UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA

BIOTERMODINÁMICA

Prof. Dr. Elvar Quezada Castillo

CALOR Y TEMPERATURA CORPORAL

ENERGÍA INTERNA

• Cada cuerpo o conjunto de moléculas poseen cierta

energía interna

que es igual a la energía cinética de todas las partículas (o moléculas) más la energía potencial de todos los pares de partículas ( o moléculas) existentes en el cuerpo, esto es:

E in



i N

  1

E ki



i N

 

j E pij

• que es independiente de cualquier energía cinética o potencial del cuerpo en conjunto.

Las moléculas de un cuerpo no tienen la misma energía cinética ni la misma energía potencial de interacción. Por eso, valor medio de sus energías cinética y potencial es conveniente definir la energía media de las moléculas como el

TEMPERATURA

• • Es una medida del estado relativo de calor o frío de un cuerpo .

Al disminuir la temperatura disminuye la energía cinética de las moléculas que lo constituyen y recíprocamente, al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de estas moléculas.

En consecuencia, una manifestación externa de la energía interna del cuerpo es la temperatura:

T = T(E

int

)

EQUILIBRIO TÉRMICO

• Cuando ponemos en contacto dos cuerpos cuyas temperaturas son diferentes, la temperatura del más caliente disminuye y la del más frío aumenta, hasta que ambos adquieren la misma temperatura; cuando esto sucede se dice que están en

equilibrio térmico

T 1 >T 2 T 1 =T 2

CALOR

• Se llama

calor

a la energía que pasa de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura entre ellos

Q = ΔE int

• El calor no es una nueva forma de energía, sino un nombre que se le da a la energía transferida o en tránsito a consecuencia de una diferencia de temperatura.

CALOR ESPECÍFICO

• Es la cantidad de calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura un grado. Si

Q

es la cantidad de calor que debe suministrarse a una masa temperatura de

t o

a

t m

para elevar su , el calor específico de la sustancia es

c



m

(

t Q



t o

)

TERMÓMETRO CLÍNICO

• • • Esta constituido por un bulbo alargado que se prolonga en un tubo capilar a través del cual se desplaza el mercurio al dilatarse por el calor corporal.

Este tubo presenta un estrechamiento en su porción inferior que permite el fácil pasaje de mercurio del bulbo al capilar e impide el retroceso de mercurio del capilar al bulbo.

El termómetro clínico sirve para medir la temperatura del cuerpo humano; su escala se extiende de 35º a 41 ºC, con intervalos de 0.1º

TERMOMETROS CLÍNICOS ACTUALES Termómetro infrarrojo de oído Termómetro infrarrojo multiusos Termómetro de vidrio Termómetro electrónico

TEMPERATURA CORPORAL

1. Temperatura interna o temperatura del núcleo (t i ), se usa al habla de la regulación térmica del cuerpo.

2. Temperatura de la piel (t p ), se usa cuando se habla de la capacidad de la piel para perder calor hacia el medio ambiente 3. Temperatura corporal media (t m ), se utiliza para determinar la cantidad de calor almacenada por el cuerpo.

t m = 0,7 t i + 0,3 t p

TEMPERATURA CORPORAL

TEMPERATURA CORPORAL

Las principales temperaturas corporales son: 1. Temperatura oral: 37,3 ºC 2. Temperatura rectal: 37,5 ºC 3. Temperatura vaginal: 37,5 ºC 4. Temperatura axilar: 37,0 ºC

CALORIMETRÍA ANIMAL

Se usan dos métodos: 1.

2.

Calorimetría directa .- Utilizando los calorímetros de Lavoisier y Laplace, el calorímetro de Atwater y Benedict o cualquier otro calorímetro de actualidad.

Calorimetría indirecta .- Utilizando el calorímetro de Benedict – Roth y otros datos tales como sustancias ingeridas, gases de la respiración, etc. Esta calorimetría puede ser de dos clases: calorimetría indirecta por balance energético y calorimetría indirecta respiratoria.

CALORÍMETRO DE LAVOISIER y LAPLACE

• Construido en 1780 • Mide el cociente respiratorio: CO 2 /O 2 • Q = m L, donde: m = masa de hielo L = calor de fusión Entrada de aire Hielo Salida de aire Hielo fundido

CALORÍMETRO DE LAVOISIER Y LAPLACE

Método poco sensible: 1.

Se necesita mucho calor para fundir una cantidad de hielo (80 cal/g).

