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• Jeimy Marisol Hidalgo

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“AÑO DE LA DIVERSIFICACION PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN”

BIOTERMODINAMICA

INTRODUCCIÓN Todos los sucesos que ocurren en el universo, desde la colisión entre los átomos hasta las explosiones de las estrellas en el espacio, implican flujos de energía. Los seres vivos son materia que establecen flujos de energía. La termodinámica es la disciplina que describe las relaciones entre las diversas formas de energía de la materia. Es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial. La historia de la termodinámica como disciplina científica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró las propiedades del vacío usando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer el vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles que "la naturaleza aborrece el vacío". Poco después de Guericke, el físico y el químico Robert Boyle estudió y mejoró los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre la presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formularon la ley de Boyle, indicando que para un gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases. La termodinámica se rige bajo sus leyes y el llamado principio cero. El principio cero establece que dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. La primera ley o también conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. La segunda ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

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BIOTERMODINAMICA El tercer principio de la termodinámica o tercera ley de la termodinámica, más adecuadamente Postulado de Nernst afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Una de las áreas de aplicación más importante y emocionante de la Termodinámica son los sistemas biológicos, que son los sitios de transferencia de energía bastante complejo e intrigante. Los sistemas biológicos no están en equilibrio termodinámico, y por lo tanto no son fáciles de analizar. Las reacciones biológicas en las células se producen fundamentalmente a temperatura, la presión y volumen constante. La temperatura de la célula tiende a aumentar cuando alguna energía química es transforma en calor, pero esta energía se transfiere rápidamente al sistema circulatorio, que transporta a las partes externas del cuerpo y, finalmente, para el medio ambiente a través de la piel. Las células musculares funcionan de una manera muy similar a un motor, convirtiendo la energía química en energía mecánica. Los seres vivos son unos sistemas termodinámicamente abiertos que intercambian materia y energía con el mundo exterior para adquirir y mantener estructuras que, a su vez, son susceptibles de evolucionar. La vida constituye una peculiaridad notable en el mundo físico, es decir; existen leyes naturales distintas para gobernar el mundo de lo inerte y el mundo de lo animado. La característica básica del ser vivo es la de ser un ente extraordinariamente ordenado y organizado En el siguiente trabajo abordaremos temas generales de la Termodinámica, para luego analizar con mejor entendimiento su funcionamiento en el aspecto biológico.

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RESUMEN La termodinámica se encarga del estudio de los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Se sabe que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. Entonces la termodinámica biológica o biotermodinámica relaciona la termodinámica y su aplicación en los seres vivos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. Es decir, el calor es muy semejante al trabajo. Se llama calorimetría animal o biológica a los métodos utilizados para medir la energía absorbida y el calor producido por los seres vivos en sus funciones fisiológicas. Esta se puede realizar por dos mecanismos: calorimetría directa y calorimetría indirecta, a su vez esta última se subdivide en calorimetría indirecta por balance energético y calorimetría indirecta por cociente respiratorio. Los procesos biológicos son en esencia reacciones químicas y la velocidad de esas reacciones depende fuertemente de la temperatura, la temperatura corporal está determinada por dos fenómenos contrapuestos: Termogénesis, que es la producción de calor por las funcione propias del organismo, el cual se puede realizar a través de: contracción muscular, activación del metabolismo energético o vasoconstricción cutánea. Termólisis, que es el conjunto de mecanismo por los que el organismo pierde calor. Lo realizamos mediante: vasodilatación cutánea. Una vez derivado el calor hacia la piel esta se puede eliminar mediante 4 mecanismos: conducción, convección, radiación y evaporación. Existe un mecanismo que sirve para calentar la sangre a medida que circula por contracorriente. A través de este mecanismo la sangre venosa se calienta a medida que retorna a las regiones centrales, mientras que la arterial se enfría en su trayecto hacia las extremidades El calor de la sangre más caliente se transmite a la sangre más fría por radiación y conducción. En cualquier punto a los largo de estos vasos, la diferencia de temperatura puede ser solo de 1º C, pero de un extremo a otro, la diferencia podría llegar a ser de 17º C. Cuanto más largo es el sistema de contracorrientes, mayor es el intercambio de calor. La longitud de los brazos y las piernas, por lo tanto sirven admirablemente para este propósito. La terapia de calor, también llamada termoterapia, es la aplicación de calor al cuerpo para aliviar el dolor y la salud. Es más comúnmente utilizada con fines de rehabilitación. Los efectos terapéuticos de calor incluyen el aumento de la extensibilidad de los tejidos de colágeno, disminuye la rigidez articular, reduce

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BIOTERMODINAMICA el dolor, aliviar los espasmos musculares, la reducción de la inflamación, edema, y ayuda en la fase aguda posterior a la curación y aumentar el flujo sanguíneo. Mientras que, como una aplicación del frío en medicina encontramos a la criogenia, la cual generalmente es usada este campo, donde permite que los órganos o tejidos no se deterioren al actuar bacterias y virus o factores del ambiente, que no deje que estos se dañen y se puedan recuperar, está siendo utilizada para tratamientos contra el cáncer porque cuando baja la temperatura de la sangre se forma un radical, también evitando la destrucción de tejidos o evitar hemorragias. Sabemos que cuando se contrae un musculo por acción de un estímulo como bien lo podría ser una corriente eléctrica, realiza un trabajo y libera energía. Parte de esta energía es transformada en trabajo mecánico, el cual se utiliza para mover objetos o movernos, esta energía también produce un aumento de la temperatura, el resto de la energía por lo general se disipa en forma de calor. Es por esto por lo que se ha comparado muchas veces al músculo con una máquina térmica. Una maquina térmica es aquella que transforma calor en trabajo mecánico mediante un proceso termodinámico, entre dos dispositivos a diferente temperatura, y este se obtiene si el calor se transfiere del dispositivo con mayor temperatura al dispositivo de menor temperatura. Si comparamos el organismo humano con una maquina térmica podemos evidenciar que ambas, a partir de combustibles como el carbón para la máquina y comida para el organismo, realizan trabajo.

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BIOTERMODINÁMICA CONCEPTOS Y DEFINICIONES Biotermodinámica: Rama de la mecánica teórica que estudia la transformación del movimiento en calor y viceversa. No sólo se preocupa de la velocidad de difusión del calor, como una interpretación simple del termino podría sugerir, sino que también, a través de ecuaciones cuánticamente descriptivas, de los cambios físicos o químicos producidos cuando una sustancia absorbe calor e, inversamente, la evolución de calor cuando ocurren cambios físicos o químicos, todo esto en un sentido ampliamente relacionado con la vida. Sistema (Termodinámico): región restringida, no necesariamente de volumen constante o fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía. Todo sistema tiene límites que pueden ser reales o imaginarios. 

Sistema aislado: No permite intercambio de materia ni energía (s. aislado adiabáticamente: No permite intercambio de calor)



Sistema cerrado: No permite intercambio de materia, pero sí de energía.



Sistema abierto: Permite intercambio de materia y energía.



Sistema químico: Las interacciones sólo se deben a presiones, es decir, se excluye la precedencia de campos, o la posibilidad de efectuar trabajo eléctrico, magnético, de superficie, etc.

Variables Termodinámicas: O coordenadas del sistema, son aquellas que definen estado (conjunto de propiedades que caracterizan al sistema). Existen dos tipos: 

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a) Variables físicas: Las fundamentales son Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T); P y T son variables intensivas (independientes del tamaño del sistema) y V es extensiva (depende del tamaño del sistema).

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b) Variables Químicas: Usualmente se utilizan los números de moles de cada componente. En rigor, a la termodinámica le interesan más los potenciales químicos.

LEYES DE LA TERMODINAMICA  PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINAMICA La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada en un principio por Maxwel y llevada a ley por Fowler y dice: “Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí”. El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley es de gran importancia porque permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo una propiedad del mismo que varíe con la temperatura con suficiente rapidez y que sea de fácil medición, llamada propiedad termométrica. En el termómetro de vidrio esta propiedad es la altura alcanzada por el mercurio en el capilar de vidrio debido a la expansión térmica que sufre el mercurio por efecto de la temperatura. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, ambos sistemas tienen la misma temperatura.

 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, y trabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU. Esta ley se expresa como:

Δ Eint = Q – W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) Trabajo efectuado por el sistema (W). El signo menos en el lado derecho

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BIOTERMODINAMICA de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema. Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.  SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

 TERCERA LEY El tercer principio de la termodinámica o tercera ley de la termodinámica, más adecuadamente Postulado de Nernst afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:  Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.  Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.

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CALOR La ciencia empírica de la calorimetría (la medición del calor) data de mediados del siglo XVIII y curiosamente antecede al concepto actual de calor. Pocas eran las personas que ponían atención en ideas abstractas como la de la naturaleza del calor ya que la principal preocupación era su cuantificación. Aun así, ya para el año 1750 existían varias teorías sobre la naturaleza del calor, por ejemplo, la teoría cinética de Bernoulli y la teoría del calórico o flogisto. Esta última, la más aceptada en la época, 4 122 Calor y energía suponía la existencia de un fluido con masa propia que se transfería entre los cuerpos y determinaba su temperatura. Esta antigua teoría, hoy desechada, ha dejado sus secuelas en frases como “capacidad calorífica”, “flujo de calor”, “el calor contenido en una sustancia” y otras rigurosamente incorrectas, pero todavía en uso hoy. A finales de los 1700, un profesor de química escocés, Joseph Black, realizó experimentos de calorimétricos con agua y hielo. Las conclusiones a las que llegó serían reconocidas décadas después como muy ciertas: 1.- El calor es una cantidad medible, relacionada pero distinta de aquella que llamamos temperatura. 2.- Todos los cuerpos que se comunican libremente y que no estén expuestos a acciones externas adquirirán la misma temperatura indicada por un termómetro. Por la misma época, un norteamericano, Benjamin Thompson, luego conocido como el conde Rumford, llegó a conclusiones similares y a la sospecha de que el calor no es “algo” contenido en los cuerpos. Probó esto argumentando que se puede generar una cantidad aparentemente infinita de calor gracias al roce (fuerzas de fricción). Si bien Rumford estaba seguro de sus conclusiones, pasarían más de cincuenta años antes de que el mundo se convenciera de ello y de lo incierto de la teoría del calórico. De la definición de calor se podría deducir, tal como se hizo empíricamente siglos atrás, una manera de medir el calor. El calor podría suponerse proporcional a su fuerza impulsora (es más fácil calentar con una llama que con un horno a baja temperatura), o sea a la diferencia de temperatura que experimenta un cuerpo y, además, proporcional a la masa del sistema (es más fácil calentar un vaso de agua que un litro). De tal manera que: Q = m C DT La constante de proporcionalidad (C) se denominó calor específico y se encuentra que es relativamente independiente de la temperatura para los

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BIOTERMODINAMICA sólidos y los líquidos y particular para cada sustancia. Las unidades más antiguas de calor se derivan de esta relación calorimétrica. Entre las más usadas hoy destacan la caloría y el BTU (British Thermal Unit). Una caloría se define como la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 hasta 15,5 °C mientras que un BTU es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 libra de agua desde 59,5 hasta 60,5 °F. A veces se hace la distinción entre calorías grandes y pequeñas. Tanto en biología como en la ciencia de los alimentos se usa la palabra caloría (grande) para designar mil calorías (1 kcal). Nótese que en la definición de caloría está implícito el valor del calor específico del agua (C = 1 cal/g°C = 1 BTU/lb °F). El calor específico se puede calcular para una sustancia como la variación del calor absorbido por unidad de masa (de ahí el nombre) por grado de temperatura. Para los sólidos y líquidos, este valor es aproximadamente constante e independiente de la forma como se realiza la medición. Para un gas, sin embargo, el resultado depende del proceso y del rango de temperatura que se utiliza para medirlo. Por ejemplo, en procesos isobáricos se obtiene un valor que difiere de aquel obtenido en uno isocórico. Podría uno entonces diferenciar un calor específico a presión constante (CP) y un calor específico a volumen constante (Cv).

PROPAGACION DEL CALOR  Convección La convección es la transmisión de calor entre un fluido (líquido o gaseoso) y un cuerpo sólido. Este fenómeno se ve favorecido por el movimiento del fluido, el cual a su vez resulta de la diferencia de sus temperaturas internas  Radiación La radiación es un flujo de energía en forma de ondas electromagnéticas que no requiere de un medio conductor (se puede dar incluso en el vacío absoluto).  Conducción La conducción expresa la transmisión de calor al interior de un cuerpo sólido, o entre dos cuerpos sólidos cuando se encuentran en contacto. Como en el caso del cuerpo humano puede perder o ganar calor cuando está en contacto con un objeto o componente de la edificación Evaporación La evaporación es un fenómeno mediante el cual un líquido se convierte en gas. Dicha conversión requiere una determinada cantidad de energía calorífica, que es tomada del entorno inmediato.

