UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE

LOJA

RESUMEN DE LOS CAPÍTULOS 11, 15,18 DEL LIBRO

“FÍSICA PARA LAS CIENCIAS DE LA VIDA”

Segundo Ciclo

Carrera: Biología

Materia: Física para las ciencias dela vida

Estudiante: Camilo Morillo

ÍNDICE DE CONTENIDOS 1 Calor .............................................................................................................................................. 1

1.1 Primera ley de la termodinámica ........................................................................................ 1

1.1.1 Calor y trabajo ................................................................................................................ 2

1.2 Calor especifico ..................................................................................................................... 3

1.3 Calor especifico del agua ...................................................................................................... 4

1.4 Calorimetría .......................................................................................................................... 4

1.5 Transmisión de calor ............................................................................................................ 5

1.5.1 Conducción ..................................................................................................................... 5

1.5.2 Convección ..................................................................................................................... 5

1.5.3 Radiacion ........................................................................................................................ 6

1.5.4 Evaporación .................................................................................................................... 7

1.6 Regulación de la temperatura del cuerpo ........................................................................... 7

2 La Luz ........................................................................................................................................... 8

2.1 Naturaleza ondulatoria y electromagnética de la luz ......................................................... 8

2.2 Interferencia y difracción..................................................................................................... 9

2.3 Reflexión y Refracción ....................................................................................................... 10

2.4 Color .................................................................................................................................... 11

2.5 Polarización ......................................................................................................................... 12

3 Corriente ..................................................................................................................................... 13

3.1 Ley de Ohm ......................................................................................................................... 13

3.2 Redes y circuitos ................................................................................................................. 14

3.3 Corriente alterna ................................................................................................................ 15

3.4 Condensadores .................................................................................................................... 15

3.5 Bioelectricidad .................................................................................................................... 16

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 1 .......................................................................................................................................... 1

Ilustración 2 .......................................................................................................................................... 1

Ilustración 3 .......................................................................................................................................... 1

Ilustración 4 .......................................................................................................................................... 2

Ilustración 5 .......................................................................................................................................... 2

Ilustración 6 .......................................................................................................................................... 4

Ilustración 7 .......................................................................................................................................... 4

Ilustración 8 .......................................................................................................................................... 5

Ilustración 9 .......................................................................................................................................... 6

Ilustración 10 ........................................................................................................................................ 7

Ilustración 11 ........................................................................................................................................ 8

Ilustración 12 ........................................................................................................................................ 9

Ilustración 13 ...................................................................................................................................... 10

Ilustración 14 ...................................................................................................................................... 10

Ilustración 15 ...................................................................................................................................... 11

Ilustración 16 ...................................................................................................................................... 12

Ilustración 17 ...................................................................................................................................... 12

Ilustración 18 ...................................................................................................................................... 16

Introducción General

En el primer capítulo se hablara del calor y sus características o relación con el trabajo y flujo

de energía. El calor está en todas las actividades, procesos o acciones voluntarias e involuntarias

que realiza todo ser vivo; como por ejemplo, nacer, crecer, respirar, evolucionar, fotosíntesis

en todas estas actividades se produce transferencia de calor a energía y viceversa.

Se verán conceptos claros de calor, trabajo, calor especifico en diferentes medios, calorimetría,

la transmisión del calor, la conducción del mismo, la convección, la radiación, la habilidad que

poseen los organismo para regular su temperatura corporal conocidos como organismos

endotérmicos, así como también datos y fórmulas para determinarlo.

Dentro del segundo capítulo estudiaremos todo lo que es referente a la luz, las fuentes

luminosas, sus ondas electromagnéticas, su naturaleza, la velocidad y algunas otras

propiedades de la luz.

También podremos ver sus medios de interferencias y difracción de la luz y nos abarcaremos

a fondo a estudiar estos temas denotados hasta en la misma naturaleza. La reflexión y

refracción serán otros componentes que estudiaremos también en este capítulo tanto en sus

leyes como aplicaciones.

