termodinamica de los seres vivos

Cuaderno del Alumno – Área Nutrición – Centro Editor Facultad de Ciencias Médicas, U.N.R.

TERMODINÁMICA: APLICACIÓN AL SER VIVO Dra. Graciela Bazzoni, Dra. Gladis Hernández, Dra. Marta Rasia, Bioq. Daniel Vaccaro. Física Biológica. Facultad de Ciencias Médicas, UNR. Contenidos

Introducción. Objeto y método de la termodinámica. Sistemas termodinámicos. Temperatura y energía cinética. Calor y equilibrio térmico. Energía interna: calor y trabajo. Postulado de permanencia: El Primer Principio. Metabolismo basal. Rendimiento del cuerpo humano como máquina. Potencia. Postulado de evolución: El segundo principio. Homogeneidad y entropía. Interpretación termodinámica del metabolismo animal. Referencias bibliográficas. Guía de autoaprendizaje.

Introducción

Uno de los problemas centrales y ancestrales de la humanidad desde su aparición,

fue el manejo de la energía: ha sido siempre la clave de sus mayores objetivos y de sus

sueños de un mundo mejor. Se ha dicho que el hombre de las cavernas inició su marcha

hacia la civilización cuando utilizó la energía del fuego para obtener calor y luz, y la

energía de sus músculos en la maza, y el arco para su alimento y su supervivencia.

Desde entonces el bienestar material del hombre ha dependido, en gran parte, de la

utilización de nuevas formas de energía: primero el viento (en las velas y en los molinos) y

las caídas de agua. Más tarde, las máquinas mecánicas y las reacciones químicas de los

combustibles. Por último, en nuestra época dependemos de la magia de la energía

eléctrica, la amenaza de la energía atómica y la promesa de la energía solar.

La energía es un concepto básico en ciencia. Por un lado, todo lo que existe

-incluso la materia- es energía y, por lo mismo, todo lo que ocurre en el Universo se

puede ver como transformaciones energéticas. Por ejemplo, los procesos que

denominamos "pensar" y "vivir" requieren de aportes energéticos para que tengan lugar.

La energía del sol es la fuente principal de vida en la Tierra. Sin ella, el océano se

helaría. La temperatura en la superficie caería casi hasta el cero absoluto (-273 °C).

La energía solar dirige los ciclos geofísicos y geoquímicos que mantienen la vida

entre ellos, el ciclo del oxígeno, el del agua, el del carbono, y el del clima. El sol nos

suministra alimentos, por medio de la fotosíntesis, y la mayor parte de nuestro


combustible. Los combustibles fósiles son simplemente energía solar almacenada –el

producto de la fotosíntesis hace millones de años.

Casi el 99% de la energía que fluye desde y hacia la superficie terrestre es el

resultado de la radiación solar. El calor procedente del centro de la Tierra y las fuerzas

gravitatorias del sol y la luna hacen el resto. La radiación solar que recibe la Tierra es el

equivalente al total de la energía procedente de 173 millones de inmensas centrales

energéticas, trabajando a pleno rendimiento todo el día, cada día. Pero el 30% de esta

energía sale reflejada hacia el espacio. Del resto, una gran parte calienta el aire, el mar y

la tierra (47%), o se consume por la evaporación y el ciclo del agua (23%).

La Termodinámica se desarrolló para estudiar las transformaciones energéticas

que tienen lugar en cualquier sistema. Otra importancia del análisis termodinámico es que

permite predecir la "factibilidad" de un proceso espontáneo.

Introduciremos algunos conceptos de la Termodinámica que resulten accesibles y

útiles para su aplicación biológica.

Objeto y método de la termodinámica

Al decir de Albert Szent-Gyorgyi: “La Termodinámica es una ciencia rara. Es un

sistema de lógica basado en tres postulados que nunca fueron probados ni refutados.

Manipulando inteligentemente símbolos e ideas ha establecido relaciones entre las

distintas formas de energía…que nos permiten espiar desde atrás del escenario cómo

trabaja la Naturaleza… La termodinámica puede decirnos cómo hace la Naturaleza para

moldear fenómenos tan complejos como la contracción muscular a partir de reacciones

más simples.”