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CALOR ESPECÍFICO El calor específico se obtiene a partir de la capacidad calorífica y representa la dificultad con que una sustancia intercambia calor con el entorno. Es una característica de las sustancias que forman los cuerpos y es independiente de la masa. El calor específico de una sustancia es su capacidad calorífica por unidad de masa. Viene dada por la expresión: c=Cm

Dónde: 

C: Calor específico. Es la cantidad de calor que la unidad de masa de la sustancia tiene que intercambiar con su entorno para que su temperatura varíe un kelvin. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio por kilogramo por kelvin ( J/kg·K ) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado ( cal/g·ºC )



C: Capacidad calorífica. Es la cantidad de calor que el cuerpo tiene que intercambiar con su entorno para que su temperatura varíe un kelvin. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio por kelvín ( J/K ), aunque también se usa con frecuencia la caloría por grado centígrado ( cal/ºC )



m: Masa. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg )

 Calor específico molar

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BIOTERMODINAMICA En ocasiones, particularmente en el caso de sustancias gaseosas, conviene usar el mol como unidad de masa. De esta manera, el calor específico queda referido a la unidad de masa según la expresión: c=Cn Donde n en este caso es el número de moles. En cuanto a las unidades de medida del calor específico molar, se suele utilizar el J/mol·K aunque también se usa con frecuencia el cal/mol·ºC. Características del calor específico Algunas características del calor específico son: 

Cuanto mayor es el calor específico de una sustancia, más calor hay que intercambiar para conseguir variar su temperatura



Existe un rango de temperaturas dentro del cual el calor específico es constante. Aunque a la hora de resolver los ejercicios de este nivel se considera c constante, en realidad el calor específico de cualquier sustancia varía con la temperatura



Según si el proceso de intercambio de energía (calor) tiene lugar a presión constante o a volumen constante se habla de calor específico a presión constante cp o calor específico a volumen constante cv. Si no se especifica, el proceso se supone a presión constante de 1 atm o

Normalmente en sólidos y líquidos cp ≈ cv

o

Normalmente en gases cp ≠ cv

EQUILIBRIO TÉRMICO Para mantener el confort, el cuerpo humano debe disipar el calor metabólico excedente hacia el ambiente, pero solo hasta lograr el equilibrio térmico. En otras palabras, las ganancias de calor internas del cuerpo deben ser equivalentes al calor que pierde hacia el exterior. Como veremos más adelante, cuando se rompe este equilibrio, debido al metabolismo del cuerpo, las condiciones del ambiente, o ambos factores al mismo tiempo, es relativamente fácil llegar a un estado que se conoce como disconfort térmico. Al interactuar con el medio ambiente, el cuerpo humano puede perder o ganar calor por medio de procesos convectivos, radiantes y, en menor medida, conductivos. La evaporación también juega un papel importante pero en este caso, cuando se da, sólo puede generar pérdidas de calor.

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ENERGÍA INTERNA La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear. La energía interna es una función de estado: su variación entre dos estados es independiente de la transformación que los conecte, sólo depende del estado inicial y del estado final.

Como consecuencia de ello, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden:

Energía interna de un gas ideal Para el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura, ya en un gas ideal se desprecia toda interacción entre las moléculas o átomos que lo constituyen, por lo que la energía interna es sólo energía cinética, que depende sólo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule. La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión:

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donde n es el número de moles y Cv la capacidad calorífica molar a volumen constante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin. Para demostrar esta expresión imaginemos dos isotermas caracterizadas por sus temperaturas TA y TB como se muestra en la figura.

Un gas ideal sufrirá la misma variación de energía interna (ΔUAB) siempre que su temperatura inicial sea TA y su temperatura final TB, según la Ley de Joule, sea cual sea el tipo de proceso realizado. Elijamos una transformación isócora (dibujada en verde) para llevar el gas de la isoterma TA a otro estado de temperatura TB. El trabajo realizado por el gas es nulo, ya que no hay variación de volumen. Aplicando el: Primer Principio de la Termodinámica:

El calor intercambiado en un proceso viene dado por:

siendo C la capacidad calorífica. En este proceso, por realizarse a volumen constante, se usará el valor Cv (capacidad calorífica a volumen constante). Entonces, se obtiene finalmente:

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Esta expresión permite calcular la variación de energía interna sufrida por un gas ideal, conocidas las temperaturas inicial y final y es válida independientemente de la transformación sufrida por el gas.

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TEMPERATURA La temperatura nos permite conocer el nivel de energía térmica con que cuenta un cuerpo. Las partículas que poseen los cuerpos se mueven a una determinada velocidad, por lo que cada una cuenta con una determinada energía cinética. El valor medio de dicha energía cinética está directamente relacionado con la temperatura del cuerpo. Así, a mayor energía cinética media de las partículas, mayor temperatura y a menor energía cinética media, menor temperatura. La temperatura es una magnitud escalar que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo. En el caso de los gases su valor es proporcional a la energía cinética media de las moléculas, según la expresión: T=k⋅ Dónde: 

Temperatura T: Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvín ( K )



Constante universal k: Se trata de una constante igual para todos los gases. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvín partido Julio ( K/J )



Energía cinética promedio de las moléculas del gas : Se trata del valor medio de energía cinética de las moléculas del gas. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio ( J )

La distribución de velocidades de las partículas de un gas (y por tanto, la distribución de la energía cinética de cada partícula), se rige por la ley de distribución de Maxwell. En la siguiente imagen puedes tener una idea cualitativa de qué efecto produce un aumento de temperatura en las moléculas de un gas. Para una misma sustancia cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de las partículas que la componen. De igual forma, en cada gráfica puedes comprobar cómo cuanto mayor es la temperatura, mayor es el rango de velocidades que pueden alcanzar debido a la distribución de Maxwell. Cuando ponemos en contacto dos cuerpos, se produce un intercambio de energía térmica: la temperatura fluye desde el que tiene más temperatura hasta el que tiene menos. Si dejamos pasar el tiempo suficiente, ambas temperaturas se igualan. Así, cuando tocamos un cuerpo que está a menor temperatura que nosotros, tenemos una sensación térmica de frío y si está a mayor temperatura, de calor. La razón es, precisamente, dicho intercambio de energía térmica entre nuestro dedo y el cuerpo en cuestión.

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BIOTERMODINAMICA La temperatura es una magnitud estadística, por lo que no podemos medirla directamente. Para medirla hacemos uso de diversas magnitudes que varían con ella, como por ejemplo la altura de una columna de mercurio, la resistencia eléctrica o el volumen y la presión de un gas. A estas magnitudes, se las denomina magnitudes termométricas. Para medir la temperatura usamos los termómetros. Un termómetro es un dispositivo que nos permite conectar alguna magnitud termométrica con la temperatura. Escalas de temperatura La temperatura se mide indirectamente a través de las magnitudes termométricas. Como vamos a ver, usaremos los valores de estas magnitudes en ciertos estados fijos para calibrar los termómetros, estableciendo, así, una escala. Ejemplos de estos estados fijos son la congelación o la ebullición del agua. Cero absoluto de temperatura Es el estado de mínima temperatura que puede tener un cuerpo. En él, el movimiento de los átomos y moléculas que componen el cuerpo sería nulo. Es una temperatura teórica que no puede alcanzarse en la práctica.

Existen tres grandes escalas para medir la temperatura: 1. Celsius 2. Farenheit 3. Kelvin

TERMÓMETROS Tipos de termómetros Existen distintos tipos de termómetros según la magnitud física que se mide y que varía al variar la temperatura. En la siguiente lista tienes algunos de los principales. En cursiva aparece el nombre de los termómetros y una breve descripción. 

Basados en dilatación o

Gases 

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Cambio de volumen: Termómetro de gas a presión constante. El volumen del gas varía con la temperatura.

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BIOTERMODINAMICA Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros 

o

o

Líquidos 

Columna de mercurio: Termómetro de mercurio. La altura de la columna de mercurio varía con la temperatura. Su comercialización y uso está prohibido en algunos países como España



Columna de alcohol coloreado: Termómetro de alcohol. La altura de la columna de alcohol teñido varía con la temperatura. Fue el primero que se creó

Sólidos 



Cambio de longitud: Termómetro bimetálico. Consiste en dos placas de diferentes metales unidas rigidamente. El conjunto se dobla en arco de manera proporcional al cambio de temperatura. Esto se debe a que cada placa tiene un coeficiente de dilatación distinto y los cambios de temperatura provocan cambios distintos en sus longitudes

Basados en propiedades eléctricas o

o

Resistencia 

Semiconductor: Termistor. Los semiconductores son materiales que se comportan como conductores o aislantes según la temperatura a la que se encuentren. Esto los convierte en dispositivos que permiten medir la temperatura



Platino: Termómetro de platino. La resistencia eléctrica del platino varía con la temperatura de forma lineal

Efecto termoeléctrico 

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Cambio de presión: Termómetro de gas a volumen constante. La presión del gas varía con la temperatura. Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros

Termopar: Se trata de un par empalmes (soldaduras) de dos alambres conductores de metales distintos. Uno de los empalmes se mantiene a una temperatura constante de referencia. La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre las soldaduras

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Basados en radiación térmica o

Radiación infrarroja 

o

Termómetro infrarrojo: Los cuerpos calientes emiten calor en forma de radiaciones electromagnéticas, captada por este tipo de termómetros

Luz visible 

Pirómetro óptico: Son normalmente utilizados para medir temperaturas superiores a 700 ºC. Se basan en el cambio del color con el que brillan los objetos calientes. Desde el rojo oscuro al amarillo, llegando casi al blanco a unos 1300º C

Termómetro clínico Un termómetro clínico, también llamado termómetro médico, es un instrumento de medición cuya función principal es medir la temperatura corporal y averiguar si el paciente tiene fiebre. Por lo general, los termómetros clínicos miden un rango de temperaturas comprendido entre 35 y 40°C, ya que temperatura humana normal está en el rango de 35 a 37°C, existiendo fiebre a partir de 37,7°C en adultos o 38°C en lactantes. Características de los termómetros clínicos El termómetro clínico es el instrumento más usado y más fiable para averiguar la temperatura corporal y determinar si el paciente tiene fiebre. Los termómetros clínicos generalmente miden un rango de 35 a 40 grados Celsius. La temperatura humana normal se encuentra habitualmente en el rango de 35 a 37 grados Celsius, aunque puede haber variaciones significativas entre diferentes personas. Las temperaturas superiores a 37,7 grados Celsius en adultos o 38 grados Celsius en lactantes, indican la presencia de fiebre y pueden requerir atención médica inmediata para descartar la presencia de una infección grave. Los termómetros clínicos se emplean en los distintos centros sanitarios para medir la temperatura corporal de los pacientes, por lo que son de gran importancia, ya que la temperatura del cuerpo humano es un reflejo relativo de la salud del paciente. Una temperatura demasiado elevada o demasiado baja, que no se encuentra dentro del rango normal, puede indicar la existencia de alguna enfermedad. Los termómetros clínicos también se utilizan para la predicción de la fertilidad femenina, ya que las variaciones de la temperatura basal corporal (BBT, Basal Body Temperature) en la mujer puede ayudar a predecir sus períodos fértiles.

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BIOTERMODINAMICA Las mujeres que usan este método para predecir la ovulación deben hacer un cuadro con la temperatura basal durante varios ciclos para familiarizarse con su ciclo y prever cuándo es su fertilidad. Para esta finalidad se suelen utilizar termómetros específicos para la fertilidad, más precisos que los termómetros clínicos convencionales. Los termómetros clínicos pueden ser de dos clases: 

Termómetros clínicos de mercurio: consisten en un tubo de cristal que contiene un pequeño depósito de mercurio en su parte inferior que al contacto con el cuerpo se dilata por efecto del calor corporal, ocupando parte de dicho tubo de cristal en el que señala la temperatura del paciente, gracias a la graduación que tiene marcada. Actualmente están en desuso debido a que contaminan el medio ambiente cuando se desechan. Existen modelos similares que utilizan otros líquidos termométricos, como el alcohol.



Termómetros clínicos digitales: miden la temperatura a través de algún dispositivo transductor, convirtiendo las pequeñas variaciones de tensión obtenidas en números mediante circuitos electrónicos y mostrando finalmente la temperatura medida en una pantalla digital. Algunos modelos usan radiación infrarroja para medir la temperatura en puntos como la frente o a través del conducto auditivo.

Los termómetros de mercurio y los digitales estándar se usan para medir la temperatura en las cavidades corporales (oral, rectal y vaginal) o en otros puntos auxiliares, como la axila. Los termómetros digitales por infrarrojos, en cambio, por lo general miden la temperatura en puntos alternativos, como el tímpano o la frente. Los termómetros clínicos digitales presentan diversas ventajas frente a los tradicionales termómetros de mercurio, como su fácil lectura, respuesta rápida, memoria y en algunos modelos alarma con vibración. Además, dado que no utilizan mercurio, no contaminan el medio ambiente cuando son desechados. Los termómetros clínicos deben ser perfectamente desinfectados y esterilizados antes y después de cada uso. En caso de introducción anal o vaginal se recomienda lubricarlos previamente.

TEMPERATURA CORPORAL La temperatura corporal o la temperatura del cuerpo corresponden a la temperatura media del organismo humano. En el hombre la temperatura media se estima alrededor de los 37 ° C y varía en función de la hora del día; habitualmente es 0,5 ° C superior por la noche en comparación con la de la mañana. El centro de la regulación de la temperatura corporal se encuentra en

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BIOTERMODINAMICA una glándula, el hipotálamo, y el punto de regulación puede ser modificado en caso de patología: es el responsable de la fiebre en el momento de una infección, por ejemplo. Se diferencia, según los puristas, de la hipertermia que es un aumento de la temperatura corporal en determinados entornos o esfuerzos, y de la hipotermia, que es una disminución de la temperatura principalmente en el contexto de una exposición prolongada al frío. En estos dos casos, el punto de regulación no se modifica coloca y el organismo pone en marcha diversos medios para devolver la temperatura a su punto de equilibrio

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CALORIMETRÍA BIOLÓGICA Se llama calorimetría animal a los métodos utilizados para medir la energía absorbida y el calor producido por los seres vivos en sus funciones fisiológicas. Las primeras medidas fueron realizadas por Lavoisier y Laplace colocando una cobaya en un calorímetro, en el que el calor producido por el animal se medía a partir de la cantidad de hielo fundido colocado en el calorímetro; al mismo tiempo medían la cantidad de dióxido de carbono producido por el animal para compararlo con la producida por la combustión de una determinada cantidad de carbono. Si bien las conclusiones no fueron totalmente válidas, sí que se estableció el hecho de que el calor animal se produce por combustión de un modo análogo al producido en un laboratorio. Los procedimientos calorimétricos fisiológicos podemos realizarlos mediante calorimetría directa y calorimetría indirecta.

Calorimetría directa Se estima que solo alrededor del 40% de la energía liberada durante el metabolismo de la glucosa y de las grasas se usa para producir ATP. El restante 60% se convierte en calor, por lo que un modo de estimar el ritmo y la intensidad de producción de energía es medir la producción de calor de nuestro cuerpo. Esta técnica se llama calorimetría directa, se trata de medir de un modo directo el calor producido por el animal; para ello se le sitúa en un calorímetro adecuado similar al de la figura adjunta, y en el que el calor producido por el animal en un tiempo concreto, se puede determinar por la cantidad de hielo fundido, que se recoge mediante un recipiente colocado en la parte inferior del calorímetro. Este procedimiento se utiliza en experimentación, y es de fácil realización cuando se trata de animales pequeños.

