Perder energía rara vez es algo bueno, pero ahora, investigadores en Japón han demostrado cómo extender la aplicabilidad de la termodinámica a sistemas que no están en equilibrio. Al codificar las relaciones de disipación de energía de forma geométrica, pudieron proyectar las restricciones físicas en un espacio geométrico generalizado. Este trabajo puede mejorar significativamente nuestra comprensión de las redes de reacciones químicas, incluidas las que subyacen en el metabolismo y el crecimiento de los organismos vivos.

La termodinámica es la rama de la física que se ocupa de los procesos mediante los cuales se transfiere energía entre entidades. Sus predicciones son cruciales tanto para la química como para la biología al determinar si ciertas reacciones químicas, o redes de reacciones interconectadas, procederán espontáneamente. Sin embargo, mientras que la termodinámica trata de establecer una descripción general de los sistemas macroscópicos, a menudo encontramos dificultades para trabajar en el sistema fuera de equilibrio. Los intentos exitosos de extender el marco a situaciones de no equilibrio generalmente se han limitado solo a sistemas y modelos específicos.

En dos estudios publicados recientemente, investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio demostraron que los procesos complejos de reacciones químicas no lineales podrían describirse transformando el problema en una representación dual geométrica. «Con nuestra estructura, podemos extender las teorías de los sistemas sin equilibrio con funciones de disipación cuadráticas a casos más generales, que son importantes para estudiar las redes de reacciones químicas», dice el primer autor Tetsuya J. Kobayashi.

En física, la dualidad es un concepto central. Algunas entidades físicas son más fáciles de interpretar cuando se transforman en una representación diferente, pero matemáticamente equivalente. Como ejemplo, una onda en el espacio del tiempo puede transformarse en su representación en el espacio de la frecuencia, que es su forma dual. Cuando se trata de procesos químicos, la fuerza y ​​el flujo termodinámicos son las representaciones duales relacionadas no linealmente (su producto conduce a la velocidad a la que se pierde la energía por disipación) en un espacio geométrico inducido por la dualidad, los científicos pudieron mostrar cómo la termodinámica las relaciones pueden generalizarse incluso en casos de desequilibrio.

«La mayoría de los estudios previos de redes de reacciones qumicas se basaron en suposiciones sobre la cinética del sistema. Mostramos cómo se pueden manejar de manera más general en el caso de no equilibrio mediante el empleo de la dualidad y la geometría asociada», dice el último autor Yuki Sughiyama. Poseer una comprensión más universal de los sistemas termodinámicos y ampliar la aplicabilidad de la termodinámica de no equilibrio a más disciplinas puede proporcionar un mejor punto de vista para analizar o diseñar redes de reacción complejas, como las que se utilizan en organismos vivos o procesos de fabricación industrial.