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Análisis de la primera ley de la termodinámica en sistemas reactivos.
En el estudio del proceso de combustión, determinar la concentración de las
especies en la medida que el proceso se desarrolla, permite evaluar en una
forma más precisa la evolución de las propiedades termodinámicas del fluido
de trabajo. El empleo de la Primera Ley de la Termodinámica en sistemas
donde las reacciones químicas son importantes permite calcular la cantidad de
energía que se libera en el proceso. A partir de estos resultados se puede
determinar las variables más importantes que caracterizan los procesos de
combustión que ocurren en los motores de vehículos; por ejemplo, se puede
calcular: la potencia producida, la cantidad de calor desprendido conocidas las
temperaturas de inicio y fin del proceso, el poder calorífico desprendido por
una mezcla combustible-aire, la máxima temperatura que se puede obtener
en el ciclo de trabajo bajo condiciones dadas de presión, temperatura y
relación combustible-aire, el efecto de la dilución con gases residuales sobre
la máxima temperatura del proceso, etc. La aplicación de la Primera Ley de la
Termodinámica en un determinado proceso de combustión solo requiere
tener un modelo que permita determinar la composición de las especies en
función de la temperatura y riqueza de la mezcla; sin embargo, la composición
no permite obtener información detallada sobre las características de
desarrollo del fenómeno de combustión, tales como: velocidad de
propagación de la llama, efectos de turbulencia, formación de compuestos
intermedios.
Los procesos de combustión en la práctica son muy complicados; por esta
razón las características de las reacciones químicas involucradas son solo
conocidas para casos de combustibles simples. Para combustibles con
estructuras más complejas el camino real a través del cual tienen lugar las
transformaciones químicas no está completamente determinado. Sin
embargo, para relacionar los estados inicial y final de las mezclas que
participan en el proceso de combustión se puede emplear la Primera Ley de la
Termodinámica en vista de que su aplicación no requiere que los detalles de
los procesos sean conocidos.
La Primera Ley de la Termodinámica relaciona los cambios de energía interna
o entalpía con el calor y el trabajo transferido. Para un sistema con masa, m,
como el mostrado en la figura, donde se considera que están ocurriendo
cambios en la composición de los reactantes a productos, la aplicación de la
Primera Ley entre los estados inicial y final queda indicada por la siguiente
ecuación:
Por convención se considera que el calor transferido al sistema y el trabajo
realizado por el mismo son positivos. En forma general se pueden analizar dos
tipos de procesos de combustión: a volumen constante y a presión constante.
Análisis de la segunda ley de sistemas reactivos.
La segunda ley establece que en el curso de las conversiones energéticas, la
energía de un sistema en el estado final siempre será menor que la del mismo
sistema en el estado inicial.
La energía que se libera como calor en una conversión (reacción química, por
ejemplo), no se ha destruido como tal, se ha transformado, pero, para ese
sistema particular, la energía que cedió al Universo, deja de estar disponible
para realizar trabajo. Para entender esta Ley hay que ubicarse en el sistema
que transforma energía. Considere cada sistema que transforma energía como
si fuese una cajita chiquita (con tapa perforada) dentro de la gran caja
hermética (en cuanto a la energía) que sería el Universo. Lo que escapa de las
cajitas, se pierde para ellas, pero queda en la gran caja.
Sobre esto versa la segunda Ley, que dice que, en todos los intercambios y
conversiones de energía, si no entra ni sale energía del sistema que se estudia,
la energía potencial del estado final (la que hay en los productos) es siempre
menor a la que había en el estado inicial (en los reactivos). Este enunciado no
contradice la primera Ley.
Vamos a enunciar la segunda Ley de otra manera
Todos los procesos tienden a desarrollarse en una dirección tal que el
desorden o el estado aleatorio del sistema aumenta.
Detengámonos en un ejemplo. Si tenemos un montón de naranjas y las
volcamos en un cajón de madera, no van a quedar en fila, prolijamente
dispuestas,
tendremos
un
“revoltijo”
de
naranjas.
