miércoles, 9 de junio de 2010

1. INTRODUCCIÓN A LA BIOENERGÉTICA

1.1 Nociones Básicas de la Termodinámica


La termodinámica es una de las ramas de la fisicoquímica, la cual estudio “la dinámica del calor” y, por extensión, del flujo o movimiento de cualquier otra forma de energía.

La energía es un abstracto que, aunque no tiene una realidad física fácilmente describible, si es posible en todo caso reconocer su existencia a través de las manifestaciones y consecuencias de sus efectos. En términos de la física la energía se define como “la capacidad para realizar un trabajo”. Como un sistema físico puede poseer energía de diversas formas, como lo son:

  1. Energía cinética: es la energía que posee un cuerpo en virtud de su movimiento.

  1. Energía potencial: es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición en un cuerpo de fuerzas.

  1. Energía térmica: es la energía que posee un cuerpo en virtud a su temperatura.

La primera ley de la termodinámica es el enunciado más general de esta ley de la conservación de la energía; no se conoce ninguna excepción a esta ley. La ley de la conservación de la energía es una generalización de la experiencia y no es posible obtenerla a partir de otros principios.

Esta ley no presenta restricción alguna respecto a la conservación de energía de una forma a otra: sólo exige que la cantidad de energía sea la misma antes y después de la conversión.

La segunda ley de la termodinámica trata de la dirección de los procesos naturales. En combinación con la primera ley, permite predecir la dirección natural de cualquier proceso y, como resultado, pronosticar la situación de equilibrio.

La tercera ley de la termodinámica (ley cero de la termodinámica), es otro principio importante. La importancia de esta ley para el concepto de temperatura no se comprendió hasta que otros aspectos de la termodinámica alcanzaron un estado avanzado de desarrollo, de ahí su peculiar nombre de ley cero.

La ley cero se basa en la experiencia de que sistemas en contacto térmico no están en completo equilibrio entre sí mientras no tengan el mismo grado de calor, es decir, la misma temperatura.

Algunas definiciones en termodinámica:

Sistema, frontera, entorno. Un sistema termodinámico es aquella parte del universo físico cuyas propiedades se están investigando.

El sistema está confinado a un lugar definido en el espacio por una frontera que lo separa del resto del universo, el entorno.

Un sistema es aislado cuando la frontera evita cualquier interacción con el medio exterior. Un sistema aislado no produce efectos observables sobre el entorno.

Un sistema es abierto cuando pasa masa a través de la frontera.

Propiedades de un sistema. Las propiedades de un sistema son aquellos atributos físicos que se perciben por los sentidos o que pueden hacerse perceptibles mediante ciertos métodos experimentales de investigación. Las propiedades se dividen en dos clases: a) no medibles, como la clase de sustancias que componen un sistema y los estados de agregación de sus partes, y b) medibles, como presión y volumen, a las cuales se les puede asignar, por comparación directa o indirecta como un patrón, un valor numérico.

Estado de un sistema. Un sistema se encuentra en un estado definido cuando cada una de sus propiedades tiene un valor determinado. Debemos saber, por el estudio experimental del sistema o por la experiencia con sistemas semejantes.

Cambio de estado, trayectoria, ciclo, proceso. Sometamos a un sistema a un cambio de estado desde un estado específico inicial hasta un estado específico final.

El cambio de estado está completamente definido cuando se especifican los estados inicial y final.

La trayectoria del cambio de estado se define especificando es estado inicial, la secuencia de estados intermedios dispuestos en el orden que recorre el sistema y el estado final.

Un proceso es el método de operación mediante el cual se realiza un cambio de estado. La descripción de un proceso consiste en establecer todo o parte de lo siguiente: a) la frontera; b) el cambio de estado, la trayectoria o los efectos producidos en el sistema durante cada etapa del proceso, y c) los efectos producidos en el entorno durante cada etapa del proceso.

Supongamos que un sistema sometido a un cambio de estado regresa a su estado inicial. La trayectoria de esta transformación cíclica se llama ciclo y el proceso mediante el cual se realizó la transformación se llama proceso cíclico.

Una variable de estado es aquella que tiene un valor definido cuando se especifica el estado de un sistema.

Trabajo se define como cualquier cantidad que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y que puede usarse por completo para elevar un cuerpo en el entorno.

Calor se define como una cantidad que fluye a través de una frontera durante un sistema un cambio de estado en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y que fluye de un punto de temperatura mayor a otro de temperatura menor.



1.2 Constante de Equilibrio y Energía Libre de Gibbs


El equilibrio químico es un estado del sistema en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo. Así pues, si tenemos un equilibrio de la forma:

a A + b B= c C + d D

Se define la constante de equilibrio Kc como el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, para cada temperatura.

Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son la temperatura, la presión, y el efecto de la concentración. La influencia de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de Le Chatelier, que dice lo siguiente: si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo (temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación.

  • Efecto de la temperatura: si una vez alcanzado el equilibrio, se aumenta la temperatura, el equilibrio se opone a dicho aumento desplazándose en el sentido en el que la reacción absorbe calor, es decir, sea endotérmica.

  • Efecto de la presión: si aumenta la presión se desplazará hacia donde existan menor número de moles gaseosos, para así contrarrestar el efecto de disminución de V, y viceversa.

  • Efecto de las concentraciones: un aumento de la concentración de uno de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. Y un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y viceversa en el caso de que se disminuya.

Kc y Kp

Para proceder a relacionar la Kc y la Kp debemos relacionar previamente las concentraciones de las especies en equilibrio con sus presiones parciales. Según la ecuación general de los gases perfectos, la presión parcial de un gas en la mezcla vale:

pi = (ni R T) / V = Ci R T

Una vez que hemos relacionados las concentraciones con las presiones parciales de cada especie, se calcula la dependencia entre ambas concentraciones, simplemente llevando estos resultados a la constante Kc. De esta manera llegamos a la expresión:

Kp = Kc (R T)An

Donde la An es la suma de los moles estequiométricos de todos los productos en estado gaseoso menos la suma de todos los moles de reactivos también gaseosos.

Relación entre la variación de energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio

La variación de Energía Libre de Gibbs y la constante de equilibrio están íntimamente ligadas entre sí a través de la siguiente ecuación:

AG = - R T Ln kp

Donde R es la constante de los gases, T la temperatura absoluta, y Kc la constante de equilibrio.

La dirección y cantidad a la cual procede una reacción está determinada por el grado energía libre que dos factores cambian durante la reacción. Estos factores son la entalpía (DH, una medida del cambio de calor entre los reactivos y productos de la reacción) y la entropía (DS, una medida del cambio en el desorden de los reactivos y productos)

Ninguna de estas cantidades termodinámicas por si mismas es suficiente para determinar si una reacción podrá suceder espontáneamente en el orden en el que está escrita. Pero, cuando se combinan matemáticamente, es posible conocer la tercera, a partir del conocimiento de dos de ellas. La entropía no se puede determinar experimentalmente, se debe calcular a partir de G y H.



1.3 ¿Qué es la Bioenergética?


La bioenergética describe la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. Utiliza las ideas básicas de la termodinámica, particularmente el concepto de energía libre. Los cambios en la energía libre (DG) proveen una cuantificación de la factibilidad energética de una reacción química y pueden proveer de una predicción de si la reacción podrá suceder o no.

La bioenergética se interesa sólo por los estados energéticos inicial y final de los componentes de una reacción, no del mecanismo o del tiempo necesarios para que el cambio químico se lleve a cabo. La bioenergética predice si un proceso es posible; la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción.



1.4 Transducción de la Energía


Las distintas manifestaciones o formas de energía pueden transformarse unas en otras. Para que estas transformaciones hayan podido realizarse, ha sido fundamental la creación por parte del hombre de maquinarias, que por sí solas no producirían energía.

Las fuentes más naturales e independientes, en las que no existe la intervención directa del hombre son las siguientes:

· Energía solar: casi la totalidad de la energía proviene del sol y se manifiesta a través de radiaciones luminosas, caloríficas y electromagnéticas.

· Energía química: se encuentra contenida en cuerpos combustibles

· Energía bioquímica: está presente en el desarrollo de los seres vivos.

En las siguientes fuentes de energía, el hombre debe participar necesariamente en el control de las mismas:

  • Energía hidráulica: esta energía se origina con el movimiento del agua. Este movimiento puede ser consecuencia de la caída de corrientes de agua o de las crecientes y bajadas de las mareas.

  • Energía térmica o calorífica: se origina a partir de la combustión de un cuerpo combustible. Es empleada en un radiador eléctrico.

  • Energía eólica: es aquella que tiene origen en los vientos.



1.5 Trabajo Biológico


El trabajo biológico puede tener tres formas:

1) El trabajo mecánico por ejemplo de la contracción muscular

2) El trabajo químico que implica la síntesis de las moléculas celulares

3) El trabajo osmótico de transporte que concentra varias sustancias en los líquidos intracelulares y extracelulares.



REFERENCIAS



  • http://www.biopsychology.org/apuntes/termodin/termodin.htm
  • http://atenea.udistrital.edu.co/grupos/fluoreciencia/capitulos_fluoreciencia/qamb_cap11.pdf
  • http://www.si3ea.gov.co/Eure/1/inicio.html
  • http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/bioenergetica.html
  • http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/verpagina.php?idpagina=130

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