Unidad 1. 2. Termodinámica y ecología

 

La termodinámica es una rama de la física, y es la encargada del estudio de los efectos que se producen con los cambios de la temperatura, la presión y el volumen en los sistemas físicos en un hábitat o ecosistema.

Dentro de un ecosistema, el término calor se entiende como energía en tránsito y dinámica se refiere al movimiento, por tanto, la termodinámica estudia la circulación de la energía y la manera en la que infunde movimiento en los ecosistemas.

Lo cual tiene relación con la ecología. Ya que el calor significa energía en tránsito dentro de un ecosistema y la dinámica se refiere al movimiento, en esencia la energía, por ello la termodinámica estudia la circulación de la energía y como la energía infunde movimiento dentro de los diversos hábitats en un ecosistema.

Desde un punto de vista típico, la energía puede definirse como la como la capacidad de producir trabajo o de transferir calor, mientras que la materia representa algo dotado de masa y, por tanto, ocupa un lugar en el espacio.

Según la física, la materia está constituida por átomos. La materia puede transformarse en energía y la energía en materia. Los biólogos pueden confirmar esta afirmación en el proceso respiratorio, donde los alimentos se desdoblan y liberan energía que poseen.

Como ejemplo de lo mencionado en el párrafo anterior podemos decir, que la energía del sol se utiliza y se va transformando a través de diferentes reacciones químicas y termina convertida en energía calórica que se irradia de nuevo al espacio. Mientras que los nutrientes de origen químico se conservan, aunque cambien su forma y manera de distribuirse, no salen de la tierra y se van regenerando continuamente.

Los cambios que se llegan a dar dentro de los ecosistemas pueden ser de dos tipos, uno que está gobernado por la termodinámica clásica, la cual conduce a distribuciones uniformes; y el otro se origina por sistemas más heterogéneos y lo estudia la termodinámica de los sistemas abiertos, donde se implica la interacción de sus dos primeras leyes.

Estas transformaciones de la energía se deben a dos leyes de la Termodinámica que son la Primera y Segunda Ley.

Aún las estructuras bien organizadas, como los organismos unicelulares o pluricelulares autótrofos o heterótrofos, están sujetos a la tendencia natural de disminuir el orden energético e incrementar el desorden, esto es, la pérdida de energía sin un aprovechamiento útil. Dicha problemática está explicada por la primera y segunda leyes de la termodinámica, las cuales tratan de los cambios de la energía en la naturaleza y en el universo mismo.

1. 2. 1. Primera y segunda ley de la termodinámica en ecología.

Se define energía como la capacidad de mover materia. En contrapartida, ningún cambio en el movimiento de la materia ocurre sin absorción o liberación de energía. Esto significa que ningún cambio en la materia, desde la unión o separación de pocos átomos en una reacción química hasta una gran erupción volcánica, se realiza sin los cambios respectivos de la energía.

Saber que la energía puede ser convertida de una forma a otra ha llevado a numerosos supuestos inventores a construir máquinas o dispositivos que pretenden producir más energía que la consumida. Por desgracia todos estos mecanismos son inútiles, cuando se miden cuidadosamente todas las entradas y salidas de energía, se encuentra que son iguales, que no hay ganancia o pérdida neta de energía.

Está observación acepta como una ley fundamental de la naturaleza, es la ley de la conservación de energía, también llamada Primera ley de la Termodinámica. En consecuencia, sin entrada de energía, tarde o temprano todos los ecosistemas perderán su energía en calor y detendrán. Ahora aceptamos esto como otra ley natural, la Segunda Ley de la Termodinámica.

La Primera Ley de la termodinámica. Postulada por R. Mayer en 1841, también es conocida como el principio de la conservación de la energía, su enunciado afirma: “la energía no se crea ni se destruye solo se transforma”.

La Segunda Ley de la Termodinámica, introduce un concepto de termodinámica especial (la entropía), el cual se asocia a la incapacidad de producir trabajo, ya que cuando un sistema llega a su entropía máxima no puede realizar trabajo alguno. En ese momento, se dice que en ese sistema toda la energía cinética está uniformemente distribuida, pues se considera que ha llegado a su equilibrio. La segunda ley dice también que los sistemas irán espontáneamente hacia una energía menor, una dirección que hace que liberen calor.

Los conceptos de la primera y la segunda ley de la termodinámica pueden contrarrestarse, ya que mientras en el primer caso la energía interna del universo se ha conservado porque el calor ganado o perdido por el sistema debe ser igual a la suma del intercambio de calor con el ambiente, más el monto de energía empleada en la realización de diversos tipos de trabajo; en el segundo caso, cuando un sistema, tiende a alcanzar la máxima expresión de la energía cinética y logra su equilibrio, estará imposibilitado totalmente a desarrollar cualquier otro tipo de trabajo.

En los organismos vivientes este equilibrio conduciría al aniquilamiento de la vida, ya que ningún trabajo de transporte, reproducción química de fuentes de carbono, materiales genéticos, etc., sería posible en ese estado; solo se habría obtenido la máxima entropía.

