bioenergetica

TERMODINAMICA:TERMODINAMICA:CALOR Y CALOR Y

TEMPERATURATEMPERATURA

Medicina humana

11Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

SISTEMA Es el cuerpo o ensamblaje de materia que para su estudio aislamos mentalmente del resto del universo.

SISTEMA AMBIENTE

UNIVERSO

Todos los cuerpos que no forman parte del sistema constituyen el medio exterior ó ambiente. 22Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Sistema hombre

Masa corporal 60% agua

1014 células IC EC

E(alimentos) → Q(calor) + W(trabajo)

Información codificada en señales

eléctricas químicas mecánicas

Mantiene constantes:pH, T°C, composición iónica etc.

El hombre : sistema integrado


EL ORGANISMO COMO SISTEMA TERMODINÁMICO.

La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía dentro de un determinado sistema y entre el sistema y su entorno.

Se define como sistema a una parte específica del universo separada del resto por límites reales o imaginarios. El sistema es lo que nos interesa estudiar y el resto del universo, externo a aquel, se denomina entorno. 44Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Se pueden definir tres clases de sistemasSistema abierto: es el que puede intercambiar materia y energía (por lo general en forma de calor) con el entorno. Ej. los organismos vivos.Sistema cerrado: es el que permite la transferencia de energía (por ejemplo calor) pero no de materia. Ej. Agua hirviendo en olla con tapa hermética.Sistema aislado: El que no permite la transferencia de materia ni de energía. Ej. el “termo ideal”, aquel que no permite que su contenido se enfrie.


H2O vapor

H2O liquido

H2O liquido

H2O vapor

H2O vapor

H2O liquido

Q Q

abierto cerrado aislado


Ene

rgía

quí

mic

a de

lo

s al

imen

tos

Ene

rgía

quí

mic

a

(Com

plej

o m

etab

ólic

o)

Ene

rgía

de

trab

ajo

Energía química (Células)

E. Mecánica

E. Eléctrica

E. térmica

Transformación de la energía química de los alimentos


cámara espirométrica

----

estilete inscriptor

Cilindro inscriptor

agua

cal sodada paraabsorber el CO2

válvula

Escala graduadaco

ntra

peso

O2

polea

Espirómetro Inscriptor


Inicio fin

6 minutos

70 mm

Papel de registro del quimógrafo

Registro del consumo de Oxígeno


EQUILIBRIO TERMICO.

Estado final alcanzado por dos o mas sistemas después de haber estado en comunicación a través de una pared conductora de calor. Esto es; al llegar a éste estado cesa toda transferencia de energía


EQUILIBRIO TERMICO

Todos los cuerpos tienen la tendencia al equilibrio térmico

60°C 60°C

T i b i o s

100°C 20°C

Caliente Frío

metal sólido


TemperaturTemperaturaa

Propiedad que determina si un cuerpo se encuentra o no en equilibrio térmico con otros cuerpos


ebullición

fusión

C

0 32 273

100 212 373

F K

- 0 - 0

Escalas termométricasEscalas termométricas

9

5

C 100

F-32 180 =

C = (F–32)59

F = 32 + C95

K = C + 273Cero absoluto Temperatura a la cual cesa toda agitación molecular

C F K


Termómetro clínico

(a) (b) (c)

20 °C 20 °C

38 °C

------

------

------

En (c) parte del mercurio queda separado del bulbo por efecto de capilaridad


DILATACIÓN Muchas de las propiedades de los materiales dependen de la temperatura. La temperatura es una medida de los diferentes estados de movimiento de las moléculas.


Es el cambio de la longitud () de los objetos por efecto de la variación de la temperatura (T)

donde se denomina coeficiente de dilatación lineal

= o T

DILATACIÓN LINEAL

o

To

T


Análogamente las variaciones de área y volumen en materiales uniformes e isótropos vienen dadas por:

DILATACION SUPERFICIAL Y VOLUMETRICA

donde = 2 y = 3 son los coeficientes de dilatación superficial y cúbica respectivamente

V = VT = V(3) T

A = AT= A(2)T


Caso del agua El agua posee un coeficiente de dilatación cúbica negativo de 0° a 4°. Luego a medida que aumenta la temperatura desde 0°C, primero el agua se contrae hasta 4° y luego se dilata a medida que la temperatura sigue creciendo. El agua tiene así su máxima densidad a 4°

Esta característica del agua es sumamente importante para la vida acuática.


