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LA FÍSICA EN
FISIOTERAPIA
V
MsC. Leonides Castellanos Fuentes
Termodinámica
• Termodinámica, es un campo de la física que
describe y relaciona las propiedades físicas de la
materia de los sistemas macroscópicos, así
como sus intercambios energéticos.
• Termodinámica estudia los efectos de los
cambios de la temperatura, presión y volumen
de los sistemas físicos a un nivel macroscópico.
• La termodinámica estudia la circulación de la
energía y cómo la energía infunde movimiento.
Comemos
alimentos
Para mantener nuestras funciones
biológicas
Para producir energía eléctrica
Quemamos
combustibles
Usamos cubitos
de hielo
Usamos calor
Para calentar nuestras casas
Para generar potencia en
aviones, trenes, automóviles.
Para enfriar bebidas
Para convertir masa cruda en
pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones
químicas tienen algo en común:
Las reacciones químicas implican cambios de energía.
La combustión de la
gasolina libera
energía
La separación del agua en
hidrógeno y oxígeno,
requiere energía
El estudio de la energía y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINÁMICA
Therme
“calor”
Dynamis
“Potencia”
La Termodinámica se relaciona con los
estados de equilibrio.
Un estado de equilibrio es aquél en el que las
propiedades
macroscópicas
del
sistema,
temperatura, densidad, composición química, etc.,
están bien definidas y no varían.
Por ejemplo un sistema está
en equilibrio térmico con el
medio ambiente cuando no
hay flujo neto de calor entre
ambas partes del universo.
Descripción macroscópica de sistemas
termodinámicos
Para una descripción completa del sistema también se necesita un
descripción del contorno (los límites), y de las interacciones que este
permite con el entorno. Los contornos pueden permitir el paso de
materia y energía.
Sistema aislado: no intercambia energía ni masa con su entorno.
Sistema cerrado: sólo puede intercambiar energía.
Sistema abierto: puede intercambiar materia y energía.
Sistema móvil / rígido: las paredes permiten (o no) transferir energía
en forma de trabajo mecánico.
Sistema diatérmico: transferencia de calor sin trabajo.
Sistema adiabático: no hay transferencia de calor por las paredes.
Sistemas en contacto térmico, permeables, en contacto difusivo, etc
Transformaciones reversibles e irreversibles
Una transformación termodinámica tiene lugar por cambios de
las condiciones externas que producen un cambio del
macroestado.
Transformación irreversible: la que no se puede deshacer por la
simple inversión de los cambios realizados en las condiciones
externas.
Transformación reversible: cuando el sistema vuelve a su estado
inicial tras esos cambios.
Transformación irreversible
Principios de la termodinámica
• Principio Cero: Permite definir la temperatura como una
propiedad.
• Primer Principio: Define el concepto de energía como
magnitud conservativa.
• Segundo Principio: Define la entropía como magnitud
no conservativa, una medida de la dirección de los
procesos.
• Tercer Principio: Postula algunas propiedades en el cero
absoluto de temperatura.
La palabra entropía procede del griego y significa
evolución o transformación.
Entropía
 Fís. Función termodinámica que es una medida de la
parte no utilizable de la energía contenida en un
sistema o materia.
 Inform. Medida de la duda que se produce ante un
conjunto de mensajes del cual se va a recibir uno
solo.
 Mec. Medida del desorden molecular de una
materia o sustancia: los fluidos tienen más entropía
que los sólidos.
 Desorden, caos.
• La primera ley dice que la energía no se crea
ni se destruye, sino que se transforma,
mudando de una forma en otra. La energía es
una, pero tiene diversas formas.
• Cuando por fricción aumenta la energía interna de un
cuerpo.
• La energía térmica se puede convertir en energía
mecánica.
• Si un gas encerrado en un cilindro se expande y mueve
un émbolo.
Con esto ha sido posible establecer claramente la Ley de
conservación de la energía.