Si hablamos de luz abarcamos también el tema de color ya que es una de las propiedades que

más podemos visualizar con respecto a luz, estudiando las leyes de Grassannn para poder

entender la relación entre la luz y el color. Y culminaremos con la polarización de la luz.

En el último tema estudiaremos acerca de la corriente, y sus principales leyes de las cuales

forma parte y la constituyen. La corriente alterna también será un tema a tratar junto con cada

una de sus fórmulas para calcularla así como también de la intensidad, tensión, la seguridad

eléctrica y los condensadores.

En lo que más nos interesa en nuestro campo biológico se estudiara la bioelectricidad tratando

acerca de los impulsos nerviosos que suceden en los organismos vivos, culminando así estos

tres capítulos de resumen acoplado con gráficos y formulas.

1

Capítulo 11

1 Calor

1.1 Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica nos dice que el volumen de un objeto se mantendrá

si su temperatura y presión son constantes para que haya un equilibrio térmico. Además

nos dice que la engería interna del sistema es igual al calor adherido a este menos el

trabajo realizado por el mismo

Un ejemplo seria:

Si inflamos un globo y lo acercamos a una vela este explotara por el aumento de su

temperatura, esto hace que aumente la presión rápidamente y hace que explote el globo.

Por otro lado si utilizamos un globo con una determinada cantidad de agua la acercamos

a la vela y este no se revienta la razón es porque el calor se lo transmite al agua al tener

esta propiedades que hace que absorba gran cantidad de energía en forma de calor

permitiendo que las paredes del globo con el agua formen un equilibrio térmico.

La energía del sistema (E.s) es la suma de las energías cinéticas de las moléculas del

sistema (energía térmica) y la energía potencial de los átomos en las moléculas (energía

química).

Ilustración 1

Ilustración 3

Ilustración 2

2

La energía del sistema (E.s) depende del estado del medio y varía cuando este se

modifica. Sin embargo la ley de conservación de la energía establece que esta no puede

crearse ni destruirse simplemente se transforma en otra.

Entonces su fórmula seria:

1.1.1 Calor y trabajo

La energía puede ser transferida entre el sistema y el medio ambiente de dos formas

esencialmente distintas.

El calor es la energía que se transfiere de un objeto a otro dando como resultado que

los átomos de dicho objeto empiecen a moverse a cierta temperatura (T1); estas

moléculas tienen mayor temperatura que otro objeto a temperatura inferior (T2)

Si estos dos objetos entran en contacto las moléculas de ambos chocaran y producirán

un intercambio de energía; donde las moléculas más energéticas del objeto más caliente

perderán su energía se la transferirán a las moléculas del objeto más frio hasta hallar un

equilibrio térmico.

El trabajo es la energía necesaria que se transfiere (como fuerza) de un objeto a otro

para desplazarlo de manera acelerada.

𝐸𝜇 = 𝐸𝑠 + 𝐸𝜀

Ilustración 4

Ilustración 5

3

Un claro ejemplo seria al tener dos bloques; donde B1 se encuentra en estado de reposo

y se le aplica una Fuerza (y) en newtons para desplazarlo con un ángulo (Zº) con

respecto a la horizontal y a una distancia (x) metros, utilizamos estos valores para al

multiplicar obtener un resultado en Jules y así saber el trabajo aplicado en este sistema.

Entonces fórmula para el trabajo es:

1.2 Calor especifico

Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar

a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar

su temperatura en una unidad.

En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial. Se

le representa con la letra ( ).

La fórmula para determinar el calor específico es:

Donde;

Q: Calor añadido

M: Masa

C: Capacidad calorífica a volumen o presión constante

ΔT: Variable de temperatura

Existen dos procesos para este sistema:

Proceso isocoro

Es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante;

.

Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define

como:

La variación de temperatura está relacionada con:

Q = ΔE.s = C = ΔT

El calor específico (c) de una sustancia es su capacidad calorífica (C) sobre su masa

c = 𝐶𝑣

𝑚

El calor específico es una propiedad propia de una sustancia.

W=F ∗ 𝐷 ∗ 𝜃°

Q=m*c*ΔT

4

Proceso isobárico

La mayor parte de las transformaciones biológicas tienen lugar a presión

constante más que a volumen constante.

Donde:

= Calor transferido.

= Energía interna.

= Presión.

= Volumen.

C.p = Calor esp. A presión

constante

Su relación con el sistema es:

1.3 Calor especifico del agua

Antes de que se estableciera la conservación de la energía, el calor fue definido por la

elevación de la temperatura del agua

EL calor especifico del agua: 1cal/ g ºc

Si se requiere encontrar el calor específico de 100 g significa que a 1 g de agua hay que

entregarle 1 caloría para elevar su temperatura 1ºC.

1.4 Calorimetría

Mide el calor en una reacción química o un cambio de estado usando un instrumento

llamado calorímetro.

Ilustración 7

ΔEs + p * ΔV = m*Cp* ΔT

Ilustración 6

5

Podemos determinarla con la fórmula de calor específico a presión constante:

Y determinar la variación de temperatura con:

1.5 Transmisión de calor

- El calor siempre fluye de los objetos de mayor a temperatura a menor

temperatura

- Esa transferencia da calor para cuando las temperatura se igualan

- Estas transferencias de calor se pueden dar por diferentes 4 métodos:

1.5.1 Conducción

- Es la transmisión del calor a través de un material por el contacto directo

- Algunos materiales son buenos conductores térmicos por ejemplo los metales en

donde la mayor parte de la energía es trasmitida por choques entre los electrones

libres y las moléculas fijas

- Otros materiales son aislantes o malos conductores de calor como la madera

Ilustración 8

1.5.2 Convección

- Se debe al movimiento del fluido ( liquido o gas) que transporta el calor entre

zona de diferente temperatura

Q=m*Cp.*ΔT

ΔT= Tf-Ti

6

- Los fluidos al calentarse aumentan de volumen y por lo tanto su densidad

disminuye

- La convección en si es el transporte de calor por medio de las corrientes

ascendente y descendente del fluido

Ilustración 9

1.5.3 Radiacion

Es la energía electromagnética que se propaga a través del espacio vacío a la

velocidad de la luz (3*108).

Se pueden distinguir 2 propiedades principales

Emisión

- Todos los objetos emiten luz; cuanto mayor sea la temperatura, mayor la

frecuencia

- A temperatura ambiente la luz emitida se irradia a frecuencias muy bajas para

que nuestros ojos lo vean

La velocidad (R) a la que un objeto de área (A) y temperatura absoluta (T) emite

energía radiante es:

Donde;

ϵ= emisividad

σ= 5,67*10-8 𝑤

𝑚2

Absorción

La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía

interna, se denomina radiación absorbida. (Tα) Absorberá la radiación de las paredes

del objeto.

R𝜺 = ϵσT𝜺

Rα = ϵσT𝛂

7

1.5.4 Evaporación

Es la transformación de moléculas desde la fase liquida a la fase gaseosa, solo se evaporan las

moléculas con mayor energía rompiendo la fuerza de cohesión del líquido.

La pérdida de moléculas con alta energía hace que la temperatura del líquido descienda.

La energía necesaria para evaporar un líquido se denomina calor molar de vaporización

(Hv).

Para determinar la perdida de calor utilizamos el valor de (Hv) y lo dividimos por los

moles del fluido. Y luego lo obtenemos por la siguiente formula

Para calcular la velocidad de la pérdida de calor:

1.6 Regulación de la temperatura del cuerpo

Es la capacidad que posee el organismo de estabilizar su temperatura según el medio en

donde se encuentre. Esta característica se denomina endotérmica.