Se puede afirmar que la vida misma es la retroalimentación entre la pérdida y la conservación de las fuentes útiles de energía. La controversia radica en la conservación de la energía interna como fuente de energía útil contra la disminución de la entropía como expresión de una energía cinética no aprovechable para la conformación de trabajo disponible.

Estas leyes son conceptos fundamentales dentro de procesos químicos que se llevan a en el universo. Estos son importantes en la química y la física, son la base para muchos de los conceptos biológicos. Son las leyes que dictan como la energía puede ser transportada o transferida, que se puede aplicar a la ecología, ya que las transferencias de energía es lo que impulsa el metabolismo y, a mayor escala, las cadenas y redes alimenticias.

En conclusión, cada vez que veas que algo gana energía potencial, date cuenta de que la obtienen de otro lado (la primera ley). Más aún, la cantidad de energía pérdida de ese otro lado es mayor que la que se genera (segunda ley). Vamos ahora a relacionar estos conceptos de materia y energía con las moléculas orgánicas, los organismos, los ecosistemas y la biosfera.

En esta relación entre la formación y la descomposición de materia orgánica y la ganancia y liberación de energía podemos ver la dinámica energética de los ecosistemas.

1. 2. 2. Implicaciones.

La energía existe en muchas formas, tales como calor, luz, energía química y energía eléctrica. La energía es la capacidad de producir cambios o para hacer el trabajo.

Las consecuencias de las implicaciones de la termodinámica en los ecosistemas, es que, al hacer algún cambio en la transferencia de energía o destrucción de la materia o el aumento de la entropía, es decir, en la no aplicación correcta de algunas de sus leyes, llega a ocasionar un desequilibrio en los ecosistemas, esto altera o modifica el crecimiento poblacional de algunas especies, haciendo que los niveles de organización se modifiquen y las cadenas tróficas se vean en problemas de equilibrio.

Esto puede ocasionar una reducción de especies o poblaciones, y causando un problema de desequilibrio en la capacidad de carga de uno o varios ecosistemas.

La energía está relacionada con los cambios dinámicos que se utilizan para efectuar un trabajo dentro de un hábitat por parte de las especies que habitan ahí; sin embargo, los cambios dinámicos se deben a fuerzas no balanceadas. La energía se encuentra en diversas maneras y formas interrelacionadas. Las observaciones de los cambios de energía han demostrado que está se puede almacenar y transformar, pero no se puede crear ni destruir. A continuación, se considera un ejemplo de la forma en que la energía se relaciona en el medio ambiente. Ciertos procesos que se producen en el sol liberan energía, está energía se llama energía solar o radiante (luz del Sol) que se desplaza a través del espacio y choca con la tierra. Parte de esta energía radiante la absorben los cuerpos de agua y se convierte en energía calorífica.

El objetivo del ejemplo anterior es demostrar el significado de la energía y las transferencias de está, que se dan dentro de los ecosistemas. En la ecología se centra el interés en las transferencias de energía relacionadas con los procesos químicos dentro de los ecosistemas. El uso de la energía es esencial dentro de una población determinada ubicada en un ecosistema.

Las dos leyes de la termodinámica permiten contabilizar toda la energía que interviene en los sistemas ecológicos, es decir, de donde viene y a donde va. También indica que, cuando la energía fluye a través de un sistema ecológico, cada vez es menor su capacidad para producir trabajo.

Por todo esto se considera a las leyes de la termodinámica como algo esencial dentro de los ecosistemas, ya que a través de ellas podemos conocer las transferencias y transformaciones de los flujos o cantidades de energía que se dan en un ecosistema dado, ya sea por las fugas de está por medio de un proceso de transformación inadecuado o por la falta de la misma en dichos procesos; mencionado un efecto de esto como el aumento de temperatura como una alteración dentro de un ecosistema, provocando con ello una pérdida de humedad o máxima evaporación de agua dentro del mismo, haciendo que las poblaciones o comunidades dentro de los diferentes hábitats que conforman el ecosistema se vean alteradas y modificadas.

Es por esto por lo que el eje de la interacción entre los organismos y su medio ambiente es la necesidad de energía para llevar a cabo sus procesos vitales. Piensa, por ejemplo, en la energía que usan las hormigas para cargar objetos mucho más grandes que ellas o en la energía que usan las aves para migrar miles de millas. El flujo de energía a través de un ecosistema es uno de los factores más importantes que determinan la capacidad del sistema para mantener la vida.

Concluyendo, se puede mencionar que las leyes de la termodinámica que se mencionan en los párrafos anteriores son las leyes naturales de mayor importancia que se aplican a todas las cosas. Hasta donde se sabe, no existe ninguna excepción o innovación tecnológica que pueda violar dichas leyes. Cualquier sistema artificial o natural que no se ajuste a ellas está destinado a desaparecer. Las dos leyes de la termodinámica se ejemplifican mediante el flujo de energía que sucede en un ecosistema dado.