesos tan complejos como la construcción del intestino, de los circuitos neuronales, de las glándulas, y se dice que el organismo se encuentra en evolución. El adulto joven es un sistema termodinámico inestable (de lo que da cuenta la facilidad con que se destruye la vida) porque se mantiene en un estado, muy alejado del


equilibrio, necesario para que tengan lugar los procesos vitales. Esta lejanía del equilibrio genera procesos de equilibración que, como hemos visto, constituyen la vida. Ahora bien, cada uno de los procesos que llamamos vida aumentan la entropía del organismo y sin embargo, en líneas generales, sus parámetros no varían en el tiempo, no desaparecen sus inhomogeneidades que son mantenidas a expensas de otros procesos no espontáneos que ocurren simultáneamente. A esta situación tan extraordinaria en el mundo físico se la denomina estado estacionario. Es interesante analizar el comportamiento de las propiedades del sistema en dos casos: cuando el sistema está en estado de equilibrio y cuando está experimentando una evolución. Un estado de equilibrio en un sistema implica valores de todas sus propiedades constantes en el tiempo. Esa constancia se logra sin el aporte de energía desde el entorno. En una evolución, en cambio, se observará que al menos una variable experimentará variación en sus valores a lo largo del tiempo. Tanto el estado de equilibrio como el estado estacionario son invariables en el tiempo, las propiedades del sistema no se modifican, pero se diferencian específicamente en el aporte de energía desde el entorno ( el estado de equilibrio no necesita que el entorno le brinde energía para mantenerse, mientras que en el estado estacionario sí lo requiere). Cuando se produce la muerte, las inhomogeneidades desaparecen, pero aún así nuestro organismo permanece lejos del equilibrio por la energía libre atesorada en la sofisticada estructura de las moléculas que lo constituyen. Recién cuando todas ellas se han destruido y transformado en moléculas simples (H2O y CO2) se llega al equilibrio. Los criterios de equilibrio servirían, a lo sumo, para estudiar un cadáver en un congelador, pero no a un ser vivo. Si dejáramos un cadáver fuera del congelador se iría descomponiendo, lo que también constituye un proceso. De manera que el equilibrio no nos sirve ni siquiera para estudiar procesos post mortem y mucho menos para estudiar la vida. Siguiendo con el estado estacionario, un ejemplo muy simple lo tenemos en un recipiente dividido en dos compartimentos por una pared central y conteniendo líquido en ellos. Si la pared está completa, un desnivel entre los compartimentos no significa


inhomogeneidad, ya que al no estar conectados entre sí, el líquido no puede fluir de uno al otro (A). Pero si se abre un orificio en la parte inferior de la pared central, la inhomogeneidad de niveles provocará el flujo (proceso) que llevará al sistema a su equilibrio: igualdad de niveles (B).

A

B

Consideremos ahora que se coloca una bomba que trasloca líquido del compartimento de menor nivel al otro a la misma velocidad con que el líquido fluye espontáneamente por el orificio en sentido opuesto, pero que esa bomba no pertenece al sistema sino al entorno (C). El desnivel permanecerá en el tiempo, el sistema no cambia pero tampoco está en equilibrio, su energía libre está disminuyendo en el proceso espontáneo de flujo, pero es constantemente repuesta por el entorno (la bomba), que pierde más energía libre que la que gana el sistema. BOMBA

C Para que el organismo pueda mantenerse en estado estacionario a pesar de los procesos vitales es preciso que expulse continuamente el exceso de entropía que está produciendo; es decir, necesita eliminar sin cesar materia y energía en estado de entropía alta (sustancias de deshecho y calor) y reemplazarla por cantidades equivalentes de materia y energía en estado de entropía baja (incorporar energía libre). Por lo tanto, el problema de la alimentación no consiste propiamente en adquirir energía o materia, pues cada unidad que se adquiere reemplaza a otra igual que se elimina; si no en adquirir energía libre que se degrada en los procesos vitales y se elimina en ese estado. La energía libre de las moléculas orgánicas de nuestra alimentación procede, en