2.

3.

pequeña No se recoge toda el agua proveniente de la fusión del hielo, parte queda adherida a los tozos de hielo.

El animal se encuentra en condiciones anormales a una temperatura de 0 ºC y en una atmósfera confinada.

CALORÍMETRO DE ATWATER Y BENEDICT Q = mc(t f -t o ) + m V L ± m h c h Δt

CALORÍMETRO ATWATER Y BENEDICT

CALORÍMETRO COMPUTARIZADO

ESPIRÓMETRO DE BENEDICT - ROTH

ESPIRÓMETRO DE BENEDICT - ROTH

Registro de consumo de oxígeno

ESPIRÓMETRO DE BENEDICT - ROTH

METABOLISMO BASAL

• • • • Se llama

metabolismo

a los cambios y transformaciones de energía que tienen lugar en los seres vivos.

El metabolismo consiste en el aprovechamiento de la energía convertida de los alimentos ingeridos.

El

metabolismo basal

es el consumo de energía en estado de reposo metal y físico completo.

Se determina por calorimetría directa o indirecta, comunmente, usando el aparato de Benedict – Roth.

METABOLISMO BASAL

• • El metabolismo basal se expresa en energía consumida por hora y por metro cuadrado de superficie corporal.

La superficie corporal se determina con la fórmula de Du Bois S = 0,007184 W 0,425 h 0,725 donde S en el área en m 2 , W el peso en Kg y h la altura del individuo en cm

CONCEPTOS PRELIMINARES DE PROPAGACIÓN DE CALOR

Convección Radiación

Propagación del calor

Foco térmico 1 T 1 Aislante térmico Q Conducción Barra de sección transversal A T 2 Foco térmico 2

REGULACIÓN TÉRMICA

• • Termogénesis .- Producción de calor mediante los procesos que tienen lugar en el organismo tales como ingestión de alimentos, reacciones químicas básicas, contracción muscular, mecanismos endocrinos Termólisis .- Conjunto de procesos mediante los cuales el cuerpo pierde calor: 1. Conducción 2. Convección 3. Radiación 4. Evaporación

CONDUCCIÓN DEL CALOR

E in



i N

  1

E ki



i N

 

j E pij

Foco térmico 1 T 1 Aislante térmico Q Conducción Barra de sección transversal A T 2 Foco térmico 2

CONVECCIÓN DEL CALOR

H = q S (t p – t o ) donde q es el coeficiente de convección, S la superficie del cuerpo, t p y t o las temperaturas de la piel y del aire respectivamente.

• Para el hombre q = 1,7 x 10 -3 kcal/s m 2 .

T 1 Convección

RADIACIÓN DEL CALOR

• • La piel humana cualquiera que sea su color, irradia energía.

La ecuación de radiación es

H



e



A



T p

4 

T o

4 

Radiación

RADIACIÓN DEL CALOR

donde

e

es la emisividad del medio, A el área de radiación, T p la temperatura de la piel, T o temperatura ambiente y σ la la constante de Stefan Boltzmann σ = 1,36x10 -11 kcal/s m 2 K 4 • La longitud de onda de la radiación emitida por la piel esta comprendida entre 5 μm y 20 μm con un máximo en 9 μm.

EVAPORACIÓN

• Al evaporase un líquido absorbe una cantidad de calor, denominado

calor de vaporización (L) Q = m L

• donde m es la masa del líquido y Q el calor líquido evaporado.

Para el agua L = 580 cal/g.

del

MECANISMOS DE PÉRDIDA DE CALOR POR EL CUERPO HUMANO

FENÓMENO DE CONTRACORRIENTE

• Mecanismo a través del cual la sangre venosa se calienta a medida que retorna a las regiones centrales, mientras que la sangre arterial se enfría en su trayecto hacia las extremidades .

INTERCAMBIO DE CALOR EN EL BRAZO

APLICACIÓN DEL FRIO EN MEDICINA

• • • • La

criogénia

utiliza bajas temperaturas. Al estudio de estas temperaturas en biología y medicina se llama criobiología .

es la ciencia y tecnología que produce y Un objetivo de la criogenia es congelar cuerpos y llevarlos a un estado de animación suspendida y revivirlos cuando sea necesario.

Las bajas temperaturas se usan para conservar sangre, esperma, médula ósea y tejidos biológicos.

La sangre no puede conservarse más de 21 días porque cada día sufre hemólisis el 1 % de glóbulos rojos.

