Termodinamica aplicada a sistemas vivos

Termodinámica

QF: Edwin Pomatanta PlasenciaDocente Uladech Catolica

Email:edwinpomatanta@hotmail.com

Calor y Temperatura

• El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media.

• El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo

• El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya

• La temperatura no es energía sino una medida de ella

• El calor sí es energía, la cual es ganada o perdida en estos procesos.

Calor y Temperatura

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Escalas de temperatura

• Los termómetros, todos miden agitación térmica de las moléculas.

• Escala Térmica:

• Fahrenheit, la Celsius y la kelvin (o absoluta).

• Cada escala considera dos puntos de referencia, uno superior y el otro inferior, y un número de divisiones entre las referencias señaladas

Escalas de temperatura

• Escala Fahrenheit:referencia inferior el punto de fusión de una mezcla de sales de hielo (0Fº) y como referencia superior el punto de ebullición del agua (212ºF)

• Escala Celsius: su referencia inferior esta basada en el punto de fusión del hielo (0ºC) y la superior en el punto de ebullición del agua (100ºC). Entre estas dos referencias existen 100 divisiones.

Escalas de temperatura

• Para convertir de grado centígrado a Fahrenheit o viceversa, se utiliza esta formula:

• Escala Kelvin: Ésta escala es la que se usa en la ciencia y esta basada en los principios de la Termodinámica, en los que se predice la existencia de una temperatura mínima, en la cual las partículas de un sistema carecen de energía térmica.

• La temperatura en la cual las partículas carecen de movimiento se conocen como Cero Absoluto (0ºK).

Conceptos Claves

• Calor: energía transferida entre dos cuerpos o sistemas, se puede asociar al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia.

• Se simboliza como Q y su unidad de medida en SI es Joule. La unidad clásica para medir la cantidad de calor es la caloría.

Calor

Conceptos Claves

• KILOCALORIA: La unidad de calor es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de la unidad de masa de agua en 1ºC en torno a los 15ºC

• Por ejemplo: 1 kcal es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 kg de agua de 14,5 a 15,5ºC

•

Conceptos Claves

• En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de calor es la misma de energía, es decir el Joule.

• 1 caloría = 4,186 Joule

• 1 kcal = 4,186 kJoule

Conceptos Claves

• Trabajo: Fuerza que actúa sobre un objeto para causar un desplazamiento.

• Calor específico: o capacidad calorifica, es la cantidad de calor necesaria para calentar una unidad de masa o peso elevando su temperatura en 1ºC. Es una propiedad específica (particular) de cada sustancia.

Capacidad calorífica = m x Ce

Trabajo

Conceptos Claves

Cantidad de calor: Se define como la variación energética que acompaña a un traslado de calor señalado por la temperatura:

• Q = m x Ce x (Tf – Ti)

• donde:

• Q = Cantidad de calor

• m = masa

• Ce = Calor específico

• Tf = Temperatura final

• Ti = Temperatura inicial

Conceptos Claves

• Equilibrio Térmico: Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro

Termodinámica

• Estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

• El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.

SISTEMA

• Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar.

• El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente".

• Se consideran varios tipos de sistemas.

• En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

SISTEMA

Teoría Cinética

• Teoría que explica la manera como se mueven las moléculas (dinámica molecular).

• Las moléculas que forman un gas perfecto se mueven golpeándose unas con otras semejantes a unas bolas de billar y arremetiendo contra la superficie que contiene el gas.

• La energía asociada con este movimiento se llama Energía Cinética

Teoría Cinética

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Leyes de la termodinámica

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Leyes de la termodinámica• Ley Cero: afirma que si dos objetos A y B están

por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí.

• Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste.

Ley Cero

Leyes de la termodinámica

• Primera Ley: se convierte en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos.

• La energía total de un sistema de partículas (U), cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.

• U f – U i. = U

U = Q – W

Leyes de la termodinámica

• De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema.

• Es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la practica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

• Segunda ley : establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no.

• Ejemplos:

• 1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

• 2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.

• 3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

Segunda ley

• Tercera Ley: Se denomina Teorema de Nernst. Afirma que la entropía de un sistema dado en el cero absoluto tiene un valor constante. Esto es así porque un sistema en el cero absoluto existe en su estado fundamental, así que su entropía está determinada solo por la degeneración de su estado fundamental.

• En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura en el cero absoluto es cero.

Entalpía termodinámica

• "H", contenido de calor, calculada en julios

• Es una variable de estado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final)

• Se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.

• Donde:

• H es la entalpía (en julios).

• U es la energía interna (en julios).

• p es la presión del sistema (en pascales).

• V es el volumen del sistema (en metros cúbicos).

Formas de transferir el calor

• El calor se transfiere por la diferencia de temperatura entre dos partes adyacentes de un cuerpo.

• El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.

• Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Formas de transferir el calor

• Conducción: Es el tipo de transferencia de energía térmica donde esta es llevada por las moléculas en forma de movimiento algunas de ellas, a través de la colisión molecular, se lo transfieren a otras moléculas de un segundo objeto que se pone en contacto con ellas

FORMAS DE TRANSFERIR EL CALOR

El calor se desplaza desde el extremo caliente de la barra hacia el extremo frío

Formas de transferir el calor

• Convección: Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un fluido (líquido o un gas) es casi seguro que se producirá un movimiento llamado convección.