V(cm3)

T(°C4

1,00005 -1,00000 -0,99995 -

Dilatación anómala del agua

0


Protegiendo la vida subacuática

2°C

0°C

-10°C

4 °C

Aire atmosférico

hielo


Cuando la temperatura del aire baja a principios del invierno, el agua de la superficie de los lagos se enfría. Cuando esta agua superficial llega a 4° C, se hunde hacia el fondo; el agua más cálida y menos densa del fondo sube hacia la superficie. El agua fría que desciende lleva consigo oxígeno. Cuando todo el lago ha experimentado esta mezcla y ha llegado él a 4°C, la superficie se sigue enfriando y se va formando hielo.


El hielo de densidad menor que el agua, permanece flotando y por lo tanto el lago se congela desde arriba hacia abajo. La vida acuática se mantiene en invierno en el agua recientemente oxigenada de debajo del hielo.


Material T (°C) (K-1)

Aluminio 20 2,3010-5

Diamante 527 2,3510-5

Celuloide 20 1,0010-6

Vidrios 5050

1,0910-4

8,3010-6

Vidrio Pyrex 50 3,2010-6

Hielo -5 5,0710-5

Acero 20 1,2710-5

Platino 20 8,9010-62323Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

EJEMPLO . Un disco circular de acero tiene en su centro un orificio también circular. Si el disco se calienta de 10 a 100°C. ¿Cuál es el aumento relativo del área del orificio?


Solución Cuando el disco se calienta aumentan todas sus dimensiones. El área del orificio crece como si estuviese llena de acero. Por tanto:

= 2T = 2(1,2710-5 °C-1)(100–10)°C

= 2,2910-3

A A

A A


CALOR: ENERGIA EN TRANSICION

Calor. es, una forma de energía en transición entre dos cuerpos (sistema y su ambiente) debido exclusivamente a la diferencia de temperaturas.

Calor transferido : Q = mcT

Calor específico : c =

QT

QmT

Capacidad Calorífica : C = [C] = cal/°C

[c] = cal/g°C


La caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C Kilocaloría = 1000 calBtu = 252 cal 1 J = 0,24 cal1 cal = 4,186 J

Unidades de calor: Joule (J) ………. SI Caloria (cal) … practica


Los cuerpos aislantes como el agua, la madera seca, papel, corcho, vidrio etc. tienen mayor capacidad calorífica que los conductores como los metales y las soluciones electrolíticas. De la ecuación (*) se deduce que la cantidad de calor queda expresada por: Q = m.c T Q = m.c(Tf - Ti)

donde Tf es la temperatura final y Ti la inicial. 2828Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

SustanciaSustancia c (cal/g°C)c (cal/g°C)Intervalo de Intervalo de temperaturatemperaturass

Cuerpo Cuerpo humanohumano 0,850,85 -10 -10 → 50 °C→ 50 °C

AluminioAluminio 0,2170,217 17 17 →→ 100 100

HieloHielo 0,5500,550 -10 -10 → 0→ 0

HierroHierro 0,1130,113 10 10 → 100→ 100

MercurioMercurio 0,0330,033 0 0 → 100→ 100

PlataPlata 0.0560.056 15 15 → 100→ 100

AguaAgua 1,0001,000 0 0 → 100→ 100

VaporVapor 0,5000,500 100 100 →200→200

Calor específico de algunas sustancias


EJEMPLO Un recipiente de 0,6 kg de masa se halla a una temperatura de 20°C. Cuando se hechan en él 2,5 kg de agua hirviente, la temperatura de equilibro es de 90°C ¿Cuál es el calor específico del recipiente?


Solución El agua hirviente cede calor al recipiente, por tanto: Agua caliente: ma = 2,5 kg, Ta = 100oC

Recipiente: mr = 0,6 kg, Tr = 20 °C

Temperatura de Equilibrio T = 90 °C Calor cedido por el agua = calor ganado por el recipiente


- maca( T - Ta) = mrc r (T – Tr)

- Q (cedido) = Q (absorbido)

cr =

cr =

cr = 0,595 cal/g°C

maca( Ta - T)

mr(T-Tr) 2,5(1)(100-90)

0,6(90-20)


CAMBIO DE FASE

Bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, todas las sustancias pueden existir en las tres fases más comunes: sólida, líquida y vapor (o gas). El plasma es un cuarto estado o fase caracterizado por la mezcla de particulas electrizadas (electrones y iones positivos) por ejemplo la lampara fluorescente, el sol etc.


