2. Necesidad de energía (II)

James Prescott Joule (retrato de David Gerard), físico inglés, uno de los más notables físicos de su época (Reino Unido 1818-1889)

2.2. La energía y sus formas: Principio de conservación

Pero las leyes que gobiernan las máquinas son las mismas que las que gobiernan el funcionamiento de los seres vivos. Son las leyes de la termodinámica, la rama de la física que estudia las propiedades de la energía térmica. Por ello, antes de comenzar el estudio de los seres vivos vamos a exponer algunas nociones de termodinámica.

El primer concepto que debemos tratar es el de energía. La energía, al contrario que la materia, no puede verse, no ocupa espacio y, a los niveles en los que nos movemos en biología, no tiene peso. Por ello la cantidad de energía sólo podemos medirla por los efectos que produce en la materia. Todos tenemos una idea intuitiva del efecto de la energía sobre la materia. Sabemos, por ejemplo, que para mover un objeto de mucha masa a una cierta velocidad y a una distancia determinada, se necesita más energía que para mover una masa más pequeña.

En los procesos que intervienen en los seres vivos, la cantidad de masa y la cantidad de energía se pueden considerar independientes entre sí. Podemos decir, por tanto, que ambas se conservan de forma independiente. Esto se resume en una frase crucial que encontramos en los libros elementales de física y que es una de las formas de enunciar la primera ley o principio de la termodinámica, enunciada por primera vez por James Prescott Joule

La energía ni se crea ni se destruye, únicamente se transforma de una forma a otra

Como veremos a lo largo de este trabajo, la vida depende completamente de la energía. Y ésta puede manifestarse en diferentes formas. Las más importantes para nuestro propósito son: la mecánica, gravitatoria, elástica, eléctrica, química, y radiante. Pasemos a describirlas brevemente:

(Figura 2) Energía mecánica: animación de la transformación de la energía potencial en energía cinética y luego dándose el proceso inverso debido a la contrafuerza de la gravedad en el tramo ascendente

1. Energía mecánica: Todo cuerpo en reposo almacena una energía que potencialmente puede convertirse en otras formas de energía. Por esta razón esta energía almacenada se llama energía potencial mecánica.

El ejemplo más simple de conversión entre formas de energía es la transformación de la energía potencial en energía de movimiento o energía cinética. La energía potencial almacenada en un cuerpo que está situado a una cierta altura (a), se transforma en energía cinética cuando se le permite deslizarse sin rozamiento, como muestra la animación (Figura 2). Ahí mismo también podemos ver cómo puede ocurrir el proceso inverso (b) cuando el coche de la ilustración, que posee una cierta energía cinética, llega a una tramo ascendente de vía (c). En este caso aumenta su altura transformando parte de su energía cinética en energía potencial y disminuyendo como consecuencia su velocidad.

(Figura 3) Campo gravitatorio de la Tierra

2. Energía gravitatoria: Nuestro planeta crea un campo gravitatorio que atrae a los objetos con una fuerza proporcional a su masa (ver Figura 3). Por ello, para moverlos desde un punto a otro situado a más altura, debemos realizar un trabajo. Este trabajo se transforma en energía potencial que queda almacenada en el objeto (más exactamente en el sistema objeto-Tierra), y que luego se transformaría en energía cinética en el momento de la caída.

(Figura 4) Energía elástica

3. Energía elástica. También podemos almacenar energía en un sistema elástico, deformándolo. Para efectuar esta deformación, debemos también realizar un cierto trabajo que queda almacenado en el sistema en forma de energía potencial elástica, la cual también se puede transformar en otras formas de energía, como energía eléctrica o en energía química.

4. Energía eléctrica. Energía debida a cargas eléctricas de distinto signo que, como sabemos, se atraen con una fuerza proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas (ley de Coulomb).

Estas cargas, en forma de iones positivos y negativos, se almacenan en diversos dispositivos eléctricos como pilas, baterías, acumuladores, etc.

Cuando se establece una conexión entre los dos polos (+ y -) aparece una corriente eléctrica que es capaz de realizar un trabajo. La energía potencial eléctrica almacenada en los polos se convierte en trabajo eléctrico que, a su vez, puede transformarse en otras formas de energía.

(Figura 6) Energía almacenada en los lípidos de la oliva

5. Energía química. Esta es la forma de energía más comúnmente utilizada por los seres vivos y tiene su origen en que algunas moléculas almacenan una gran cantidad de energía. Estas moléculas, tales como el azúcar, el aceite, el alcohol y algunos elementos, como el carbono, cuando se combinan con el oxígeno (es decir, cuando se queman) producen gran cantidad de calor.

En cambio otras moléculas, como el CO2 o el nitrógeno, son muy inertes, es decir, es muy difícil hacerlas reaccionar con otras moléculas para producir energía. 

Podríamos ver un cierto paralelismo entre la energía mecánica y la química. El sistema formado por el carbón de la locomotora y el oxígeno del aire posee una energía potencial, como la piedra cuando se encuentra en la cima. Una vez que se combinan para formar CO2, han cedido su energía potencial y se encuentran al pie de la montaña. Podemos decir que el sistema formado por el carbón y el oxígeno tiene más energía que el CO2. Esto quiere decir que para transformar CO2 en carbono y oxígeno libres deberemos aportar energía, de la misma manera que para subir la piedra a la cima.

Los seres vivos utilizan estas diferentes propiedades de las moléculas para obtener, almacenar y transportar energía de una parte a otra de sus organismos.

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6. Energía radiante. La energía radiante es el tipo de energía que puede transmitirse por el vacío. Está formada por unos corpúsculos llamados fotones, y pueden presentarse en diversas variedades: ondas de radio, rayos infrarrojos, rayos visibles, rayos ultravioletas, rayos X, rayos gamma y rayos cósmicos. Los fotones no tienen masa y se desplazan por el vacío a una velocidad constante, la velocidad de la luz. Esta velocidad es la máxima que puede alcanzar un cuerpo en movimiento.

Las radiaciones se clasifican por su frecuencia y la energía que transportan es proporcional a dicha frecuencia. Puedes ver cómo varia la frecuencia de los distintos tipos de rayos interactuando con el cursor sobre la Figura 7.



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La vida en la Tierra. (2006). Sala de Biología. Museo Virtual de la Ciencia del CSIC.  
Financiado por: Programa Nacional del Fomento de la Cultura Científica.Proyecto CICYT: CCT003-05-00170 Año 2006
Autores: José María López Sancho / Esteban Moreno Gómez
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