LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y SU INTERRELACIÓN CON LOS SERES VIVOS

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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. 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.

 (EcuRed, s.f)
LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Llamada ENTALPÍA Intercambio de materia,por ejemplo  En la célula, la energía contenida en los enlaces de los lípidos y carbohidratos se convierte en ATP, la cual es utilizada en los procesos celulares. Esta energía se transforma.
Resnick P. y Halliday D., Física (2 tomos)


la Primera ley de la termondinámica dice que la energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.
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.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La energía no puede ser creada ni destruida, pero puede cambiar de formas más útiles a formas menos útiles. La verdad es que, en cada transferencia o transformación de energía en el mundo real, cierta cantidad de energía se convierte en una forma que es inutilizable (incapaz de realizar trabajo). En la mayoría de los casos, esta energía inutilizable adopta la forma de calor.
Resnick P. y Halliday D., Física (2 tomos)
ENTROPIA

El grado de aleatoriedad o desorden en un sistema se llama entropía. Puesto que sabemos que cada transferencia de energía resulta en la conversión de una parte de energía en una forma no utilizable (como calor) y que el calor que no realiza trabajo se destina a aumentar el desorden del universo, podemos establecer una versión relevante para la biología de la segunda ley de la termodinámica: cada transferencia de energía que se produce aumentará la entropía del universo y reducirá la cantidad de energía utilizable disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual). En otras palabras, cualquier proceso, como una reacción química o un conjunto de reacciones conectadas, procederá en una dirección que aumente la entropía total del universo.
Para resumir, la primera ley de termodinámica habla sobre la conservación de la energía entre los procesos, mientras que la segunda ley de la termodinámica trata sobre la direccionalidad de los procesos, es decir, de menor a mayor entropía (en el universo en general).
(EcuRed, s.f)

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La tercera ley de la termodinámica, a veces llamada teorema de Nernst o Postulado de Nernst, relaciona la entropía y la temperatura de un sistema físico.
La tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. La tercera ley de la termodinámica también se puede definir como que al llegar al cero absoluto, 0 grados kelvin, cualquier proceso de un sistema físico se detiene y que al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.
Resnick P. y Halliday D., Física (2 tomos)

INTERRELACIÓN CON LOS SERES VIVOS

Por ejemplo, un ser humano que consume alimento, lo descompone en compuestos más simples, utilizados para formar células, tejidos, ligamentos, etc. Este proceso incrementa el orden dentro del cuerpo, y reduce su entropía. Sin embargo, los seres humanos conllevan una constante serie de procesos, tales como:


  1. Transferir calor a la ropa y otros objetos que entran en contacto con él
  2. Generar convección, resultado de la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio ambiente
  3. Irradiar calor al espacio adyacente
  4. Consumir sustancias que contienen energía (i.e. alimento)
  5. Eliminar desperdicios (e.g., dióxido de carbono, agua, componentes presentes en el aliento, orina, heces, sudor, etc.) 
Resnick P. y Halliday D., Física (2 tomos)

 Tomando todos estos procesos en cuenta, el total de la entropía del sistema incrementa, cualquier interrupción de los procesos 4 ó 5 conducirían rápidamente a la morbilidad y/o mortalidad de la persona.

En resumen, el alto grado de organización de los seres vivos se mantiene gracias a un suministro constante de energía y se compensa con un aumento en la entropía del entorno
(EcuRed, s.f)

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EJEMPLOS BIOFISICOS

Las aplicaciones son múltiples por un lado permiten entender los fenómenos fisicoquímicos de las reacciones químicas o saber mediante qué mecanismos actuan las enzimas, tambien son necesarios conceptos de física termodinámica para entender como actua la radiación sobre el organismo y como se desarrollan los aparatos de diagnóstico por imágenes como tomógrafos etc.. Para calcular las concentraciones de enzimas y la capacidad de estas de actuar sobre cierta cantidad de sustrato es necesario incluir en las fórmulas conceptos de termodinámica como los principios de conservación de energía, masas, ley de gases etc. Otra aplicación se relaciona con la forma en que se producen los radicales libres en el cuerpo y la acción de los mismos sobre las moléculas orgánicas, las reacciones de oxido reducción y el estado oxidativo de una sustancia etc.



REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS



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