Hagamos un repaso a la segunda ley de la termodinámica y al límite superior de la eficiencia de cualquier proceso.
Consideremos un proceso entre dos estados [matemáticos] (T_1, V_1); (T_2, V_2) [/ math]. Podemos decir que durante este proceso se produjo cierta transferencia de calor y transferencia de trabajo.
Una máquina de calor es cualquier máquina que puede absorber este calor a una temperatura particular, convertir una parte de ella en trabajo útil y rechazar la energía restante como calor a un depósito a una temperatura diferente (el rechazo de energía es necesario para volver a el mismo estado en el que comenzó). Si es capaz de hacer esto repetitivamente en ciclos, entonces se llama un motor de calor cíclico.
Si decimos que el motor térmico toma una cantidad de energía calorífica [matemática] Q_h [/ math] de un depósito térmico a la temperatura [matemática] T_h [/ math], y convierte una parte de la energía térmica en trabajo equivalente, [matemática ] W_ {net} [/ math] sin aumentar su propia temperatura, y rechaza la energía térmica restante [matemática Q_l [/ math] a un depósito en [math] T_l [/ math] luego tenemos de la primera ley,
[matemáticas] Q_h – Q_l = W_ {net} [/ math]
Donde [math] T_h> T_l [/ math] es una condición requerida para que el motor funcione. Si es al revés, se llama bomba de calor. Una bomba de calor es un dispositivo que absorbe energía a una cierta temperatura y rechaza la energía a una temperatura más alta tomando algún trabajo.
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Esta es la representación de un motor térmico –
La máxima eficiencia que puede alcanzar ese motor térmico está limitada por un límite superior que se le impone. Este límite superior se puede explicar de la siguiente manera: Hay algunas irreversibilidades inherentes asociadas con cualquier motor térmico. El solo hecho de que el motor térmico funcione en una atmósfera y tenga que rechazar el calor en la atmósfera es una irreversibilidad. Este calor perdido no puede ser reutilizado. Debido a que el rechazo de calor es parte integral de un motor térmico, este tipo de irreversibilidad también forma parte integral de un motor térmico.
Cuando se trata de irreversibilidades, la eficiencia se ve afectada. La eficiencia máxima que se puede esperar de cualquier motor se establece por la eficiencia del motor térmico Carnot . Un motor de carnot es un motor que carece de todas las irreversibilidades (como la fricción) excepto el que se introdujo debido al rechazo de calor. Comparemos la eficiencia de un motor térmico real con la de un motor Carnot:
La eficiencia real de un motor térmico viene dada por, [math] \ eta = \ dfrac {W_ {net}} {Q_ {in}} = \ dfrac {Q_h – Q_l} {Q_h} = 1 – \ dfrac {Q_l} {Q_h } [/ math]
Sabemos que el calor absorbido y el calor liberado es proporcional a las temperaturas a las que ocurren, respectivamente. Trabajando en torno a ese hecho y cancelando algunos términos, un motor de Carnot que funcione entre las mismas temperaturas proporciona la eficiencia [math] \ eta = 1 – \ dfrac {T_l} {T_h} [/ math]
Por regla general, la primera eficiencia es siempre menor que la segunda eficiencia, porque los procesos reales implican muchas irreversibilidades que no están presentes en los procesos ideales.
El cuerpo humano puede modelarse como un motor térmico. Consumimos algo de energía, convertimos una parte de ella en trabajo y rechazamos el resto a la atmósfera en forma de calor corporal. Cualquier cosa en el universo que funcione en un ciclo se puede modelar de manera similar. Por lo tanto, las funciones celulares tales como el crecimiento y la reproducción también se pueden modelar como motores de calor.
Una vez que identificamos las interacciones de energía que tienen lugar, podemos aplicar las mismas ecuaciones anteriores y llegar a la eficiencia.
La declaración en su pregunta simplemente significa lo siguiente:
Para el crecimiento de E.Coli, [math] \ eta = 1 – \ dfrac {Q_l} {Q_h} \ approx 1 – \ dfrac {T_l} {T_h} [/ math]
Es decir, la eficiencia del proceso de crecimiento de E.Coli se aproxima mucho a la eficiencia de un motor Carnot ideal que trabaja entre los mismos estados. Esto significa que el calor que surge en forma de irreversibilidades es mínimo. Esta irreversibilidad podría surgir debido a varios factores relacionados con la cinética química y las reacciones, etc.
Por supuesto, esta no es una explicación muy útil para su pregunta. Pero responde tu pregunta.
Para el crecimiento de E.Coli, debe requerir una cierta cantidad de trabajo. Este trabajo se obtiene mediante algunas interacciones energéticas similares a las descritas anteriormente. Los microbiólogos seguramente tienen formas de medir o aproximar estas interacciones de energía. Sin embargo, no soy microbiólogo y no conozco estos métodos. Investigué un poco en Internet y aquí hay un extracto de un sitio web:
La formación de biomasa representa uno de los aspectos más básicos del metabolismo bacteriano. Si bien existe una gran cantidad de información sobre las reacciones individuales que resultan en la duplicación celular, sorprendentemente hay poca información sobre la bioenergética del crecimiento. Durante muchos años, se supuso que la producción de biomasa (anabolismo) era proporcional a la cantidad de ATP que podría derivarse de las vías de generación de energía (catabolismo), pero el trabajo posterior demostró que el rendimiento de ATP (YATP) no era necesariamente una constante. Los experimentos de cultivo continuo indicaron que las bacterias utilizaron ATP para las reacciones metabólicas que no estaban directamente relacionadas con el crecimiento (funciones de mantenimiento). Las derivaciones matemáticas mostraron que la energía de mantenimiento parecía ser una función independiente de la tasa de crecimiento de la masa y el tiempo de la célula. Trabajos posteriores, sin embargo, mostraron que la energía de mantenimiento por sí sola no podía explicar todas las variaciones en el rendimiento. Debido a que solo parte de la discrepancia podría explicarse por la secreción de metabolitos (metabolismo de desbordamiento) o la desviación del catabolismo a vías metabólicas que produjeron menos ATP, parecía que los cultivos con exceso de energía tenían mecanismos de derrame de energía. Las bacterias tienen el potencial de derramar el exceso de ATP en ciclos de enzimas inútiles, pero ha habido pocas pruebas de que tales ciclos sean significativos. Trabajos recientes indicaron que las bacterias también pueden usar ciclos fútiles de potasio, amoníaco y protones a través de la membrana celular para disipar el ATP directa o indirectamente. La utilidad de la energía que se derrama en las bacterias ha sido una curiosidad. La privación de energía de los competidores potenciales es, en el mejor de los casos, una explicación teleológica que no puede ser fácilmente respaldada por las teorías estándar de la selección natural. El cebado de los intermedios intracelulares para el crecimiento futuro o la protección de las células de los productos finales potencialmente tóxicos (por ejemplo, metilglioxal) parece una explicación más plausible.
Aquí hay un documento que describe el procedimiento para aproximar estas interacciones energéticas de E. Coli:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/…
Una vez que se identifican las interacciones de energía, pueden sustituirse fácilmente en ecuaciones para llegar a la eficiencia relacionada con esa conversión de energía. Espero que algún microbiólogo en Quora pueda encontrar una respuesta descriptiva para el mismo, y luego se puede crear una wiki de respuestas.
Espero que esto ayude. 🙂
