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• Yazmin Gonzalez

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Dr. Msc. Carlos Moya Egoavil

SISTEMA Es el cuerpo o ensamblaje de materia que para su estudio aislamos mentalmente del resto del universo.

SISTEMA

AMBIENTE

UNIVERSO Todos los cuerpos que no forman parte del sistema constituyen el medio exterior ó ambiente.

2

EL HOMBRE : SISTEMA INTEGRADO E(alimentos) → Q(calor) + W(trabajo) Masa corporal 60% agua

Sistema hombre

1014 células

IC EC

Información codificada en señales

eléctricas químicas mecánicas

Mantiene constantes: pH, T°C, composición iónica etc. 3

EL ORGANISMO COMO SISTEMA TERMODINÁMICO La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía dentro de un determinado sistema y entre el sistema y su entorno. Se define como sistema a una parte específica del universo separada del resto por límites reales o imaginarios. El sistema es lo que nos interesa estudiar y el resto del universo, externo a aquel, se denomina entorno. 4

Se pueden definir tres clases de sistemas: Sistema abierto: es el que puede intercambiar materia y energía (por lo general en forma de calor) con el entorno. Ej. los organismos vivos.

Sistema cerrado: es el que permite la transferencia de energía (por ejemplo calor) pero no de materia. Ej. Agua hirviendo en olla con tapa hermética. Sistema aislado: El que no permite la transferencia de materia ni de energía. Ej. el “termo ideal”, aquel que no permite que su contenido se enfrie. 5

Energía química (Células) E. Mecánica E. Eléctrica

Energía de trabajo

Energía química (Complejo metabólico)

Energía química de los alimentos

Transformación de la energía química de los alimentos

E. térmica 6

EQUILIBRIO TERMICO

Todos los cuerpos tienen la tendencia al equilibrio térmico 100°C

Caliente

20°C

Frío

60°C

metal sólido

60°C

T i b i o s 7

Propiedad que determina si un cuerpo se encuentra o no en equilibrio térmico con otros cuerpos.

8

Escalas termométricas C

F-32

=

100

C ebullición

100

F

K

212

373

C

F

K

0

32

273

180

5 C = (F–32) 9 9 F = 32 + C 5 K = C + 273

fusión

-0

-0

Cero absoluto Temperatura a la cual cesa toda agitación molecular

9

Termómetro clínico - 20 °C

(a)

-

(b)

38 °C

-

20 °C

(c)

En (c) parte del mercurio queda separado del bulbo por efecto de capilaridad 10

DILATACIÓN Muchas de las propiedades de los materiales dependen de la temperatura. La temperatura es una medida de los diferentes estados de movimiento de las moléculas.

11

DILATACIÓN LINEAL Es el cambio de la longitud () de los objetos por efecto de la variación de la temperatura (T) o

To



T 

 = o T donde  se denomina coeficiente de dilatación lineal (°C-1) 12

DILATACION SUPERFICIAL Y VOLUMETRICA Análogamente las variaciones de área y volumen en materiales uniformes e isótropos vienen dadas por: A = AT

V = VT

= A(2)T

= V(3) T

donde  = 2 y  = 3 son los coeficientes de dilatación superficial y cúbica respectivamente 13

Caso del agua: El agua posee un coeficiente de dilatación cúbica negativo de 0° a 4°. Luego a medida que aumenta la temperatura desde 0°C, primero el agua se contrae hasta 4° y luego se dilata a medida que la temperatura sigue creciendo. El agua tiene así su máxima densidad a 4°.

14

DILATACIÓN ANÓMALA DEL AGUA

V(cm3)

1,00005 1,00000 0,99995 0

4

T(°C 15

Material

T (°C)

(K-1)

Aluminio

20

2,3010-5

Diamante

527

2,3510-5

Celuloide

20

1,0010-6

Vidrios Vidrio Pyrex

50 50 50

1,0910-4 8,3010-6 3,2010-6

Hielo

-5

5,0710-5

Acero

20

1,2710-5

Platino

20

8,9010-6 16

CALOR: ENERGIA EN TRANSICION CALOR. es, una forma de energía en transición entre dos cuerpos (sistema y su ambiente) debido exclusivamente a la diferencia de temperaturas.