Entrada de aire

Salida de aire

Hielo Hielo fundido

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BIOTERMODINAMICA Sin embargo, la construcción y el uso de los calorímetros son caros, y son lentos en cuanto a la generación de resultados. Su única ventaja real es que miden el calor directamente. Aunque un calorímetro puede facilitar una medición precisa del consumo total de energía del cuerpo, no puede seguir cambios rápidos en la liberación de energía. Por este motivo, el metabolismo energético durante el ejercicio intenso no puede estudiarse con un calorímetro. En consecuencia, actualmente este método no se usa casi nunca, puesto que es más fácil y menos caro medir el consumo energético valorando el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono que se produce durante la fosforilación oxidativa.

Calorimetría indirecta Se puede realizar por dos procedimientos distintos: a) Calorimetría indirecta por balance energético: Consiste en medir el valor calórico de los alimentos ingeridos durante un cierto tiempo y restarle el valor calórico de los residuos eliminados. La diferencia entre ambas cantidades será el calor consumido en el organismo. Este método tiene el inconveniente de que durante el período de observación el ser vivo puede quemar sus propias reservas además de los alimentos ingeridos, o tal vez no quemar la totalidad de lo que se ingiere aumentando las propias reservas. Por tanto, para que el método sea fiable, es necesario un período de observación relativamente largo en el que el peso del animal permanezca estable. Los valores calóricos de los alimentos vienen representados en la siguiente tabla según que la combustión se efectúe en el laboratorio o en combustión fisiológica.

Valor calórico (kcal/g) En laboratorio

Fisiológico

Glúcidos

4,2

4,1

Lípidos

9,4

9,3

Proteínas

5,4

4,1

De esta forma el calor producido en el intervalo de la observación, se obtendría mediante la expresión: 𝛥𝑄 = 𝑀𝑔𝑙ú𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 − 4,1 + 𝑀𝑙í𝑝𝑖𝑑𝑜𝑠 − 9,3 + 𝑀𝑝é𝑝𝑡𝑖𝑑𝑜𝑠 − 4,1

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BIOTERMODINAMICA b) Calorimetría indirecta por cociente respiratorio: El metabolismo de la glucosa y de las grasas depende de la disponibilidad de O2, al tiempo que produce CO2 y agua. La cantidad de O2 y de CO2 intercambiada en los pulmones normalmente iguala a la usada y liberada por los tejidos del cuerpo. Sabiendo esto, nuestro consumo calórico puede estimarse midiendo nuestros gases respiratorios. Este método de estimación del consumo energético se llama calorimetría indirecta porque la producción de calor no se mide directamente. En lugar de ello, se calcula a partir del intercambio respiratorio de CO2 y de O2,

Equipo para medir el intercambio respiratorio de O2 y CO2. El gas espirado por el deportista pasa por una manguera a una cámara de mezcla, donde se bombean muestras a los analizadores electrónicos de oxígeno y dióxido de carbono. El equipo de ordenadores utiliza las mediciones del volumen de gas respirado y el volumen de oxígeno y dióxido de carbono espirados para calcular el consumo de O2 la producción de CO2

Se llama cociente respiratorio al cociente entre el volumen de CO 2 producido en la combustión de un alimento y el volumen de O2 consumido en esa combustión, estando ambos volúmenes en las mismas condiciones de presión y temperatura.

𝐶𝑅 =

𝑉𝐶𝑂2 𝑉𝑂2

Por ejemplo, la reacción de combustión de la glucosa sería:

𝐶6 𝐻12 𝑂6 + 6𝑂2 → 6𝐶𝑂2 + 6𝐻2 𝑂

Que evidentemente da un cociente respiratorio igual a 1.

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BIOTERMODINAMICA Del mismo modo podemos calcular valores promedio del cociente respiratorio de lípidos (0,707) y proteínas (0,801). Ahora deberemos establecer el concepto de valor calórico del oxígeno que es la cantidad de calor que se desprende del organismo, al ser empleado un litro de oxígeno en la combustión de un determinado alimento. Este valor calórico depende de la sustancia que estemos consumiendo, de modo que resulta diferente para cada tipo de alimento tal como mostramos en la siguiente tabla. Valor calórico del oxígeno (kcal/l) Glúcidos

4,95

Lípidos

4,60

Proteínas

4,48

Si supiéramos el porcentaje exacto de cada uno de los alimentos que se ingieren tendríamos el problema resuelto, pero como normalmente no es así se utiliza el siguiente dato fisiológico: “Un gramo de N2 eliminado por orina se corresponde con la combustión de 6,15 gramos de prótidos con la combustión de 5,95 litros de O2, produciéndose 4,75 litros de CO2”. Este dato permitirá por tanto conocer cuánto oxígeno del total consumido, ha sido utilizado en la combustión de proteínas. Lógicamente el resto habrá sido consumido con lípidos y glúcidos, recibiendo el nombre de oxígeno no proteico; naturalmente también conoceremos los correspondientes volúmenes de CO2. Todo lo dicho nos permite definir el cociente respiratorio no proteico, que es el definido exclusivamente con el oxígeno quemado con glúcidos y lípidos y el CO2 producido también con glúcidos y lípidos, es decir excluyendo en ambos casos el O2 y el CO2 proteico. El valor calórico del oxígeno quemado con la mezcla de lípidos y glúcidos depende de la proporción en la que consumamos ambas sustancias y su valor lo obtendremos a partir del cociente respiratorio no proteico tal como se muestra en la siguiente tabla. Porcentaje de Porcentaje de Valor calórico de la mezcla glúcidos lípidos (kcal/g)

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Cociente respiratorio (no proteico)

Valor calórico del oxígeno (kcal/l)

0

100

9,3

0,707

4,60

20

80

8,3

0,726

4,63

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40

60

7,2

0,760

4,67

60

40

6,2

0,817

4,73

80

20

5,1

0,890

4,81

100

0

4,1

1,000

4,95

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METABOLISMO BASAL El metabolismo basal es la cantidad de calor expresado en calorías, producido en una hora por el sujeto mantenido en reposo a la temperatura de 18 grados en ayunas después de 12 o 14 horas a lo menos. Esta cantidad de calor está referido a metro cuadrado en la superficie del cuerpo. MEDIDA DEL METABOLISMO: Teóricamente la medida del calor producido se hace en un calorímetro. En efecto existen cámaras calorimétricas en las cuales se puede seguir la producción de calor de un hombre adulto; sin embargo el precio de estos aparatos no permiten vulgarizar su empleo. Para calcular el Metabolismo Basal existen métodos más simples. El análisis del aire de la respiración ha permitido llegar a este fin con precisión suficiente. Por determinaciones directas se ha demostrado que un litro de oxígeno seco medido a cero grado y a 760 milímetros de presión, utilizado en las oxidaciones intraorgánicas corresponde a una producción de calor de 4,83 calorías. Según definición el metabolismo estaría expresado por la fórmula: S M. B. = 4.83 x V Donde V expresa en litros el volumen de oxígeno consumido en una hora, medido a cero grado y a 760- milímetros de presión; S la superficie del cuerpo expresada en metros cuadrados. La medida del metabolismo basal por medio del método de los cambios respiratorios exige los aparatos siguientes: Una máscara respiratoria, aplicándose exactamente sobre la cara del sujeto y provista de dos valvas, la una permitiendo el paso de la corriente del aire aferente, la segunda la de la corriente de aire eferente que debe ser recibida, medida y analizada. Las máscaras más empleadas en Francia son las de Tissot, con la máscara de guerra modificada. Un espirómetro destinado a medir el volumen del gas .expirado. Este se une al tubo eferente de la máscara y está provisto de un termómetro destinado a dar la temperatura del aire que atraviesa a fin de que puedan ser hechas las correcciones de temperatura necesarias para llevar el volumen de gas a cero grado. Un Eudiómetro puede permitir hacer este análisis en buenas condiciones. Para obtener el aire destinado para el análisis se intercala legalmente entre la máscara respiratoria y en el espirómetro un gran frasco de cuatro a cinco litros que atraviesa el aire expirado. Este frasco se cierra herméticamente por medio de un tapón de-hule perforado de tres agujeros por los cuales se hacen pasar tres tubos de vidrio. El primero, A, se dirige hacia la máscara y se sumerge hasta el fondo del frasco F. El segundo, B, el tubo eferente, su extremidad sobresale del tapón y se dirige al espirómetro. El tercero, C, destinado a la

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BIOTERMODINAMICA obtención del gas es más complicado. Una rama, atraviesa el tapón cuya extremidad sobre pasa; una segunda rama está provista de embudo. La tercera rama es perpendicular a las dos primeras; y una llave de tres vías, R, permite establecer las combinaciones entre las diferentes ramas. Por maniobras convenientes de la llave R, se puede llenar de agua A y B. Se conecta entonces B por medio de un tubo de hule igualmente lleno de agua con el reservorio del eudiómetro y podrá así obtenerse con toda seguridad un volumen de aire conveniente en el frasco R. El aire introducido en el eudiómetro se mide su volumen V, su temperatura T y la presión P. Se absorbe el gas carbónico por medio de la potasa midiendo el volumen desaparecido. En fin se absorbe el oxígeno por medio del fósforo anotando el volumen de oxígeno desaparecido. Así se obtendrán todos los elementes que se requieran para calcular a la luz el coeficiente respiratorio y el metabolismo basal. La superficie del cuerpo se calcula generalmente por la fórmula de Meeh

S — 12.3'3/P2

Influencia de factores fisiológicos sobre el metabolismo basal Primero: Trabajo del corazón. Durante el reposo en un individuo normal se estima en el cuatro por ciento la fracción del metabolismo basal que corresponde al trabajo del corazón. Ese trabajo siendo función de la presión y la rapidez de la corriente sanguínea, toda variación de éstos dos factores afecta de una manera especial el metabolismo. Experiencias hechas sobre animales parecen demostrar que en ciertos casos las fracciones representadas por el trabajo del corazón pueden alcanzar el quince por" ciento de metabolismo basal. Segundo: Trabajo del riñón. No ha sido aún calculado en el hombre, pero en el perro re presenta el cinco por ciento del metabolismo basal. Tercero: Trabajo de los músculos respiratorios. Determinado en el hombre en reposo representa el quince por ciento de los cambios gaseosos totales.

Variaciones patológicas del metabolismo basal 1.- Enfermedades del aparato respiratorio. Matosos demostrando un coeficiente respiratorio normal no sucediendo lo mismo en el que tiene un pulmón completamente adulterado. 2.- Enfermedades del. Corazón. En los cardíacos se observan solamente pequeñas alteraciones del coeficiente respiratorio. El metabolismo basal

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BIOTERMODINAMICA aumenta al contrario en los disneicos no obstante que la disnea no explica por sí sola este .aumento. 3.- Enfermedades de la sangre. En la anemia perniciosa el metabolismo está aumentado. En la leucocitemia con anemia y debilidad se ha encontrado que el metabolismo era exactamente el mismo que en un individuo normal en reposo y al mismo régimen se ha señalado que una débil cantidad de colesterina corresponde a un metabolismo basal elevado y que una cantidad grande de colesterina a una disminución del metabolismo. 4.- Enfermedades del hígado. En enfermos atacados del hígado no se ha encontrado más que ligeras variaciones de los límites normales y éste aún en casos severos. 5.- Enfermedades de la nutrición. A. Atrofia infantil. Cuando el peso de un niño es inferior al 65 por ciento de lo normal la producción de calor está disminuida. B. Obesidad. La mayoría de los sujetos obesos no presentan ninguna alteración y cuando esta se presenta es debida a trastornos de las glándulas de secreción interna. C. Gota. El metabolismo basal y el coeficiente respiratorio varía en los límites, normales, D. Diabetes. En los diabéticos se ha encontrado un aumento de metabolismo basal. 6.- Enfermedades infecciosas, A. Tifoidea. En la fiebre tifoidea se ha encontrado un aumento de término medio de 40 por ciento. B. Paludismo. Durante el acceso aumenta la producción de calor. C. Tuberculosis. El metabolismo basal puede ser normal o sub-normal. En los casos tóxicos con destrucciones de proteína del organismo el metabolismo aumenta en un 10 por cien to. En todos los febricitantes aumenta todavía en un 10 por ciento. Afecciones diversas. Diversas variaciones del metabolismo basal han sido encontradas en el Shock traumático, shock anafiláctico, intoxicación y enfermedades de la piel. El metabolismo basal se determina por calorimetría directa o indirecta, comúnmente, usando el aparato de Benedict – Roth.

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TERMORREGULACIÓN EN LOS SERES VIVOS Los procesos biológicos son en esencia reacciones químicas y la velocidad de esas reacciones depende fuertemente de la temperatura. Por ejemplo, la correcta acción enzimática requiere no salirse de una relativamente estrecha banda de temperaturas, por debajo de la cual las enzimas no funcionan y por arriba pueden llegar a desnaturalizarse. Es por eso, por lo que los animales denominados homeotermos (de sangre caliente) precisan de un mecanismo capaz de regular la temperatura corporal a fin de que su actividad biológica sea independiente del medio, en cambio, los denominados poiquilotermos (sangre fría), carecen de esos mecanismos reguladores y su actividad biológica va a depender de la temperatura del medio pudiendo llegar a una inactividad casi total. Entonces, ya que la temperatura corporal intenta mantenerse siempre en un rango, el encargado de que esto sea así es el “centro termorregulador”, el cual posee las siguientes características: 

Situado en el hipotálamo anterior.



