Las tareas primarias de una célula viva de obtener, transformar y utilizar la energía para realizar trabajo pueden parecer simples. Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica explica por qué estas tareas son más difíciles de lo que parecen. Ninguna de las transferencias de energía que hemos discutido, junto con todas las transferencias y transformaciones de energía en el universo, es completamente eficiente. En cada transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en una forma que no es utilizable. En la mayoría de los casos, esta forma es la energía térmica. Termodinámicamente, la energía térmica se define como la energía transferida de un sistema a otro que no realiza trabajo. Por ejemplo, cuando un avión vuela por el aire, parte de la energía del avión en vuelo se pierde en forma de energía térmica debido a la fricción con el aire circundante. Esta fricción en realidad calienta el aire al aumentar temporalmente la velocidad de las moléculas de aire. Del mismo modo, parte de la energía se pierde en forma de energía térmica durante las reacciones metabólicas celulares. Esto es bueno para las criaturas de sangre caliente como nosotros, porque la energía térmica ayuda a mantener nuestra temperatura corporal. Estrictamente hablando, ninguna transferencia de energía es completamente eficiente, porque parte de la energía se pierde en una forma inutilizable.

Figura 1. La entropía es una medida de la aleatoriedad o el desorden en un sistema. Los gases tienen mayor entropía que los líquidos, y los líquidos tienen mayor entropía que los sólidos.

Un concepto importante en los sistemas físicos es el de orden y desorden (también conocido como aleatoriedad). Cuanta más energía pierde un sistema hacia su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema. Los científicos denominan entropía a la medida de la aleatoriedad o desorden de un sistema. Una alta entropía significa un alto desorden y una baja energía (Figura 1). Para entender mejor la entropía, piensa en la habitación de un estudiante. Si no se pusiera energía o trabajo en ella, la habitación se desordenaría rápidamente. Existiría en un estado muy desordenado, de alta entropía. Para que la habitación vuelva a estar limpia y ordenada, es necesario que el estudiante trabaje y guarde todo. Este estado es de baja entropía. Del mismo modo, un coche o una casa deben ser mantenidos constantemente con trabajo para mantenerlos en un estado ordenado. Si se dejan solos, la entropía de la casa o del coche aumenta gradualmente por el óxido y la degradación. Las moléculas y las reacciones químicas también tienen cantidades variables de entropía. Por ejemplo, a medida que las reacciones químicas alcanzan un estado de equilibrio, la entropía aumenta, y a medida que las moléculas con una alta concentración en un lugar se difunden y se dispersan, la entropía también aumenta.

Todos los sistemas físicos pueden considerarse de esta manera: Los seres vivos están muy ordenados y requieren un aporte constante de energía para mantenerse en un estado de baja entropía. A medida que los sistemas vivos toman moléculas que almacenan energía y las transforman mediante reacciones químicas, pierden cierta cantidad de energía utilizable en el proceso, porque ninguna reacción es completamente eficiente. También producen residuos y subproductos que no son fuentes de energía útiles. Este proceso aumenta la entropía del entorno del sistema. Dado que todas las transferencias de energía conllevan la pérdida de algo de energía utilizable, la segunda ley de la termodinámica establece que toda transferencia o transformación de energía aumenta la entropía del universo. Aunque los seres vivos están muy ordenados y mantienen un estado de baja entropía, la entropía del universo en total aumenta constantemente debido a la pérdida de energía utilizable con cada transferencia de energía que se produce. Esencialmente, los seres vivos están en una continua batalla cuesta arriba contra este aumento constante de la entropía universal.

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