El análisis de un sistema puede hacerse desde un punto de vista macroscópico o

microscópico. Propiedades tales como presión, volumen o temperatura se refieren a las

propiedades en gran escala del sistema, proporcionando una descripción macroscópica

del mismo. Tal descripción no involucra suposiciones en cuanto a la estructura de la

materia. En cambio, una descripción microscópica necesita de la especificación de

numerosas variables, por ejemplo la velocidad y posición de las partículas que constituyen

la estructura de la materia.

Sistemas termodinámicos

Desde el punto de vista termodinámico, se define a un sistema como la porción del

Universo sometida a estudio.


El sistema puede ser "algo" tan concreto como un automóvil o una célula, o "algo"

tan abstracto como una reacción química que no tiene ubicación ni límites materiales.

Definir "cuál es el sistema" está a cargo del analista, es lo primero que éste debe

realizar, y mantenerlo a lo largo de todo el análisis. Para ello, deberá tener en cuenta que

el sistema definido debe ser el más conveniente para describir en forma simple cualquier

cambio de materia y/o energía que en él suceda.

La definición del sistema incluye fijar sus "límites", los cuales pueden ser reales o

imaginarios. Todo lo que queda fuera de ese sistema y que pueda interaccionar con él, se

denomina entorno. De tal manera que:

SISTEMA + ENTORNO = UNIVERSO Por ejemplo:

Si se tiene café caliente en una taza, en un lapso de tiempo la taza se calentará a

expensas del café que le cederá calor y ambos alcanzarán una misma temperatura, que

será mayor que la del ambiente. A su vez, café y taza se irán enfriando hasta la

temperatura ambiente. Esta historia ilustra una sucesión de procesos termodinámicos, en

los cuales la energía en forma de calor, fluye de los cuerpos de mayor hacia los de menor

temperatura.

Se puede estudiar algún aspecto o etapa del ejemplo anterior y, de acuerdo a la

elección, el sistema puede ser diferente:

a) el café; b) el café y la taza c) el café, la taza, y la habitación.

Cuando en un sistema ocurre un proceso, el sistema cambia de estado; es decir,

el sistema pasa de un estado inicial a otro final. Cada estado está definido por un conjunto

de variables que determinan sus propiedades: temperatura, presión, viscosidad, volumen,

etc. Por ejemplo: si el café recién hecho (estado inicial) se deja a temperatura ambiente,

pasa a otro estado (final) de menor contenido energético.

Veremos que el sistema puede o no interaccionar con el entorno y, de acuerdo a

ello, se lo clasifica como:

- Abierto: Si intercambia materia y energía. Ejemplo: un ser vivo, una estufa a gas

encendida, una célula, un tejido, una pava hirviendo, etc.

- Cerrado: Si sólo intercambia energía. Ejemplo: una plancha en funcionamiento, un

frasco hermético que contiene agua caliente.

- Aislado: Cuando no intercambia ni materia ni energía. Ejemplo: el Universo, el termo

perfecto.


Se llama proceso al conjunto de modificaciones que se producen en el sistema y

que conducen a un cambio de estado del mismo. Para el caso de sistemas abiertos o

cerrados, involucra la interacción con el entorno. La sucesión ordenada de estados

intermedios o situaciones por las que el sistema atraviesa al evolucionar se denomina

camino.

Conviene señalar que los procesos que puede experimentar un sistema están

siempre vinculados a la existencia de diferencias en los valores de propiedades entre el

sistema y el entorno, o entre distintas partes del sistema. Estas diferencias son una

manifestación de la existencia, a nivel molecular, de fuerzas responsables de la evolución,

y tiene relación con el sentido de la misma, ya que el cambio se produce tendiendo a

anularlas.

Por ejemplo: un proceso de compresión o expansión se produce a expensas de

una diferencia de presión o de temperatura, tendiéndose en ambos casos a anular dicha

diferencia.