APLICACIÓN DEL FRIO EN MEDICINA

• • • • La sangre puede guardarse por tiempo indefinido congelándola a la temperatura del nitrógeno líquido (-196 ºC) en contenedores de paredes delgadas y por método de arena de sangre.

La conservación de órganos es más fácil que simples células. Ejemplo, piel, huesos, músculos y córneas.

El método criogénico se usa también para destruir células.

La criogenia se usa para curar el Parkinson, el pionero fue el Dr. Irvin Cooper al comienzo de los sesenta. Se usa también para curar tumores, verrugas, en cirugía ocular, etc.

TERAPIA CON CALOR

• • • Baños calientes, producen incremento en el resultado metabólico durante la relajación del sistema vasucular e incrementan el flujo sanguíneo al mover la sangre de zonas templadas a zonas calientes.

Los métodos físicos para producir calor son:

conducción, rayos infrarrojos, ondas de radio (diatermia) y ondas ultrasónicas.

Por el método conductivo, baños calientes, paquetes calientes, almohadillas eléctricas calientes y parafina caliente para tratamiento dolores de espalda.

de artrosis, neuritis, torceduras, sinusitis, estiramientos, contuciones y

TERAPIA CON CALOR

• • • Los rayos infrarrojos penetran hasta 3 mm de profundidad e incrementan la temperatura de la superficie. Se usa en los mismos casos que el calor conductivo pero es más efectivo porque penetra más.

El calor diatérmico penetra más en el cuerpo que el calor radiante y el conductivo.

Se usa en inflamaciones del esqueleto, bursitis y neuralgia.

Las ondas ultrasónicas al moverse en el cuerpo producen calor debido al movimiento hacia atrás y delante de los tejidos, similar al

micromasaje

. Se usa para transmitir calor a los huesos y para aliviar y cicatrizar las articulaciones enfermas.

FÍSICA DEL SISTEMA RESPIRATORIO

SISTEMA RESPIRATORIO

• • • • Esta constituido por dos cámaras una contenida dentro de la otra, siendo la primera la que impone las condiciones de volumen y la segunda la que comunica con la atmósfera.

La primera cámara está constituida por la caja torácica y está cerrada en la parte inferior por el diafragma.

La cámara interior está formada por la tráquea, los bronquios, bronquiolos y alvéolos pulmonares.

Los alvéolos son los receptores finales del aire inspirado, abriéndose cuando reciben aire y disminuyendo o cerrándose cuando se expulsa aire.

SISTEMA RESPIRATORIO

VÍAS AÉREAS

• • Están constituidas por los órganos a través de los cuales pasa aire desde la nariz hasta los alvéolos pulmonares.

Los alvéolos tienen diámetros de 0,2 mm, un espesor de 0,4 μm y se expanden y contraen durante la respiración.

VÍAS AÉREAS

• Los alvéolos participan en el intercambio de O 2 y CO 2 y están rodeados por sangre, así que el O 2 puede difundirse de los alvéolos a la red de las células sanguíneas y el CO 2 puede difundirse de la sangre hacia el aire en los alvéolos .

VÍAS AÉREAS

• • Las vías aéreas además de servir como sistema de transporte de aire sirven para remover las partículas de polvo que se adhieren a las líneas curvas de los distintos pasajes aéreos.

Los trozos grandes son removidos mediante la tos y las pequeñas partículas son llevadas a la boca por millones de cilios, los cuales podemos imaginarlos como una escalera en la tráquea a través de la cual en 30 minutos una partícula de polvo puede ser transportada hacia la garganta donde es expulsada o tragada.

PRESIONES EN EL SISTEMA RESPIRATORIO

COMPLIANCIA DEL APARATO RESPIRATORIO

• La compliancia se define como la relación entre el volumen de aire almacenado y la sobrepresión a la que está sometido

C



C

 

V



P

• La compliancia define las características de un elemento elástico hueco

COMPLIANCIA DEL APARATO RESPIRATORIO

• Cuando la característica volumen importante la pendiente de dicha recta.

En caso que la presión/ es una línea recta es línea presión/volumen usarse la sea una curva debe compliancia dinámica definida como

C



dV dP P



P

1 La pendiente de la recta de puntos en la figura representa la compliancia dinámica.

Otra compliancia:

• La compliancia específica se define como

C

 

V V



P

• donde V es el volumen pulmonar en condiciones normales.