Se encarga de los cambios de temperatura de la sangre mediante: 

Receptores cutáneos



Receptores hipotalámicos

Evidentemente, la temperatura corporal está determinada por dos fenómenos contrapuestos.

a) Termogénesis Es la producción de calor por las funciones propias del organismo. Por ejemplo el metabolismo basal de una persona media es de alrededor 70 kcal/h, cuando la persona está desnuda y con una temperatura ambiente de 32ºC. Si sobrepasamos esa temperatura aumenta la producción de calor del organismo ya que con la temperatura aumenta la velocidad de los procesos fisiológicos, pero evidentemente ese aumente de producción de calor no es adecuado para mantener constante la temperatura del cuerpo. Curiosamente una disminución de la temperatura ambiente también provoca un aumento de la producción de calor, pero en este caso viene provocado por un aumento de la actividad muscular en forma de temblor; en este caso sí que es un mecanismo adecuado para mantener constante la temperatura del cuerpo.

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BIOTERMODINAMICA Este mecanismo se puede realizar a través de: 

Contracción muscular



Activación del metabolismo energético



Vasoconstricción cutánea

b) Termólisis Es el conjunto de mecanismos por los que el organismo pierde calor. Está claro que en el caso en el que la termogénesis contribuye a aumentar la temperatura corporal, el organismo debe habilitar mecanismos de pérdida de calor a fin de mantener la temperatura corporal constante. Esta pérdida de calor se puede efectuar por cuatro mecanismos diferentes: conducción, convección, radicación y evaporación. La conducción y la convección tienen una importancia relativa en el conjunto de la termólisis, en cambio la radiación de la piel supone aproximadamente el 65% del total de la termólisis, Debe tenerse en cuenta que, debido a la ley de Stephan-Boltzman cuanta más superficie expongamos al ambiente, mayor será la radiación (un mecanismo de defensa del frío es encogerse, con lo que disminuimos nuestra superficie). Por lo que a la evaporación se refiere. Tengamos en cuenta que un gramo de agua a 100ºC absorbe 540cal/g al evaporarse, pero si la evaporación se produce a temperatura ambiente la cantidad de calor pasa a ser de unas 580 cal/g- En estado de reposo y de un modo imperceptible, perdemos una pequeña cantidad de agua a través de la piel (perspiración). Al mismo tiempo, por la respiración también perdemos una pequeña cantidad de líquido en forma de vapor de agua, de forma que conjunto se pierden unos 50, l/hora, Cuando hay una fuerte actividad muscular, la cantidad de agua eliminada por sudoración aumenta notablemente pudiendo llegar a unos tres litros por hora aumentando la pérdida de calor, pero al mismo tiempo con el sudor se pierden también las sales minerales que se eilminan con él. Cuando la humedad ambiente es elevada, el mecanismo de la sudoración no funciona igual que en un ambiente seco, razón por la cual tenemos mayor “sensación” de calor en verano en zonas húmedas que secas.

MECANISMOS DE REGULACIÓN El organismo debe disponer de algún procedimiento que le permita determinar qué mecanismo debe poner en marcha de la termogénesis o termólisis. Para ello, disponemos de receptores de temperatura distribuidos en la piel y en el sistema nervioso centra, los primero registran la temperatura cutánea y los segundos la temperatura interna o profunda, ambos envían sus datos al hipotálamo que termina funcionando de un modo similar a un termostato. Si el

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BIOTERMODINAMICA organismo detecta un ambiente de temperatura elevada responde aumentando la circulación periférica (vasodilatación, las personas se ponen “coloradas”), con lo cual la sangre lleva calor al exterior por convección, la piel irradia más calor y al mismo tiempo aumenta la sudoración, Las grandes orejas de los elefante son precisamente para refrescar la sangre; los perros sacan la lengua con el calor. Por el contrario en ambiente frío se produce vasoconstricción periférica y para disminuir la radiación, el animal procura disminuir su superficie acurrucándose. Puede suceder que el sistema termorregulador fracase en su función de mantener la temperatura corporal, y que ésta disminuya o aumente por debajo o por encima de 37ºC. En el primer caso se produce hipotermia, y a medida que la temperatura corporal disminuye, disminuye también el ritmo de la respiración y la frecuencia cardíaca y se pierde la conciencia. Cuando la temperatura corporal baja a 28ºC, el hipotálamo deja de funcionar y la temperatura comienza a descender rápidamente hasta la muerte del sujeto. Sin embargo, si en este punto se le aplica calor externo todavía puede recuperarse. Puede disminuirse la temperatura corporal hasta cerca del punto de congelación, y recuperarse si luego se aplica calor. Pero si la temperatura disminuye por debajo de 0ºC se forman cristales de hielo que rompen los tejidos y producen daños irreversibles. Cuando la temperatura aumenta excesivamente se produce hipertermia o golpe de calor. En este caso aparece dolor de cabeza, confusión, pérdida de la conciencia, aumento de la frecuencia cardíaca, disminución de la presión arterial (porque todas las arterias se dilatan tratando de eliminar calor), y si la temperatura aumenta a 42-43 ºC se produce daño cerebral. El golpe de calor es más grave si el sujeto está deshidratado, porque entonces su capacidad de liminar calor sudando es menor.

TRANSMISIÓN DEL CALOR Calor es energía que fluye desde un objeto a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos. La dirección natural del flujo espontáneo de calor es siempre desde el objeto de temperatura más alta al objeto de temperatura más baja. Por ejemplo, si un objeto caliente se pone en contacto con un objeto frío, fluirá calor desde el objeto caliente al frío, haciendo que el objeto caliente se enfríe y que el objeto frío se caliente. El proceso inverso, en el que fluye calor desde el objeto frío al caliente, calentándose el objeto más caliente y enfriándose el más frío, no se da nunca por sí mismo. Es decir, para hacer que el calor fluya desde un objeto de temperatura baja a otro de temperatura alta se ha de emplear algún agente exterior, tal como agua en evaporación o un refrigerador. Estas observaciones que conciernen a la dirección del flujo de calor constituyen la base de la segunda ley de la termodinámica, la cual se discute con más detalle en el Cap. 12.

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BIOTERMODINAMICA El cuerpo humano mantiene una temperatura interna constante de 37ºC. Como ésta es en general superior a la temperatura del medio ambiente, hay un flujo continuo de calor desde el cuerpo al medio. Esta transmisión del calor es absolutamente esencial porque el proceso del metabolismo convierte continuamente energía química en energía térmica interna. La velocidad de generación de la energía interna, o velocidad metabólica, es por término medio de 120 watt (W) para un hombre adulto, pero puede ser de 1000 W o más durante períodos de intenso ejercicio. A fin de mantener la temperatura interna a 37ºC, el cuerpo debe eliminar este exceso de energía interna a la misma velocidad con que es generada. Los métodos que emplea el cuerpo para igualar la velocidad de pérdida de calor a la velocidad de generación de la energía interna se discuten en el apartado. Existen tres mecanismos básicos por los que el calor fluye espontáneamente desde una región de temperatura alta a otra de temperatura baja: conducción, convección y radiación. Los tres mecanismos se emplean en diversos grados para eliminar el calor del cuerpo. Además el cuerpo hace uso de la evaporación, la cual, a diferencia de los otros mecanismos, es capaz de transmitir calor desde una región de baja temperatura a otra de temperatura más elevada.

Conducción Conducción es la transmisión de energía a través de un medio material por sucesivos choques de las moléculas próximas. En cada choque, y por término medio, las moléculas rápidas de la región de temperatura elevada del medio transmiten algo de su energía cinética a sus vecinas más lentas de la región de baja temperatura. Estas moléculas vecinas chocan a su vez con moléculas cercanas aún más lentas, a las que transmiten energía. De este modo la energía pasa desde la región de alta a la de baja temperatura mientras las moléculas permanecen cerca de sus posiciones originales. Observación: En los metales, que son buenos conductores del calor, la mayor parte de la energía es transmitida por choques entre los electrones libres y las moléculas fijas. Una molécula que vibra alrededor de una posición fija transmite parte de su energía de vibración a un electrón libre, el cual la pasa a su vez a una molécula menos energética. La existencia de electrones libres en los metales aumenta la velocidad a la que puede transmitirse la energía.

Convección Convección es la transmisión de energía en un líquido o gas por la transferencia real de fluido de alta temperatura desde una región de temperatura más elevada a otra de temperatura más baja. El fluido de alta temperatura posee una energía interna mayor que el fluido.

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BIOTERMODINAMICA El ejemplo más familiar de transmisión del calor por convección es la circulación del aire que se establece por la presencia de un radiador doméstico. La temperatura del aire próximo al radiador aumenta por conducción, haciéndolo menos denso que el aire ambiente más frío. Como consecuencia, este aire más caliente se eleva y es reemplazado por el aire más frío procedente de las proximidades de las ventanas, estableciéndose una circulación del aire que transmite calor desde el radiador a las demás partes de la habitación y, a la larga, al medio exterior, por conducción a través de las ventanas. Un fenómeno similar tiene lugar en la atmósfera terrestre. En lugares donde la temperatura del suelo aumenta por efecto del Sol, la temperatura del aire cercano al suelo aumenta debido a la conducción. Este aire caliente se eleva después y es reemplazado por aire más frío procedente de una región fría, tal como un lago o el océano, lo cual establece una circulación del aire a gran escala. Los vientos son simplemente corrientes de convección creadas por el calentamiento diferencial de la Tierra por el Sol.

Radiación El calentamiento que produce el Sol en la Tierra no puede explicarse por convección (el espacio interestelar es alto vacío) o conducción (no hay ningún tipo de contacto). Recibimos calor del Sol y de cualquier otro objeto caliente por medio de un proceso llamado radiación. Este es un proceso por el cual la energía se transmite a través del vació más fácilmente que cualquier otro medio material, por ondas electromagnéticas. La única transferencia de este tipo que nosotros podemos ver es la luz, pues nuestros ojos están equipados para ser sensibles exclusivamente a estas longitudes de onda, que quedan en el intervalo comprendido entre 4000 y 7000 Angstroms. De hecho están presentes otras longitudes de onda, convirtiéndose su energía electromagnética en energía térmica al ser absorbidas. Luego, la energía calorífica no se transmite como tal, sino que es el resultado de una conversión de energía en el receptor. La luz se refleja en superficies pulidas así que éstas son malas absorbentes de la radiación. En cambio, las superficies negras y opacas son buenas absorbentes. De qué manera irradia un cuerpo energía electromagnética depende de su temperatura, pero mientras ésta esté por encima del cero absoluto (-273ºC), se está irradiando continuamente energía, aunque no podemos ver las longitudes de onda más largas. Nos podríamos preguntar “¿Por qué no disminuye la temperatura de estos cuerpos?” y la respuesta es que un buen absorbente de radiación es también un buen emisor, y generalmente el intercambio continuo impide cualquier exceso en uno u otro sentido. Algunas veces este equilibrio se desajusta, especialmente en las noches, cuando no hay radiación solar.

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BIOTERMODINAMICA Algunos malos conductores de calor, como la hierba, no son calentados lo suficiente por la Tierra en la noche, e irradian energía hasta que se tornan más fríos que el aire. De ahí la que se forma sobre la hierba en la mañana cuando en realidad la temperatura del aire está por encima de la de congelación.

Evaporación La evaporación es la transformación de moléculas desde la fase líquida a la fase gaseosa. Solo se evaporan las moléculas más energéticas osea, aquéllas con energía cinética suficiente para vencer la fuerza de cohesión del líquido. La pérdida de estas moléculas de alta energía hace bajarla energía cinética media de las moléculas que permanecen en el líquido, y de aquí que la temperatura del líquido descienda también. Por ejemplo, un trapo húmedo se puede enfriar por debajo de la temperatura ambiente blandiéndolo en el aire para aumentar la evaporación. Tan pronto como baja su temperatura comienza a fluir calor por conducción desde el aire hacia el trapo, suministrándole así energía para una nueva evaporación. La temperatura del trapo se estabiliza allí donde la velocidad del calor ganado por conducción iguala a la velocidad del calor perdido por evaporación.

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FENOMENO DE CONTRACORRIENTE La variación del diámetro de las arteriolas se conoce como vasomoción. El aumento se llama vasodilatación y la disminución vasoconstricción. En tiempo frio, las arteriolas a través de las cuales circula la sangre hacia los capilares cutáneos sufren una vasoconstricción. La pared de las arteriolas contiene una gruesa banda circular de fibras musculares. Cuando el musculo 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 frio provoca la excitación de los receptores cutáneos, se transmiten mensajes por medio de nervios sensitivos al cerebro, el transmiten mensajes por medio de nervios sensitivos al cerebro, el cual, a su vez, envía mensajes por medio de nervios motores a los músculos de las paredes de las arteriolas y estas como consecuencia se constriñen. Por tanto, el flujo de la sangre hacia la piel se ve disminuido. La vasoconstricción reduce la circulación de la sangre a la piel y, de este modo, reduce la perdida de calor a la sangre circulante. Pero siempre habrá algo de pérdida, especialmente por los brazos y piernas, dedos de las manos y pies. Si el brazo se expone al aire frio próximo a los 0º C, la temperatura de la sangre de los dedos puede bajar hasta unos 20º C. Si esta sangre regresa a los órganos vitales del cuerpo, perjudicaría seriamente su funcionamiento. Pero existe un interesante mecanismo que sirve para calentar la sangre a medida que circula por contracorriente. A través de este mecanismo la sangre venosa se calienta a medida que retorna a las regiones centrales, mientras que la arterial se enfría en su trayecto hacia las extremidades.

En la figura anterior se representa una arteria y una vena situadas muy próximas. Esta relación anatómica es muy frecuente. Supongamos que la arteria y la vena descritas pertenecen a una pierna. La sangre que entra por la arteria de la pierna viene de la gran arteria aorta que, saliendo del corazón corre a los largo del eje del cuerpo. En consecuencia, la temperatura de la

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BIOTERMODINAMICA sangre cuando entra en la arteria de la pierna es aproximadamente de 37º C. La sangre circula hacia abajo y llega finalmente por las arteriolas y capilares hasta la superficie de la extremidad. Como hemos mencionado anteriormente, si los dedos están descubiertos y la temperatura del aire está próxima a los 0º C, la sangre de los dedos puede bajar hasta 20º C o más. Entonces esta sangre fría entra en la vena y empieza a remontar la pierna. Por consiguiente, como se ve en la figura hay dos corrientes sanguíneas muy próximas moviéndose en direcciones contrarias. CONTROL CENTRAL DE LA TEMPERATURA:

¿Cómo regula el cuerpo humano su temperatura? El cuerpo humano regula su temperatura mediante la termorregulación (capacidad del organismo para regular la temperatura), lo cual se debe a procesos que equilibran la perdida y ganancia de calor y por lo tanto, la temperatura del cuerpo humano. Los mecanismos de regulación de temperatura son:

1) MECANISMOS DE PÉRDIDA DE CALOR, LOS CUALES CONSISTEN EN: a) La sudoración: Es la producción de sudor (mezcla de agua y sales) frente al excesivo calor del cuerpo. b) La vasodilatación:

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BIOTERMODINAMICA Los vasos sanguíneos se dilatan y más sangre cruza cerca de la piel, transmitiendo el calor al ambiente.