Q [C] = cal/°C Capacidad Calorífica : C = T Q [c] = cal/g°C Calor específico : c= mT Calor transferido :

Q = mcT 17

Unidades de calor: Joule (J) ……SI Caloría (cal) …..práctica La caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C Kilocaloría = 1000 cal Btu = 252 cal 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,186 J

18

Los cuerpos aislantes como el agua, la madera seca, papel, corcho, vidrio etc. tienen mayor capacidad calorífica que los conductores como los metales y las soluciones electrolíticas. Se deduce que la cantidad de calor queda expresada por: Q = m.c T Q = m.c(Tf - Ti) donde Tf es la temperatura final y Ti la inicial.

19

Calor específico de algunas sustancias Sustancia Cuerpo humano Aluminio Hielo Hierro Mercurio Plata Agua Vapor

c (cal/g°C)

Intervalo de temperaturas

0,85

-10 → 50 °C

0,217 0,550 0,113 0,033 0.056 1,000 0,500

17 → 100 -10 → 0 10 → 100 0 → 100 15 → 100 0 → 100 100 →200 20

EJEMPLO Un recipiente de 0,6 kg de masa se halla a una temperatura de 20°C. Cuando se hechan en él 2,5 kg de agua hirviente, la temperatura de equilibro es de 90°C ¿Cuál es el calor específico del recipiente?

21

Solución El agua hirviente recipiente, por tanto: Agua caliente: ma = 2,5 kg, Recipiente: mr = 0,6 kg, Temperatura de Equilibrio

cede

calor

al

Ta = 100oC Tr = 20 °C T = 90 °C

Calor cedido por el agua = calor ganado por el recipiente

22

- Q (cedido) = Q (absorbido) - maca( T - Ta) = mrc r (T – Tr)

cr =

maca( Ta - T) mr(T-Tr)

cr =

2,5(1)(100-90) 0,6(90-20)

cr = 0,595 cal/g°C

23

CAMBIO DE FASE Bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, todas las sustancias pueden existir en las tres fases más comunes: sólida, líquida y vapor (o gas). El plasma es un cuarto estado o fase caracterizado por la mezcla de particulas electrizadas (electrones y iones positivos) por ejemplo la lampara fluorescente, el sol etc.

24

Los cambios de fase ocurren a temperatura constante y sólo es posible con la absorción o liberación de energía calorífica. Licuefacción +Q Sólido

Evaporación +Q Gas o Vapor

Líquido -Q Condensación

-Q +Q

Sublimación 25

Calor Latente (L). Es la cantidad de calor que requiere la unidad de masa de una sustancia para que tenga lugar el cambio de fase. Q L= m

o

Q = mL (Calor de transformación)

[L] = J/kg

Ejemplo H2O: Calor latente de fusión Lf = 80 cal/g Calor latente de vaporización Lv = 540 cal/g 26

Las sustancias puras cambian de fase a presión estándar a una temperatura fija y bien determinada y no así las aleaciones, mezclas o sustancias amorfas que lo hacen en intervalos de temperatura que puede ser grande o pequeño por ejemplo el vidrio no llega nunca a solidificarse por completo y de allí el nombre que se le da al vidrio de líquido sobre enfriado.

27

Primera ley de la Termodinámica

28

El trabajo realizado por un sistema cuando tiene lugar un pequeño cambio de volumen V está dado por: W = pV Primera Ley de la Termodinamica: “el calor transferido a un sistema modificará su energía interna y/o se realizará cierta cantidad de trabajo” Q = U + W

29

Q→ U + W

F

Vapor

Trabajo realizado por la Fuerza expansiva del vapor de agua

agua

Q 220 V AC 30

EJEMPLO Hallar el cambio de energía interna del sistema cuando (a) el sistema absorbe 2000 J de calor y produce 500 J de trabajo. (b) El sistema absorbe 1100 J de calor y se efectúan 400 J de trabajo sobre él Solución (a) U = Q – W = 2000 J – 500 J = 1500 J (b) El trabajo realizado sobre un sistema, ocasiona su compresión, en tal caso W = - 400 J. Luego:

U = Q – W = 1100 J – (-400 J) = 1500 J 31

32

El hombre: un sistema abierto en estado estacionario H2 O líquido

28°C 5°C

37°C

H2O líquido

Q

33

un sistema abierto puede mantenerse en estado estacionario solo si hay un gasto de energía.

