Aunque hay una gran cantidad de energía de radiación solar disponible para nosotros, existen algunas limitaciones importantes a la energía que puede usarse para alimentar todas las formas de vida. Las Leyes de la Termodinámica explican estas limitaciones. La Primera Ley de la Termodinámica explica que la energía puede ser conservada (cambiando de una forma de energía a otra), pero no puede ser creada o destruida. Esto significa que la cantidad total de energía que se encuentra en un sistema aislado (como un motor o un generador) permanece constante (conservada) a lo largo del tiempo.

Sin embargo, la cantidad total de producción de energía útil de un sistema aislado nunca es igual a la entrada total de energía. Esto se debe a que parte de la energía de entrada se perderá en forma de calor disperso a medida que se procesa. Por ejemplo, cuando la energía se procesa a través de un motor, parte de la energía de entrada será absorbida por el contenedor, causando que las moléculas que componen el contenedor vibren e irradien energía a su entorno en forma de calor disperso. La fricción es otro ejemplo; parte de la energía que se toma en un sistema de motor se perderá como fricción, como cuando un pistón mueve una rueda. Siempre habrá energía perdida en el entorno y pérdida de energía debido a la fricción.

Por tanto, usando las leyes que rigen la conservación de la energía como nuestra base, podemos resumir el balance de energía de un motor en la siguiente ecuación:

Entrada de energía = producción de energía + energía perdida por fricción + energía perdida en forma de calor a los alrededores

En consecuencia, nunca es posible obtener una mayor cantidad de energía útil que la cantidad total de energía ingresada. La eficiencia de un motor se define, por tanto, como la relación entre la producción de energía y la entrada de energía, o:

Eficiencia = Energía de salida / Entrada de energía

El hecho de que ningún proceso real puede ser completamente eficiente es el resultado de la Segunda Ley de la Termodinámica, que explica cómo el proceso utilizado por un sistema aislado para transformar energía convierte naturalmente parte de su energía de entrada en energía de baja calidad que no se puede usar.

Mirando hacia el futuro

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En la sección de Energía y Acción, a continuación, te invitamos a hacer un inventario de bombillas incandescentes en tu hogar o escuela y diseñar un plan de reemplazo.

A través de las conversiones de energía de una forma a otra (como de la gasolina al movimiento cinético de un automóvil), la energía útil se “pierde” en forma de calor. Por ejemplo, sólo 15% de la energía de la gasolina destinada para alimentar un automóvil se usa realmente para mover el automóvil, mientras que 85% de la entrada de energía se convierte en calor que se disipa en el aire circundante. Esta energía disipada no puede ser capturada. Por tanto, no puede ser utilizada.

Otro ejemplo es la bombilla incandescente, que sólo convierte 5% de la energía de entrada en luz. El 95% restante de la energía se pierde en forma de calor disperso. De hecho, la mayoría de los procesos de transformación de la energía son muy ineficientes, incluida la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la energía solar en energía química y la que suministra energía alimentaria para mantener una red trófica.

La fotosíntesis y el flujo de energía solar a organismos vivos

Como se mencionó al comienzo de esta sección, la vida en la Tierra se alimenta principalmente de energía de radiación solar. Las plantas usan la energía de la luz del Sol (fotones) en un proceso llamado fotosíntesis para producir su propio ‘alimento’. El término ‘fotosíntesis’ proviene de las palabras latinas photo que significa ‘luz’ y síntesis que significa ‘juntar’.

Figura 2. Las cianobacterias, a menudo llamadas algas verdeazuladas, son organismos procariotas unicelulares antiguos antepasados otosintéticos de las plantas modernas. Son los primeros organismos fotosintéticos en producir oxígeno, lo que cambió enormemente la composición atmosférica de la tierra, permitiendo que el metabolismo aeróbico altamente eficiente evolucionara. 1

Los primeros organismos fotosintéticos en la Tierra surgieron hace aproximadamente 3.400 millones de años. Esto es bastante sorprendente teniendo en cuenta el hecho de que el complejo sistema metabólico utilizado en la fotosíntesis evolucionó menos de mil millones de años después de la formación de la Tierra, hace aproximadamente 4.500 millones de años. Este sistema metabólico consiste en una serie compleja de reacciones bioquímicas que se dan en las células de la planta y permiten a la planta usar la radiación solar como fuente de energía para convertir el dióxido de carbono en azúcar. Por tanto, la energía que ingresa a la fotosíntesis es la radiación solar y las energías de salida son calor (que se pierde en el medio ambiente) y azúcar, una forma química de energía que los tejidos de las plantas utilizan para crecer y reproducirse.

