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Las leyes de la termodinámica

El presente artículo está dirigido a la biología y trata el tema de manera resumida. Para tener acceso a un artículo donde se tratan las leyes de la termodinámica desde el punto de vista de la física con mucha más profundidad pulse aquí.

El estudio de la energía se conoce como termodinámica y esta disciplina científica se resume en dos leyes muy generales que gobiernan los cambios energéticos en todo universo. Como todas las actividades de los seres vivos involucran cambios energéticos resulta muy importante conocer el contenido de tales leyes.

Primera ley de la termodinámica.

Esta ley está vinculada a la cantidad de energía existente en el universo, y establece básicamente que esa cantidad de energía se mantiene constante, que solo puede transformarse de unos tipos a otros pero que no puede ser creada ni destruida.

Atenidos a esta primera ley, entonces podemos asegurar que cuando un organismo vivo se alimenta está adquiriendo energía de aquella contenida ya en el alimento, y de ninguna manera resulta creada energía alguna en este proceso. Simplemente el organismo está transfiriendo a su interior energía potencial contenida en la masa del alimento. Esta forma de flujo de energía se produce cuando algún depredador devora a una presa, o cuando un mono disfruta de una fruta, aquí el tránsito de energía va desde los tejidos del "cazado" a los tejidos del "cazador" sin ganancia energética neta para el planeta. Sin embargo, no siempre el flujo de energía sucede de esta manera. Para formarse la fruta, la planta madre no devoró a otro organismo para obtener la energía y en su lugar la obtuvo de la iluminación solar produciendo una ganancia neta de energía al "inventario" de la Tierra al almacenar esta en la fruta.

Dentro de los organismos vivos la ganancia de energía potencial resulta de transferirla desde unos compuestos químicos (o de la luz solar) a otros, y se almacena en nuevos enlaces químicos, o se utiliza para producir movimiento, luz, o electricidad entre otros. Las conversiones de energía en la práctica no son absolutamente eficientes y cierta cantidad se convierte en calor que se disipa al ambiente. El calor no es más que una medida del movimiento al azar de las moléculas de modo que podemos considerar que siempre parte de la energía potencial terminará como energía cinética debido al movimiento de las partículas.


En un sistema biológico siempre estará entrando energía procedente del sol y esta energía sirve para compensar las pérdidas disipadas como calor que terminan finalmente abandonado el planeta por radiación al espacio.

Segunda ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica solo establece que la energía debe conservarse y esto no es suficiente para caracterizar los sistemas energéticos. Ya hemos dicho arriba que en todo proceso de transformación de energía real siempre se produce calor, de modo que el calor es la forma más común de energía y la observación de los fenómenos en los que está involucrado el calor indican sin lugar a dudas que este siempre fluye desde el cuerpo más caliente al más frío, sin embargo, la primera ley no establece ninguna restricción en ese sentido y perfectamente, de acuerdo a esta ley, el tránsito de calor podía ser en sentido inverso. De tal hecho se desprende una nueva ley relacionada con el calor que se conoce como segunda ley de la termodinámica. Es más difícil establecer un enunciado único para esta ley uno de tales puede decir:

El calor siempre se transfiere de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura y nunca la revés.

Pero los sistemas energéticos tienen otra cualidad demostrada por los experimentos que no está gobernada por la primera ley, y esta es que cuando se trata de convertir una cantidad de calor a trabajo, siempre cierta parte del calor inicial queda como remanente no convertible, y esta propiedad de los sistemas energéticos da pie a otra forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica:

Es imposible convertir todo el calor en trabajo.

Aunque no vamos a hacerlo aquí, no es difícil demostrar que estos dos enunciados, aparentemente diferentes, son equivalentes.

En 1865 Rudolph Clausius establece una nueva magnitud termodinámica, la entropía, que en realidad no tiene significado físico y es una cantidad abstracta que se le asigna a un sistema considerado aislado (como sistema) que se encuentra en determinadas condiciones. La entropía del sistema puede cambiar si cambia el estado del sistema.

Para caracterizar la entropía y hacerla más comprensible podíamos decir que:

El cambio de entropía de un sistema está asociado con la cantidad de energía suministrada al sistema que no puede convertirse en trabajo.

Asociando los dos enunciados anteriores se desprende una conclusión importante: si no todo el calor se puede convertir en trabajo y el cambio de entropía es una medida del remanente no convertible del calor suministrado, entonces en un sistema térmico en el que se desarrolla un proceso térmico lo único que puede suceder es que la entropía aumente y nunca disminuya. Partiendo de esta conclusión podemos enunciar la segunda ley de la termodinámica en una tercera forma:

En los sistemas aislados la entropía nunca decrece.

Analicemos ahora la tendencia de los sistemas naturales en general si no se interfiere en ellos (aislados). Si usted presta atención a las hojas caídas de los árboles verá que se distribuyen al azar sobre el suelo y es altamente improbable que se ubiquen arregladas en filas perfectas, tampoco encontrará un bosque natural con los árboles arreglados por filas, o con los tipos de árboles acomodados uniformemente por zonas en el terreno sin ningún "intruso" de otro tipo rompiendo la regularidad. Además de estos dos ejemplos se puede listar un innumerable grupo de casos con la misma tendencia natural al desorden; y si no está convencido aun, deje solos al grupo de niños pequeños de un aula escolar, si en poco tiempo el local no es un verdadero caos, entonces puede estar seguro que no son niños. Por lo tanto podemos asegurar que:

Los sistemas aislados tienden al desorden.

Lo que da pie a otra forma alternativa de definir la entropía:

La entropía es una medida del desorden de un sistema.



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