Temperatura y energía cinética

Toda la materia, sólida, líquida y gaseosa, está constituida por átomos o moléculas

que se agitan continuamente. Por dicho movimiento los átomos o moléculas tienen

energía cinética. La energía cinética promedio de las partículas individuales se relaciona

en forma directa con lo caliente que se siente algo. Siempre que algo se calienta sabemos

que aumenta la energía cinética de sus partículas. Si pones un recipiente con líquido

sobre una llama, el recipiente y el líquido se calientan. Cuando un sólido, líquido o gas se

calienta, sus átomos o moléculas se mueven con más rapidez. Tienen más energía

cinética.

La variable que nos indica qué tan caliente o qué tan frío está un objeto respecto

de una referencia, es la temperatura. Esta se expresa por medio de un número que

corresponde a una marca en cierta escala graduada (°C: Celsius, °K: Kelvin, °F:

Farenheit). La temperatura es una "magnitud", es una propiedad de un sistema que puede

ser medida.

La temperatura se relaciona con el movimiento aleatorio de los átomos y moléculas

de una sustancia. En forma más especifica, la temperatura es proporcional a la energía

cinética “de traslación” promedio del movimiento molecular, el movimiento que lleva a la

molécula de un lugar a otro.. Las moléculas también pueden girar o vibrar, con su energía

cinética de rotación y vibración correspondiente, pero esos movimientos no afectan en

forma directa a la temperatura.


El efecto de la energía cinética de traslación en función de la energía cinética de

vibración y rotación se demuestra en forma dramática en un horno de microondas. Las

microondas que bombardean los alimentos hacen que ciertas moléculas de éstos,

principalmente las moléculas de agua, vibren y oscilen con gran cantidad de energía

cinética. Pero las moléculas que oscilan no cuecen los alimentos. Lo que eleva la

temperatura y cuece el alimento es la energía cinética tradicional que las moléculas de

agua en oscilación imparten a las moléculas vecinas que rebotan con ellas. Para que lo

comprendan mejor, imagina un puñado de canicas que salen despedidas en todas las

direcciones al encontrarse con las aspas de un ventilador. Si las moléculas vecinas no

interactuaran con las moléculas de agua en oscilación, la temperatura del alimento no

cambiaría respecto a la que tenía cuando se encendió el horno.

Calor y equilibrio térmico

La materia contiene diversas formas de energía: cinética, potencial, química, etc.

Es erróneo pensar que la materia contiene calor.

Energía Calórica o calor: Es la energía que fluye entre dos cuerpos de distinta

temperatura. Así, aumenta el contenido energético del cuerpo que se calienta y disminuye

el contenido energético del que se enfría. Es decir, es la energía que se transfiere de un

objeto más caliente (el de mayor Energía Cinética molecular promedio) a otro más frío (de

menor Energía Cinética molecular promedio) debido a la diferencia de temperatura.

Cuando dos o más objetos que están en contacto alcanzan la misma temperatura,

el calor deja de fluir entre ellos y se dice que están en equilibrio térmico.

El termómetro permite medir la temperatura de un cuerpo en contacto con él

cuando ambos alcanzan el equilibrio térmico.

Con estos conceptos se puede enunciar la ley Cero de la Termodinámica:

“Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces,

están en equilibrio térmico entre sí”.

“Dos sistemas están en equilibrio térmico, si y sólo sí, tienen la misma

temperatura”.

Transmisión del calor

Para que dos cuerpos, que están a distinta temperatura, alcancen la misma

temperatura es necesario transferir energía (calor) del más caliente al más frío. Esta

transferencia se puede hacer de tres maneras:

- Conducción: En este caso, la transmisión del calor ocurre debido a los contactos


directos o choques entre átomos o moléculas. La conducción implica el movimiento de

la energía de una molécula a otra. En un sólido con zonas de diferente temperatura, o

entre dos cuerpos en contacto, es el mecanismo más importante de transmisión.