34

El estado de equilibrio en los sistemas biológicos • Un hombre, al morir, tiende al estado de equilibrio con el medio que lo rodea. El sistema (hombre) ha perdido la capacidad de realizar trabajo. Los mecanismos que le permitían transformar una forma de energía en otra han dejado de funcionar y por lo tanto las propiedades que definían al estado estacionario dejarán de mantenerse constantes para evolucionar hacia un estado de equilibrio

35

Transferencia de calor en el cuerpo humano Calor y frio  Un aumento de la temperatura ambiente provoca vasodilatación periférica, sudoración profusa por encima de 37°C y las consecuencias hemodinámicas respectivas.  El hombre forma parte de un reducido número de especies que mantienen su temperatura constante. Esto surge de un delicado equilibrio entre la termogénesis o producción de calor y la termólisis o disipación de calor.

36

El cuerpo humano intercambia calor con el ambiente por uno o más de los procesos siguientes:    

conducción convección radiación evaporación

37

RADIACION Ti = 37°C

CONVECCION

Tp = 33°C

EVAPORACION To = 20°C

CONDUCCION

38

Conducción. Cuando el calor se transfiere por vibración molecular. La rapidez de transporte de calor de la superficie caliente (T1) a la superficie fría (T2) por conducción es:

H = kA

T1 - T2 

T2

T1

A

H

H = J/s H = Kcal/hora



k = conductividad térmica del material (J/s.m.K) 39

Convección, es el transporte de calor por movimiento de fluido. H = qAT

fluido

A T1

H T2

Donde q es el coeficiente de convección para cada caso y depende de varios factores, entre ellos de la orientación y naturaleza de las superficies, las características de flujo del fluido

40

El transporte de calor por convección aumenta ostensiblemente si se fuerza al fluido en su movimiento EJEMPLO ¿Cuánta energía por segundo perderá por convección una persona desnuda de 1,4 m2 de área superficial en aire a 0°C?. Supóngase que el coeficiente de convección es 7,1 W/m2K y que la temperatura de la piel es 30°C

H = qAT = (7,1)(1,4)(30-0) = 298.2 W

41

Radiación, el calor se transmite por radiación por emisión o absorción de ondas electromagnéticas. Ley de Wien: un objeto a temperatura T emitirá la mayor parte de su radiación de OEM en longitudes de onda próximas a =

B T

donde B = 289810-6 m-K. Conocer esta longitud de onda es muy útil, porque los materiales transmiten, absorben y reflejan la radiación de manera diferente a longitudes de onda diferentes.

42

Distribución espectral de la radiación solar Densidad Energia radiante

 T3 > T2 >T1

T3 T2 T1 400

700

9000

λ(nm) 43

Longitud de onda radiada por el cuerpo humano T = 37 + 273 = 310 K 289810-6 m.K m = = 9348 nm (infrarrojo) T

44

 La rapidez a la que se emite la energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Ley de StefanBoltzmann): H = AT4 A = el área  = emisividad de la superficie: 0 <  < 1  = 5,6710-8 W/m2K4 es la constante de Stefan.

45

La pérdida de calor por radiación es la diferencia entre la que es emitida por el objeto y la que es absorbida por el entorno

H = A(T4- To4)

T

To 46

Ejemplo: Halllar el calor radiado por una persona de 1.7 m2 de superficie corporal en un ambiente cuya temperatura es de 20°C si la emisividad de la piel es 1 Solución: temperaturas : alta T = 37°C = 310 K baja T = 20°C = 293 K H = A(T4- To4) = (1)(5.6710-8)(1.7)(3104 – 2934)

H = 180 W

47

Evaporación Por perspiración y respiración el hombre evapora agua a razón de 50 mL por hora lo que equivale a la pérdida de (50 g)(540 cal/g) = 27 kcal de energía calorífica por hora Cuando aumenta la secreción de sudor, el grado en el cual se evapora depende de la humedad del ambiente

48

Durante el ejercicio muscular, en un ambiente caliente, la secreción del sudor alcanza cifras elevadas como 1,6 litros/hora, y en una atmósfera seca la mayor parte de este sudor se evapora.  Esto representa un máximo de 864 kcal que es una cantidad enorme con relación a las correspondientes a otras condiciones

En reposo por perspiración y respiración: 27 kcal Con ejercicio muscular y sudoración :

864 kcal 49

En tiempo frío, las arteriolas que conducen la sangre hacia los capilares cutáneos sufren una vasoconstricción.