Para determinar la variable de temperatura corporal primero debemos encontrar el calor

añadido con el que se encuentra el cuerpo y luego lo dividimos para su masa y calor

especifico del cuerpo de la siguiente manera:

Ilustración 10

Q = (m*Ev)

R = 𝑄

𝑡

ΔT = 𝑄

𝑚∗𝐶𝑝

8

Capítulo 15

2 La Luz

2.1 Naturaleza ondulatoria y electromagnética de la luz

Para determinar cuál era la naturaleza de la luz varios científicos importantes a lo largo

de la historia postularon varias teorías para poder explicarlos fenómenos luminosos que

producía la luz.

En 1678 Huygens defiende un modelo ondulatorio, la luz es una onda. Con este

modelo se explicaban fenómenos como la interferencia y difracción que el modelo

corpuscular no era capaz de explicar. Así la luz era una onda longitudinal.

La solución al problema la dió Maxwell en 1865, la luz es una onda electromagnética

que se propaga en el vacío.

Maxwell se basó en los estudios de Faraday del electromagnetismo, y concluyó que las

ondas luminosas son de naturaleza electromagnética. Una onda electromagnética se

produce por la variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctricas y

magnéticas de la materia. No necesita ningún medio para propagarse, son ondas

transversales

Ilustración 11

Su velocidad de propagación en el vacío es de

Donde c será la velocidad de la luz en sustancias transparentes como por ejemplo el

agua o el vidrio.

C = 3*108 m/s

9

El índice de refracción (n) de una sustancia es la razón de la velocidad de la luz (c) en el

vacío sobre su volumen:

2.2 Interferencia y difracción

Interferencia

Es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda

resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en

cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, etc.

Ilustración 12

La separación entre las ranuras depende de características de la luz y de medidas físicas

Para calcular la interferencia de la luz utilizamos la siguiente formula:

Donde;

Dn = Distancia entre pantalla de las aberturas y propagación

λ= Longitud de onda

d= Distancia entre las aberturas

Xn= Separación entre puntos brillantes

Difracción de la luz

Es la consecuencia de que una onda ya no viaje en una dirección sino que por el

contrario tiene una divergencia angular θ

N = C/V

Xn = 𝐷𝑛∗𝜆

𝑑

10

Ilustración 13

En general la difracción ocurre cuando las ondas pasan a través de pequeñas aberturas,

alrededor de obstáculos o por bordes afilados. Se la puede denotar con la siguiente

ecuación:

2.3 Reflexión y Refracción

Reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con

un objeto y "rebota". La reflexión de la luz hace posible que veamos objetos que no

emiten luz propia.

Elementos de la reflexión

- Rayo incidente: Es el rayo de luz que incide en la superficie

- Rayo reflejado: Es el rayo que sale de la superficie

- Normal: es la línea imaginaria perpendicular a la superficie

- Ángulo de incidencia (i) es el ángulo que forman el rayo incidente y la normal

- Ángulo de reflexión (r) es el ángulo que forman la normal y el rayo reflejado.

Ilustración 14

Sen θ = 𝝀

𝒅

11

Leyes de la reflexión

- Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano.

- Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Para hallar los ángulos de reflexión y refracción utilizamos la siguiente formula

Reflexión total

Es un fenómeno que se da cuando la luz viaja de un medio con índice de refracción

mayor a un medio con índice de refracción menor.

2.4 Color

Es una percepción visual que se genera en el cerebro donde se interpretar las señales

nerviosas que le envían los fotorreceptores en la retina del ojo, y distinguen las

distintas longitudes de onda que captan de la parte visible del espectro

electromagnético.

Las 3 Leyes de Grassmann:

1. Ley

Por síntesis aditiva del color es posible conseguir todos los colores percibidos

mezclando tres franjas del espectro visible (roja, verde y azul) en la proporción de

intensidad adecuada

N1Sen θ1 = N2senθ2

Θ1 = θ´2

senθ2= 𝒏𝟏

𝒏𝟐 Sen θ’1

x = 𝑋

𝑋+𝑌+𝑍 y=

𝑌

𝑋+𝑌+𝑍 z=

𝑍

𝑋+𝑌+𝑍

Ilustración 15

12

2. Ley

Establece que cuando se ha conseguido la igualdad de color enunciada en la primera

ley, la luminancia del color igualado es la suma de las luminancias de los primarios

utilizados en la igualación.