Los cambios de fase ocurren a temperatura constante y sólo es posible con la absorción o liberación de energía calorífica.

Licuefacción Evaporación

Condensación

Sublimación

LíquidoSólido Gas o Vapor

+Q +Q

-Q-Q

+Q


Calor Latente (L). Es la cantidad de calor que requiere la unidad de masa de una sustancia para que tenga lugar el cambio de fase.

L = o Q = mL (Calor de transformación)Q

m

[L] = J/kg

Ejemplo H2O:

Calor latente de fusión Lf = 80 cal/g

Calor latente de vaporización Lv = 540 cal/g3535Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Las sustancias puras cambian de fase a presión estándar a una temperatura fija y bien determinada y no así las aleaciones, mezclas o sustancias amorfas que lo hacen en intervalos de temperatura que puede ser grande o pequeño por ejemplo el vidrio no llega nunca a solidificarse por completo y de allí el nombre que se le da al vidrio de líquido sobre enfriado.


V

nRT

V

n

Primera ley de la Termodinámica


V

nRT

V

n

El trabajo realizado por un sistema cuando tiene lugar un pequeño cambio de volumen V está dado por: W = pV Primera Ley de la Termodinamica: “el calor transferido a un sistema modificará su energía interna y/o se realizará cierta cantidad de trabajo” Q = U + W

T

Q


220 V AC

F

agua

Q

Trabajo realizado por la Fuerza expansiva del vapor de agua

Q → U + W

Vapor


V

nRT

V

n

EJEMPLO Hallar el cambio de energía interna del sistema cuando (a) el sistema absorbe 2000 J de calor y produce 500 J de trabajo. (b) El sistema absorbe 1100 J de calor y se efectúan 400 J de trabajo sobre él

T

Q

Solución

(a) U = Q – W = 2000 J – 500 J = 1500 J

(b) El trabajo realizado sobre un sistema, ocasiona su compresión, en tal caso W = - 400 J. Luego:

U = Q – W = 1100 J – (-400 J) = 1500 J4040Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

La energía es la capacidad que tiene un sistema para realizar trabajo


El hombre: un sistema abierto en estado estacionario

Q

H2O líquido

H2O líquido

28°C5°C 37°C


un sistema abierto puede mantenerse en estado estacionario solo si hay un gasto de energía.


El estado de equilibrio en los sistemas biológicos

Un hombre, al morir, tiende al estado de equilibrio con el medio que lo rodea. El sistema (hombre) ha perdido la capacidad de realizar trabajo. Los mecanismos que le permitían transformar una forma de energía en otra han dejado de funcionar y por lo tanto las propiedades que definían al estado estacionario dejarán de mantenerse constantes para evolucionar hacia un estado de equilibrio


Transferencia de calor en el cuerpo humano Calor y frio

Un aumento de la temperatura ambiente provoca vasodilatación periférica, sudoración profusa por encima de 37°C y las consecuencias hemodinámicas respectivas.

El hombre forma parte de un reducido número de especies que mantienen su temperatura constante. Esto surge de un delicado equilibrio entre la termogénesis o producción de calor y la termólisis o disipación de calor.


El cuerpo humano intercambia calor con el ambiente por uno o más de los procesos siguientes:

conducción convecciónradiaciónevaporación


Tp = 33°C

To = 20°C

Ti = 37°C

CONDUCCION

CONVECCION

RADIACION

EVAPORACION


A

H

T1T2

Conducción. Cuando el calor se transfiere por vibración molecular. La rapidez de transporte de calor de la superficie caliente (T1) a la superficie fría (T2) por conducción es: H = kAT1 - T2

k = conductividad térmica del material (J/s.m.K)

H = J/s

H = Kcal/hora


Convección, es el transporte de calor por movimiento de fluido.

