I compiti primari di una cellula vivente di ottenere, trasformare e usare energia per fare lavoro possono sembrare semplici. Tuttavia, la seconda legge della termodinamica spiega perché questi compiti sono più difficili di quanto sembrino. Nessuno dei trasferimenti di energia che abbiamo discusso, così come tutti i trasferimenti e le trasformazioni di energia nell’universo, è completamente efficiente. In ogni trasferimento di energia, una certa quantità di energia viene persa in una forma che è inutilizzabile. Nella maggior parte dei casi, questa forma è l’energia termica. Termodinamicamente, l’energia termica è definita come l’energia trasferita da un sistema ad un altro che non sta facendo lavoro. Per esempio, quando un aereo vola nell’aria, parte dell’energia dell’aereo in volo si perde come energia termica a causa dell’attrito con l’aria circostante. Questo attrito in realtà riscalda l’aria aumentando temporaneamente la velocità delle molecole d’aria. Allo stesso modo, una parte dell’energia viene persa come energia termica durante le reazioni metaboliche cellulari. Questo è un bene per le creature a sangue caldo come noi, perché l’energia termica aiuta a mantenere la nostra temperatura corporea. In senso stretto, nessun trasferimento di energia è completamente efficiente, perché una parte dell’energia viene persa in una forma inutilizzabile.

Figura 1. L’entropia è una misura della casualità o del disordine in un sistema. I gas hanno un’entropia più alta dei liquidi, e i liquidi hanno un’entropia più alta dei solidi.

Un concetto importante nei sistemi fisici è quello di ordine e disordine (noto anche come casualità). Più energia viene persa da un sistema nei suoi dintorni, meno ordinato e più casuale è il sistema. Gli scienziati si riferiscono alla misura della casualità o del disordine all’interno di un sistema come entropia. Alta entropia significa alto disordine e bassa energia (Figura 1). Per capire meglio l’entropia, pensa alla camera da letto di uno studente. Se non ci fosse energia o lavoro, la stanza diventerebbe rapidamente disordinata. Esisterebbe in uno stato molto disordinato, uno di alta entropia. L’energia deve essere messa nel sistema, sotto forma di uno studente che lavora e mette via tutto, per riportare la stanza in uno stato di pulizia e ordine. Questo stato è uno stato di bassa entropia. Allo stesso modo, un’auto o una casa devono essere costantemente mantenute con il lavoro per mantenerle in uno stato ordinato. Lasciati soli, l’entropia della casa o dell’auto aumenta gradualmente attraverso la ruggine e la degradazione. Anche le molecole e le reazioni chimiche hanno quantità variabili di entropia. Per esempio, quando le reazioni chimiche raggiungono uno stato di equilibrio, l’entropia aumenta, e quando le molecole ad alta concentrazione in un posto si diffondono e si spargono, anche l’entropia aumenta.

Tutti i sistemi fisici possono essere pensati in questo modo: Gli esseri viventi sono altamente ordinati e richiedono un apporto costante di energia per essere mantenuti in uno stato di bassa entropia. Quando i sistemi viventi assumono molecole che immagazzinano energia e le trasformano attraverso reazioni chimiche, perdono una certa quantità di energia utilizzabile nel processo, perché nessuna reazione è completamente efficiente. Producono anche rifiuti e sottoprodotti che non sono fonti di energia utile. Questo processo aumenta l’entropia dell’ambiente circostante il sistema. Poiché tutti i trasferimenti di energia comportano la perdita di un po’ di energia utilizzabile, la seconda legge della termodinamica afferma che ogni trasferimento o trasformazione di energia aumenta l’entropia dell’universo. Anche se gli esseri viventi sono altamente ordinati e mantengono uno stato di bassa entropia, l’entropia dell’universo in totale è in costante aumento a causa della perdita di energia utilizzabile con ogni trasferimento di energia che avviene. Essenzialmente, gli esseri viventi sono in una continua battaglia in salita contro questo costante aumento dell’entropia universale.

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