Termodinámica

Una célula viva es una estructura dinámica, crece, se mueve y sintetiza macromoléculas complejas y traslada selectivamente sustancias dentro y fuera de la célula o entre sus compartimentos. Toda esta actividad requiere energía, por lo que toda célula debe obtenerla de sus alrededores y gastarla de la manera más eficiente posible.

La termodinámica es la rama de la ciencia física que se refiere a los cambios de energía, es por tanto, esencial para la comprensión de por qué las macromoléculas se pliegan para adoptar sus conformaciones nativas, cómo están proyectadas las rutas metabólicas, por qué las moléculas atraviesan las membranas biológicas, cómo generan los músculos la fuerza mecánica y asi sucesivamente.

En termodinámica se define un sistema como la parte del universo que interesa y que se elige estudiar. Un sistema debe tener unos límites definidos, pero por lo demás hay pocas restricciones. El resto del universo fuera del sistema es el entorno. Los sistemas pueden ser:

• Sistema aislado: Es aquel rodeado por una frontera que impide el intercambio de energía, en cualesquiera de sus formas, y de materia con el medio.

• Sistema cerrado: No permite el intercambio de materia pero sí de energía con el medio.

• Sistema abierto: Es aquel que permite el intercambio tanto de materia como de energía con el medio.

Energía interna y estado de un sistema

Todo sistema contiene cierta cantidad de energía interna que se indica con el símbolo E. Se entiende como energía interna a todo tipo de energía que pueda modificarse por procesos químicos o físicos no nucleares. El estado termodinámico se define mediante la indicación de las cantidades de todas las sustancias presentes y dos, cualesquiera que sea, de las tres variables de estado siguientes: la temperatura (T), la presión sobre el sistema (P), y el volumen del sistema (V).

Salvo que un sistema esté aislado, puede intercambiar energía con sus alrededores y modificar su energía interna, se define a este cambio como ∆E. Éste puede producirse de dos formas: en la primera se puede transferir calor a un sistema desde él, en el segundo , el sistema puede realizar un trabajo sobre su entorno o hacer que se realice un trabajo sobre él.

En termodinámica es posible describir la transición de un estado a otro en términos de las siguientes funciones termodinámicas de estado:

Energía interna (E), expresa la energía total del sistema

Entalpía (H), representa el contenido de calor dentro del sistema

Entropía (S), se refiere al grado de desorden del sistema

Energía libre (G), esta energía libre equivale a la energía disponible que se puede convertir en trabajo útil.

Energía libre (G)

Es la magnitud termodinámica que incluye la entalpía y la entropía, G=H-TS, donde H es la entalpía, S es la entropía y T es la temperatura absoluta. En las condiciones en las cuales se desenvuelven los organismos vivientes, las reacciones químicas se realizan en un medio en el cual la temperatura y la presión se mantienen constantes. Sólo una fracción de la energía liberada en los procesos bioquímicos es disponible para realizar trabajo de algún tipo. A esta fracción se le llama energía libre y se simboliza con la letra G.

El cambio de energía libre (∆G) de un proceso, como una reacción química, tiene en cuenta los cambios de entalpía y de entropía e indica si el proceso está termodinámicamente favorecido a una temperatura dada.

Este cambio de energía libre es una medida de la energía disponible para trabajar dentro de un sistema; la capacidad de un sistema para efectuar un trabajo disminuye a medida que se aproxima al equilibrio; en el equilibrio no hay energía disponible para realizar ningún trabajo.

El cambio de energía libre es una función de estado termodinámica que define la condición de equilibrio en términos de entalpía y entropía del sistema a presión constante. Como la entalpía refleja la primera ley de la termodinámica y la entropía es una propiedad de la segunda ley , el concepto de energía libre une las dos leyes de la termodinámica.

Primera Ley de la Termodinámica

Esta primera ley establece que la energía del universo, el sistema más su entrono, es constante. La energía no se puede crear ni destruir; sin embargo se puede convertir de una forma a otra; las células son capaces de transformar energía.

Este postulado, también es conocido como el principio de la conservación de la energía. Cuando una cantidad de energía en una forma se pierde, aparece una cantidad exactamente equivalente de energía en otra forma. Así, la energía química puede convertirse en calor, energía radiante o energía mecánica. Si se absorbe calor o se realiza un trabajo sobre cualquier sistema, ya sea animado o inanimado, esas formas de energía se conservan en el sistema como energía interna (E). Un sistema a una temperatura y con una cantidad definida de masa tiene una cantidad de energía interna definida. Sin embargo, lo que la primera ley no

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