H = qAT

Donde q es el coeficiente de convección para cada caso y depende de varios factores, entre ellos de la orientación y naturaleza de las superficies, las características de flujo del fluido

T1 T2

A H

fluido


EJEMPLO ¿Cuánta energía por segundo perderá por convección una persona desnuda de 1,4 m2 de área superficial en aire a 0°C?. Supóngase que el coeficiente de convección es 7,1 W/m2K y que la temperatura de la piel es 30°C

El transporte de calor por convección aumenta ostensiblemente si se fuerza al fluido en su movimiento

H = qAT = (7,1)(1,4)(30-0) = 298.2 W


Radiación, el calor se transmite por radiación por emisión o absorción de ondas electromagnéticas.

Ley de Wien: un objeto a temperatura T emitirá la mayor parte de su radiación de OEM en longitudes de onda próximas a

donde B = 289810-6 m-K. Conocer esta longitud de onda es muy útil, porque los materiales transmiten, absorben y reflejan la radiación de manera diferente a longitudes de onda diferentes.

= BT


Distribución espectral de la radiación solar

T2

T3

T1

T3 > T2 >T1

Den

sid

ad E

ner

gia

rad

ian

te

400 700 9000 λ(nm)


Longitud de onda radiada por el cuerpo humano

T = 37 + 273 = 310 K

m = = 9348 nm (infrarrojo)289810-6 m.K

T


La rapidez a la que se emite la energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Ley de Stefan-Boltzmann): H = AT4

A = el área

T

B

= 5,6710-8 W/m2K4 es la constante de Stefan.

= emisividad de la superficie: 0 < < 1


La pérdida de calor por radiación es la diferencia entre la que es emitida por el objeto y la que es absorbida por el entorno

H = A(T4- To4)

To

T


Ejemplo: Halllar el calor radiado por una persona de 1.7 m2 de superficie corporal en un ambiente cuya temperatura es de 20°C si la emisividad de la piel es 1

H = A(T4- To4)

= (1)(5.6710-8)(1.7)(3104 – 2934)

H = 180 W

Solución: temperaturas : alta T = 37°C = 310 K

baja T = 20°C = 293 K


Evaporación

Por perspiración y respiración el hombre evapora agua a razón de 50 mL por hora lo que equivale a la pérdida de

(50 g)(540 cal/g) = 27 kcal de energía calorífica por hora

Cuando aumenta la secreción de sudor, el grado en el cual se evapora depende de la humedad del ambiente


Durante el ejercicio muscular, en un ambiente caliente, la secreción del sudor alcanza cifras elevadas como 1,6 litros/hora, y en una atmósfera seca la mayor parte de este sudor se evapora. Esto representa un máximo de 864 kcal que es una cantidad enorme con relación a las correspondientes a otras condiciones

En reposo por perspiración y respiración: 27 kcal

Con ejercicio muscular y sudoración : 864 kcal5858Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

En tiempo frío, las arteriolas que conducen la sangre hacia los capilares cutáneos sufren una vasoconstricción. La pared de las arteriolas contiene una gruesa banda circular de fibras musculares. Cuando el músculo se contrae, el diámetro del vaso disminuye. Estos músculos están controlados por el sistema nervioso. Por tanto el orden de los acontecimientos es que el aire frío provoca la excitación de los receptores cutáneos, se transmiten mensajes por medio de nervios motores a los músculos de las paredes de las arteriolas y éstas como consecuencia se constriñen. Por tanto el flujo de la sangre hacia la piel se ve disminuido y de este modo reduce la pérdida de calor


Ecuación de los gases perfectos El modelo de gas ideal supone que las moléculas gaseosas no interactúan entre si. El modelo predice que la presión P, el volumen V, la cantidad de gas n y la temperatura T están relacionadas por

PV = nRT

Esta ley se verifica muy bien para los gases reales diluidos

A


T ≈ 300 K


T = 1200 K


T ≈ 0 K

Moléculas en reposo


Cuando un gas real está compuesto de varios tipos de moléculas la presión neta es justo la suma de las presiones de gas ideal para cada tipo de molécula. La presión de la mezcla es igual a la suma de las presiones parciales

A

A

B

P = PA + PB

½ mvA2 = ½ MVB

2


Energía molecular y temperatura El modelo de gas ideal lleva así mismo a la identificación de la temperatura Kelvin con la energía cinética media por molécula

= kBT

Donde kB = 1,3810-23 J/K, y T es la

temperatura absoluta.

