Mecanismos de transmisión del calor

Convección: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia.

Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material.

Convección natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura.

Convección forzada: la causa del mezclado es un agitador mecánico o una diferencia de presión (ventiladores, compresores...) impuesta externamente.

Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.

1

CONDUCCIÓN La

conducción

sólidos opacos.

es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas.

http://www.gcsescience.com/pen5.htm

2

CONVECCIÓN Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y de si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.

Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento Convección forzada 3

RADIACIÓN 

E



B k

 4

APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA AL METABOLISMO

El calor transferido por el cuerpo al exterior (

Q

) y el trabajo hecho por el cuerpo (

W

) hacen disminuir la energía interna, mientras que la ingesta de alimentos repone dicha energía interna. A estos efectos, la ingesta puede considerarse trabajo hecho sobre el cuerpo.



U



Q

 

W



W A

 Alimentos

W A

 0 

U Q

 0

W

 0 Pérdidas de calor por convección y radiación (conducción mucho menos importante) Trabajo músculos

TASA METABÓLICA

Es el ritmo al que cambia la energía interna por unidad de tiempo y por unidad de masa.

TASA METABÓLICA   1

m



U



t

Depende del tipo de actividad que se esté realizando.

El mínimo necesario para mantener el funcionamiento del organismo es la tasa metabólica basal.

EQUIVALENTE ENERGÉTICO DEL OXÍGENO

Es el cociente entre la energía liberada por las reacciones químicas metabólicas y el oxígeno consumido para llevarlas a cabo.

Glucosa:

X

 6

Y

 12

Z

 6

C X H Y O Z

 1 2 

Y Z

2

O

2 

CO

2 

Y H

2 2

O C

6

H

12

O

6  6

O

2  6

CO

2  6

H

2

O

La tasa metabólica y el consumo de oxígeno guardan una relación proporcional. 5

EJEMPLO 1 Un nadador de 70 kg entrena 3 horas diarias. Utilizando los datos de la tablas de valores promedio que se acompañan, calcular cuanta energía consume y cuanta grasa quemará diariamente debido a dicha actividad.

Tasas metabólicas aproximadas (hombre promedio, 20 años)  1

m

Actividad 

U



t

 W·kg  1  Dormir 1,1 Acostado y despierto Sentado en posición recta De pie Pasear Temblar Montar en bicicleta Traspalar Nadar 1,2 1,5 2,6 4,3 hasta 7,6 7,6 9,2 11,0 Cortar leña Esquiar 11,0 15,0 Correr 18,0

Fuente: Kane & Sterheim, Física , tabla 11.2, p. 258

Contenido energético medio tipos alimentos Hidratos de carbono Proteínas Grasas Etanol PROMEDIO ESTÁNDAR Conteni do energéti co kJ·g -1 kcal·g -1 17,2 17,6 38,9 29,7

Fuente: Kane & Sterheim, Física , tabla 11.1, p. 257

4,1 4,2 9,3 7,1 Tasa metabólica natación Con

m

 1

m



U



t

 11.0

W·kg  1 = 70 kg y 

t

= 3 h = 10800 s, la energía consumida es  

U

 11.0

 70  3  3 6 00  8 316 000 J  8 316 kJ  1990 kcal La cantidad 

U

representa la energía consumida por el nadador en cada sesión de entrenamiento de 3 horas.

Contenido energético grasa Masa de grasa elimi nada por este ejercicio

M g

 1 990 kcal 9 .

3 kcal·g  1  214 g  

U

 1990 kcal (en 3 h) 6

EJEMPLO 2 Una mujer de 50 kg consume energía interna a razón de 3 W·kg -1 . (a) Calcular su tasa de consumo de oxígeno.

(b) Calcular el oxígeno consumido en 8 horas. Tome los valores necesarios de la tabla adjunta.

Contenido energético medio tipos alimentos Hidratos de carbono Proteínas Grasas Etanol PROMEDIO ESTÁNDAR Conteni do energéti co kJ·g -1 kcal·g -1 17,2 17,6 38,9 29,7

Fuente: Kane & Sterheim, Física , tabla 11.1, p. 257

4,1 4,2 9,3 7,1 Equi va l ente ener géti co de oxígeno kJ·litro -1 kcal·litro -1 21,1 18,7 19,8 20,3 20,2 5,0 4,5 4,7 4,9 Tasa metabólica:  1

m



U



t

 3.0

W·kg  1 Consumo energía interna:  

U



t

 3.0

 50  150 W Tomando el valor promedio estándar de 20,2 kJ·litro -1 , el volumen de oxígeno consumido por unidad de tiempo (tasa de consumo de oxígeno) será: 

V



t

  

U

20 , 2  

t

  kJ·litro  1  

V



t

Este consumo de energía interna lo expresamos como potencia (trabajo por unidad de tiempo). Para desarrollar dicha potencia se necesita oxígeno, ya que hay que oxidar glúcidos o lípidos en reacciones de combustión para obtener la energía.

 0 , 15 kW 20 , 2 kJ·litro  1  7 , 43 · 10  3 litro·s  1  0 , 446 litro·min  1 Oxígeno consumido en 8 h: 

V

 7 , 43 · 10  3 litro·s  1  8 h  60 min·h  1  60 s·min  1  213 , 9 litro Nota. Un valor típico para el oxígeno consumido por una persona

en reposo

es 3.5 ml de oxígeno por kilogramo de peso y por minuto. Véase que esto significa que un valor típico para el consumo de una persona de 50 kg, como es el caso del enunciado, supone 3.5 ·10 -3  50 = 0.175 litro·min -1 .

7

EJEMPLO 3 Un hombre de 83 kg pasea durante una hora y media. Utilizando los datos de las tablas de valores promedio que se acompañan, calcular su tasa de consumo de oxígeno y el consumo total del mismo durante el paseo.

Tasas metabólicas aproximadas (hombre promedio, 20 años)  1

m

Actividad 

U



t

 W·kg  1  Dormir 1,1 Acostado y despierto Sentado en posición recta De pie Pasear Temblar Montar en bicicleta Traspalar Nadar 1,2 1,5 2,6 4,3 hasta 7,6 7,6 9,2 11,0 Cortar leña Esquiar 11,0 15,0 Correr 18,0

Fuente: Kane & Sterheim, Física , tabla 11.2, p. 258

Contenido energético medio tipos alimentos Hidratos de carbono Proteínas Grasas Etanol PROMEDIO ESTÁNDAR Conteni do energéti co kJ·g -1 kcal·g -1 17,2 17,6 38,9 29,7

Fuente: Kane & Sterheim, Física , tabla 11.1, p. 257

4,1 4,2 9,3 7,1 Tasa metabólica: Equi va l ente ener géti co de oxígeno kJ·litro -1 kcal·litro -1 21,1 18,7 19,8 20,3 20,2 5,0 4,5 4,7 4,9  1

m



U



t

 4 .

3 W·kg  1 Consumo de energía interna:  

U



t

 4 .

3  8 3  3 56 , 9 W Tomando el valor promedio estándar de 20,2 kJ·litro -1 , el volumen de oxígeno consumido por unidad de tiempo (tasa de consumo de oxígeno) será: 

V



t

 0 , 3596 kW 20 , 2 kJ·litro  1  17 , 67 · 10  3 litro·s  1  1 , 06 litro·min  1 

V



t

  

U

20 , 2  

t

kJ·litro  1  Oxígeno consumido en 1,5 h: 

V

 17 , 67 · 10  3 litro·s  1  1 , 5 h  60 min·h  1  60 s·min  1  95 , 4 litro 8