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Principio fundamental de la energia

Principios de conversión de energía

La energía es uno de los conceptos más fundamentales y universales de la ciencia física, pero uno que es notablemente difícil de definir de forma que tenga sentido para la mayoría de la gente. Esto quizá refleje el hecho de que la energía no es una “cosa” que exista por sí misma, sino un atributo de la materia (y también de la radiación electromagnética) que puede manifestarse de diferentes maneras. Sólo puede observarse y medirse indirectamente a través de sus efectos sobre la materia que la adquiere, la pierde o la posee.

El concepto que llamamos energía tardó mucho en desarrollarse; se necesitaron más de cien años para que la gente se pusiera de acuerdo en las definiciones de muchos de los términos que utilizamos para describir la energía y la interconversión entre sus diversas formas. Pero incluso ahora, la mayoría de la gente tiene alguna dificultad para explicar lo que es; de alguna manera, la definición que todos aprendimos en la ciencia elemental (“la capacidad de hacer trabajo”) parece menos que adecuada para transmitir su significado.

Aunque el término “energía” no se utilizaba en la ciencia antes de 1802, hacía tiempo que se sugería que ciertas propiedades relacionadas con los movimientos de los objetos mostraban una resistencia que se incorpora al concepto moderno de “conservación de la energía”. En el siglo XVII, el gran matemático Gottfried Leibnitz (1646-1716) sugirió la distinción entre vis viva (“fuerza viva”) y vis mortua (“fuerza muerta”), que más tarde se conocerían como energía cinética (1829) y energía potencial (1853).

Principio de conservación de la energía

Se desconoce en gran medida cómo se consume la energía en la expresión génica, principalmente debido a la complejidad de los mecanismos de no equilibrio que afectan a los niveles de expresión. Aquí, mediante el análisis de un modelo genético representativo que tiene en cuenta la complejidad de la expresión génica, mostramos que la retroalimentación negativa aumenta el consumo de energía, pero la retroalimentación positiva tiene un efecto opuesto; la fuga del promotor siempre reduce el consumo de energía; la generación de más ráfagas necesita consumir más energía; y la velocidad de conmutación del promotor es a costa del consumo de energía. También encontramos que la relación entre el consumo de energía y el ruido de expresión es multimodal, dependiendo tanto del tipo de retroalimentación como de la velocidad de conmutación del promotor. En conjunto, estos resultados constituyen principios fundamentales del consumo de energía para la expresión génica, que sientan las bases para diseñar módulos génicos biológicamente razonables. Además, discutimos las posibles implicaciones biológicas de estos principios mediante la combinación de hechos experimentales.

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¿Cuáles son los principios de la energía?

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El principio de la energía mínima es esencialmente una reformulación de la segunda ley de la termodinámica. Establece que para un sistema cerrado, con parámetros externos y entropía constantes, la energía interna disminuirá y se acercará a un valor mínimo en el equilibrio. Por parámetros externos se entiende generalmente el volumen, pero pueden incluirse otros parámetros especificados externamente, como un campo magnético constante.

En cambio, para los sistemas aislados (y con parámetros externos fijos), la segunda ley establece que la entropía aumentará hasta alcanzar un valor máximo en el equilibrio. Un sistema aislado tiene una energía y una masa totales fijas. Un sistema cerrado, en cambio, es un sistema que está conectado a otro y no puede intercambiar materia (es decir, partículas), sino otras formas de energía (por ejemplo, calor), con el otro sistema. Si, en lugar de un sistema aislado, tenemos un sistema cerrado, en el que la entropía, y no la energía, permanece constante, entonces se deduce de la primera y la segunda ley de la termodinámica que la energía de ese sistema bajará a un valor mínimo en el equilibrio, transfiriendo su energía al otro sistema. Para decirlo de nuevo:

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Tipos de energía fundamentales

La conservación de la energía es una ley absoluta y, sin embargo, parece chocar con lo que observamos a diario. Las chispas crean un fuego, que genera calor – energía manifiesta que no estaba allí antes. Una batería produce energía. Una bomba nuclear crea una explosión. Sin embargo, cada una de estas situaciones es simplemente un caso de energía que cambia de forma. Incluso la aparentemente paradójica energía oscura que provoca la aceleración de la expansión del universo, como veremos, obedece a esta regla.

La ley de la conservación de la energía, también conocida como la primera ley de la termodinámica, establece que la energía de un sistema cerrado debe permanecer constante: no puede aumentar ni disminuir sin interferencia del exterior. El propio universo es un sistema cerrado, por lo que la cantidad total de energía existente siempre ha sido la misma. Sin embargo, las formas que adopta la energía cambian constantemente.

La energía potencial y la cinética son dos de las formas más básicas, conocidas desde las clases de física del instituto: El potencial gravitatorio es la energía almacenada de una roca empujada hacia arriba en una colina, preparada para rodar hacia abajo. La energía cinética es la energía de su movimiento cuando empieza a rodar. La suma de ambas se llama energía mecánica. El calor de un objeto caliente es la energía mecánica de sus átomos y moléculas en movimiento. En el siglo XIX los físicos se dieron cuenta de que el calor producido por una máquina en movimiento era la energía mecánica bruta de la máquina convertida en energía mecánica microscópica de los átomos. La energía química es otra forma de energía potencial almacenada en los enlaces químicos moleculares. Es esta energía, almacenada en las células del cuerpo, la que permite correr y saltar. Otras formas de energía son la energía electromagnética, o luz, y la energía nuclear: la energía potencial de las fuerzas nucleares de los átomos. Hay muchas más. Incluso la masa es una forma de energía, como demostró el famoso E = mc2 de Albert Einstein.

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