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Divulgaci Divulgaci ó ó n n de la de la cultura cultura cient cient í í fica fica Antonio Hernando Grande Antonio Hernando Grande Energ Energ í í a a para para la la vida vida Murcia Murcia Universidad Universidad Complutense Complutense LA ENERGIA PARA LA VIDA LA ENERGIA PARA LA VIDA RACEFyN RACEFyN ANTONIO HERNANDO GRANDE ANTONIO HERNANDO GRANDE CATEDR CATEDR Á Á TICO DE MAGNETISMO TICO DE MAGNETISMO UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
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DivulgaciDivulgacióónn de la de la culturacultura cientcientííficaficaAntonio Hernando GrandeAntonio Hernando GrandeEnergEnergííaa parapara la la vidavida
MurciaMurciaUniversidad Universidad ComplutenseComplutense
LA ENERGIA PARA LA VIDALA ENERGIA PARA LA VIDA
RACEFyNRACEFyN
ANTONIO HERNANDO GRANDEANTONIO HERNANDO GRANDE
CATEDRCATEDRÁÁTICO DE MAGNETISMOTICO DE MAGNETISMO
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRIDUNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
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Economía “darwiniana”
hasta la Revolución Industrial
Renta per
capita constante
Neolítico RI 2010
Renta p.c.
La máquina: transforma
Desorden Orden
I
Homínidos 106
años (1 día). Ciencia 4102 años(30 segundos)
Tierra 4.109 años (1 día). Ciencia 4102
años(10 milisegundos)
A Farewell
to
Alms, Gregory Clark Princeton U. P. 2007
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Energía ordenada calor Chimenea
Calor energía ordenada
Máquina ó
motor
Aumento de desorden
Aumento de orden
Algo más, solo eso imposible
Se puede aumentar el orden en A si se disminuye en cantidad igual ó
mayor en
A´
(deterioro universal del orden)
Solo eso es posible
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Sistema aislado E y m constante: Equilibrio S máximo
Sistema cerrado, puede intercambiar E. Equilibrio S+S´
máximo
Sistema abierto, intercambia E y m. Equilibrio S+S´
máximo
d*Q=dE-d*W
´se
refiere al sistema exterior, aquel con que se intercambia E ó
m
d*Q<dS/T
Parámetros,
E, p,V,m,T, S,Φ, A,μ
Funciones de Estado
Reversibilidad e irreversibilidad
T energía por grado de libertad, por partícula
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En general el sistema externo es muy grande: el foco
Si da calor Q´
su T´
no cambia y la entropía que pierde es ΔS´=
–Q´/T.
La condición de equilibrio para el sistema total es ΔS+
ΔS´>0 y para el sistema pequeño se convierte en
dG>0, donde G la función de Gibbs, o energía libre, resulta ser
G=E-TS+qΦ+μNArgumento de aumento de orden en el sistema pequeño y disminución global del orden. G=E-TS, S crece con E, T manda.
Naturalmente
( cristales, sólidos, seres vivos) o con Máquina ( aire acondicionado, máquina de vapor,
mitocondrias). Las máquinas biológicas
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Dos Revoluciones importante
a)La aparición de la vida
Máquinas químicas naturales
b) La revolución industrial
Máquinas hechas por ingeniosos artesanos y científicos desde el cerebro con capacidad de gran escala
En ambos casos se crean subsistemas ordenados por efecto de las máquinas
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EL ORIGEN DEL UNIVERSO
• Hace aproximadamente 15 mil millones de añostuvo origen “la Gran Explosión” (o “Big Bang”)
ENERGÍA LUZ
MATERIA
ENERGÍA LUZ
FUERZAS DE LA NATURALEZA
PROCESO DE EXPANSIÓN
Partículas elementales
Átomos, moléculas
Estrellas
Galaxias
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EL ORIGEN DEL UNIVERSO
Existen 4 tipos de FUERZA DE INTERACCIÓN EN LA NATURALEZA:
1. FUERZA GRAVITATORIA
2. FUERZA ELECTROMAGNÉTICA
3. FUERZA NUCLEAR DÉBIL
4. FUERZA NUCLEAR FUERTE
Rigen la
EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO
hasta nuestros días
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Modestia frente a optimismoConocemos un 5% de la materia total, la que emite e interacciona con la radiación electromagnética.
