¿Por qué la eficiencia de las células humanas es menor que la eficiencia de un motor Otto?

¿Podemos comparar células vivas con máquinas térmicas?

No, en realidad no, porque el ser vivo no es sólo una máquina térmica. Hay tres puntos principales que quiero hacer aquí.

1. La homeostasis requiere un aporte de energía constante

Esta afirmación es especialmente cierta y obvia para los mamíferos homeotermos (Mammaliaformes, descendientes de Therapsid Synapsid Amniotes) y las aves (Avialae / Dinosauria, descendientes de Dinosauriform Amniotes), que usan una gran cantidad de energía simplemente para mantener la temperatura de su cuerpo dentro de límites estrictos. es decir, compensar la pérdida de calor (principalmente por convección) de su cuerpo en condiciones de frío y expulsar activamente el calor de sus cuerpos en condiciones de calor. Pero, de manera más general, el fenómeno de la homeostasis también requiere un gasto de energía; un organismo vivo es un sistema termodinámico en gran falta de equilibrio, y el exceso de entropía producido por los procesos metabólicos debe ser expulsado para mantenerlo así. El equilibrio termodinámico solo se alcanza cuando el ser vivo muere.

Solo a partir de esta consideración, esperaríamos que las eficiencias medidas cuando el organismo realiza un trabajo mecánico sean considerablemente menores que las de una máquina térmica.

2. La acción muscular no es un motor térmico

La acción muscular es mucho más comparable a un motor eléctrico que a un motor térmico. Lo que quiero decir con esto es que un motor eléctrico convierte esencialmente el trabajo de una forma a otra con un cambio de entropía cercano a cero y un cambio de temperatura insignificante; Las proteínas motoras convierten la energía de baja entropía almacenada como ATP en trabajo mecánico a través de la hidrólisis de ATP con un cambio de temperatura muy pequeño en los reactivos a medida que reaccionan. En este caso, la medida de eficiencia más significativa probablemente se exprese en dos factores: (1) la relación de la energía libre$\Delta G$de la reacción de hidrólisis de ATP al cambio de entalpía total$\Delta H$de la reacción (la diferencia$T\,\Delta S$siendo el trabajo que tenemos que "renunciar" para expulsar el exceso de entropía de los reactivos en relación con los productos de reacción de menor entropía) y (2) la relación entre el trabajo mecánico realizado y el disponible$\Delta G$.

En una máquina térmica, tomamos una cantidad de calor de un depósito caliente, reduciendo la entropía de este último en$Q_i/T_i$en el proceso, pero encuentra que, si tenemos un reservorio más frío en$T_o<T_i$solo tenemos que "devolver"$Q_o<Q_i$al reservorio frío para compensar la caída de entropía en el reservorio caliente, por lo que podemos "mantener" la energía$Q_i - Q_o > 0$por trabajar con. En las reacciones biológicas, el proceso más comparable a este es el de la fotosíntesis , donde el "fluido de trabajo" de la luz en equilibrio termodinámico en$6000{\rm K}$se convierte en "trabajo almacenado" en azúcares y, en última instancia, ATP, descargando el exceso de calor a temperatura ambiente$300{\rm K}$en el proceso. A partir de entonces, todos los seres vivos usan esta reserva de energía de baja entropía como un motor eléctrico que convierte la energía almacenada en un capacitor, ya sean plantas que la usan para su propio proceso de vida, o herbívoros que acceden a ella a través de las plantas que comen o carnívoros que acceden a ella a través de las plantas que comen. comedores

Así que las plantas y su fijación de energía solar son el componente de la biosfera más comparable a un motor térmico en una central eléctrica; los procesos metabólicos de las plantas y los animales que comen plantas y entre sí para tener acceso a la energía almacenada en las plantas se parecen más a los aparatos eléctricos que utilizan el trabajo extraído por la central eléctrica, con muy pocos cambios de temperatura.

3. Las proteínas se desnaturalizan aproximadamente$50{\rm C}$

Para cualquier proceso animal que pueda considerarse como un motor térmico, la temperatura máxima de admisión puede ser como máximo unas pocas o unas pocas decenas de grados Kelvin por encima de la temperatura ambiente. Esto se debe a que la maquinaria biológica resulta fatalmente dañada por temperaturas mucho más altas que$40{\rm C}$. Las proteínas se desnaturalizan y pierden sus funciones vitales para la vida a temperaturas muy bajas. Entonces, si hay procesos en la vida que pueden considerarse razonablemente análogos a los motores térmicos, prevemos que sus eficiencias sean muy bajas, ya que la eficiencia teórica es del orden de$3\%$dado este límite.