Cuando un sistema está formado por dos elementos elásticos en serie, como pulmones y tórax, su compliancia total se calcula con la fórmula

C



C C p C t p



C t

TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO SURFACTANTE

• Las curvas de presión/volumen del pulmón durante el llenado y vaciado de aire no son iguales; tienen una curva de histéresis.

TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO SURFACTANTE

1.-La curva de histéresis se reduce al mínimo si el pulmón se llena con solución salina .

2.-La causa de la histéresis es la tensión superficial del líquido surfactante o tensioactivo.

TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO SURFACTANTE

• Los alvéolos pueden considerarse como pequeños globos de goma, con su superficie rodeada por tejido pulmonar elástico.

interior humedecida, de forma que cuando está inflado el líquido que lo baña forma una burbuja líquida • Si P i es la presión en el interior del alvéolo y P o la

r

(

P i



P o

)  2  o  P  2  r σ es la tensión superficial y r el radio del alvéolo

TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO SURFACTANTE

Problemas: 1.

Durante la espiración la presión pleural P o aumenta y la contracción muscular reduce el radio de los alvéolos. Si tanto r como ΔP disminuye y σ permanece constante, la ecuación no se cumple y los alvéolos se aplastarían.

2.

Durante la inspiración, la presión pleural P o disminuye y el radio aumenta. Si σ permanece constante, la ecuación anterior tampoco se satisface y los alvéolos aumentarían de tamaño hasta romperse.

RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS

• • La fricción disipa energía mecánica en calor durante el movimiento de los tejidos pulmonares, paredes de pecho, movimiento de aire en el árbol traqueobronquial, y aire moviéndose a través de equipos de respiración externa.

El término

resistencia pulmonar

se usa para significar resistencia en conductos de aire y resistencia del tejido pulmonar, y el término

resistencia torácica

para significar resistencia en conductos de aire más pulmonar y más resistencia de las paredes de pecho.

RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS

• La resistencia a la corriente de aire en las vías aéreas es semejante a la resistencia eléctrica en un circuito.

Así, en la ley de Ohm se reemplaza la caída de potencial por la caída de presión y la corriente es sustituida por el caudal o flujo de aire:

R

 

P Q

• Si el gas fluye sin turbulencia se puede aplicar la ley de Poiseuille: 

P



R

1

Q

RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS

• Si hay turbulencia dentro del sistema, la caída de presión es proporcional al cuadrado del caudal 

P



R

2

Q

2 • donde R 2 depende de la densidad del gas más que de su viscosidad. En este caso, la energía potencial impulsora se disipa en los remolinos y remansos.

En las vías aéreas superiores aparecen turbulencias debido a estrechamientos, cambios en la dirección de corrientes de aire, ramificaciones del árbol traqueobronquial.

RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS

• En el árbol traqueobronquial la presión necesaria para hacer progresar el aire tiene una componente laminar y otra turbulenta: 

P



R

1

Q



R

2

Q

2

TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN

• Los Músculos respiratorios ejecutan trabajo: 1. Al distender a los tejidos elásticos de la pared torácica de los pulmones.

• 2. Al mover los tejidos inelásticos (resistencia por viscosidad).

3. Al desplazar el aire a través de las vías respiratorias.

El trabajo efectuado por la respiración puede calcularse a partir de la curva de

relajación.

presión de

TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN

• El trabajo requerido para la inspiración es el área ABCA y el trabajo elástico total para aumentar el volumen de los pulmones solos es el área ABDEA.

TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN

• • La cantidad de trabajo elástico requerido para inflar todo el sistema respiratorio es menor que la requerida para inflar los pulmones solos.

La energía elástica perdida por el tórax (área AFGBA) es igual a la ganada por los pulmones (área AEDCA)

TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN

• La resistencia a la fricción por el movimiento del aire produce un lazo de histéresis. El área AXBYA representa el trabajo realizado para vencer la resistencia de las vías respiratorias y la viscosidad pulmonar. Si el flujo se vuelve turbulento durante la respiración rápida, la energía requerida es mayor que cuando el flujo es laminar.

TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN

• El trabajo depende de la frecuencia respiratoria. Para ciertas condiciones particulares se calculó que el trabajo para vencer las fuerzas elásticas es el 63 % del total, para las fuerzas viscosas y turbulentas es 28,5 % y para las fuerzas de fricción y deformación de órganos 8,2 %.