A diferencia de los mecanismos fotosintéticos utilizados por las plantas de hoy, los primeros organismos no absorbían la luz visible del Sol. En cambio, absorbían una porción diferente del espectro solar (ver Figura 11), llamada radiación infrarroja. Tampoco producían oxígeno como subproducto como lo hacen las plantas hoy en día, sino que producían como subproductos compuestos que contenían azufre como subproductos.

No sería sino hasta dentro de otros mil millones de años (aproximadamente hace 2.7 mil millones de años) que las cianobacterias unicelulares (Figura 2) se convertirían en los primeros organismos fotosintéticos en absorber la luz de la porción visible del espectro y producir oxígeno. En el transcurso de los últimos 2.700 millones de años, miles de formas diferentes de pequeños organismos unicelulares parecidos a plantas llamadas algas han evolucionado, haciendo la transición del aparato fotosintético a través del proceso de evolución, a plantas vasculares terrestres y acuáticas más grandes y complejas.

Mirando hacia el futuro

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El proceso de fotosíntesis se describe en detalle en el Capítulo 4.

Podemos observar la Primera Ley de la Termodinámica en acción en el proceso de la fotosíntesis. La energía solar alimenta las plantas fotosintéticas y las algas, que a su vez actúan como una base de combustible que sostiene redes tróficas completas de vida en la Tierra. Esta base de combustible se origina cuando la energía del Sol se convierte en azúcares, almidones y lípidos por las plantas que luego serán consumidas por los animales y los humanos como alimento. La Segunda Ley de la Termodinámica también está trabajando aquí. A medida que la energía se transfiere a través de la cadena alimentaria, se está transformando de una forma química a otra. En este proceso, gran parte de la energía de los alimentos se pierde como calor metabólico.

El proceso de fotosíntesis implica una reacción bioquímica compleja que se divide en dos partes, las reacciones dependientes de la luzy las reacciones independientes de la luz, esta última también se conoce como el ciclo de Calvin (Figura 3). Ambos se resumen con la ecuación general de la fotosíntesis:

6CO2 + 12H2O + Energía Solar ⇒ C6H12O6 + 6O2 + 6H2O + Calor

Seis moléculas de dióxido de carbono de la atmósfera más 12 moléculas de agua líquida del suelo más energía lumínica del Sol, se metabolizan a través del proceso de fotosíntesis en los cloroplastos de la planta para producir una molécula de glucosa, seis moléculas de oxígeno y seis moléculas de agua. El calor se pierde como un subproducto de la reacción fotosintética.

Mirar en detalle

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Lee más sobre el Ciclo de Calvin.

En la fase luminosa de la fotosíntesis, la radiación solar en la porción visible del espectro viaja del Sol a los cloroplastos. Se inicia un flujo de electrones una vez que la clorofila absorbe la energía. Los electrones se eliminan de las moléculas de agua y se pasan a un sistema de transporte de electrones, donde facilitan la síntesis de una molécula de ATP (trifosfato de adenosina, o adenosín trifosfato, molécula de alta energía ) y NADPH (fuente de electrones). El ATP y el NADPH son reactivos necesarios para comenzar el Ciclo de Calvin.

Calvin cycle
Figura 3. Una visión general de la fotosíntesis con las reacciones dependientes de la luz y el Ciclo de Calvin que se producen dentro del cloroplasto de la célula de la planta. Observe cómo la energía en forma de ATP de las reacciones dependientes de la luz se usa para impulsar el Ciclo de Calvin y los agentes reductores (NADP y ADP) del Ciclo de Calvin se utilizan para ayudar a la transformación de la energía solar en ATP dentro del estroma del cloroplasto. 2

El propósito del proceso conocido como el Ciclo de Calvin es producir el conocido azúcar de 6 carbonos llamado glucosa (C6H12O6) que realiza al cambiar el ciclo bioquímico seis veces, cada vez que se agrega un carbono más en forma de CO2 para construir la molécula de glucosa de 6 carbonos.

Preguntas para considerar

Desde la antigüedad, los seres humanos han intentado inventar una máquina que continúa indefinidamente funcione sin ninguna fuente exterior de energía, la soñada “máquina de movimiento perpetuo”. ¿Puedes explicar por qué tal invención es imposible de acuerdo con las leyes de la termodinámica? Si deseas ayuda, visita este sitio web.

Las leyes de la termodinámica son esenciales para comprender la energía. A menudo las personas tienen más dificultades para entender la Segunda Ley que la Primera y la Tercera. Para probar tu comprensión de la segunda ley, intenta explicarla con estos fenómenos:

  • ollas calientes enfriándose
  • agua que fluye por una cascada
  • aire escapando hacia la atmósfera cuando se pincha un neumático de bicicleta