2) MECANISMOS DE CONSERVACIÓN DE CALOR a) La vasoconstricción:

Los vasos sanguíneos se vuelven más pequeños cerca de la piel, disminuyendo la transmisión. b) Intercambio de calor por contracorriente:

En los brazos y piernas, el calor de la sangre que va hacia el extremo pasa a la sangre que va hacia el núcleo (pecho y estomago), conservando calor. c) La piloerección:

El cerebro estimula los músculos de la piel, levantando el pelo, lo cual aumenta la capa de aire junto a la piel, evitando perdida de calor.

Piloerección en acción

Efectos de la irregularidad en la temperatura en el cuerpo El cuerpo humano necesita mantenerse a una cierta temperatura para funcionar (de 36.5ºC a 37.5ºC), en casos de que la temperatura interna cambie, en especial si es de manera brusca, el cuerpo puede enfermarse, dañarse temporal o permanentemente o incluso morir. Las reacciones en el cuerpo son: Calor: 38ºC: El cuerpo suda y uno puede marearse.

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BIOTERMODINAMICA 39ºC: Además del sudor, el corazón y pulmones se aceleran. El cuerpo puede agotarse. En caso de niños puede haber convulsiones. 40ºC: Vértigo, deshidratación, vómito, mareo, dolores de cabeza 41ºC: Lo anterior aumenta en gravedad, la persona puede alucinar, delirar y sufrir una fuerte necesidad de dormir 42ºC: El cuerpo palidece. La tensión llega a un extremo (hiper o hipo). Se puede entrar en un coma. 43ºC: La persona muere, normalmente por un paro cardiorespiratorio, en caso de sobrevivir hay daños cerebrales irreversibles. 44-47ºC: El afectado muere. Frío: 35ºC: Temblores, entumecimiento, la piel palidece 34ºC: No se pueden mover los dedos, la persona se confunde y puede alterar su conducta. (A partir de aquí se considera hipotermia) 33ºC: Pérdida de reflejos, baja del ritmo cardíaco, falta de aire, sueño. 32ºC: Alucinaciones, el sueño puede pasar a coma, se deja de temblar, la persona puede sentirse normal pero no tiene reflejos. 31ºC: La persona está en coma, baja grave de circulación, pueden quedar secuelas cardiacas. 28ºC: Daños graves en el corazón, deja de respirar, puede aparentar muerte. 26-24ºC: La persona muere de una falla cardíaca, sin embargo, algunos entran en un estado de casi muerte que les permite sobrevivir.

INTERCAMBIO DE CALOR EN EL BRAZO El calor de la sangre más caliente se transmite a la sangre más fría por radiación y conducción. En cualquier punto a los largo de estos vasos, la diferencia de temperatura puede ser solo de 1º C, pero de un extremo a otro, la diferencia podría llegar a ser de 17º C. Cuanto más largo es el sistema de contracorrientes, mayor es el intercambio de calor. La longitud de los brazos y las piernas, por lo tanto sirven admirablemente para este propósito. El resultado es que la sangre enfriada en las extremidades es calentada hasta la temperatura del cuerpo antes de que regrese al corazón. En esta figura muestra los resultados de Bazett en el brazo de una persona; durante el frio el flujo por las venas superficiales se vuelca hacia los plexos

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BIOTERMODINAMICA venosos profundos o venas satélites. A medida que la sangre venosa más fría se acerca a las zonas centrales, recorriendo un trayecto adyacente y de sentido opuesto al de la sangre arterial, el calor atraviesa la pared de los vasos y lo calienta. La sangre venosa a medida que se acerca al tórax, alcanza temperaturas cercanas a 37º C.

El sistema termorregulador del cuerpo animal se estructura en un complejo mecanismo que tiene como sub-sistemas a los receptores, la vía aferente, el centro de control, la vía eferente y los órganos ejecutores. La disminución de la temperatura de superficie producto a la vasoconstricción periférica (cutánea y subcutánea) reduce el gradiente térmico entre la piel y el medio ambiente por lo que disminuye la perdida de calor. Correspondientemente, este efecto incrementa el gradiente térmico interno entre la temperatura de núcleo y la temperatura de superficie pero el flujo de calor permanece inalterado e incluso puede disminuir según sean las propiedades del tejido subcutáneo. En todas las especies animales el tejido adiposo subcutáneo posee un efecto aislante pero alcanza su mayor importancia fisiológica en los mamíferos acuáticos y en el cerdo. La obtención del máximo de vasoconstricción periférica como respuesta física rápida ante el descenso de la temperatura ambiente puede aumentar hasta tres veces el poder aislante de la piel en los bovinos y hasta seis veces este efecto en el humano. El aislamiento externo dado por la relación pelaje-aire incrementa la resistencia térmica al flujo calórico desde la piel hacia el medio ambiente. El

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BIOTERMODINAMICA objetivo del aumento en el pelaje como respuesta ante el frío es atrapar un mayor volumen de aire en contacto relativamente estable con la piel de manera tal que al ser el aire un mal conductor térmico entonces la piel intercambia con la capa de aire atrapado (aire inmóvil) y este a su vez con el aire del medio ambiente (aire móvil) garantizándose el efecto aislante. Se plantea que el efecto retenedor de calor del pelaje depende casi por completo del aire entrampado que ocupa más del 95% del volumen del pelaje. El aislamiento del pelaje va aumentando lentamente a medida que se va produciendo el crecimiento del pelo del verano para el invierno. Le corresponde a la estación otoñal con su descenso paulatino de la temperatura ambiente ir propiciando el estímulo térmico que produce el crecimiento del pelo corporal y por lo tanto la preparación del pelaje animal para la temperatura fría invernal. El viento y la lluvia sean por separados o unidos llevan a la destrucción parcial del aislamiento proporcionado por el pelaje. El efecto destructor del viento respecto al aislamiento proporcionado por el pelaje disminuye al aumentar la densidad de este, por lo que es menos efectivo en el siguiente orden de especies animales: cerdo, caballo, vaca, carnero, conejo y caribú. Los pelos y plumones finos y lanudos se insertan profundamente en la piel y atrapan el mayor volumen de aire mientras que las plumas y los pelos fuertes se sitúan por encima de ellos ejerciendo una función protectora. La importancia del aislamiento externo depende de la capacidad de transmisión térmica. La pluma y el pelo tienen un aprovechamiento aislante de malos conductores tan altos como el aire sin embargo la capacidad de la grasa y la piel del cerdo es casi siete veces mayor, la de la musculatura 20 veces y la del agua 25 veces.

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APLICACIÓN DEL FRÍO EN MEDICINA La criogenia es el proceso científico a través del cual se congelan objetos u organismos, se ve influenciada la medicina en un futuro y los avances tecnológicos de la mano, consiste en el proceso de congelar organismos u objetos utilizando helio líquido o nitrógeno a temperaturas extremadamente bajas. Lo que día a día se ve más cerca o lo que se pretende hacer en el futuro es conservar órganos para trasplante y mantener humanos en estado de animación suspendida. En el área biológica, se usa la criogenia para conservar embriones para su utilización posterior, lo mismo ocurre con óvulos, semen e incluso tejidos. La criogenia también se utiliza en diferentes áreas de la producción, ya que al aplicarla sobre algunos materiales, aumenta su duración y resistencia. En el área de la medicina es llamada Criobiología que es una disciplina que se encargar de estudiar los efectos de bajas temperaturas en células y tejidos (generalmente con el fin de lograr la criopreservación). El término criobiología proviene de voces griegas: "crio" =frio, "bio"= vida, "logos"= ciencia. Este campo comprende el estudio de cualquier material biológico (células, tejidos, órganos, proteínas) sometido a temperaturas por debajo de lo normal (que van desde una moderada hipotermia hasta temperaturas criogénicas). Al menos 5 áreas de la criobiología se pueden encontrar: -Estudio de la adaptación de microorganismos, plantas y animales en general. -Criopreservación de células, tejidos, embriones de origen humano y animal con fines de almacenamiento a largo plazo. Por lo general esto requiere de químicos que protegen a la célula durante el proceso. -La preservación de órganos para ejecutar un trasplante. -Liofilización (deshidratación por congelación) de productos farmacéuticos. -La Criocirugía emplea gases criogénicos insalubres para la destrucción de tejido. Gracias e esta se puede mantener material biológico en estado viable para que pueda ser utilizado en trasplantes y pueda llevar a cabo su función fisiológica después de la misma.

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BIOTERMODINAMICA La utilización de gases criogénicos es cada vez más necesaria y frecuente en los hospitales y centros de investigación biomédica. Para evitar los riesgos asociados al uso de gases criogénicos, es muy importante conocer sus propiedades y aplicar las medidas de precaución recomendadas. La sangre se puede conservar por mucho más tiempo si se congela rápidamente por uno de los dos métodos: 1) CONTENEDOR DE PAREDES DELGADAS: Está construido de tal manera que el volumen de sangre entre las paredes del contendedor es pequeño y después de ser llenado con sangre debe sumergirse en un baño de nitrógeno líquido (-196 ºC). L a sangre congelada puede conservarse indefinidamente a esta temperatura.

2) METODO DE ARENA DE SANGRE: La sangre es rociada sobre una superficie de nitrógeno líquido y congelado en pequeñas gotitas; las gotitas son como del tamaño de los granos de arena de ahí su nombre. Luego las partículas son recogidas y guardadas en recipientes especiales a la temperatura del nitrógeno líquido. La conservación de órganos como piel, huesos, músculos, corneas es más difícil que simples células como los glóbulos rojos. Las grandes dimensiones físicas limitan la proporción de enfriamiento, y es más difícil adicionar y extraer agentes protectores, por esta razón, está en etapa experimental.

ALGUNAS APLICACIONES DE LA CRIOPRESERVACIÓN:  CRIOPRESERVACIÓN MADRE

DE

CÉLULAS

Obtenidas del cordón umbilical del recién nacido, pueden utilizarse para el tratamiento de enfermedades oncohematológicas como la anemia, leucemia o mieloma mediante el trasplante de Células Progenitoras Hematopoyéticas (TCPH) en casos de enfermedades.

 CRIOPRESERVACIÓN DE ÓVULOS Y TEJIDO OVÁRICO Las reservas de óvulos en la mujer van disminuyendo con la edad, y por lo tanto su fertilidad disminuye también. Los óvulos y el tejido ovárico son congelados para mantener su calidad y ser utilizados luego en

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BIOTERMODINAMICA técnicas de reproducción asistida. De esta forma se puede prolongar la fertilidad de mujeres que no están en condiciones de gestar en determinado momento, sea por deseo o enfermedad.

 CRIOPRESERVACIÓN DE ESPERMATOZOIDES El semen es congelado para preservar su funcionalidad y ser utilizado a futuro para fecundaciones asistidas, por ejemplo, para pacientes que vayan a someterse a quimioterapia. Para congelar la muestra, primero es incubada a 4ºC y luego se forman gotas sobre un bloque de CO2 sólido.

¿Para qué se usa la criogenia? La criogenia tiene varios usos, especialmente en el área de la medicina, en donde se le utiliza en cirugías, ya sea para destruir tejidos específicos o evitar hemorragias, bajando la temperatura en la sangre de forma radical, siendo también útil en el tratamiento del cáncer. A la utilización quirúrgica, se le denomina criocirugía y se utiliza en áreas como la

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BIOTERMODINAMICA neurología, dermatología, ginecología e incluso cirugía plástica. Los primeros usos, datan de 30 años atrás y se dieron en el campo veterinario, para luego pasar al cuidado de las personas. En el área biológica, se usa la criogenia para conservar embriones para su utilización posterior, lo mismo ocurre con óvulos, semen e incluso tejidos. La criogenia también se utiliza en diferentes áreas de la producción, ya que al aplicarla sobre algunos materiales, aumenta su duración y resistencia. Existe la idea de que, congelando un cuerpo humano a posteridad y de forma inmediata después de su muerte (o justo antes), podría conservarse hasta que la ciencia encuentre una forma de curar el mal que terminó con su vida o, remediar el envejecimiento prolongado la vida. Existen compañías que ofrecen aplicar el proceso de criogenia sobre los cuerpos a precios muy altos. No exista ninguna evidencia científica sobre su efectividad y, cualquier problema en el proceso de congelación o conservación, le haría perder utilidad.

¿Cómo se aplica el proceso de criogenia? La criogenia se hace dentro un laboratorio y para ello se utilizan máquinas especiales que convierten a elementos en forma de gas como el nitrógeno y helio en líquidos, lo que permite obtener temperaturas bajísimas de forma muy rápida. Al aplicar el proceso, los especímenes se guardan rápidamente en contenedores especiales que les conservan a una temperatura aproximada de -150 Cº. Cualquier interrupción, puede arruinarlo. Se esperan grandes avances en el futuro de la criogenia, ya que ayudaría a conservar órganos completos para realizar trasplantes y también haría lo mismo con especies biológicas o vegetales, evitando su completa extinción. Actualmente la Criogenia es una de las herramientas a futuro que se barajan como arsenal terapéutico para las nuevas enfermedades llamadas vejez y Muerte. Sucede que ahora un grupo de científicos y personas adineradas e influyentes han propuesto que la vejez y la muerte no sean tratadas como se las conoce hasta ahora sino como dos enfermedades o una misma enfermedad en diferentes etapas. Incluso algunos han propuesto que luego de la muerte clínica, la persona ´sigue viva a nivel tisular´ y que por lo tanto si se actúa adecuadamente se puede recuperar de ese estado. Argumentan que antes de la aparición de la cardioversión en escena, quienes sufrían un paro cardíaco que no podía ser revertido con las maniobras de resucitación habitual, era declarado muerto definitivamente. Posterior a ello con el uso de la cardioversión muchos salvaron sus vidas. Estos científicos apuntan a que quienes no se salvan con la cardioversión podrían por ejemplo ser congelados hasta tanto la nanotecnología se desarrolle lo suficiente como para poder ´reparar´ su organismo y volverlo a la vida.