32

Energía del gas U = N = NkBT = nRT32

32


EJEMPLO: Supóngase que toda la energía cinética molecular de traslación de un mol de gas ideal a 300 K pudiera utilizarse para elevar una masa de 1 kg. ¿A qué altura podría elevarse dicha masa?

23

23

Solución La energía molecular de traslación es la energía interna

U = nRT = 1,5 (1)(8,31)(300) = 3740 J

Si esta energía se utiliza para levantar a 1 kg de masa a una altura y; la energía potencial adquirida será:

Ep= U = mgy = 3740 y = = = 381 m

32

3740 mg

3740(1)(9,8)


Para un día cualquiera del presente mes obtenga las medidas de: (a) temperatura del aula de clase y (b) dimensiones del aula. Luego determine:

1. La energía térmica (energía interna del aire) en el aula de clase a temperatura ambiente

2. Admitiendo que dicha energía se pudiese usar en su hogar en forma de energía eléctrica ¿Para cuantos días será útil la energía obtenida en (a)?

3. Con relación a la energía obtenida en (a) ¿Qué porciento representa la energía radiada por su propio cuerpo en un día?


¿Puede el hombre aprovechar toda la energía que consume?

El organismo utiliza energía para las más diversas funciones y esta energía se obtiene, fundamentalmente, de la liberada en la degradación de ciertas estructuras químicas. La mayor fuente de energía está entonces representada por los alimentos.


Los procesos irreversibles y la energía libre


Disipación de la energía

La energía potencial se disipó en el ambiente


La energía disipada es inservible

Es imposible este proceso


El motor de gasolina

ambiente atmosférico T2 (baja)

Vapor de gasolina en combustión: T1 (alta)

Q2

Q1


Energía Libre

Parte de la energía libre se transforma en trabajo para levantar el balde


Para analizar los procesos que ocurren en el organismo humano en particular y debido a que todas las transformaciones ocurren a presión y temperatura constantes, la función de estado que se utiliza como criterio de espontaneidad, (es decir que nos indica en que sentido es posible que ocurra una reacción) se llama:

Energía libre y su símbolo es G.


Algunas de sus propiedades que nos servirán para entender los procesos metabólicos son:

-Todos los procesos ocurren con un cambio de su energía libre, al que llamaremos G

-El criterio de G es aplicable tanto a procesos físicos (expansiones o compresiones de gases, difusión de iones, caída de cuerpos etc.) como a procesos químicos (reacciones). De hecho, el potencial químico no es más que la energía libre asociada a un mol de sustancia para sistemas de más de un componente. 7575Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Cuando el sistema está en equilibrio, G es igual a cero (G = 0)

Los procesos espontáneos están asociados a una disminución de la energía libre. Si G es menor que cero (G < 0) entonces el proceso ocurre en forma espontánea.

En nuestro ejemplo de la piedra, la caída tiene un G menor que cero, la “ascensión” tendrá un G mayor que cero (no ocurre espontáneamente) La piedra en el suelo tendrá un G igual a cero (estará en equilibrio)


Para una reacción química G es igual a la diferencia entre la G de los productos y la G de los reactivos.

G = G(productos) - G(reactivos)

Si G < 0 entonces el proceso es exergónico (se libera energía)

Si G > 0 entonces el proceso es endergónico (ocurre con consumo de energía) y solo tendrá lugar si se le suministra energía desde otra fuente.


Resumen

G = 0 equilibrio termodinámico

G > 0 proceso imposible espontaneamente

G < 0 proceso espontáneo


METABOLISMO HUMANO Todos los seres vivos requieren de energía para mantener los procesos vitales. Las plantas verdes (autótrofos) obtienen la energía directamente del Sol mediante la fotosíntesis. Las plantas que no utilizan la fotosíntesis así como los animales (heterótrofos) necesitan alimentos capaces de proporcionar energía química. En cualquier caso tanto las plantas como los animales operan dentro de las limitaciones impuestas por la termodinámica

t

U

t

Q

t

W


CO2 + H2O + Energía (hν) azúcar + O2

Enzimas de

las plantas

Azúcar + O2 CO2 + H2O + EnergíaEnzimas de

las células

El hombre, una máquina solar


Si en el tiempo t un hombre realiza un trabajo W. Este puede utilizarse directamente en hacer ciclismo, subir escaleras etc. En general el cuerpo perderá calor por lo cual Q será negativo. Su valor puede medirse hallando cuanto calor se ha de extraer de la habitación en la que se halla la persona para que la temperatura del aire siga siendo constante. Según el primer principio de la termodinámica el cambio de energía interna viene dado por