La pared de las arteriolas contiene una gruesa banda circular de fibras musculares. Cuando el músculo se contrae, el diámetro del vaso disminuye. Estos músculos están controlados por el sistema nervioso. Por tanto el orden de los acontecimientos es que el aire frío provoca la excitación de los receptores cutáneos, se transmiten mensajes por medio de nervios motores a los músculos de las paredes de las arteriolas y éstas como consecuencia se constriñen. Por tanto el flujo de la sangre hacia la piel se ve disminuido y de este modo reduce la pérdida de calor. 50

ECUACIÓN DE LOS GASES PERFECTOS El modelo de gas ideal supone que las moléculas gaseosas no interactúan entre si. El modelo predice que la presión P, el volumen V, la cantidad de gas n y la temperatura T están relacionadas por

PV = nRT

A

Esta ley se verifica muy bien para los gases reales diluidos

51

T ≈ 300 K

52

T = 1200 K

53

T≈0K Moléculas en reposo

54

Cuando un gas real está compuesto de varios tipos de moléculas la presión neta es justo la suma de las presiones de gas ideal para cada tipo de molécula. La presión de la mezcla es igual a la suma de las presiones parciales

P = PA + PB

A

A

½ mvA2 = ½ MVB2

B 55

ENERGÍA MOLECULAR Y TEMPERATURA El modelo de gas ideal lleva así mismo a la identificación de la temperatura Kelvin con la energía cinética media por molécula  = 3 kBT

2 Donde kB = 1,3810-23 J/K, y T es la temperatura absoluta.

3 3 Energía del gas U = N = 2 NkBT = nRT 2 56

EJEMPLO: Supóngase que toda la energía cinética molecular de traslación de un mol de gas ideal a 300 K pudiera utilizarse para elevar una masa de 1 kg. ¿A qué altura podría elevarse dicha masa? Solución La energía molecular de traslación es la energía interna U = 3 nRT = 1,5 (1)(8,31)(300) = 3740 J 2 Si esta energía se utiliza para levantar a 1 kg de masa a una altura y; la energía potencial adquirida será: 3740 3740 Ep= U = mgy = 3740  y = = = 381 m mg (1)(9,8) 57

Para un día cualquiera del presente mes obtenga las medidas de: (a) temperatura del aula de clase y (b) dimensiones del aula. Luego determine: 1. La energía térmica (energía interna del aire) en el aula de clase a temperatura ambiente 2. Admitiendo que dicha energía se pudiese usar en su hogar en forma de energía eléctrica ¿Para cuantos días será útil la energía obtenida en (a)? 3. Con relación a la energía obtenida en (a) ¿Qué porciento representa la energía radiada por su propio cuerpo en un día? 58

¿Puede el hombre aprovechar toda la energía que consume? El organismo utiliza energía para las más diversas funciones y esta energía se obtiene, fundamentalmente, de la liberada en la degradación de ciertas estructuras químicas. La mayor fuente de energía está entonces representada por los alimentos.

59

Los procesos irreversibles y la energía libre 60

Disipación de la energía

La energía potencial se disipó en el ambiente

61

La energía disipada es inservible

Es imposible este proceso

62

El motor de gasolina Vapor de gasolina en combustión: T1 (alta) Q1

Q2

ambiente atmosférico T2 (baja) 63

Energía Libre

Parte de la energía libre se transforma en trabajo para levantar el balde

64

 Para analizar los procesos que ocurren en el organismo humano en particular y debido a que todas las transformaciones ocurren a presión y temperatura constantes, la función de estado que se utiliza como criterio de espontaneidad, (es decir que nos indica en que sentido es posible que ocurra una reacción) se llama:

 Energía libre y su símbolo es G.

65

Algunas de sus propiedades que nos servirán para entender los procesos metabólicos son: -Todos los procesos ocurren con un cambio de su energía libre, al que llamaremos G -El criterio de G es aplicable tanto a procesos físicos (expansiones o compresiones de gases, difusión de iones, caída de cuerpos etc.) como a procesos químicos (reacciones).  De hecho, el potencial químico  no es más que la energía libre asociada a un mol de sustancia para sistemas de más de un componente. 66

Cuando el sistema está en equilibrio, G es igual a cero (G = 0)  Los procesos espontáneos están asociados a una disminución de la energía libre. Si G es menor que cero (G < 0) entonces el proceso ocurre en forma espontánea.  En nuestro ejemplo de la piedra, la caída tiene un G menor que cero, la “ascensión” tendrá un G mayor que cero (no ocurre espontáneamente) La piedra en el suelo tendrá un G igual a cero (estará en equilibrio) 67