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CRIOTERAPIA: TRATAMIENTO APLICANDO FRÍO

La crioterapia, es decir, el tratamiento a través de la aplicación de frío, es una técnica de fisioterapia aplicada de diferentes maneras y con varios efectos. El principal efecto de la aplicación de frío como terapia es la sedación de la zona, aunque también destacan otros efectos, como el antiinflamatorio o el circulatorio. Es una técnica que se utiliza mucho en el ámbito deportivo, tanto de forma preventiva (para aliviar después de una dura sesión de entrenamiento) como terapéutica (para tratar alguna lesión).

Forma de aplicación de la crioterapia: Como norma general, entre 10 y 30 minutos de aplicación en una zona localizada. Menos tiempo provocará poco (o ningún) efecto. Mayor tiempo de aplicación aumenta la probabilidad de que se produzca un “efecto rebote”, y el organismo nutra de sangre y caliente una zona del cuerpo que se ha enfriado demasiado. Las aplicaciones se harán de forma discontinua. Es decir, que cada cierto tiempo retiraremos el frío de la zona, y lo volveremos a aplicar pasado unas horas. Por ejemplo, aplicamos unos 10-30 minutos, retiramos la aplicación y, si es necesario, volvemos a aplicar después de una hora u hora y media de descanso. Nunca se aplica el frío directamente sobre la piel. Utilizar una servilleta o paño que aisle la piel del contacto directo con el foco de frío. Esto es porque el frío prolongado produce quemaduras.

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BIOTERMODINAMICA Efectos de la crioterapia: Hay muchos efectos descritos (a nivel metabólico, a nivel de los tejidos…), pero nos centraremos en aquellos más relacionados con el uso del frío para tratar lesiones comunes en el deporte. Disminución del dolor: El frío tiene efecto analgésico. Produce sedación local, disminuyendo la sensibilidad y la percepción del dolor músculo-esquelético. Vasoconstricción: El frío reduce el aporte sanguíneo a la zona. Esto es útil para tratar con inflamaciones provocadas por traumatismos, por ejemplo. Disminución del espasmo muscular: El frío produce acción miorrelajante, pudiendo reducir la espasticidad, es decir, relaja al músculo que está demasiado tenso. Por todo esto es útil para aliviar la sintomatología de contusiones, esguinces, “tirones” musculares, o para reducir las molestias después de actividad física intensa. Técnicas de aplicación de la crioterapia: General: baños fríos. La persona se sumerge en agua helada. Utilizado por algunos deportistas. Local: se aplica en una región del cuerpo. Puede ser usando bolsas de hielo, masaje con hielo, inmersión en baño frío local, sprays, etc.

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BIOTERMODINAMICA Efectos del frío sobre el organismo: El frío aplicado localmente produce vasoconstricción en la zona de aplicación y adyacentes, es decir, disminuye el calibre de los vasos sanguíneos. La repercusión que tiene en la zona de aplicación es que disminuye el aporte de sangre a los tejidos. La piel se torna pálida y fría. La aplicación local de frío tiene efecto: Antiinflamatorio: Al disminuir el flujo de sangre a la zona disminuye también el proceso inflamatorio ya iniciado, sobre todo si es de reciente aparición. Anestésico local: Disminuye el dolor al amortiguar la sensibilidad al tacto y al dolor. Antihemorrágico: Al disminuir el flujo de sangre a la zona. Antitérmico: Desciende la temperatura corporal localmente. Cuando comienza una infección la aplicación local de frío tiene repercusiones importantes sobre la misma, ya que enlentece la inflamación, el crecimiento bacteriano y la formación de pus. Como hemos visto, la aplicación local de frío produce efectos beneficiosos para el organismo pero, si se aplica de forma continua sobre una zona, puede producir vasodilatación a nivel general. Esta es una de las causas por la que las aplicaciones locales de frío se realizan de una manera breve siguiendo una pauta en el tiempo. Cuando se realiza la técnica de manera adecuada es raro que puedan aparecer complicaciones, aunque después de aplicarse durante mucho tiempo puede aparecer palidez, color azulado, vesículas, etc., que son signos indicativos del inicio de un proceso de congelación. El Profesional de Enfermería debe vigilar la zona de aplicación continuamente para que, en el caso de que apareciera alguno de estos signos, proceder a la suspensión del tratamiento y avisar al médico

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BIOTERMODINAMICA responsable del paciente. El frío también tiene efectos generales sobre el organismo: Tonifica la musculatura. Es un estimulante general para el organismo. Disminuye la temperatura corporal. La aplicación de frío (ducha fría) ayuda a bajar la fiebre, de manera especial en los niños.

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TERAPIA CON CALOR La terapia de calor, también llamada termoterapia, es la aplicación de calor al cuerpo para aliviar el dolor y la salud. Puede adoptar la forma de un paño caliente, agua caliente, ultrasonido, una almohadilla eléctrica, paquetes de Hydrocollator, bañeras de hidromasaje, plástico inalámbrico calor FIR terapia, y muchos otros. Puede ser beneficioso para las personas con artritis y músculos rígidos y lesiones en el tejido profundo de la piel. El calor puede ser un tratamiento eficaz de auto-cuidado para enfermedades como la artritis reumatoide. La terapia de calor es más comúnmente utilizada con fines de rehabilitación. Los efectos terapéuticos de calor incluyen el aumento de la extensibilidad de los tejidos de colágeno, disminuye la rigidez articular, reduce el dolor, aliviar los espasmos musculares, la reducción de la inflamación, edema, y ayuda en la fase aguda posterior a la curación y aumentar el flujo sanguíneo. El aumento del flujo sanguíneo a la zona afectada proporciona proteínas, nutrientes y oxígeno para una mejor cicatrización.

Esta aplicación se da mediante agentes térmicos, los cuales son materiales que están en una temperatura mayor a los límites fisiológicos. Busca a partir de los efectos que provoca, mejorar el estado de una lesión o enfermedad. Es una de las técnicas terapéuticas de mayor uso por los profesionales por sus grandes beneficios y su bajo costo. Puede clasificarse como superficial cuando la penetración es baja (como con el uso de infrarrojos o en acciones terapéuticas por mecanismos reflejos) o profunda cuando se dan efectos biológicos gracias al calentamiento directo de tejidos profundos (como sucede en el uso de algunas corrientes eléctricas).

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-APLICACIÓN EL CONTACTO DIRECTO El calor húmedo es más efectiva para el calentamiento de los tejidos calor seco debido a las transferencias de agua de calor más rápidamente que el aire. Esto da lugar a la percepción de que el tejido se calienta con mayor profundidad, lo que aumenta el efecto sobre los músculos, las articulaciones y tejidos blandos. El calor se aplica típicamente poniendo muy caliente, toallas mojadas en la parte del cuerpo correspondiente. La más nueva generación de dispositivos de calor terapia combina un calentador de la fibra de carbono con una batería de litio recargable sin cable y está integrado en la envoltura del cuerpo específico (es decir, envolver el hombro o la espalda plástico) para la terapia de calor específica, y puede ser utilizado como alternativa a la química o conectado en bolsas de agua caliente que se utilizan también para el alivio de los calambres menstruales.

LA RADIACIÓN INFRARROJA La radiación infrarroja es un cómodo sistema para calentar las partes de nuestro cuerpo. Tiene la ventaja sobre el contacto directo en que la radiación puede calentar directamente el área donde los capilares sanguíneos y terminales de las neuronas son. Cuando el calor proviene de una fuente de contacto directo que tiene que calentar la capa externa de la piel y el calor se transfiere a la capa más profunda por la conducción. Desde la conducción del calor necesita un gradiente de temperatura para continuar, y hay una temperatura máxima que puede usarse de manera segura (alrededor de 42 ° C), esto significa bajar la temperatura donde el calentamiento es necesario.

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MECANISMO DE ACCIÓN, Y LAS INDICACIONES El calor crea temperaturas más altas del tejido, que produce vasodilatación que aumenta el suministro de oxígeno y nutrientes y la eliminación de dióxido de carbono y desechos metabólicos. La terapia de calor es útil para los espasmos musculares, mialgia, fibromialgia contractura, bursitis. Como el calor es un vasodilatador, se debe evitar en los tejidos con vascularización inadecuada, en caso de lesión aguda, en trastornos de la coagulación (ya que el calor sería aumentar el sangrado), en los tejidos con una gran falta de sensibilidad, en las cicatrices. Las ondas ultrasónicas al moverse a través del cuerpo producen calor debido al movimiento hacia atrás y delante de los tejidos similar a un micromasaje. Este calor es útil para aliviar y cicatrizar las articulaciones enfermas. Se usa para transmitir calor a los huesos porque absorben energía ultrasónica con mayor eficiencia que los tejidos blandos.

MICROMASAJE: El micromasaje es un método terapéutico especializado que se sustenta en técnicas de masaje muy minuciosas; es una extensión del masaje restaurador corporal, aplicado con las manos a zonas muy concretas del cuerpo humano con el fin de devolverle el equilibrio perdido. Trabajando sobre el tejido conjuntivo con el micromasaje, y con la colaboración del paciente, se van flexibilizando todas las estructuras corporales. Hay que tener en cuenta que se aplica a zonas muy íntimas y sensibles, relacionadas con sentimientos profundos, lo que favorecerá la recuperación corporal y psicoemocional del individuo.

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TERMODINÁMICA MUSCULAR CALOR DE CONTRACCIÓN Cuando se contrae un musculo por acción de un estimulo como bien lo podría ser una corriente eléctrica, se contrae y por ende realiza un trabajo y libera energía . Parte de esta energía es transformada en trabajo mecánico, el cual se utiliza para mover objetos o movernos, esta energía también produce un aumento de la temperatura, el resto de la energía por lo general se disipa en forma de calor. El calor liberado es alrededor de 8,33x105 cal/g-s. En la contracción muscular existen dos aspectos de en la producción de calor: 

Calor de activación= Qa



Calor de acortamiento= a ∆L El calor de activación (Qa ) es constante en su magnitud y aparece cada vez que un estímulo superior al umbral actúa sobre el musculo. El calor de acortamiento es variable y aparece durante la contracción. La suma de estas magnitudes se llama Calor inicial total y se representa por Q es decir:

Q = Qa + a ∆L

a = 0,0035 J/cm3

Donde la constante a tiene el valor de 0,0035 J/cm3 y ∆L el acortamiento. Después de la contracción muscular se libera calor. El calor liberado durante la restitución recibe el nombre de Calor de restitución, que es producido por los procesos respiratorios celulares que proporcionan nueva energía química al musculo este calor no tiene mucha importancia razón por la cual no está considerado en este texto.

1. Tipos de contracción: 1.1.

Contracciones heterométricas Mal llamadas contracciones isotónicas, ya que isotónicas significa "de igual tensión", aspecto que no se da en estas contracciones, ya que su tensión varia a lo largo del recorrido de la contracción en sus diferentes puntos. Las contracciones heterométricas son las más comunes en la mayoría de los deportes, actividades físicas y actividades correspondientes a la vida diaria, ya que en la mayoría de las tensiones musculares que se ejercen suelen ir acompañadas por

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BIOTERMODINAMICA acortamiento y alargamiento de las fibras musculares de un músculo determinado. Las contracciones heterométricas se dividen en: concéntricas y excéntricas. 1.1.1. Contracciones heterométricas concéntricas Una contracción concéntrica ocurre cuando un músculo desarrolla una tensión suficiente para superar una resistencia, de forma tal que éste se acorta, y moviliza una parte del cuerpo venciendo dicha resistencia. Un claro ejemplo es cuando llevamos un vaso de agua a la boca para beber, existe acortamiento muscular concéntrico, ya que los puntos de inserción de los músculos se juntan, se acortan o se contraen. En el gimnasio podríamos poner los siguientes ejemplos: 

a. Máquina de extensiones. Cuando levantamos las pesas, el músculo cuádriceps se acorta con lo cual se produce la contracción concéntrica. Aquí los puntos de inserción del músculo cuádriceps se acercan, por ello decimos que se produce una contracción concéntrica.



b. Tríceps con polea. Al bajar el brazo y extenderlo para entrenar el tríceps, estamos contrayendo el tríceps en forma concéntrica. Aquí los puntos de inserción del músculo tríceps braquial se acercan, por ello decimos que se produce una contracción concéntrica. En síntesis, decimos que cuando los puntos de inserción de un músculo se acercan, la contracción que se produce es «concéntrica».

1.1.2. Contracciones heterométricas excéntricas Cuando una resistencia dada es mayor que la tensión ejercida por un músculo determinado, de forma que éste se alarga, se dice que dicho músculo ejerce una contracción excéntrica. En este caso el músculo desarrolla tensión alargándose, es decir, extendiendo su longitud. Un ejemplo claro es cuando llevamos el vaso desde la boca hasta apoyarlo en la mesa, en este caso el bíceps braquial se contrae excéntricamente. En este caso actúa la fuerza de gravedad, ya que si no, se produciría una contracción excéntrica y se relajarían los músculos del brazo, y el vaso caería hacia el suelo a la velocidad de la fuerza de gravedad. Para que esto no ocurra, el músculo se extiende contrayéndose en forma excéntrica.

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BIOTERMODINAMICA En este caso podemos decir que cuando los puntos de inserción de un músculo se alargan, se produce una contracción excéntrica. Aquí se suele utilizar el término alargamiento bajo tensión. Este vocablo «alargamiento», suele prestarse a confusión ya que si bien el músculo se alarga y extiende, lo hace bajo tensión y yendo más lejos no hace más que volver a su posición natural de reposo. 

a. Máquina de extensiones. 