Los mejores conductores del calor son los metales, mientras que los líquidos y

gases son malos conductores, y por lo tanto son buenos aislantes. La madera, la lana,

el papel, la nieve son ejemplos de buenos aislantes.

Ejercicio: Si se toca un trozo de metal y un trozo de madera que están a la misma

temperatura ambiente. ¿Cuál parece más frío al tacto? ¿Por qué?

- Convección: Aquí, a diferencia de la conducción, lo que se desplaza es la sustancia

caliente originando corrientes de convección. Por ejemplo: el aire calentado por una

estufa, asciende y calienta las regiones superiores. La brisa marina se origina por lo

mismo: durante el día, la arena se calienta más que el agua. El aire sobre ella se eleva

y una corriente de aire frío proveniente del agua toma su lugar; durante la noche

sucede lo contrario.

- Radiación: Dado que en el espacio hay vacío, el calor del Sol no se puede transferir

por conducción ni por convección para producir el calentamiento de la Tierra.

Entonces, ¿cómo llega el calor a la Tierra? Por medio de ondas electromagnéticas que

constituyen la radiación. La energía radiante capaz de transmitirse en el vacío

comprende diversas bandas del espectro electromagnético, entre ellas, la radiación

infrarroja que al ser absorbida por la materia aumenta la agitación térmica de las

moléculas provocando aumento de su temperatura. La radiación infrarroja se identifica

con el calor. En general, todos los cuerpos emiten y reciben energía radiante del

entorno en una cantidad que depende de su temperatura.

Energía interna. Calor y trabajo

Un sistema constituido por una sustancia pura, contenida en un recipiente a una

dada temperatura, no sólo contiene energía cinética debida al movimiento de sus

moléculas (de rotación, traslación o vibración) posee además energía potencial

relacionada con las fuerzas de distinta naturaleza (gravitacional, eléctrica, elástica, de

presión) que se ejercen sobre dichas moléculas.

El total de todas las formas de energía que contiene esa sustancia o sistema

se denomina Energía interna (Ei).

Et = Ecinética molecular + Epotencial molecular = Ei


Los sistemas termodinámicos contienen energía interna (y no calor). Este

contenido de energía interna es inherente a la estructura interna del sistema y es

independiente de la energía potencial del sistema en su entorno (si está en un campo de

fuerzas) y de su energía cinética (si está en movimiento). Por ejemplo, el valor de energía

interna de una sustancia contenida en un recipiente a una temperatura dada, será el

mismo independientemente de la altura del recipiente respecto al piso o del movimiento

del recipiente (por ejemplo en una centrífuga). Una bomba atómica determinada posee la

misma Energía interna, ya sea que se encuentre en un submarino sumergido a miles de

metros bajo el nivel del mar o se encuentre en vuelo en la cabeza de un misil.

La descripción del estado de un sistema se hace a través de propiedades

denominadas variables de estado. La energía interna es una función definida por el

estado del sistema como lo son la presión, el volumen y la temperatura; por esto la

energía interna es una variable de estado.

El valor absoluto de energía interna de un sistema depende de parámetros

microscópicos y es difícil de medir con la tecnología actual, pero sí puede calcularse el

cambio de energía interna (∆Ei) cuando el sistema cambia de estado que no depende de

las particularidades del proceso utilizado para efectuar el cambio.

Un sistema cerrado puede modificar su energía interna intercambiando con el

entorno algunas de las dos formas de energía en tránsito: calor (Q) y/o trabajo (W), es

decir:

a) Calor(Q). Si existe diferencia de temperatura (∆T) entre sistema y entorno, habrá un

movimiento de energía llamada calor, del más caliente al más frío.

b) Trabajo (W) es la energía que entrega el sistema a su entorno cuando ejerce algún

tipo de fuerza sobre él, o a la inversa, es la energía que recibe el sistema cuando el

entorno ejerce una fuerza (de compresión o expansión, elástica, eléctrica, química,

etc.) sobre él.

Si el sistema entrega trabajo o calor al entorno, ambas energías tendrán signo

negativo. Si el entorno realiza trabajo sobre el sistema o si el sistema recibe calor del

entorno ambos tienen signo positivo.