Para una reacción química G es igual a la diferencia entre la G de los productos y la G de los reactivos. G = G(productos) - G(reactivos)  Si G < 0 entonces el proceso es exergónico (se libera energía)  Si G > 0 entonces el proceso es endergónico (ocurre con consumo de energía) y solo tendrá lugar si se le suministra energía desde otra fuente. 68

Resumen G < 0

proceso espontáneo

G = 0 equilibrio termodinámico G > 0

proceso imposible espontaneamente

69

METABOLISMO HUMANO o Todos los seres vivos requieren de energía para mantener los procesos vitales. Las plantas verdes (autótrofos) obtienen la energía directamente del Sol mediante la fotosíntesis. • Las plantas que no utilizan la fotosíntesis así como los animales (heterótrofos) necesitan alimentos capaces de proporcionar energía química. En cualquier caso tanto las plantas como los animales operan dentro de las limitaciones impuestas por la termodinámica

70

EL HOMBRE, UNA MÁQUINA SOLAR Enzimas de

azúcar + O2

CO2 + H2O + Energía (hν) las plantas

Enzimas de Azúcar + O2

CO2 + H2O + Energía las células

71

 Si en el tiempo t un hombre realiza un trabajo W. Este puede utilizarse directamente en hacer ciclismo, subir escaleras etc. En general el cuerpo perderá calor por lo cual Q será negativo. • Su valor puede medirse hallando cuanto calor se ha de extraer de la habitación en la que se halla la persona para que la temperatura del aire siga siendo constante. Según el primer principio de la termodinámica el cambio de energía interna viene dado por U = Q - W (joules o calorías)

72

Dividiendo entre t tenemos la siguiente relación entre la rapidez de cambio de las correspondientes magnitudes

U t O también:

-

U t

Q t

=

=

-

Q t

-

W t

+

W t

(watts)

Tasa o rapidez de consumo de energía 73

Desde que ΔQ es negativa porque el calor fluye al exterior se tiene:

Tasa o rapidez de consumo de energía -

U t

=

Rapidez de consumo de energía química

Q t

+

W t

Potencia calorífica

Potencia mecánica

74

La tasa de cambio de la energía interna (U/t) puede medirse observando la tasa de consumo de oxígeno para convertir el alimento en energía y materiales de desecho. Por ejemplo la glucosa se combina con oxígeno en una serie de pasos para formar anhídrido carbónico, agua y liberando 2780 kJ de energía.

1 mol (glucosa) + 134,4 lit (O2)

CO2 + H2O +2780 kJ

75

• El equivalente energético de oxígeno se define como el cociente entre la energía liberada y el oxígeno consumido. Para la glucosa este cociente es 2780 kJ/134,4 lit = 21,4 kJ/litro. • Equivalente Energético del O2 = 21,4 kJ/litro • El contenido energético por unidad de masa es la energía liberada dividida por la masa. Para la glucosa este cociente es 2780 kJ/180 g = 15,9 kJ/g

• La tabla muestra el contenido energético de algunos alimentos 76

Alimento

Contenido energético por unidad de masa (kJ/g)

Equivalente energético del oxígeno (kJ/lit)

Hidrato de Carbono

17,2

21,1

Proteína

17,6

18,7

Grasa

38,9

19,8

Etanol

29,7

20,3

Promedio estándar

20,2 77

Tasa Metabólica basal Todos los seres vivos consumen energía interna incluso cuando duermen. La tasa de consumo de energía en reposo, pero despiertos, se denomina tasa metabólica basal. Su valor es: Mujer de 20 años: 1.1 w/kg Hombre de 20 años: 1.2 w/kg Calculando la energía consumida en un día(86400 s) Mujer de 20 años y 60 kg: (1.1 w/kg)60kg = 66 w U = P.t = (66 w)(86400 s) = 5700000 J = 1400 kcal

Hombre de 20 años y 70 kg: (1.2 w/kg)70kg = 84 w U = P.t = (84 w)(86400 s) = 7300000 J = 1700 kcal 78

 La mayor parte de la energía consumida por una persona en reposo se convierte directamente en calor. El resto se utiliza para producir trabajo en el interior del cuerpo y se convierte después en calor.