Cuando bajamos las pesas, los músculos cuádriceps se extiende, pero se está produciendo una contracción excéntrica. Aquí los puntos de inserción del músculo cuádriceps se alejan, por ello decimos que se produce una contracción excéntrica.

b. Tríceps con polea. 

Al subir el brazo el tríceps braquial se extiende bajo resistencia. Aquí los puntos de inserción del músculo tríceps braquial se alejan, por ello decimos que se produce una contracción «excéntrica». En el caso de querer desarrollar la musculatura, se debe trabajar tanto en contracción concéntrica como en contracción excéntrica, ya que ambas van a tener que usarse en nuestra vida tanto cotidiana como deportiva.

1.2. Contracciones isométricas La palabra isométrica significa igual medida o igual longitud. En este caso el músculo permanece estático, sin acortarse ni alargarse, pero aunque permanece estático genera tensión. Un ejemplo de la vida cotidiana sería cuando cargamos un peso y lo mantenemos elevado con el brazo, sin moverlo, manteniendo el peso en la misma posición. Los músculos generan tensión contínua, y no se produce ni acortamiento ni alargamiento de las fibras musculares. En el deporte se produce en muchos casos, un ejemplo podría ser en ciertos momentos del wind surf, cuando debemos mantener la vela en una posición fija. Con lo cual podríamos decir que se genera una contracción estática, cuando generando tensión no se produce modificación en la longitud de un músculo determinado.

1.3. Contracciones auxotónicas Este caso es cuando se combinan contracciones heterométricas con contracciones isométricas. Al iniciarse la contracción, se acentúa más la parte heterométrica, mientras que al final de la contracción se acentúa más la isométrica.

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BIOTERMODINAMICA Un ejemplo práctico de este tipo de contracción lo encontramos cuando se trabaja con «"extensores"». El extensor se estira hasta un cierto punto, el músculo se contrae concéntricamente, mantenemos unos segundos estáticamente (isométricamente) y luego volvemos a la posición inicial con una contracción en forma excéntrica.

1.4. Contracciones isocinéticas Se trata más bien de un nuevo tipo de contracción, por lo menos en lo que refiere a su aplicación en la práctica deportiva. Se define como una contracción máxima a velocidad constante en toda la gama de movimiento. Son comunes en aquellos deportes en lo que no se necesita generar una aceleración en el movimiento, es decir, en aquellos deportes en los que lo que necesitamos es una velocidad constante y uniforme, como puede ser la natación o el remo. El agua ejerce una fuerza constante y uniforme, cuando aumentamos la fuerza, el agua aumenta en la resistencia. Para ello se diseñaron los aparatos isocinéticos, para desarrollar a velocidad constante y uniforme durante todo el movimiento. Aunque las contracciones isocinéticas e isotónicas son ambas concéntricas y excéntricas, no son idénticas, sino por el contrario son bastante distintas, ya que como dijimos anteriormente las contracciones isocinéticas son a velocidad constante regulada y se desarrolla una tensión máxima durante todo el movimiento. En las contracciones isotónicas no se controla la velocidad del movimiento con ningún dispositivo, y además no se ejerce la misma tensión durante el movimiento, ya que por una cuestión de palancas óseas varía la tensión a medida que se realiza el ejercicio. Por ejemplo, en extensiones de cuádriceps cuando comenzamos el ejercicio, ejercemos mayor tensión que al finalizar por varias razones: 

una es porque vencemos la inercia.



la otra es porque al acercarse los puntos de inserción muscular, el músculo ejerce menor tensión. En el caso de los ejercicios isocinéticos, estas máquinas están preparadas para que ejerzan la misma tensión y velocidad en toda la gama de movimiento. Para realizar un entrenamiento con máquinas isocinéticas se necesitan equipos especiales. Dichos equipos contienen básicamente, un regulador de velocidad, de manera que la velocidad del movimiento se mantiene constante, cualquiera que sea la tensión producida en los músculos que se contraen. De modo que si alguien intenta que el movimiento sea tan rápido

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BIOTERMODINAMICA como resulte posible, la tensión engendrada por los músculos será máxima durante toda la gama de movimiento, pero su velocidad se mantendrá constante. Es posible regular la velocidad del movimiento en muchos de estos dispositivos isocinéticos y la misma puede variar entre 0º y 200º de movimiento por segundo. Muchas velocidades de movimiento durante diversas pruebas atléticas reales superan los 100º/s . Otras de estas máquinas tienen la posibilidad de leer e imprimir la tensión muscular generada. Lamentablemente, dichos dispositivos solo están disponibles en centros de alto rendimiento deportivo por sus altos costos. No cabe duda que la ganancia de fuerza muscular es mucho mayor con dichos tipos de entrenamiento, pero hay que tener en cuenta que en muchos deportes se necesita vencer la inercia y generar una aceleración, y por ello este tipo de dispositivos no serían muy adecuados para ello, ya que controlan la inercia y la aceleración.

A. Efectos morfológicos de la contracciones concéntricas (Raimondi, 1999)

combinación de y excéntricas

La contracción concéntrica completa seguida de contracción excéntrica completa permite dar elasticidad al músculo hasta modificar su morfología aunque conserve su longitud natural. La elasticidad aumenta ya que el músculo se estira en su parte contráctil y se acorta en su parte tendinosa. Aumentando la longitud del vientre muscular, el campo de movimiento del músculo aumenta a su vez proporcionalmente.

La contracción concéntrica incompleta seguida de contracción excéntrica completa permite acortar e hipertrofiar el vientre muscular, mientras que en los tendones se produce un estiramiento.

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-+ La contracción concéntrica completa seguida de contracción excéntrica incompleta permite que tanto vientre muscular como tendones disminuya su longitud. El rango de movimiento disminuye a causa de esta retracción. Raimondi (1999) nos señala que este movimiento encadenado resulta ideal en el entrenamiento de los músculos trapecio y romboides para disminuir la actitud dicótica.

La contracción concéntrica incompleta seguida de la parte excéntrica también incompleta permite al vientre acortarse mucho y a los tendones estirarse a causa de esta notable contracción. Raimondi nos señala que este movimiento es ideal para el trabajo de glúteos y espalda alta (efecto en la postura)

2. La contracción tetánica El concepto del espasmo simple nos puede ayudar a comprender los tipos de contracción sostenida, uniforme, que se ven con frecuencia en

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BIOTERMODINAMICA el cuerpo. Estas contracciones se denominan contracciones tectónicas o simplemente tétanos, si llegan una serie de estímulos en rápida sucesión, el musculo no tiene tiempo para alejarse por completo antes de que empiece la siguiente fase de contracción. Los fisiólogos musculares describen este fenómeno como una suma de ondas múltiples, ya que parece como si numerosas ondas espasmódicas se sumaran entre sí para mantener la contracción muscular durante largo tiempo. El tipo de tétanos que aparece cuando se producen periodos de relajación muy cortos entre las contracciones máximas se denomina tétanos incompleto. Es “incompletos” porque la tensión nos e mantiene a un nivel totalmente constante. Cuando aumenta la frecuencia de estímulos, la distancia entre los máximos de contracción disminuye hasta un punto en el que estos parecen fundirse en un máximo único, mantenido. Ello produce un tipo muy uniforme de contracción tetánica, llamada tétanos completo.

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En un cuerpo normal, el tétano es consecuencia de las contracciones coordinadas de diferente de diferentes unidades motoras en el interior del musculo. Estas unidades motoras descargan una secuencia temporal superpuesta para generar un efecto “en tanda”. En una contracción isométrica pura solamente aparece el calor de activación, pueden observarse las curvas de temperatura del musculo en relación con el tiempo.

El calor máximo producido en una contracción tetánica es aproximadamente:

Q = ft Qa + a

Es musculo solo puede contraerse 1/3

𝐋 𝟑



Longitud del musculo en reposo =



Es la frecuencia = F



Duración del estímulo = T

L

El calor producido durante la fase de relajación de una contracción de es casi igual a la energía mecánica acumulada como energía potencial por el musculo en contracción cargada. En el caso que no haya carga para extender el musculo, el calor de relajación del musculo es desde luego, igual a cero. Además existe un calor de recuperación que se presenta miles de veces más lentamente que la contracción y que está asociado con la termodinámica de las reacciones químicas en ciclo de recuperación.

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BIOTERMODINAMICA La cantidad de calor liberado es función lineal del acortamiento e independiente de la tensión del musculo. La relación entre calor de acortamiento y la tensión fue deducida por primera vez en 1924 por Fenn, por este motivo se denomina el efecto Fenn.

ENERGÍA TOTAL DE CONTRACCIÓN De acuerdo a ello, me da la:

E = Qa + W + a ∆L 

Calor de activación= Qa

 Calor de acortamiento= a ∆L 

Trabajo realizado por el musculo = W Como trabajo muscular es el producto de del acortamiento

∆L por la tensión

T, la ecuación anterior se escribe en la forma: E = Qa + T.∆L + a ∆L = Qa + (T + a) ∆L Debe destacarse también, que los resultados térmicos de una contracción isométrica deben ser de muy complejos ya que se hace trabajo al extender el tejido conectivo del musculo, y por tanto ,el calor producido por la activación debe ir acompañado de calor de acortamiento y relajación. En sus primeros estudios Hill llego a la conclusión de que también se presenta una calor de mantenimiento producido durante el tiempo que dura el tétano, siendo este la suma de los calores de activación producidos por los estímulos repetidos necesarios para mantener el tétano. En la contracción tetánica existe un solo calor de acortamiento.

POTENCIA MUSCULAR Es el poder de contracción de los músculos como resultado de un solo esfuerzo máximo a una velocidad especifica.

Potencia = Fuerza x Velocidad=Trabajo Tiempo

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La potencia muscular es la capacidad para ejercer la máxima fuerza en el menor tiempo posible. La potencia es muy importante en algunas actividades deportivas donde el atleta está en la obligación de vencer cargas en el menor tiempo posible para producir un resultado que generalmente se mide en distancia. Por ejemplo, lanzamiento de bala, Disco y jabalina en atletismo, salto alto, etc.

RENDIMIENTO DEL MÚSCULO Para calcular el rendimiento del motor muscular se de tener en cuenta que el

Q1 representa la cantidad de calor que desprende (o consume) el musculo en reposo y Q2 la energía adicional consumida durante la producción de trabajo, la suma Q = Q1 + Q2 representa el consumo total del musculo en actividad. Las cantidades Q1, Q1 y Q2 pueden determinarse en función del consumo de musculo consume energía aun en el estado de reposo. Si

oxigeno por el musculo. El rendimiento del musculo que consume

Q

unidades

de energía para

producir el trabajo W está dado por la relación W/Q .Pero en lugar de este rendimiento total podemos considerar el rendimiento neto del musculo, estableciendo la relación entre el trabajo

W

producido y la energía

consumida para realizarlo, sin tener en cuenta la cantidad musculo en reposo. Así tendremos:

Q1

Q2

que consume el

EL RENDIMIENTO TOTAL

R1 =

𝐖 𝐐

EL RENDIMIENTO NETO Rn =

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𝐖 𝐐𝟐

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BIOTERMODINAMICA Los valores

Q2

y

Q

se refiere al tiempo

t

durante el cual el musculo ha

desarrollado el trabajo W y Q1 corresponde también al mismo tiempo. El musculo desarrolla el máximo trabajo externo a medida que disminuya la velocidad de contracción y siempre que la carga tenga un valor óptimo. Cuando se prolonga la contracción aumente el Q2 y su mantenimiento consume energía. Esto significa que el máximo rendimiento del musculo oscila alrededor de 0,30, lo que expresa que de la totalidad de energía (química) que consume el musculo, solo llega a transformar en trabajo mecánico la tercera parte (30%) y las dos terceras partes restantes (70%) se transforman en calor. En la contracción isométrica el rendimiento es nulo por que el trabajo muscular es cero (W=0) de manera que, según la forma de trabajar, el musculo tendrá rendimiento variable 0 y 0,30.

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MAQUINA TERMINA ¿EL MUSCULO UNA MAQUINA TERMICA? Uno de los recursos en el proceso de enseñanza-aprendizaje, es el uso de analogías, por lo que se sugiere tener claridad en las similitudes, diferencias, ventajas y considerar los riesgos que representa el utilizarlas. A continuación se presenta una reflexión sobre una analogía empleada al comparar el organismo humano con una máquina térmica para evidenciar que ambas, a partir de combustibles (carbón para la máquina y comida para el organismo), realizan trabajo. Una Máquina Térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el término máquina térmica se utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. Entre las que tenemos las maquinas refrigerantes y las bombas de calor. El mejor ejemplo de estas máquinas térmicas son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno. Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes. Una máquina térmica transforma calor en trabajo mecánico, operando 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.

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE LOS ALIMENTOS Cada día el cuerpo humano necesita una cantidad determinada de energía. Las células utilizan esta energía para vivir y ejecutar sus diversas funciones. Los alimentos que ingerimos contienen una multitud de sustancias que nuestro cuerpo necesita para su correcto funcionamiento y crecimiento. Entre ellas, encontramos tres grupos moleculares a partir de las cuales podemos obtener la energía necesaria. Estos grupos son los hidratos de carbono (o carbohidratos), las grasas (o lípidos) y las proteínas. Los carbohidratos son la fuente principal

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BIOTERMODINAMICA de energía, las proteínas son la fuente auxiliar y las grasas son la reserva energética más importante del cuerpo. La principal fuente de energía en el organismo la constituyen los carbohidratos que ingerimos en nuestra alimentación. Éstos durante la digestión se desdoblan en glucosa, la cual es un combustible preformado por plantas verdes en el proceso de fotosíntesis. La glucosa es considerada un almacén de energía solar empaquetado en su configuración molecular. 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. 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, (adenosín trifosfato), las cuales suministran la energía requerida para realizar el trabajo celular, (mecánico, químico, osmótico y eléctrico).