U = Q - W (joules o calorías) 8181Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Dividiendo entre t tenemos la siguiente relación entre la rapidez de cambio de las correspondientes magnitudes

W t

U t

Q t

= - (watts)

W t

U t

Q t

O también - = - +

Tasa o rapidez de consumo de energía


Desde que ΔQ es negativa porque el calor fluye al exterior se tiene

W t

U t

Q t

- = +

Tasa o rapidez de consumo de energía

Rapidez de consumo de energía química

Potencia calorífica

Potencia mecánica


La tasa de cambio de la energía interna (U/t) puede medirse observando la tasa de consumo de oxígeno para convertir el alimento en energía y materiales de desecho. Por ejemplo la glucosa se combina con oxígeno en una serie de pasos para formar anhídrido carbónico, agua y liberando 2780 kJ de energía.

1 mol (glucosa) + 134,4 lit (O2)

CO2 + H2O +2780 kJ


El equivalente energético de oxígeno se define como el cociente entre la energía liberada y el oxígeno consumido. Para la glucosa este cociente es 2780 kJ/134,4 lit = 21,4 kJ/litro. Equivalente Energético del O2 = 21,4 kJ/litro El contenido energético por unidad de masa es la energía liberada dividida por la masa. Para la glucosa este cociente es 2780 kJ/180 g = 15,9 kJ/g La tabla muestra el contenido energético de algunos alimentos


Hidrato de CarbonoProteína

Grasa

Etanol

17,2

17,6

38,9

29,7

Alimento

Contenido energético por

unidad de masa (kJ/g)

Equivalente energético del

oxígeno (kJ/lit)

21,1

18,7

19,8

20,3

Promedio estándar

20,2


Tasa Metabólica basal Todos los seres vivos consumen energía interna incluso cuando duermen. La tasa de consumo de energía en reposo, pero despiertos, se denomina tasa metabólica basal. Su valor es

Mujer de 20 años: 1.1 w/kgHombre de 20 años: 1.2 w/kg

Calculando la energía consumida en un día(86400 s)

Mujer de 20 años y 60 kg: (1.1 w/kg)60kg = 66 w

Hombre de 20 años y 70 kg: (1.2 w/kg)70kg = 84 w

U = P.t = (66 w)(86400 s) = 5700000 J = 1400 kcal

U = P.t = (84 w)(86400 s) = 7300000 J = 1700 kcal8787Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

La mayor parte de la energía consumida por una persona en reposo se convierte directamente en calor. El resto se utiliza para producir trabajo en el interior del cuerpo y se convierte después en calor.


Los materiales de los alimentos no se utilizan directamente por el cuerpo, sino que se convierte primero en materiales tales como el ATP (trifosfato de adenosina) que puede ser consumido directamente por los tejidos. En esta transformación se pierde aproximadamente el 55% por ciento de la energía interna en forma de calor. El 45% por ciento restante queda disponible para realizar trabajo interno en los órganos del cuerpo o para hacer que se contraigan los músculos que mueven los huesos y realizar así trabajo sobre los objetos exteriores


Alimentos

CALOR (55%)

ATP (45%)

Trabajo muscular

CALORTrabajo de órganos internos

Mover objetos externos

Metabolismo humano ( trasformación de energía)


ActividadActividad U wU w mmt kgt kg

DormirDormir 1.11.1

De pieDe pie 2.62.6

Montar en Montar en bicicletabicicleta

7.67.6

TraspalarTraspalar 9.29.2

Nadar Nadar 11.011.0

corrercorrer 18.018.0

Tasas metabólicas por unidad de masa de un hombre de 20 años durante varias actividades


Cuando una persona está realizando una actividad tal como subir escaleras o hacer la limpieza de la casa, la tasa metabólica aumenta. Una parte del aumento en la conversión de la energía interna se necesita para proporcionar el trabajo mecánico realizado por la persona. El resto se debe al aumento de las demandas internas del cuerpo. Por ejemplo, al traspalar, la tasa metabólica es unas ocho veces mayor que la tasa metabólica en reposo, pero la cantidad de trabajo mecánico producido es en realidad muy pequeña.