Parece que existe un 23%
de materia oscura que explicaría efectos gravitacionales y de
anisotropía y un 72%
de energía oscura
que explicaría la aceleración en la expansión del Universo. De su composición solo sabemos conjeturas
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EL SISTEMA SOLAR y la TIERRA
Resultado
de la EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO.
Vía
Lactea Sistema
SolarTierra4600 millones
de años
¿Por qué hay vida en la Tierra?
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¿Por qué hay vida en la Tierra?
150.000.000 Km
El SOL es la fuente de energía que permitela VIDA en la TIERRA
La existencia de VIDA requiere ENERGÍA
gmWKgW 0002,0
102104
30
26=
××
W26104×
Kg30102×
gmWKgW 2
70140
=
KJKcal 120003000 →
Kg70
El Sol genera una potencia de
y su masa es
•Por tanto:
Un ser humano de consume
de media al día unas
•Por lo que la potencia consumida es:
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BALANCE RADIATIVO TERRESTRE
¿Qué ocurre con la energía que nos llega del Sol?
• ATMOSFERA
(Velocidad de escape)
• AGUA LÍQUIDA
• SUPERFICIE TERRESTRE 14 ºC
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La radiación incidente de frecuencia ω
es absorbida por un átomo que radiaría a ω. Si esta energía se transmite a mas átomos, (por choques, por calor)
estos radiarían a mas baja
frecuencia, aumenta la entropía al disminuir la frecuencia.
Si la probabilidad de encontrar una partícula en x=0 es p
La probabilidad de encontrar n+1 es: p.pn;; ó
(n+1)ppn; ó
0; para partículas independientes, fermiones
y bosones
,
respectivamente.
Equilibrio de la radiación con Ea
>Eb
kTE
akTE
e
ba
eWeW−−
= nn
WW
a
e 1+=y
1
1)(−
=kTe
n ωωh
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La energía radiada por el cuerpo depende de su temperatura, según la fórmula de Planck. El número de fotones que por unidad de volumen hay en la cavidad es:
ωπω
ππωωρ d
cdppd 32
2
3
2
)2(4.2)( ==h
cp ωh=con
ωωπωω dnc
TE )(),( 32h
=
La densidad de energía total radiada por un cuerpo a T por unidad de tiempo es proporcional a T4 con cte
5.66 10-8Wm-2K-4
mKCteTTc 389710.22 −=== λωπ
La energía radiada a T tiene un máximo a una ω
que crece con T
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A la Tierra llega una densidad de potencia de 235W/m2,
en régimen
estacionario, estaría a -220C. La atmósfera absorbe 67W/m2
y deja que la
Tierra absorba 168W/m2
La T de la Tierra es 140C, por lo que según la ley de S-B debería emitir 492W/m2. En el infrarrojo. Así
lo hace y
para mantener el balance recibe de la atmósfera 324W/m2
que con los
168W/m2
del sol cierran el balance.
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VIDA, ORDEN Y DESORDEN. ENTROPÍA
DESORDEN AUMENTA
Sistema aislado
0>ΔS
021 >Δ=Δ+Δ SSS
FENÓMENOS NATURALES
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VIDA, ORDEN Y DESORDEN. ENTROPÍA
021 >Δ=Δ+Δ SSS
Las máquinas
realizan
un trabajo
para
producir… ORDEN
MÁQUINA
02 >>ΔS
01 <ΔS
Se obtiene
orden
en una
parte del sistema aumentando
el desorden
en el resto
del sistema
La aparición de VIDA requiere ORDEN
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VIDA, ORDEN Y DESORDEN. ENTROPÍA
EVOLUCIÓN COMPLEJIDAD Más ORDENEVOLUCIÓN COMPLEJIDAD Más ORDENEVOLUCIÓN COMPLEJIDAD Más ORDEN
La aparición de VIDA requiere ORDEN
BACTERIA EUCARIOTA CEREBRO
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VIDA. TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA
Máquinahidráulica
Trabajo útil
Agua con energíapotencial
Trabajo útil
Qh-Qr=W
-(Qh/Ts)+ (Qr/Tb)>0
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VIDA. TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA
Energía
de Sol: -
Temperatura
de la superficie
5780 K
-
Temperatura
de la corona 5 ×
106
K
-
Temperatura
del núcleo
~1,36 ×
107
K
NÚCLEO Fusión
FOTOSFERA Energía
Electromagnética
Energía
Solar
Seres
Vivos Células
Moléculas
Energía
Ordenada
Fotosíntesis
Respiración
Similar a nuestra líneas del alta tensión. Faraday. S XIX-XX
Campo EM-LUZ
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PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA-Combustión. Reacción química en la que un elemento combustible se combina con oxígeno gaseoso, desprendiendo calor y produciendo un óxido. Es una reacción exotérmica.