• Esta ley, aplicada al calor, da como resultado
el enunciado de la Primera Ley de la
Termodinámica que dice: la variación en la
energía interna de un sistema es igual a la
energía transferida a los alrededores o por
ellos en forma de calor y de trabajo, por lo
que la energía no se crea ni se destruye, sólo
se transforma.
Segunda Ley de la Termodinámica
La base de esta ley es el hecho de que si mezclamos partes iguales de dos gases
nunca los encontraremos separados de forma espontánea en un instante
posterior.
La segunda ley proporciona la base para el concepto termodinámico de entropía.
Principio de máxima entropía: Existe una función de estado de los parámetros extensivos
de cualquier sistema termodinámico, llamada entropía S, con las siguientes propiedades:
1. los valores que toman las variables extensivas son los que maximizan S
consistentes con los parámetros externos,
2. la entropía de un sistema compuesto es la suma de las entropías de sus
subsistemas.
La segunda ley de la termodinámica es la ley más
importante de la ciencia y la naturaleza. Ella indica y
resume como las energías son transferidas en un sistema y
otro, con el ambiente o entre dos sistemas.
La primera ley cuantifica los cambios de la energía interna
u otro tipo de energía, que cambian a ciertas magnitudes
del calor y del trabajo.
La segunda ley nos va indicar si esos cambios o esas
transformaciones son o no posible. No existe una
definición clara entre los autores y estudiosos del tema
pero todos nos orientan a lo mismo, a indicarnos el
sentido que ocurren los procesos.
Clausius la anuncio como sigue:
NO ES POSIBLE PARA UNA MAQUINA CICLICA
LLEVAR CONTINUAMENTE CALOR DE UN CUERPO
A OTRO QUE ESTÉ CON TEMPERATURA A TEMPERATURA
MÁS ALTA, SIN QUE AL MISMO TIEMPO SE PRODUSCA
OTRO EFECTO( DE COMPENSACIÓN).
Rudolf Emanuel Clausius, físico alemán 1822- 1888
El ejemplo más claro desde el punto de vista
domestico es el refrigerador
Lo que hace el refrigerador desde un punto de vista es
extraer calor de temperatura baja que esta dentro del
refrigerador y ponerlo a una temperatura más alta que esta
fuera del refrigerador que es la temperatura ambiente.
Esto no pudiera ocurrir de forma natural. Para que esto
ocurra tengo que conectarlo a corriente para que la energía
eléctrica me haga funcionar un compresor y la energía
pueda ser transferida desde temperatura baja a alta.
La segunda ley de la termodinámica expresa, en una forma
concisa, que "La cantidad de entropía de cualquier sistema
aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el
tiempo, hasta alcanzar un valor máximo".
Más sencillamente, cuando una parte de un
sistema cerrado interacciona con otra parte, la
energía tiende a dividirse por igual, hasta que
el sistema alcanza un equilibrio térmico.
En un sentido general, la segunda ley de la termodinámica afirma
que las diferencias entre sistemas en contacto tienden a igualarse.
Las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las
diferencias de temperatura tienden a ecualizarse. Esto significa que
un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme.
Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz
gracias la diferencia de temperaturas de dos cuerpos. Dado que
cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de
temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede
extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es,
requerirá de la alimentación de energía del exterior.
 Efectos Biológicos.
• Los seres vivos cuentan con información, y con
ella generan su propia estructura, o en otras
palabras, se auto-organizan. Esta tendencia a
auto organizarse, es opuesta al caos y el
desorden.
• Los seres vivos se ordenan, al paso que
desordenan el ambiente en el que se
encuentran. La creciente entalpía del ser vivo,
se acompaña de la creciente entropía de su
entorno.
Expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un
sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema
puede intercambiar con su entorno.
Termodinámica de sistemas abiertos
• Los seres vivos intercambiamos energía y
materia con el medio ambiente. Aquí nos
encontramos lejos de un equilibrio
termodinámico. Los procesos son irreversibles
y no reproducibles. La flecha del tiempo es
infranqueable en nuestro organismo así como
en la naturaleza. Nunca los sistemas regresan
a su antiguo estado de orden. Aquí rigen las
leyes de la teoría del caos y la no-linealidad.