Pasos para la transformación de energía a partir de los alimentos  Paso 1: La digestión El fin de la digestión es la desintegración de las moléculas complejas contenidas en la comida en sus componentes más sencillos, para que ellos puedan ser absorbidos en el intestino. Este proceso inicia en la boca con la masticación y la saliva y continúa en el estómago por medio de los movimientos peristálticos y el jugo gástrico. La bilis y el jugo pancreático que son liberados en el intestino completan la digestión. De esa manera obtenemos como productos finales la glucosa (procedente de los carbohidratos mediante la glucolisis), los ácidos grasos (a partir de los lípidos mediante la lipolisis) y los aminoácidos (elementos básicos de las proteínas, mediante un proceso llamado proteólisis).

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BIOTERMODINAMICA  Paso 2: Absorción y distribución A lo largo del intestino delgado, las células intestinales absorben los nutrientes fraccionados y los liberan en el torrente sanguíneo o en los vasos linfáticos, que a su vez desembocan en el corriente sanguíneo. De esa manera la glucosa, los lípidos y los aminoácidos llegan a todas las células del cuerpo. Es importante mencionar que no todas las células utilizan los nutrientes de la misma manera. Los eritrocitos por ejemplo, metabolizan únicamente la glucosa porque no disponen de mitocondrias. En este artículo hablaremos de la respiración aerobia que precisa la presencia de oxígeno y mitocondrias en las células. En defecto de oxígeno o de mitocondrias en una célula, la metabolización se lleva a cabo por medio de la respiración anaerobia, que pero es mucho menos eficaz de la aerobia en cuanto a producción de energía.

 Paso 3: Transformación en acetil-CoA Una vez en las células, las sustancias obtenidas por la digestión sufren transformaciones por la acción de enzimas para formar el anión piruvato (en el caso de la glucosa) o el acetoacetato (en el caso de los aminoácidos y los ácidos grasos). A continuación, estas dos sustancias son oxidadas para convertirse en acetil-coA, una molécula que se compone de un grupo acetil (procedente del piruvato o del acetoacetato) unido a la coenzima A.

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 Paso 4: Ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa El acetil-coA entra en las mitocondrias, donde toma parte en el Ciclo de Krebs (también denominado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos). De este ciclo proceden las moléculas NADH y FADH, unos reductores necesarios para el funcionamiento de la cadena respiratoria. La cadena respiratoria se compone de una serie de reacciones redox (reducción-oxidación), cuyo resultado es la producción de energía térmica (calor). Esta energía en fin se utiliza para la síntesis de ATPa partir de ADP (difosfato de adenosina) y un grupo fosfato mediante el proceso metabólico de fosforilación oxidativa. Aunque nuestro cuerpo es capaz de obtener energía a partir de los tres grupos moleculares mencionados arriba, pero los carbohidratos son la fuente idónea por la “limpieza” de su metabolización. Durante la metabolización de las proteínas por ejemplo se obtiene el amoníaco tóxico, que necesita ser trasformado para su excreción. Al contrario, del catabolismo de una molécula de glucosa (C6H12O6) provienen 36 moléculas de ATP (en neto), 6 moléculas de agua (H2O) y 6 moléculas de dióxido de carbono (CO2). No se producen sustancias tóxicas o no deseables que necesitan ser ulteriormente tratadas, en cuanto el CO 2 se elimina desde los pulmones por espiración.

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SIMILITUDES Y DIFERENCIAS Similitudes y diferencias de la analogía Una máquina térmica y el organismo, como sistemas que realizan trabajo, requieren de combustible, sin embargo la primera, opera con diferencias de temperatura provocando transferencia de calor y con ello la realización de trabajo, en cambio 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, ya que se realizan mediante mecanismos moleculares. 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.

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Leyes de la Termodinámica relacionadas con el cuerpo humano Principio de la conservación de la energía: para cada cambio físico o químico, la cantidad de energía en el universo permanece constante; la energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una región a otra, pero no puede ser creada o destruída. Un ejemplo de ello sería la respiración celular aerobia, por esta vía metabólica la materia orgánica incorporada es transformada en energía química ( ATP) necesaria para satisfacer todos los procesos de energía que el organismo lo requiera.

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

 

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja.

En la respiración celular aerobia, la energía química sintetizada por Fosforilación Oxidativa es retenida en el organismo para satisfacer sus funciones vitales y parte de la energía no disponible, la calórica, se disipa hacia el exterior, por ejemplo: El aire inspirado esta generalmente a menor temperatura que el interior del organismo y, en su pasaje a través de las vías aéreas, se calienta hasta la temperatura del árbol respiratorio. La humedad contenida en el aire rara vez es del 100%, casi siempre es menor, y en los alvéolos pulmonares se produce la evaporación del líquido que tapiza en forma de delgada película, el interior del epitelio respiratorio, eliminándose el aire espirado saturado de humedad a la temperatura de 36,5ºC. Todos estos factores producen una perdida térmica.

1. Principio de la conservación de la energía: para cada cambio físico o químico, la cantidad de energía en el universo permanece constante; la energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una región a otra, pero no puede ser creada o destruída. 2. El universo tiende al desorden: en todos los procesos naturales, la entropía del universo se incrementa.

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BIOTERMODINAMICA 3. La entropía de los cristales perfectos de todos los elementos y compuestos es cero en el cero absoluto de temperatura.

Riesgos de la analogía Supongamos "el organismo humano una máquina térmica'' cuya eficiencia es de 0.2 y opera a temperatura ambiente, (20 °C), como depósito de menor temperatura, Tf = 293 °K. De la ecuación de eficiencia térmica para una máquina de Carnot, se obtiene Tc que corresponde al depósito de mayor temperatura, es decir, N = 1 - (Tf / Tc), Tc = -Tf / (N - 1), Por lo tanto: Tc = -293 °K / (0.2-1) = -293 °K / -0.8 = 366 °K. Esto implica que el organismo humano no puede ser este depósito, ya que tendría que ser una caldera "muy ardiente'' a 93 °C = 366 °K, y sabemos que su temperatura normal es de 37 °C. Por lo que se descarta la hipótesis de que sea máquina térmica.

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ENTROPIA La entropía puede definirse como el grado de desorden de un sistema. En una reacción bioquímica, este desorden puede adoptar tres formas: Las moléculas no suelen ser rígidas ni permanecer fijas, por lo que pueden vibrar, girar o rotar. Cuanto mayor es la libertad para consentir estos movimientos moleculares, mayor es el desorden o la entropía. 

En un sistema bioquímico están implicadas un gran número de moléculas individuales que pueden encontrarse distribuidas de modo disperso y desordenado o adoptar algún tipo de disposición ordenada como ocurre en gran medida en las células vivas.



El número de moléculas individuales o iones pueden cambiar como resultado de la transformación química. Cuanto mayor es su número, mayor es el desorden y por tanto la 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.



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 Relación de la Termodinámica

Entropía

con

la

segunda

Ley

de

la

El segundo principio de la termodinámica nos enfrenta al problema de la entropía, es decir, la medida del orden y el desorden en un sistema físico dado en el Universo. Nos dice este segundo principio que, suponiendo estados iniciales y finales de equilibrio, los sistemas físicos saltan de un estado con un determinado nivel de orden a un estado menos ordenado. La entropía es un concepto que define el grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La tendencia de los sistemas de forma natural al aumento de la entropía es un principio ontológico y se funda en la experiencia; se nos hace presente como una ley que prescribe el carácter irreversible de determinados procesos. Por ejemplo, define que un cuerpo a una temperatura determinada sólo puede tomar calor de cuerpos o fuentes de energía a mayor temperatura

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BIOTERMODINAMICA que la propia, nunca de cuerpos en su entorno que se encuentren a una temperatura menor. No es de extrañar que el conocimiento y la observación de los sistemas biológicos haya supuesto, desde hace mucho tiempo, una inquietud en relación a la observancia del segundo principio por parte de los sistemas biológicos. Ya en la primera mitad del pasado siglo el físico y premio Nobel austriaco Erwin Schrödinger escribió un libro célebre y de permanente actualidad titulado “What is Life” en el que se cuestionaba precisamente (y entre otros temas del máximo interés) la consistencia de los procesos de la vida, en cuanto eventos estrictamente naturales, con los principios de la termodinámica. Schrödinger formulaba en el libro sus conclusiones en el sentido de que la vida no es ajena ni se opone a las leyes de la termodinámica sino que los sistemas biológicos conservan o amplían su complejidad y su orden interno exportando la entropía que producen sus procesos. En definitiva, la disminución de su entropía se debe a que no son sistemas cerrados sino abiertos, que reciben y transforman energía procedente del exterior.

ENERGIA LIBRE (G) Para medir el término de la variación de entropía , la solución se hace más fácil con la introducción del concepto de energía libre de Gibbs que combina los dos términos en uno solo. El cambio de energía libre o G, según Gibbs, viene dado por la expresión: (variación de G) = (variación de H) - T (variación de S), donde T es la temperatura absoluta. Esta ecuación se aplica a los sistemas en los que la temperatura y la presión permanecen constantes durante el proceso, como es el caso de los sistemas biológicos.

Al hablar de energía libre nos referimos a energía disponible para realizar un trabajo útil. Representa la máxima cantidad de energía procedente de una reacción química disponible para realizar trabajo útil. Este incluye la contracción muscular, la síntesis química en la celula y los trabajos osmóticos y eléctrico, sus valores se expresan en unidades de calorías o julios ( 1 caloría = 4,19 julios) por unidades de masa molecular.

Energía libre en los proceso biológicos la mayoría de los procesos orgánicos tienen lugar a presión y temperatura constante. En consecuencia la variación de la energía libre juega un papel importante. Por ejemplo, el trabajo mecánico realizado por el tejido muscular bajo tales condiciones constituye trabajo útil y solo puede ocurrir con disminución de energía libre

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BIOTERMODINAMICA Otro ejemplo: La formación de la orina que el riñón produce a partir de la sangre tiene una molaridad varias veces superior a la del plasma. En consecuencia en riñon debe cumplir la función de llevar sustancias en una solución de menor concentración a otra de mayor concentración estando este proceso acompañado de un aumento de energía libre. El primer ejemplo muestra la necesidad del organismo de proveerse de sistemas de sustancias de alta energía libre. El segundo plantea un pequeño problema puesto que a presión y temperatura constantes un proceso con aumento de energía libre es imposible. Sin embargo, esto no significa que en el organismo ocurran reacciones que violen las leyes de la termodinámica. El organismo se provee de sistemas de alta energía libre de dos maneras: una formándolas el mismo por asimilación y otra ingiriéndolas del exterior. En el primer caso, solo pueden formarlas por medio de reacciones acopladas, por la combustión de sustancias que ingiere. En el segundo caso, las sustancias que el animal ingiere provienen generalmente de los vegetales, que pueden generar reacciones con aumento de energía solar .En este caso el proceso no contradice las leyes de la Termodinámica, puesto que la energía solar aprovechada por el vegetal hace del trabajo exterior recibido por el sistema.

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CONCLUSIÓN Después de lo detallado a lo largo de este trabajo sobre biotermodinamica. Se llega a la conclusión, que esta rama de la física es muy importante debido a su amplio alcance en las diferentes materias y en los diferentes aspectos de la vida cotidiana, y por supuesto en la medicina. Por lo tanto podemos, luego de haber estudiado con más profundidad y claridad el tema, llegar a las siguientes conclusiones. La termodinámica es la parte de la física que estudia las leyes más generales bajo las cuales ocurren los fenómenos térmicos, la energía, la transformación y sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. La termodinámica se enfoca en un proceso de cambio para facilitar la vida del hombre. Comprendemos que la temperatura no es energía sino una medida de esta y que es la sensación de la diferencia de calor de los diferentes cuerpos. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya así mismo comprendemos que el calor es una transferencia ente dos cuerpos que se puede asociar al movimiento de los átomos No es lo mismo calor que temperatura, pero están estrechamente relacionados. La absorción de calor por un cuerpo puede producir el aumento de su temperatura y cuando lo cede, su disminución. Para la medición de temperatura se utiliza el termómetro. Existen diferentes escalas para graduar los termómetros. Primera Ley de la Termodinámica: la energía puede ser convertida de una forma a otra, pero no se puede crear o destruir. Segunda Ley de la Termodinámica: la entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra en equilibrio. Tercera Ley de la Termodinámica: la entropía de una sustancia cristalina perfecta es cero a la temperatura del cero absoluto. Las similitudes mencionadas en el capítulo de Maquina Térmica, 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, o también máquina bioquímica.

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BIOTERMODINAMICA Finalmente concluimos resaltando la importancia que tiene el equilibrio de un sistema con su medio ambiente. Esta relación es muy importante en todas las actividades que se realizan en el universo, ya que una vez que exista un desequilibrio, esto provocará un desorden y posiblemente un caos en el sistema y su ambiente.

RECOMENDACIONES 

Para tener una mayor exactitud en los datos, se deben tomar en cuenta otros factores que influyen en el sistema.



Conocer los distintos tipos de termómetro que existen y saber el uso adecuado.



Tener en cuenta las diferentes variaciones patológicas del metabolismo basal.



Para utilizar correctamente cualquier técnica basada en la crioterapia, es necesario conocer las respuestas fisiológicas de cada modalidad y saber qué necesita el paciente en cada momento.



Ante una lesión aguda, es sumamente beneficioso el uso del frío ya que retrasa el metabolismo tisular y se evita la lesión secundaria.



Durante la rehabilitación, el frío se utiliza como coadyuvante del ejercicio activo y otras técnicas terapéuticas.



Si se tiene dudas en la aplicación del frío ante una lesión, recurra a la ayuda de un profesional sanitario (fisioterapeuta, preparador físico, médico), conocedor de las técnicas crioterapéuticas.



Utilice el hielo, y no elementos sintéticos, como agente terapéutico siempre que tenga elección.



Conocer los pasos para la transformación de energía a partir de los alimentos.

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BIBLIOGRAFÍA Calor. FISICALAB. Recuperado el 10 de https://www.fisicalab.com/apartado/calor#contenidos

setiembre

2015.

En:

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