79

Los materiales de los alimentos no se utilizan directamente por el cuerpo, sino que se convierte primero en materiales tales como el ATP (trifosfato de adenosina) que puede ser consumido directamente por los tejidos. En esta transformación se pierde aproximadamente el 55% por ciento de la energía interna en forma de calor. El 45% por ciento restante queda disponible para realizar trabajo interno en los órganos del cuerpo o para hacer que se contraigan los músculos que mueven los huesos y realizar así trabajo sobre los objetos exteriores

80

Metabolismo humano ( trasformación de energía) CALOR (55%)

Alimentos

Trabajo de órganos internos

 CALOR

Trabajo muscular

Mover  objetos externos

ATP (45%)

81

TASAS METABÓLICAS POR UNIDAD DE MASA DE UN HOMBRE DE 20 AÑOS DURANTE VARIAS ACTIVIDADES

Actividad

Dormir De pie Montar en bicicleta Traspalar Nadar correr

U w mt kg 1.1 2.6 7.6 9.2 11.0 18.0 82

 Cuando una persona está realizando una actividad tal como subir escaleras o hacer la limpieza de la casa, la tasa metabólica aumenta. Una parte del aumento en la conversión de la energía interna se necesita para proporcionar el trabajo mecánico realizado por la persona. El resto se debe al aumento de las demandas internas del cuerpo. Por ejemplo, al traspalar, la tasa metabólica es unas ocho veces mayor que la tasa metabólica en reposo, pero la cantidad de trabajo mecánico producido es en realidad muy pequeña.  La energía metabólica es consumida principalmente por los músculos esqueléticos que cambian y mantienen la posición del cuerpo

83

¿Cómo adelgazar?....¿Quemando grasa? EJEMPLO Para bajar de peso un hombre de 65 kg conduce bicicleta durante 4 hrs (a) ¿Cuánta energía interna consume. (b) Si esta energía se obtiene por metabolismo de la grasa del cuerpo, ¿cuánta grasa se gasta en este periodo? Solución (a) Según la tabla, la tasa metabólica al ir en bicicleta es 7,6 W/kg. Luego un hombre de 65 kg consume energía a una tasa de: (7,6W/kg)(65 kg) = 494 W.

En 4 horas (1,44104 s), el consumo neto de energía es: -U = (494 W)(1,44104 s) = 7,1106 J = 7100 kJ 84

(b) La energía equivalente de la grasa es de 38,9 kJ/g de modo que la masa de grasa necesaria para producir esta energía es:

Masa de grasa =

7100 kJ = 182 g 38,9 kJ/g

= 0,18 kg

Para apreciar este resultado es conveniente compararlo con el equivalente energético de la comida necesaria para un hombre sedentario durante 24 horas que es de 10500 kJ o 2500 kcal.

85

El hombre sedentario privado de alimentos obtendrá la energía de su propia grasa Masa de grasa =

10500 kJ 38,9 kJ/g

= 270 g = 0,270 kg

Ello indica que limitar la cantidad de comida es para la mayoría de la gente una forma más práctica de perder peso antes que hacer ejercicio físico

86

EL RENDIMIENTO DE UTILIZACIÓN DE LOS ALIMENTOS El rendimiento de los seres humanos al utilizar la energía química de los alimentos para realizar trabajo útil puede definirse de varias maneras. El convenio más habitual se basa en comparar la tasa con que se realiza trabajo mecánico con la tasa metabólica adicional. 87

El rendimiento  en tanto por ciento es entonces:  =

W 100 t U - U t t

basal

donde el numerador es la potencia mecánica (rapidez o tasa de ejecución de trabajo) y el denominador es la tasa de consumo de energía interna adicional obtenida de la diferencia entre la tasa metabólica global y la basal. El rendimiento sería del 100% si toda la energía adicional se convirtiera en trabajo mecánico. 88

Rendimientos máximos de trabajos físicos

Actividad

Rendimiento en porcentaje

Traspalar en posición inclinada

3

Levantar pesos

9

Girar una rueda pesada

13

Subir escaleras de mano

19

Subir escaleras

23

Montar en bicicleta

25

Escalar colinas (pendiente de 5°)

30 89

EJEMPLO Un hombre de 60 kg mueve tierra con una pala con un rendimiento del 3% y su tasa metabólica es de 8 W/kg (a) ¿Cuál es su producción de potencia? (b) ¿Cuánto trabajo produce en 1 hora? (c) ¿Qué calor pierde su organismo en 1 hora? Solución Como la tasa metabólica basal de un hombre es 1,2 W/kg y cuando está trabajando su tasa metabólica es de 8,0 W/kg; La tasa metabólica de energía interna adicional es 8,0-1,2 = 6,8 W/kg .