VOLÚMENES PULMONARES

• • En cada respiración normal entran y salen de los pulmones 500 cm 3 de aire, denominado

aire corriente.

De este volumen solamente 360 cm 3 participan en la respiración y el resto queda en el

muerto.

espacio

Si después de una inspiración normal se ejecuta una inspiración forzada pueden entrar unos 2000 cm 3 más de aire, denominado

aire complementario.

VOLÚMENES PULMONARES

• • • Si después de una espiración normal se ejecuta una espiración forzada pueden expulsarse de los pulmones unos 1500 cm 3 , denominado aire de

reserva o suplementario

. Al aire restante que queda en los pulmones se llama

aire residual

(1500 cm 3 ).

La

capacidad vital

es la suma del aire de reserva, corriente y complementario. Se determina midiendo la cantidad de aire contenido en los pulmones entre una inspiración forzada y una espiración máxima.

Ventilación pulmonar

es el intercambio de gases entre el interior y exterior de los pulmones. Su eficiencia se determina con el cociente de ventilación pulmonar: C T = V c /V T

INTERCAMBIO DE GASES EN LOS PULMONES • • • La composición de aire seco es: O 2 CO 2 20,98 %; 0,04 %; N 78,06 %; 0,92 % otros constituyentes.

A nivel del alvéolo pulmonar la concentración de aire es: O 2 14%; CO 2 5,6 %.

El intercambio de gases entre el aire inspirado y el alveolar se expresa en los valores intermedios de los gases contenidos en el aire espirado.

INTERCAMBIO DE GASES EN LOS PULMONES

• Las presiones de los gases de la respiración se rige por la ley de Dalton de las

presiones parciales .

Como los alvéolos están saturados de vapor de agua, la presión parcial de un gas se determina con la fórmula P A = X A (P atm – 47) mmHg • donde X A es la

fracción molar

del gas y 47 mmHg corresponde a la presión del vapor de agua en el alvéolo a 37 ºC.

El nitrógeno no participa en la respiración.

INTERCAMBIO DE GASES EN LOS PULMONES

• Si se comparan las presiones de los gases en el aire alveolar y en la sangre, se observa que el intercambio gaseoso se realiza por un proceso de difusión Sustancia Aire alveolar Sangre venosa Presión de O 2 (mmHg) 100 Presión de CO 2 (mmHg) 40 40 46 Sangre arterial 80 a 90 40

INTERCAMBIO DE GASES EN LOS PULMONES

Alveolo Capilar Glóbulo rojo Desprovisto de oxígeno Anhídrido carbónico Oxígeno Glóbulo rojo cargado de oxígeno

FÍSICA DE ALGUNAS ENFERMEDADES PULMONARES

• • En el

enfisema

, las divisiones entre los alvéolos se rompen produciendo espacios pulmonares mayores, dando lugar a la pérdida de elasticidad. Los pulmones se hacen más complacientes; de modo ante un pequeño cambio de presión se origina un volumen mayor que el normal.

En el

asma

, el problema básico es la dificultad respiratoria debido al incremento de la resistencia en las vías aéreas producido por la hinchazón (edema) y moco en las vías aéreas más pequeñas, pero la mayor se debe a la contracción de los músculos lisos alveolares de las grandes vías aéreas.

FÍSICA DE ALGUNAS ENFERMEDADES PULMONARES

• En la

fibrosis,

las membranas entre los alvéolos se engrosan. Esto tiene dos efectos: 1) la compliancia del pulmón decrece y 2) la difusión de O 2 también.

en capilares

HIPOPRESIÓN ATMOSFÉRICA

• Presión Atmosférica

P



P o e

 0 , 0342

h

/

T

T es la temperatura absoluta a la altura h y P o presión a nivel del mar ( h = 0) la

PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y PRESIÓN PARCIAL DE OXÍGENO EN FUNCIÓN DE LA ALTURA

Altura (m) 000 3000 6000 9000 12000 15000 19200 Presión (mmHg) 760 523 349 226 141 87 45 pO 2 en aire (mmHg) 159 110 73 47 29 18 ----

DESCOMPRESIÓN RÁPIDA

• • • • Se produce al pasar de la presión normal a una inferior o al regresar a una presión normal de una presión superior a ella.

En los buzos la rápida disminución de la presión atmosférica provoca la formación de burbujas de gas en los líquidos corporales dando lugar a dolores articulares, obstrucción de arterias encefálicas causando parálisis, obstrucción de arterias coronarias causando lesiones cardiacas, en los alvéolos pulmonares produce falta de aliento y

sofocus.