Si calentamos una cacerola llena de agua, el líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.

• Radiación: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío.

• La vibración de los electrones (salto cuántico) está determinada por la cantidad de energía absorbida. Esta energía es liberada en forma de radiación (luz, calor, rayos x) dependiendo de la energía de estimulación administrada

EL CALOR ABSORBIDO POR RADIACIÓN SE MIDE SEGÚN LA SIGUIENTE FÓRMULA

Q/ T = (1000 W/M2) EA COS O

ES DECIR, LA CANTIDAD DE CALOR ABSORBIDA POR UN CUERPO ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL CON EL ÁNGULO DE INCIDENCIA SOBRE EL.

El calor atraviesa el espacio en forma de rayos infrarrojos

Termometría

• Una de las características más importantes del estado de salud era la conservación de una temperatura corporal constante; una elevación del la misma siempre se acompaña de malestar y es un signo inequívoco de alerta.

Termometría

• Existen tres tipos de termómetro clínicos: Oral, axilar y rectal.

• El oral se caracteriza porque su vástago o bulbo de mercurio es largo, la igual que en el axilar, mientras que en rectal tiene un vástago o reservorio de mercurio de forma esférica

Termometria

Termometría

• Para los valores normales de la temperatura corporal, se presentan los datos más utilizados:

• Temperatura oral: 36,7°C a 37°C

• Temperatura axilar: 36,1° a 36,5°C

• Temperatura rectal: 37,3° a 37,6°C

Termorregulación

• Un organismo vivo como el ser humano es considerado como un sistema termodinámico abierto en estado aproximadamente estacionario.

• Existe transferencia de energía y de materia hacia el medio que nos rodea, pero que pesar de ello, la temperatura se mantiene constante.

• La homeotermia se establece de manera adecuada y completa sólo en las regiones profundas del cuerpo (núcleo central). Ésta región constituye alrededor de 80% de la masa corporal.

• La mayor parte de los órganos del núcleo central poseen una concentración semejante y abundante agua, la capacidad calorífica apenas se modifica; esto determina la condición necesaria para que la temperatura se mantenga constante

Termorregulación

• La cantidad de calor que se produce en nuestro cuerpo (termogénesis) se iguala con la cantidad de calor que se pierde (termólisis).

Termorregulación

• La homeotermia se establece de manera adecuada y completa sólo en las regiones profundas del cuerpo (núcleo central). Ésta región constituye alrededor de 80% de la masa corporal.

• El resto del organismo, llamado muchas veces corteza, se comporta poiquilotérmicamente (su temperatura varía con el ambiente).

Termorregulación

• En el nucleo central la cantidad de calor producida (P) resulta igual a la cantidad perdida por radiación (R), convección (C), evaporación (E) y también por conducción (K), es decir:

• P = R + C + E +K

Termorregulación

• El estudio de la termorregulación obliga considerar:

• La producción de calor (P)

• El transporte del calor desde el núcleo hacia la superficie

• Las perdidas de calor en la superficie corporal (R + C + E + K)

Termorregulación

Producción de calor

• a) Metabolismo Basal

• b) Aumento de la actividad muscular

• c) Efecto de las catecolaminas (adrenalina y noradrenalina)

• d) Efecto de las hormonas tiroideas (tiroxina)

Producción de calor

• a) Metabolismo Basal

• Es la cantidad de calor que produce el sujeto por metro cuadrado de superficie corporal y por hora, hallándose despierto, en ayunas desde 12 horas anteriores, en reposo físico y mental y en un ambiente de temperatura agradable.

CUADRO: MASA CORPORAL RELATIVA Y TASA DE PRODUCCIÓN DE CALOR PARA CADA UNA DE LAS PARTES

DEL ORGANISMO EN REPOSO Y EN EL EJERCICIO.

El calor se produce primariamente en las partes anatómicas del organismo que hemos denominado central o nuclear, a pesar de que esta parte sólo representa un tercio de la masa corporal total

Producción de calor

• b) Aumento de la actividad muscular:

centro motor primario para los escalofríos.

• c) Efecto de las catecolaminas (adrenalina y noradrenalina: termogénesis química (incremento del metabolismo celular).

• d) Efecto de las hormonas tiroideas (tiroxina):

• incrementa el metabolismo celular de todo el cuerpo

Producción de calor

Transporte del calor desde el núcleo hacia la superficie

• Se da por dos mecanismos:

• La conducción física, de escasa importancia debido a la poca conducción fisiotérmica de los diferentes tejidos del cuerpo, en especial del adiposo (calor específico 3,21 kJ/kg/°C)

• La convección circulatoria (convección forzada), el más importante, puesto que la sangre al presentar gran cantidad de agua se convierte en la sustancia con mayor calor específico en el organismo (3,8 kJ/kg/°C)

Transporte del calor desde el núcleo hacia la superficie