-Fermentación. Proceso catabólico de oxidación incompleto, obteniéndose un compuesto orgánico.
-Respiración. Intercambio gaseoso osmótico (o difusivo) con el medio ambiente en el que se capta oxígeno necesario para la respiración celular, y se desecha dióxido de carbono como subproducto del metabolismo energético.
VIDA. TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA
EΔ
CalorOHCOOCH ++→+ 2224 22
ENZIMAS
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Bioquímica: A+B C+DG(A+B)>G(C+D) la reacción se da espontáneamente y se pierde capacidad de trabajo
G(A+B)<G(C+D) la reacción no se da espontáneamente y se almacena capacidad de trabajo. Se requiere acoplamiento, como el foco frío de las máquinas
G
A+B C+D
Gluc+Fruct Saca+H2O ΔG=0.24 eV
ATP+Gluc ADP+P-Gluc ΔG´=-0.30
P-Gluc
+Fruct Saca+DPA+P ΔG´´=-0.06eV
ATP básico para la evolución hacia la complejidad
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ORIGEN DE LA VIDA
• La vida
surge una
sola vez.
•
Formación
de ácidos
nucleicos
ADN a partir
de aminoácidos.
• De una
sóla
célula
se generan
todas
las
células
• En el ADN reside toda
la información
genetica.
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EL MOTOR BIOLÓGICO
• Membrana: bicapa de fosfolípidos que regula la difusión atómica y molecular entre la región intracelular o citosol y el medio extracelular.
• Aunque la célula y el medio extracelular son eléctricamente neutros existe un pequeño desequilibrio de carga en un espesor de un nanómetro en torno a la membrana. Este desequilibrio hace que el interior sea ligeramente negativo respecto al exterior.
• Los gradientes de concentración y de voltaje definen el gradiente electroquímico.
K+
Na+
Cl-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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EL MOTOR BIOLÓGICO
•
La conversión
energética
la realizan
las
mitocondrias
(respiración
en células
eucariotas) y los cloroplastos
en plantas
(fotosíntesis).
•
Durante la respiración
celular
se produce una
transformación
de ADP en ATP y viceversa
gracias
a un bombeo
de protones
a través
de la membrana
mitocondrial
• El ATP es
utilizado
para
impulsar
reacciones
celulares
que
requieren
energía.
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Algunos datos:
Cortex 2 a 4 mm de espesor de tejido gris. 2500 cm2 plegados de superficie
EL CEREBRO
Contiene: 1011 neoronas, 1014 sinapsis, 1011 células gliales, soporte estructural; mielina (tejido blanco).
Máximo exponente de la evolución de la naturaleza.
Gran consumo de energía
ORDEN
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Ramón y Cajal 1888, recogido en Rev. Mod. Phys. 65 , 1993
Neuronas piramidales y estrelladas observadas por tintura en cortex de rata. Solo se ve un 1% del total de neuronas.
EL CEREBRO
Una neurona es una célula nerviosa, elemento fundamental de la arquitectura del sistema nervioso. Es la unidad funcional que transporta el flujo nervioso. Se distinguen los:- Axones- Dentritas
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FIN
Gracias por su atención
