termodinamica aplicada a sistemas vivos

Termodinámica

QF: Edwin Pomatanta PlasenciaDocente Uladech Catolica

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Calor y Temperatura

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


• 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.

• 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

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.

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

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 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


• 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


• 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.


• 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


• 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

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

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)


• 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


• 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

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)

Perdida de calor en la superficie corporal (R + C+ E + K)


• Una vez producido el calor, éste es transferido y repartido a los distintos órganos y sistemas.

• Este proceso se realiza por los mecanismos de conducción, convección y por el mecanismo de intercambio de calor por contracorriente


• a) Radiación:

• Es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas y constituye la forma más importante de pérdida de calor en el cuerpo humano, alcanzando un total de 60 %.

• Esta forma de pérdida no se puede controlar ya que depende de la emisión de rayos infrarrojos. Se puede ganar o perder calor dependiendo de que la piel se encuentre más fría o más caliente que los objetos del entorno


• b)Evaporación:

• La evaporación se realiza gracias al sudor y puede ser de dos formas, una imperceptible, insensible y constante denominada perspiración y otra más significativa y ostensible llamada sudoración.

• Constituye en condiciones normales un 22 % del total de calor que se pierde.


• c) Convección:

• Ocurre cuando el calor de nuestro cuerpo es trasladado o retirado por un fluido que puede ser el aire o el agua (por ejemplo cuando estamos frente a un ventilador).

• Por convección del aire se pierde aproximadamente el 15 % del calor corporal.

• Al igual que el anterior, se puede ganar o perder calor.


• d)Conducción:

• Es un mecanismo poco importante para el organismo ya que por el enorme poder aislante de la grasa corporal, solamente perdemos por esta forma un 3 % del calor corporal.

INTEGRACIÓN CENTRAL

• INTEGRACIÓN CENTRAL

• HIPOTÁLAMO ANTERIOR:

• HIPOTÁLAMO POSTERIOR


• HIPOTÁLAMO ANTERIOR: Son los lugares de partida de las órdenes reguladoras de la termólisis (se oponen al calentamiento):

• - Vasodilatación

• - Sudoración

• - Disminución de la producción de energía


• HIPOTÁLAMO POSTERIOR: Es responsable de las órdenes para la termogénesis (se oponen al enfriamiento):

• - Vasoconstricción cutánea.

• - Piloerección

• - Aumento de la producción de calor

Trastornos de la termorregulación

Fiebre

Fiebre

• Es la alteración más común de la temperatura.

• Se establece cuando existe una modificación en el nivel de referencia natural (punto de ajuste) que se establece en el hipotálamo.

• Durante un episodio febril, el sistema regulador térmico funcionan pero, se ha cambiado el punto de referencia. En lugar de 37ºC la regulación se produce en torno a un valor mas elevado; por ejemplo del orden de los 38 ºC – 39ºC.

Fiebre

• a) Fase de escalofríos

• b) Fase de estabilidad térmica

• c) Fase de crisis

Gasto energético

Gasto energético• Es la relación entre el consumo de energía y la

energía que el organismo necesita.

• Para mantener el equilibrio, la energía consumida debe de ser igual a la utilizada, o sea que las necesidades energéticas diarias han de ser igual al gasto energético total diario.

• Si consumimos más energía de la necesaria se engorda y si consumimos por debajo de las necesidades se adelgaza. El organismo no es una excepción al primer principio de la Termodinámica

Energía de los alimentos

• El contenido total de energía de un alimento es la cantidad de energía liberada cuando el alimento se quema por completo al aire hasta dar CO2 y H2O, es decir, es el calor de la combustión.

• La energía total es igual a la suma de la energía digerible y la no digerible.

Energía alimentaria total 100%

Energía no digerible alrededor del 1-9% Energía digerible alrededor del 95%

Excretada por heces

Pérdidas por orina y sudor en pequeñas

cantidadesEnergía metabolizable

50% perdido en forma de calor

25% perdido en forma de calor

5 – 10% Efecto térmico de los alimentos


• La energía digerible es la cantidad de energía que puede ser absorbida de lo alimentos , supone el 95% de la dieta occidental media.

• La energía no digerible es la energía en alimentos por ejemplo, la calurosa, que no podemos descomponer y que se pierde por las heces.

• La energía metabolizable es la energía disponible para ser usada por el organismo

Energía de los alimentos• La energía metabolizable

• El 50% se pierde en forma de calor.

• El 5 – 10% de la energía se emplea en la digestión, absorción y transporte de los alimentos. Esto se conoce como efecto térmico del alimento, termogénesis inducida por la dieta o termogénesis posprandial

• Sólo el 25 – 40% de la energía es atrapada como ATP, es decir, el organismo sólo tiene una eficiencia del 25 – 40%

•

Termogenesis

Termogenesis• Termogénesis, es la energía que se requiere para

digerir, absorber y metabolizar los nutrientes.

• El consumo de carbohidratos o grasas aumenta la tasa metabólica cerca del 5% de calorías totales consumidas.

• Si la ingesta consta de proteínas de forma exclusiva la tasa metabólica aumenta cerca del 25%. Sin embargo, estos efectos disminuyen cuando los alimentos se mezclan en cada comida. Por lo general, el gasto por termogénesis se calcula en un 10% del gasto energético total

MANTENIMIENTO DEL PESO CORPORAL Y EQUILIBRIO DE FACTORES.

CEB: Gasto energético basal.TEA: Termogénesis adaptativa.SNS: Sistema nervioso simpático.SD: Sistema digestivo.H .CREC: Hormona del crecimiento.H. TIROD: Hormona tiroidea.H. GONAD: Hormonas gonadales.H. SEDENT: Hábito sedentario.EST. SUPR: Esteroides suprarrenales.DIET HIPERC: Dieta hipercalórica.

Requerimientos de energía

termodinamica aplicada a sistemas vivos

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