Transformación de energía
a partir de los alimentos (Primera ley)
2.
1. Segunda ley:
• Una máquina térmica es un dispositivo que
transforma calor en trabajo mecánico, opera
entre dos depósitos a diferente temperatura, y el
trabajo mecánico se obtiene si el calor se
transfiere del depósito con mayor temperatura al
depósito de menor temperatura.
• De la segunda ley de la termodinámica, que
sostiene que ninguna máquina térmica puede
transformar en energía mecánica todo el calor
que se transfiere en el proceso de operación, se
deriva el concepto de eficiencia térmica (N), el
cual se define como el cociente del trabajo
obtenido y el calor que se le suministra, N = W/Q.
• los seres humanos efectuamos trabajo al
caminar, correr, levantar un objeto, etc., para
realizarlo requerimos de energía que el
organismo obtiene al transformar la energía
potencial química de los alimentos. Para las
actividades antes mencionadas se asocia el
concepto de eficiencia muscular (E), como el
cociente del trabajo mecánico realizado y la
energía suministrada al cuerpo, a través de los
alimentos. Se ha verificado que la eficiencia
muscular en el trabajo mecánico es
aproximadamente del 20%, (E = 0.2).
2. Primera ley:
• La principal fuente de energía en el
organismo la constituyen los carbohidratos
que ingerimos en nuestra alimentación.
• La transformación de energía en el
organismo, se realiza oxidando esencialmente
glucosa en el proceso de respiración,
mediante mecanismos moleculares realizados
a nivel celular, a temperatura constante y
baja.
Similitudes y diferencias
 Una máquina térmica y el organismo, como
sistemas que realizan trabajo, requieren de
combustible, pero la primera, opera con diferencias
de temperatura y con ello la realización de trabajo,
en cambio en el organismo la oxidación se realiza a
temperatura constante y no hay transferencia de
calor asociada a la realización de trabajo.
 La transformación de energía, en la combustión
como en la oxidación, tienen el mismo principio, ya
que se realizan mediante mecanismos moleculares.
La diferencia radica en la velocidad con que se
realizan; combustión es violenta y la reacción se
mantiene por sí, la oxidación es un proceso lento y
controlado, por lo que, la energía se transforma de
acuerdo a los requerimientos del organismo.
• El metabolismo basal.
Es el consumo energético necesario para
mantener las funciones vitales y la
temperatura corporal del organismo. Su
formula es simple: 24 Kcal/kg de peso.
Este valor se ve afectado por otros factores
variables, a saber: La superficie corporal, la
masa magra, el sexo, la edad, embarazos (en
el caso de las madres), raza, clima,
alteraciones
hormonales,
estados
nutricionales actuales, y otros.
• Efecto termogénico.
De los alimentos es el consumo energético que
aparece como consecuencia de la digestión de
los propios alimentos.
Así la energía utilizada es de un 30% si se
ingieren solo proteínas, de un 6% si se
ingieren solo hidratos de carbono y de un 14%
si
se
ingieren
solo
grasas.
Este efecto aumenta con el valor calórico o si
aumenta el fraccionamiento de las comidas.
• Trabajo muscular o factor de actividad.
Es el gasto energético necesario para el
desarrollo de las diferentes actividades. En
una
persona
moderadamente
activa
representa del 15% al 30% de las necesidades
totales de la energía
Terapias
• Tener una dieta saludable para que el gasto de
energía sea menor teniendo una mejor
digestión.
• Hacer ejercicio por lo menos una vez al día y
de esa forma mejorar la eficiencia muscular.
• Al presentar una patología se hace necesario
realizar un control de la misma para que no se
vuelva un problema más severo.
Bibliografía:
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http://www.redcientifica.com/doc/doc200403270001.html
http://www.dolor-pain.com/foro/auto.html
http://www.smf.mx/boletin/Ene-99/ensena/o-humano.html
http://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080929
184646AAGjBJn
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