Las leyes de la transformación de la energía

El estudio de las transformaciones de la energía que se producen en un conjunto de materia se denomina termodinámica. Los científicos emplean la palabra sistema para designar a la materia en estudio; se refieren al resto del universo -todo lo que se encuentra fuera del sistema- como el entorno. Un sistema cerrado, como el de un líquido en un termo, se encuentra aislado en su entorno. En un sistema abierto, la energía (y, con frecuencia, la materia) puede ser transferida entre el sistema y su entorno. Los organismos son sistemas abiertos. Absorben energía -por ejemplo, la energía lumínica o la energía química en forma de moléculas orgánicas- y liberan calor y productos de desecho metabólico, como el dióxido de carbono, al entorno. Dos leyes de la termodinámica gobiernan las transformaciones energéticas en los organismos y en todo el resto de los conjuntos de materia.

La primera ley de la termodinámica

De acuerdo a la primera ley de la termodinámica, la energía del universo es constante. La energía puede transferirse y transformarse, pero no puede ser creada o destruida. La primera ley también se conoce como el principio de conservación de la energía. La compañía de electricidad no fabrica la energía, simplemente la convierte en una forma que es conveniente para su uso. Al convertir la luz solar en energía química, una planta actúa como un transformador de energía, no un productor.

El guepardo convertirá la energía química de las moléculas orgánicas de su alimento en formas de energía cinética y otras formas de energía a medida que lleva a cabo sus procesos biológicos. ¿Qué le ocurre a esta energía después de que ha realizado trabajo? La segunda ley ayuda a responder esta pregunta.

La segunda ley de la termodinámica

Si la energía no puede destruirse ¿por qué los organismos simplemente no pueden reciclar su energía una y otra vez?. Resulta que durante cada transferencia o transformación energética parte de la energía se transforma en energía inservible, no disponible para efectuar trabajo. En la mayoría de las transformaciones energéticas, al menos parte de las formas más utilizables de energía se convierten en calor, que es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos o de las moléculas. Únicamente una pequeña fracción de la energía química del alimento se transforma al movimiento del guepardo; la mayoría se pierde como calor que se disipa rápidamente a través del ambiente.

En el proceso de realización de reacciones químicas que llevan a cabo varias formas de trabajo, las células vivas inevitablemente convierten formas organizadas de energía en calor. Un sistema puede poner calor al trabajo solamente cuando hay una diferencia de temperaturas que determina que el calor fluya de una localización más caliente a una más fría. Si la temperatura es uniforme, como ocurre en una célula viva, entonces el único uso para la energía calorífica generada durante una reacción química es calentar un cuerpo de materia, como el organismo. (Esto puede transformar una habitación llena de personas en un sitio poco confortable por lo caliente, ya que cada persona está llevando a cabo una multiplicidad de reacciones químicas).

Una consecuencia lógica de la pérdida de energía utilizable durante la transferencia energética o la transformación de energía es que cada uno de estos sucesos hace del universo un lugar más desordenado. Los científicos usan una cantidad denominada entropía como medida del desorden o del azar. Cuanto más aleatoria sea la disposición de un conjunto de materia, mayor será su entropía. Podemos formular la segunda ley de la termodinámica de la siguiente manera: cada transferencia o transformación de energía incrementa la entropía del universo. Aunque el orden puede aumentar de forma local, hay una tendencia imposible de detener hacia la aleatorización del universo como un todo.

En muchos casos, el aumento de la entropía resulta evidente en la desintegración física de la estructura de un sistema organizado. Por ejemplo, se puede observar un aumento de la entropía en el deterioro gradual de un edificio que no tiene mantenimiento. Gran parte de la entropía creciente del universo es menos aparente, sin embargo, porque se manifiesta como cantidades crecientes de calor y formas menos organizadas de materia. Como ocurre con el guepardo que convierte la energía química en energía cinética, también está aumentando el desorden de su entorno al producir calor y las pequeñas moléculas, que son los productos de la degradación de su alimento.

El concepto de entropía nos ayuda a comprender por qué ocurren ciertos procesos. Para que un proceso ocurra espontáneamente, sin ayuda externa (sin una entrada de energía), debe aumentar la energía del universo. Un proceso que no puede ocurrir por sí mismo se denomina no espontáneo; ocurrirá únicamente si se añade energía al sistema. Sabemos a partir de nuestra experiencia que ciertos acontecimientos ocurren de forma espontánea y otros no. Por ejemplo, sabemos que el agua fluye hacia abajo espontáneamente, pero se mueve hacia arriba solamente con una entrada de energía, por ejemplo, cuando una máquina bombea agua contra la gravedad. De hecho, otro modo de formular la segunda ley es: para que un proceso ocurra de forma espontánea debe incrementar la entropía del universo.

Orden y desorden biológico

Los sistemas vivos incrementan la entropía de su entorno, según lo predice la ley termodinámica. Es cierto que las células crean estructuras ordenadas a partir de materiales de partida menor organizados. Por ejemplo, los aminoácidos están ordenados en las secuencias específicas de cadenas polipeptídicas. A nivel de los organismos la anatomía extremadamente simétrica de la raíz de una planta, formada por procesos biológicos a partir de materiales básicos más simples. Sin embargo, un organismo adquiere también formas organizadas de materia y energía del entorno, y las reemplaza por formas menos organizadas. Por ejemplo, un animal obtiene almidón, proteínas y otras moléculas complejas de los alimentos que consume. A medida que las vías catabólicas degradan estas moléculas, el animal libera dióxido de carbono y agua, pequeñas moléculas que almacenan menos energía que la comida. El descenso de la energía química da cuenta del calor generado durante el metabolismo. A mayor escala, la energía ingresa a un ecosistema en forma de luz y parte de él en forma de calor.

La entropía de un sistema concreto, como un organismo, puede disminuir en tanto la entropía total del universo -el sistema más su entorno- aumenta. Así, los organismos son islas de baja entropía en un universo progresivamente más desordenado. La evolución del orden biológico es perfectamente compatible con las leyes de la termodinámica.