En aviación se produce en ascensor rápidos en aviones que no tienen cabinas comprimidas entre 6000 o 7000 m de altura.

A una altura de 19000 m la sangre comenzará a hervir si la cabina queda expuesta a la presión atmosférica (47 mmHg).

DESCOMPRESIÓN EXPLOSIVA

• • • • Se produce cuando la presión cae rápidamente a valores muy bajos. Por ejemplo, debido a pérdidas en una cabina.

Produce expansión de gases en el organismo especialmente en el estómago e intestinos.

Se produce cuando el coeficiente de expansión relativa de los gases (ERG) es superior a 2,3.

El ERG se calcula con la fórmula

ERG



P

1

P

2   47

mmHg

47

mmHg

donde P 1 y P 2 descompresión.

son las presiones antes y después de la

TERMODINÁMICA MUSCULAR

CALOR DE CONTRACCIÓN

• • El Calor producido en una contracción es Q = Q a + ax donde Q a el es el calor de activación, ax calor de contracción y Q calor inicial . La constante a vale 0,035 J/cm 3.

El calor liberado después de una contracción se llama restitución calor de

CALOR DE CONTRACCIÓN

• En una contracción isométrica pura solamente aparece el calor de activación: • Q = Q a El calor máximo producido en una contracción tetánica es Q = f t + Q a + a(L/3) donde L es la longitud del músculo en reposo, f la frecuencia del estímulo y t la duración del estímulo.

POTENCIA DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

• La energía total de una contracción es E = Q a + W + ax = Q a + (F + a)x • La potencial de la contracción es P = dE/dt = (F + a)v (1)

POTENCIA DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

• Experimentalmente se comprobó que la potencia total es función lineal de la tensión. La potencia es nula cuando la tensión es máxima y la potencial es máxima cuando la tensión es nula: P = b(F max – F) (2)

POTENCIA DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

• De las ecuaciones (1) y (2) tenemos O bien v (F+a)=b(F max - F) (F+a)(v+b) = (F max +a)b Ecuación fundamental de la contracción muscular

RENDIMIENTO DEL MÚSCULO

•

El rendimiento muscular

(

R

), se define como el cociente del trabajo mecánico realizado y la energía suministrada al cuerpo, a través de los alimentos

R



W E



T

1 

T

2

T

1 • donde W es el trabajo y E la energía suministrada por el cuerpo El trabajo muscular está entre el 20 y 30 %.

MÁQUINA TÉRMICA

• Una máquina térmica transforma calor en trabajo mecánico, operando entre dos depósitos a diferente temperatura, y el trabajo mecánico se obtiene si el calor depósito se transfiere con del mayor temperatura al depósito de menor temperatura.

EL MÚSCULO .¿UNA MAQUINA TÉRMICA?

• Si la temperatura del músculo (fuente caliente) es 37 ºC, aplicando la fórmula del rendimiento tenemos: 0 , 3  310 

T

2 310 • de donde T 2 = 217 ºK = -56 ºC Asumimos que la temperatura del músculo (fuente fría) es 37 ºC, usando la fórmula anterior, tenemos: 0,3 = (T 1 – 310)/T 1 , de donde T 1 = 443 ºK = 170 ºC.

EL MÚSCULO.¿UNA MÁQUINA TÉRMICA?

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE LOS ALIMENTOS

• • • La principal fuente de energía en el organismo la constituyen los carbohidratos que ingerimos en nuestra alimentación, que se desdoblan en glucosa La transformación de energía, se realiza oxidando esencialmente glucosa en el proceso de respiración, mediante mecanismos moleculares realizados a nivel celular, a temperatura constante y baja.

En la oxidación, una molécula de glucosa, se degrada en seis moléculas de agua, seis moléculas de bióxido de carbono y energía. Parte de la energía transformada en este proceso se recupera en la formación de moléculas de ATP, las cuales suministran la energía requerida para realizar el trabajo mecánico, químico, osmótico, eléctrico.

EL MÚSCULO.¿UNA MÁQUINA TÉRMICA?

SIMILITUDES Y DIFERENCIAS DE LA ANALOGÍA

• • Una máquina térmica y el organismo, requieren de combustible. La primera, opera con diferencias de temperatura provocando transferencia de calor y con ello la realización de trabajo; en el organismo la oxidación se realiza a temperatura constante por lo que no hay transferencia de calor asociado a la realización de trabajo.