Una excepción interesante a mi punto 3 surge en la vida marina profunda que vive cerca de fuentes hidrotermales. Juan Rennie escribe:

En cuanto al último punto, la eficiencia, por supuesto, podría ser del 100 % si los animales tuvieran un disipador de calor en el cero absoluto. Es el hecho de que hay una diferencia de temperatura muy limitada disponible lo que importa, en lugar de la temperatura de origen limitada. Tenga en cuenta también que algunos extremófilos son bastante felices viviendo cerca del agua hirviendo.

así que tenemos criaturas que habitan en$100{\rm C}$y sobre ambientes y la oportunidad de verter calor en el mar circundante a temperaturas mucho más bajas. Sin embargo, tengo entendido que estas criaturas aún usan la energía química de lo que pueden extraer de las fumarolas volcánicas, en lugar de funcionar como motores térmicos aprovechando la caída de temperatura.

¿Por qué la eficiencia de las células humanas es menor que la eficiencia de un motor Otto?

No es. Estás comparando dos cosas muy diferentes. El valor bajo de 18 a 26 % de eficiencia que encontró para el cuerpo humano es la energía producida por un ser humano en ejercicio en comparación con la energía consumida por esa persona. El alto valor de 56 a 61% de eficiencia es para un motor de ciclo Otto ideal. Necesitas comparar manzanas con manzanas.

¿Podemos comparar células vivas con máquinas térmicas?

En cierto sentido, no, por la sencilla razón de que las células no son motores térmicos. Sin embargo, en el sentido de que la eficiencia térmica es la relación entre la energía utilizable producida durante un ciclo y la energía total (energía utilizable más pérdidas de calor), se puede calcular la relación entre la energía utilizable producida durante un ciclo de contracción/retracción de una célula muscular y la energía química. energía consumida por esa célula al realizar ese ciclo. Estas eficiencias son números comparables.

Hay muchos artículos publicados sobre este tema. Por ejemplo, consulte Sharon Jubrias, et al., "Eficiencia de acoplamiento de contracción del primer músculo interóseo dorsal humano". The Journal of Physiology 586.7 (2008): 1993-2002 , que encuentra que los músculos de una mano humana tienen una eficiencia de alrededor del 68 %. Consulte también la respuesta de Nathaniel a la pregunta de física.SE " Human as a heat engine ".

Las células del cuerpo humano necesitan ser bastante eficientes para obtener ese valor aparentemente bajo de 18% a 26% de eficiencia durante el ejercicio. Hay mucho consumo de energía en el cuerpo humano además de los músculos de las piernas que se usan para impulsar una bicicleta. Se necesita una cierta cantidad de energía para mantener vivas todas las células del cuerpo. Esto incluye el cerebro humano, que consume alrededor del 20% de esta energía en reposo. El elevado consumo de energía durante el ejercicio requiere que el corazón bombee más rápido y que el pecho respire más rápido. Esos músculos consumen energía adicional mientras se ejercitan, pero no contribuyen en nada al trabajo que se realiza.

Ahora echemos un vistazo a un automóvil. La cifra de eficiencia del 56 al 61% que citó es para un motor Otto ideal. Las carreras de admisión y potencia en un motor de ciclo Otto ideal son procesos adiabáticos reversibles. Esos golpes son menos que ideales en un motor Otto real, lo que reduce considerablemente la eficiencia. Un automóvil tiene gastos generales, al igual que el cuerpo humano. Parte de la energía producida por el motor de un automóvil se utiliza para crear electricidad y para accionar bombas y ventiladores. Los motores de combustión interna pierden aún más energía en forma de combustible no quemado en el escape, fricción interna y pérdidas en la transmisión.

La cifra de eficiencia del 18% al 26% es la eficiencia del sistema de un cuerpo humano. Cuando uno observa la eficiencia del sistema de un automóvil, la relación entre la energía utilizada para acelerar el automóvil y empujar el aire a la energía consumida en forma de gasolina, también es muy baja, de un solo dígito para la conducción en ciudad y bajo consumo de combustible. a mediados de la adolescencia para conducir en carretera a velocidades no excesivas.

Calculemos la eficiencia del motor utilizando la relación entre el trabajo y la energía de la gasolina (suponiendo que se pueda convertir completamente en CO2 y H2O). Y calculemos la eficiencia celular (muscular) por la proporción de trabajo (del equipo de gimnasio) y la energía de la grasa (suponiendo que se pueda convertir completamente en CO2 y H2O). Estas dos eficiencias son comparables.

La eficiencia de un motor de gasolina es de alrededor del 30%. Si se incluye el procesamiento de aceite, puede ser aún menor. La eficiencia de la celda 18-26% no es demasiado baja. La pregunta podría ser ¿adónde va el resto del 82 % al 74 % de la energía? Creo que se puede usar para acelerar el sistema de circulación (aumentar la frecuencia de los latidos del corazón, transportar material como oxígeno, etc.) y se agota a medida que se elimina el calor del cuerpo. Una parcela demográfica debe ser un tema de estudio para los científicos de bioingeniería.

Primero. El motor de Carnot es el motor térmico ideal. Ya es la mayor eficiencia posible para su tipo.

Segundo. La eficiencia necesita un alto costo de mantenimiento. Necesita material específico, combustible específico, condiciones específicas para trabajar y, lo más importante, solo puede realizar una tarea específica. Para hacer que algo funcione y sea duradero, y reutilizar lo que ya existe, es mejor sobrevivir en la naturaleza.