3. Ley

Los mismos colores tienen los mismos efectos en

mezclas aunque sus composiciones espectrales

sean diferentes

2.5 Polarización

Es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por

el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de

polarización.

En una onda electromagnética no polarizada, al igual que en cualquier otro tipo de onda

transversal sin polarizar, el campo eléctrico oscila en todas las direcciones normales a la

dirección de propagación de la onda.

Polarización = Orden = Dirección de oscilación

Ilustración 17

Lx= LA +LB +LC

Ilustración 16

13

Capítulo 18

3 Corriente

Flujo de carga (positivo – negativo)

3.1 Ley de Ohm

Donde;

I = Intensidad de corriente; A= Amperio; su unidad C/s = Coulomb sobre segundo

Para determinar la intensidad de corriente utilizamos la siguiente formula

q = Carga

t = Tiempo

Si lo que queremos es determinar despejamos la formula y obtenemos

Para determinar la potencia utilizamos la siguiente ecuación

La ley de ohm para calcular la intensidad con una resistencia es la siguiente

La resistencia tiene como unidad Voltios sobre Amperios (V/A = 1Ω)

La ley de Ohm es válida solo para ciertos materiales, sobre todo metales.

La resistencia eléctrica de un alambre está relacionada con la longitud (L) y el radio (r)

del alambre por:

Otra manera de calcular la potencia según la ley de Ohm es la siguiente

Las 3 expresiones de potencia son de utilidad. Sin embargo solo hace falta recordar una

expresión ya que las otras 2 se deducen fácilmente recordando la ley de Ohm

I = 1A = 1 C/s

I = 𝑞

𝑡

q = I*T

P = W/s = qV/t= 1V

I = V/ R V = R* I

R = 𝐩𝐋

𝛑∗𝐫𝟐

P = V* I P = R* I2 P = V2/ R

14

3.2 Redes y circuitos

Red de resistencias interconectadas

1. Ley de Kirchhoff

La intensidad total de la corriente que entra en un punto cualquiera del circuito es

igual a la intensidad que sale del punto

2. Ley de Kirchhoff

La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de u circuito es la misma a

lo largo de cualquier camino que conecte los puntos.

La fórmula para calcular la intensidad y Resistencia de circuitos en serie es

Podemos también calcular el voltaje con cada una de las resistencias de circuitos en

serie

Así como también las potencias de ambas resistencias

Si tenemos varias intensidades podemos calcular la intensidad total con:

Y su relación con cada resistencia mediante la siguiente formula

Para calcular resistencias en paralelo utilizamos:

R siempre será menor que R1 y R2

I = ϵ

𝑅1+𝑅2 = A

R = R1 + R2...Rn = Ω

V1 = R1 * I = V V2 = R2* I = A

P1 = R1 * I2 = W P2 = R2 * I2 = W

I = I1+I2

I1 = ϵ

𝑹𝟏 I2 =

ϵ

𝑹𝟐

1

𝑅 =

1

𝑅1 +

1

𝑅2

15

3.3 Corriente alterna

Cuando la corriente oscila con el tiempo y no es constante es corriente alterna por ende

esta viene dada con una frecuencia (f)

Donde la unidad de la frecuencia son los Hertz de

modo de que si f = 60s-1 = 60 Hz

Intensidad eficaz y tensión eficaz

La tensión continua o eficaz Vef se define en función de I ef por la ley de Ohm

Pero Ief = Iep /√2 ; entonces:

Seguridad eléctrica

Cuando alguien toca accidentalmente un circuito el 75% de la población percibe una

corriente de 1,0 mA a 60 HZ como un pequeño hormigueo. Si sujetáramos un cable con

una corriente mayor por ejemplo de 10 mA es lo suficientemente grande como paralizar

la mano de quien sujeta el cable e impedirle que escape.