La energía metabólica es consumida principalmente por los músculos esqueléticos que cambian y mantienen la posición del cuerpo


EJEMPLO Para bajar de peso un hombre de 65 kg conduce bicicleta durante 4 hrs (a) ¿Cuánta energía interna consume. (b) Si esta energía se obtiene por metabolismo de la grasa del cuerpo, ¿cuánta grasa se gasta en este periodo?

¿Cómo adelgazar?..... ¿Quemando grasa?


Solución (a) Según la tabla, la tasa metabólica al ir en bicicleta es 7,6 W/kg. Luego un hombre de 65 kg consume energía a una tasa de:

(7,6W/kg)(65 kg) = 494 W.

En 4 horas (1,44104 s), el consumo neto de energía es: -U = (494 W)(1,44104 s) = 7,1106 J = 7100 kJ


Masa de grasa = = 182 g = 0,18 kg

7100 kJ38,9 kJ/g

Para apreciar este resultado es conveniente compararlo con el equivalente energético de la comida necesaria para un hombre sedentario durante 24 horas que es de 10500 kJ o 2500 kcal.

(b) La energía equivalente de la grasa es de 38,9 kJ/g de modo que la masa de grasa necesaria para producir esta energía es:


Masa de grasa = = 270 g = 0,270 kg

10500 kJ38,9 kJ/g

El hombre sedentario privado de alimentos obtendrá la energía de su propia grasa

Ello indica que limitar la cantidad de comida es para la mayoría de la gente una forma más práctica de perder peso antes que hacer ejercicio físico


El rendimiento de utilización de los alimentos El rendimiento de los seres humanos al utilizar la energía química de los alimentos para realizar trabajo útil puede definirse de varias maneras. El convenio más habitual se basa en comparar la tasa con que se realiza trabajo mecánico con la tasa metabólica adicional.


donde el numerador es la potencia mecánica (rapidez o tasa de ejecución de trabajo) y el denominador es la tasa de consumo de energía interna adicional obtenida de la diferencia entre la tasa metabólica global y la basal. El rendimiento sería del 100% si toda la energía adicional se convirtiera en trabajo mecánico.

El rendimiento en tanto por ciento es entonces:

=100

W t

U t

U t

-basal


Actividad Rendimiento en porcentaje

Traspalar en posición inclinada 3

Levantar pesos 9

Girar una rueda pesada 13

Subir escaleras de mano 19

Subir escaleras 23

Montar en bicicleta 25

Escalar colinas (pendiente de 5°) 30

Rendimientos máximos de trabajos físicos


EJEMPLO Un hombre de 60 kg mueve tierra con una pala con un rendimiento del 3% y su tasa metabólica es de 8 W/kg (a) ¿Cuál es su producción de potencia? (b) ¿Cuánto trabajo produce en 1 hora? (c) ¿Qué calor pierde su organismo en 1 hora? Solución Como la tasa metabólica basal de un hombre es 1,2 W/kg y cuando está trabajando su tasa metabólica es de 8,0 W/kg; La tasa metabólica de energía interna adicional es 8,0-1,2 = 6,8 W/kg .


= (6,8 W/kg)(60 kg) = 408 W U t

U t

-basal

Luego la tasa de energía interna adicional es:

W t

U t

U t

a) - = 0,03(408) = 12.24 Wbasal

De la fórmula del rendimiento

100 =

b) t = 1 h = 3600 s W = 44 kJ

c) = 0.97(408) = 396 W Q = 1425 kJQ t 102102Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

EJEMPLO Una chica de 45 kg tiene en reposo una tasa metabólica normal (a)¿Qué volumen de oxígeno consume en una hora? (b) Si anda durante una hora y tiene una tasa metabólica de 4,3 W/kg ¿cuánto oxígeno consumirá?

Solución (a) La tasa metabólica basal de la chica es de 1,1 W/kg por lo que el consumo de energía interna en reposo es:

= (1.1W/kg)(45 kg) = 49,5 W = 0,0495 kJ/sUt


Puesto que el equivalente energético del oxígeno es 20,2 kJ/lit, se obtiene:

Volumen consumido en una hora

V = (2,4510-3 lit/s)(3600 s) = 8,82 lit.