último término, de la energía altamente ordenada del sol que los vegetales capturan durante la fotosíntesis y depositan en forma de enlaces químicos de sustancias orgánicas complejas. (En la fotosíntesis, CO2 y H2O se combinan formando glucosa). Resulta claro entonces, que aunque pueda parecer, a primera vista, que el ser vivo viola el segundo principio de la Termodinámica en cuanto es capaz de disminuir su entropía durante el crecimiento y mantenerlo en un nivel constante durante la adultez, en verdad no es tal. El aumento de entropía previsto por el principio, se da sólo en los sistemas aislados, y el ser vivo, precisamente por el hecho de alimentarse, no es un sistema aislado. Lo que determina entonces la vida es la existencia de mecanismos capaces de expulsar energía entrópica y sustituirla con cantidades equivalentes de energía libre, de modo que el mantenimiento de un estado muy alejado del equilibrio y la extraordinaria organización del sistema biológico son “pagados” con pérdida de energía libre y desorganización del entorno en el cual se desarrolla. Interpretación termodinámica del metabolismo animal El organismo tiene una eficacia de aproximadamente 20 % para convertir la energía química de los alimentos en trabajo mecánico, eléctrico o de síntesis. El 80 % restante aparece como calor o energía térmica. Por consiguiente, todos los procesos que acontecen en el organismo se acompañan de una importante producción de calor, el trabajo invertido en procesos internos como la circulación de la sangre, la secreción, la conducción nerviosa, etc., al producirse se transforman también en calor. Por esto es importante la cantidad de calor que los organismos vivos eliminan al exterior. De acuerdo a los mecanismos que las células utilizan para obtener energía se las clasifica en autótrofas y heterótrofas. Las autótrofas, como las plantas y algunas bacterias fotosintéticas sólo incorporan moléculas simples como CO2 y H2O y a partir de la energía solar construyen con ellas sus biomoléculas complejas. Las heterótrofas, que comprenden en general las moléculas de los organismos superiores y muchas bacterias, requieren el suministro de moléculas complejas de las cuales obtienen energía. El proceso implica una degradación enzimática de esas sustancias nutritivas: carbohidratos, lípidos y proteínas a moléculas simples. En ambos casos, tanto la energía solar como la procedente de los alimentos se almacena en un enlace rico en energía de una molécula bien definida el ADP (Adenosin difosfato) transformándolo en ATP (Adenosin trifosfato).


Energía libre

ADP + Pi

ATP

De modo que el sistema ADP – ATP funciona como un transportador y almacenador de energía en el cual el ATP es la forma rica o cargada de energía y el ADP la forma pobre o descargada. ATP es la “moneda energética” de las células. Cuando la célula necesita realizar un proceso tal como la biosíntesis o la contracción muscular, rompe ese enlace: ATP

ADP + Pi

Energía libre

En el catabolismo de cada mol de glucosa a CO2 y H2O se libera 680 KcaI y con parte de ellas se sintetizan 38 moles de ATP. Como se almacenan 7,3 KcaI /mol para la síntesis de cada ATP a partir de un ADP y un Pi, entonces se almacenan en total: 277 Kcal. 38 ADP +38 Pi C6H12O6 +602 C6H12O6 +602+38 ADP +38 Pi

38 ATP 6 CO2 +6 H20 6 CO2 +6 H20 +38 ATP

Así, la eficiencia del proceso total es de 40%. El restante 60% se disipa como calor. La energía almacenada en el ATP es empleada para mantener el estado estacionario o sea, las inhomogeneidades que permiten los procesos vitales (circulación, respiración, etc.). Estos procesos al transcurrir transforman la energía en calor que también se libera al exterior.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS LEVENSPIEL O.: “Fundamento de termodinámica” 1ª edición. Prentice-Hall Hispanoamericana 8, 1997. BURKE J.R.: “Física. La naturaleza de las cosas” Vol 1. Lea’- 5. M., International Thomson editores, 1998.


CEREJIDO M.: “Orden, equilibrio y desequilibrio. Una introducción a la Biología” 1ª edición. Editorial Nueva Imagen, 1978. GITTEWITTL P.: “Física conceptual” 2ª edición. Addison-Wesley Iberoamericana, 1997. CAMEROFL J.R., SKOFRONICKL J.G.: “Energía, trabajo y potencia en el cuerpo”. En: Medical Physics: Cap. 5. Wiley- lnterscience Publication, 1978.


Guía de autoaprendizaje Luego de estudiar el tema, responda la siguiente guía y consulte a los expertos las cuestiones que usted no pueda resolver.

1)

Defina sistema termodinámico.

2)

Enuncie la clasificación de sistema desde el punto de vista termodinámico. Cite las características de cada uno.

3)

Analice el ser vivo como sistema termodinámico.

4)

Defina Energía.

5)

Defina Energía interna.

6)

Enuncie la ecuación que le permite calcular la variación de energía interna del ser vivo.

7)

Enuncie el postulado del primer principio de la termodinámica.

8)

Explique cuando un proceso es espontáneo. Cite un ejemplo.

9)

Indique en qué estado termodinámico se puede encontrar un sistema. Cite las características de cada uno.

10) Defina Energía libre. 11) Defina Entropía. 12) Analice la evolución de las variables de estado energía libre y entropía en un sistema aislado. Justifique. 13) Enuncie el postulado del segundo principio de la termodinámica. 14) Nombre los mecanismos que utiliza el ser humano para intercambiar calor con el entorno. Explique cada uno. 15) Analice cómo se modifica la entropía y la energía libre en un niño entre los 2 y 8 años de edad. Justifique la respuesta.

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