3.4 Condensadores

Consta de dos superficies conductoras separadas por una delgada lámina aislante

En cualquier instante, la carga (q) del condensador es proporcional a su potencia (V),

esto se puede expresar

Donde C es una constante llamada capacidad.

Su unidad es (C/V) llamada farad (F)

El valor de C está relacionado con el área A de las placas del condensador y la distancia

d entre ella por medio de:

Donde K = 9 * 109 N*m2/C2

∈ = Constante dieléctrica característica del material

aislante

f = 𝟏

𝛕

Vef = R * Ief

Vef = 𝑹𝑰𝒑

√𝟐 =

𝑽𝒑

√𝟐

q = C * V

C = ∈𝐀

𝟒𝛑𝐊𝐝

16

3.5 Bioelectricidad

Son los impulsos eléctricos que experimentan de manera natural lo seres vivos

Los impulsos nerviosos llevan señales de información desde las células sensoriales

cerebro y mandan señales en sentido inverso desde el cerebro a las células musculares.

Los músculos los peces han perdido su capacidad para contraerse y son utilizados

exclusivamente para producir un potencial eléctrico

Un ejemplo claro conocido es el de la anguila eléctrica que produce un gran potencial

eléctrico utilizándolo para su defensa.

Ilustración 18

El potencial de Nernst es el siguiente

Donde:

c1 y c2 = son las concentraciones de los iones de potasio;

K = es la contante de Boltzann;

T la temperatura absoluta

e = es la magnitud proporcional a flujo neto de iones.

V = V1 – V2 = +-2,3 𝒌𝑻

𝒆 log

𝒄𝟏

𝒄𝟐

Conclusiones

Como resultado de lectura y análisis de los datos he podido comprender

muy bien todo lo que abarcan estos tres temas tanto en: Calor, Luz y

Electricidad.

Como resultado de este trabajo puedo entender y conocer las fórmulas para

determinar cada problema establecido así como el significado de cada una

de sus variables y para qué sirven.

Sabiendo que formula utilizar para determinado ejercicio podremos más

fácilmente realizarlos sin ningún inconveniente; anquea veces toque

despejar de la formula base.

Biosensor

Primeramente un biosensor es una herramienta biotecnológica que nos

permite receptar cierta anomalía o proceso metabólico en nuestro

organismo mediante la utilización de enzimas, células, neuronas, sangre,

ácidos nucleicos o anticuerpos; dada la complejidad de estos existían pocos

biosensores, pero en la actualidad existen una variedad y cada vez se van

desarrollando nuevos.

Mi idea se basa en un problema que se vive en la actualidad y es el

aumento de la radiación del sol por la destrucción de la capa de ozono por

el cual se están produciendo más seguido el daño de la piel en las personas

muy comúnmente causadas por los rayos (UV)

Este biosensor actuaría en nuestra epidermis al ingresar los rayos a nuestra

piel esta comenzara su proceso de deshidratación y este biosensor nos

marcara su nivel de temperatura, nivel de deshidratación y determinara el

daño a nivel celular de la epidermis; además su función principal es que

nos señalara cuando estamos en riego de sufrir quemaduras desde muy

leves hasta las graves y en qué tiempo determinado de exposición al sol

tendremos una quemadura grave en nuestra piel.

Además también tendrá implementado un sistema que nos diga qué tipo de

factor de protección solar (FPS) debemos utilizar según el fototipo de

nuestra piel.

Sería una herramienta muy útil y practica del tamaño de un móvil donde su

parte anverso estará con una pantalla digital que nos permita ver y utilizar

todas las funciones ya propuestas y su parte reversa estará compuesta por

un panel biosensorial epidérmico que nos permita receptar eficazmente

estos sucesos y anomalías.