La transformación de energía, en la combustión como en la oxidación, tienen el mismo principio. La diferencia radica en la velocidad con que se realizan; la combustión es violenta y la reacción se mantiene por sí sola una vez que ha comenzado; en cambio, la oxidación es un proceso lento y controlado, de manera que, la energía se transforma de acuerdo a los requerimientos del organismo.

EL MÚSCULO.¿UNA MÁQUINA TÉRMICA?

CONCLUSIÓN

• Las similitudes antes mencionadas, podrían justificar la analogía que comúnmente se hace del organismo con una máquina, pero

evidentemente no sería térmica

. Sin embargo el organismo realiza un conjunto de transformaciones de energía dentro de los confines de las leyes de la termodinámica, por lo que si se insiste en llamarle máquina, podría ser,

bioquímica

.

máquina http://www.smf.mx/boletin/Ene-99/ensena/o-humano.html

ENTROPÍA

• Es el cociente entre la cantidad de calor absorbido (o desprendido) y la temperatura a la cual lo absorbe (o desprende) 

S

 

Q



T

• La entropía es una medida del estado de desorden o agitación de las moléculas de un cuerpo. Cuanto mayor es el desorden molecular, mayor es la entropía.

ENTROPÍA

• De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, la entropía de un sistema aislado no puede disminuir, por lo tanto solo son posibles aquellos estados en los cuales la entropía aumenta o permanece igual 

S

 0

ENERGÍA LIBRE

• La relación entre la entropía, entalpía y energía libre es ΔF = ΔH - T ΔS • Para la reacción química A + B →C + D la energía libre es ΔF = - RTLn K, K = [A][B]/[C][D] (K es la constante de equilibrio de la reacción química)

ENTROPÍA EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

• El organismo vivo es un sistema termodinámicamente inestable, es decir, un sistema que no está en su estado de máxima entropía.

• Cada operación que tiene lugar en este sistema, suponiendo que no intercambian energía con el exterior, aumenta su entropía y si estuviera totalmente aislado, la entropía llegaría a su máximo valor y dejaría de evolucionar:

llegaría la muerte.

ENTROPÍA EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

• • Para que el organismo se mantenga en estado estacionario, debe expulsar continuamente el exceso de entropía que se está produciendo. Es decir, necesita expulsar materia y energía en estado de entropía alta y reemplazarlo por materia y energía en estado de entropía baja.

El problema de la alimentación sólida o líquida no consiste apropiadamente en adquirir energía o materia, sino en adquirir entropía baja , es decir, orden .

ENTROPÍA EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

• • El ser vivo no viola la segunda ley de la termodinámica al mantener por largos periodos de tiempo un nivel constante de entropía. El aumento de entropía previsto por la ley vale para sistemas aislados y el ser vivo es un sistema abierto.

La capacidad de vida lo determinan los mecanismos capaces de expulsar del organismo la energía utilizada o de alta entropía y lo sustituyen por cantidades equivalentes de energía utilizable o energía libre:

ΔF = - W

útil

ENERGÍA LIBRE EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

• La energía libre representa el trabajo máximo que puede obtenerse de una reacción dada en condiciones isotérmicas.

• Para una reacción reversible a temperatura y presión constante ΔF = ΔH – TΔS • Para una reacción A+B→C+D, el cambio de energía libre es: ΔF = - RT Ln K donde K es la constante de equilibrio de la reacción química.

ENERGÍA LIBRE EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

• Para estudiar el balance energético de una persona se deben medir tres variables de la ecuación anterior.

Esto se hace eliminando algunas de estas variables.

Por ejemplo, la energía química de los alimentos desaparece si la determinación se realiza durante la fase posabsortiva. Además, la supresión de los movimientos voluntarios permite eliminar la energía bajo la forma de trabajo. Luego, la ecuación de balance energético toma la forma -

Energía química almacenada = Energía térmica

ENERGÍA LIBRE EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

• La energía perdida en forma de calor no puede ser totalmente transformada en energía utilizable, esto se expresa como la segunda ley de la termodinámica.

•

Energía mecánica obtenida < Energía química liberada

Cuando una reacción ocurre a presión y temperatura constante, como en el caso del ser humano, a la energía útil obtenida de la misma se denomina

variación de la energía libre

, que es igual al trabajo útil en procesos reversibles: ΔF = - W útil