Esto
ocurre
espontáneamente. Si querernos ordenarlas tendremos que gastar energía de
alguna manera, y disponerlas de modo tal que una sostenga a otra y el orden
se mantenga. Tendremos que hacer un esfuerzo para establecer un orden.
La tendencia natural es al desorden.
Hay una forma de denominar a ese desorden. A la “medida” del desorden (es
necesario abstraerse una vez más) se la llama entropía.
Todo sistema cerrado, que no intercambie materia y energía con el entorno,
tiende hacia un estado de máximo desorden. Para mantener la organización
de la cual depende la vida (sistemas abiertos), los sistemas vivos deben tener
un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia
el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta energía. Pensemos en
nosotros mismos, mantenemos nuestra organización gracias al alimento que
ingerimos. Ingerir alimento significa “desorgani
“desorganizar”
zar” las estructu
estructuras
ras materiales
que constituyen, por ejemplo, una manzana para que podamos aprovechar la
materia y la energía que ésta nos proporciona.
El orden que nos caracteriza como seres vivos tiene como costo el desorden
del entorno.
Las transformaciones energéticas en las células vivas implican el movimiento
de electrones de un nivel energético a otro y, frecuentemente, de un átomo o
molécula a otro.
Entropía
Todo se destruye, todo se enfría, todo se desordena. Ésta es la dirección en la
que, espontáneamente, todo transcurre en el Universo. Sin embargo, sabemos
que es posible construir un edificio, calentar un café, incluso ordenar una
habitación. Pero, para hacerlo, debe consumirse energía, a fin de poder ir en
contra de aquella tendencia natural hacia el desorden y la uniformidad, la cual
es conocida como aumento de la entropía del Universo.
Los seres vivos son las estructuras más exquisitamente
exquisitamente complejas de todas las
que existen en el Universo. ¿Cómo logran mantener ese orden tan sofisticado,
esa compleja organización?, ¿cómo puede desarrollarse todo un individuo a
partir de una única célula? ¿Cómo todo esto es posible si la tendencia natural
es al desorden, al caos? Veamos.
Esta analogía nos será muy útil. Un acondicionador de aire impide el
calentamiento espontáneo
espontáneo de las habitaciones debido al intenso calor externo,
se opone al aumento de la entropía. Lo logra porque consume energía
eléctrica. Pero, con el uso continuo, sus mecanismos se van deteriorando y,
cuando alguno falla, ya no puede ir en contra de la entropía y la habitación se
calentará, alcanzando el equilibrio térmico. Finalmente, la entropía aumentó.
Un ser vivo, también se opone al aumento de la entropía, al menos por un
determinado tiempo. Desde el momento de la concepción, un ser vivo se va
construyendo a partir de nuevas estructuras, adquiriendo una organización
funcional cada vez más compleja. También, como el acondicionador de aire,
ocurrirá que alguna vez algo fallará, y entonces la destrucción de toda esa
sofisticada organización se alcanzará inexorablemente.
Para poder ir en contra de la entropía, el ser vivo requirió, evidentemente, de
energía, que obtuvo de los enlaces químicos de las sustancias orgánicas. Esto
implica que la sustancia debe ser degradada para que libere energía de sus
enlaces. Esa energía debe utilizarse lo más eficientemente posible para
funcionar, para construir moléculas propias; incluso, el sobrante debe
almacenarse por si llegara a hacer falta. Todo esto requiere de un sofisticado
conjunto de reacciones físico- químicas interconectadas unas con otras,
denominado metabolismo.
El metabolismo tiene por finalidad permitir que los organismos vivos luchen
en contra del aumento de entropía, desarrollándose, creciendo y
reproduciéndose.
En la comprensión del funcionamiento del programa genético, se halla una de
las claves para entender cómo es posible el orden que caracteriza a los seres
vivos.
El programa genético contenido en el ADN, es una cuña contra el desorden.