90

Luego la tasa de energía interna adicional es:

U - U t t

= (6,8 W/kg)(60 kg) = 408 W

basal

De la fórmula del rendimiento  U U W a) = 100 t t t

basal

b) t = 1 h = 3600 s

W = 44 kJ

c)



= 0,03(408) = 12.24 W

Q = 0.97(408) = 396 W  Q = 1425 kJ t 91

EJEMPLO Una chica de 45 kg tiene en reposo una tasa metabólica normal (a)¿Qué volumen de oxígeno consume en una hora? (b) Si anda durante una hora y tiene una tasa metabólica de 4,3 W/kg ¿cuánto oxígeno consumirá? Solución (a) La tasa metabólica basal de la chica es de 1,1 W/kg por lo que el consumo de energía interna en reposo es:

U = (1.1W/kg)(45 kg) = 49,5 W = 0,0495 kJ/s t Puesto que el equivalente energético del oxígeno es 20,2 kJ/lit, se obtiene: Tasa de consumo de oxígeno:

0.0495 kJ/s = 2,4510-3 lit/s 20.2 kJ/lit 92

Volumen consumido en una hora V = (2,4510-3 lit/s)(3600 s) = 8,82 lit. Si la tasa metabólica es 4,3 W/kg, la tasa de energía interna es:

U t

= (4,3W/kg)(45 kg) = 193,5 W = 0,1935 kJ/s

La tasa de consumo de oxígeno es: 0.1935 kJ/s 20.2 kJ/lit

= 9,5810-3 lit/s

En 1 hora (3600 s) el oxígeno consumido es V = 34.5 litros 93

Segunda Ley Termodinámica:

de

la

“los sistemas evolucionan progresivamente hacia un desorden molecular creciente” Microscópicamente, si a un sistema se suministra mediante un proceso reversible una cierta cantidad de calor Q, el cambio de entropía del sistema es:

Q S = T donde T es la temperatura absoluta.

94

Todos los procesos naturales ocurren de modo que se incrementa el desorden, de allí que podemos relacionar a la entropía (S) con la probabilidad termodinámica () o distribución de moléculas de máxima probabilidad mediante la siguiente relación: S = k.Ln() Y el cambio de entropía entre dos estados es: S = kLn(2/1)

 La tendencia de la naturaleza de transformarse hacia un estado desordenado afecta la capacidad de un sistema para hacer trabajo. 95

EL SEGUNDO PRINCIPIO EN BIOLOGÍA

•

El paso del mundo microscópico al macroscópico presenta diversas paradojas. Una de las más llamativas y sorprendentes se refiere a la aplicación del segundo principio de la termodinámica a los sistemas biológicos.

•

Según la termodinámica la naturaleza tiende a la máxima entropía o, al máximo desorden, En cambio los sistemas biológicos tienden hacia el orden y la estructuración. ¿Obedecen pues los sistemas biológicos a las leyes de la termodinámica? ¿son reductibles los sistemas biológicos a las leyes de la Física? 96

Esta contradicción que preocupó a físicos y biólogos es solo aparente. En primer lugar los sistemas biológicos no son sistemas aislados sino que intercambian energía y materia con el mundo exterior: comen, respiran, excretan etc. Un sistema biológico muere poco después de ser aislado. En sistemas no aislados según vemos la entropía puede disminuir, a condición de que aumente suficientemente la entropía del ambiente. Esto resuelve la paradoja y permite afirmar que no es incompatible con el segundo principio. Así muchos seres ingieren sustancias de gran peso molecular y excretan moléculas sencillas de poco peso molecular. 97

Como un conjunto de moléculas pequeñas puede disponerse de muchas mas maneras diferentes que cuando dichas moléculas pequeñas están ligadas formando una sola molécula, se ingiere poca entropía y se expulsa mucha entropía, por lo cual la entropía interior del ser vivo puede disminuir, ya que del exterior aumenta. Molec. grandes

Molec. pequeñas Sistema biológico

Entropía baja

Entropía elevada 98

Molec. grandes

Molec. pequeñas Sistema biológico Entropía elevada

Entropía baja +10 Antes (+10)

-6

+ 20 Después (+14)

El sistema biológico evoluciona en el sentido en que aumenta la entropía global 99

FIN 100