Tasa de consumo de oxígeno:

= 2,4510-3 lit/s0.0495 kJ/s20.2 kJ/lit


Si la tasa metabólica es 4,3 W/kg, la tasa de energía interna es

= (4,3W/kg)(45 kg) = 193,5 W = 0,1935 kJ/sUt

En 1 hora (3600 s) el oxígeno consumido es

La tasa de consumo de oxígeno es:

= 9,5810-3 lit/s0.1935 kJ/s20.2 kJ/lit

V = 34.5 litros 105105Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Segunda Ley de la Termodinámica: “los sistemas evolucionan progresivamente hacia un desorden molecular creciente” Microscópicamente, si a un sistema se suministra mediante un proceso reversible una cierta cantidad de calor Q, el cambio de entropía del sistema es:

S =Q T

donde T es la temperatura absoluta. 106106Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Todos los procesos naturales ocurren de modo que se incrementa el desorden, de allí que podemos relacionar a la entropía (S) con la probabilidad termodinámica () o distribución de moléculas de máxima probabilidad mediante la siguiente relación:

S = k.Ln()

Y el cambio de entropía entre dos estados es:

S = kLn(2/1)

La tendencia de la naturaleza de transformarse hacia un estado desordenado afecta la capacidad de un sistema para hacer trabajo.


EL SEGUNDO PRINCIPIO EN BIOLOGÍA El paso del mundo microscópico al macroscópico presenta diversas paradojas. Una de las más llamativas y sorprendentes se refiere a la aplicación del segundo principio de la termodinámica a los sistemas biológicos. Según la termodinámica la naturaleza tiende a la máxima entropía o, al máximo desorden, En cambio los sistemas biológicos tienden hacia el orden y la estructuración. ¿Obedecen pues los sistemas biológicos a las leyes de la termodinámica? ¿son reductibles los sistemas biológicos a las leyes de la Física?


Esta contradicción que preocupó a físicos y biólogos es solo aparente. En primer lugar los sistemas biológicos no son sistemas aislados sino que intercambian energía y materia con el mundo exterior: comen, respiran, excretan etc. Un sistema biológico muere poco después de ser aislado. En sistemas no aislados según vemos la entropía puede disminuir, a condición de que aumente suficientemente la entropía del ambiente. Esto resuelve la paradoja y permite afirmar que no es incompatible con el segundo principio. Así muchos seres ingieren sustancias de gran peso molecular y excretan moléculas sencillas de poco peso molecular.


Como un conjunto de moléculas pequeñas puede disponerse de muchas mas maneras diferentes que cuando dichas moléculas pequeñas están ligadas formando una sola molécula, se ingiere poca entropía y se expulsa mucha entropía, por lo cual la entropía interior del ser vivo puede disminuir, ya que del exterior aumenta.

Sistema biológico

Molec. grandes Molec. pequeñas

Entropía elevadaEntropía baja110110Profesor Daniel Fernández PalmaProfesor Daniel Fernández Palma

Sistema biológico

Molec. grandes Molec. pequeñas

Entropía elevadaEntropía baja

+10 - 6 + 20

Antes (+10) Después (+14)

El sistema biológico evoluciona en el sentido en que aumenta la entropía global


Es importante notar además que los sistemas vivos se mantienen fuera del equilibrio (Un sistema en equilibrio es un sistema muerto) Se ha podido comprobar que en muchos sistemas aparecen estructuras espontáneas cuando están suficientemente alejados del equilibrio, estructuras que se mantienen mientras se suministra al sistema una potencia suficiente para mantenerlo lejos del equilibrio. Si se deja de alimentar al sistema con cantidad suficiente de energía, la estructura desaparece.


Este tipo de estructuras se denominan estructuras disipativas, ya que se necesita disipar energía para mantenerlas. Esto permite afirmar que no solo la Física y la Biología son compatibles, sino que la termodinámica puede proporcionar una explicación, en ciertos casos, a los fenómenos de estructuración tan frecuentes en los seres vivos que se hallan permanentemente fuera del equilibrio.


F I N


bioenergetica

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