De aquí se deducen dos formas para definir el término "energía":

1) Es la capacidad de un sistema para realizar trabajo.

2) Es todo lo que puede transformarse en calor.

Cuando un sistema cerrado evoluciona, intercambia calor o trabajo con el entorno,

pasando de un estado inicial (1) a un estado final (2), por lo que sufrirá un cambio en su


energía interna.

∆Ei = Ei2 - Ei1 = Q + W

Postulado de permanencia: el primer principio Si analizamos la posibilidad de aumentar la energía interna de un sistema

agua - vaso, concluimos que debemos calentar, agitar o iluminar el vaso con agua. Es

decir, no puede aumentarse la energía interna del sistema sin que ingrese energía desde

el entorno. Es decir, si aislamos el sistema no podrá aumentar su energía interna.

La observación de los fenómenos a lo largo de la historia muestra que la energía

no surge de la nada. Si un sistema abierto o cerrado "gana" energía, ésta debe provenir

del entorno y a la inversa, si un sistema "pierde" energía, ésta pasa al entorno.

El Primer Principio se puede enunciar de distintas maneras: - "La energía no puede ser creada ni destruida, se transforma". - "La Energía interna del Universo es constante". - "No existe un sistema abierto o cerrado que realice trabajo perpetuamente

sin recibir energía". "Si un sistema cerrado es sometido a un proceso cíclico (vuelve a su estado

original), el trabajo producido sobre el medio ambiente es igual al calor extraído

del mismo por el sistema".

Para un sistema aislado, la energía interna no puede modificarse

∆Ei = Ei2 – Ei1 = 0

El Universo es un sistema aislado, no tiene entorno, por lo tanto la energía interna del Universo es constante.

Para un sistema cerrado, su contenido de energía varía durante un proceso de

acuerdo al balance entre la energía que gana y la que pierde. Teniendo en cuenta que las

formas de energía en tránsito son calor (Q) y trabajo (W) y que estas variables tendrán

signo positivo cuando ingresan al sistema y negativo cuando salen de él, para los

sistemas cerrados el primer principio tiene la siguiente expresión matemática:

∆Ei sistema = Q + W

W Q Q


Supongamos un sistema cerrado que absorbe calor del entorno y le entrega

trabajo:

∆Ei sistema = +Q - W

∆Ei entorno = -Q + W

∆Ei universo = ∆Ei sistema + ∆Ei entorno = +Q - W -Q + W = 0

Surge que: "La Energía interna del Universo es constante". Por último, si el sistema es abierto:

∆Ei = Q + W + E materia

Aplicando el primer principio de la termodinámica, por ejemplo, al sistema ser vivo

resulta:


Cuando la cantidad de energía incorporada con los alimentos (E materia) es igual a la

cantidad liberada al entorno como calor y trabajo (Q + W), la energía interna del

organismo se mantiene constante.

- Q - W = E materia

∆Ei = 0

Sin embargo, esta situación es más bien la excepción que la regla. Durante el

crecimiento, la energía química del organismo aumenta progresivamente (∆Ei tiene signo

positivo), lo mismo ocurre cuando un adulto aumenta su peso.

Emateria > Q + W

∆Ei > 0

En cambio, hay una disminución de la energía química del organismo en las

insuficiencias nutricionales. En períodos de ayuno (desnutrición, inanición) se anula el

aporte energético brindado por los alimentos (E materia = 0), entonces los compuestos de

depósito como glucógeno, lípidos y proteínas se degradan liberando la energía química

almacenada en ellos manteniendo los procesos biológicos.


∆Ei = - Q - W + 0

∆Ei < 0

Es fácil comprender que en el individuo normal se produzcan fluctuaciones en los

depósitos de energía interna que se ponen de manifiesto por cambios en el peso corporal

durante el día.


Metabolismo basal El metabolismo consiste en el conjunto de todas las transformaciones que tienen

lugar en los sistemas biológicos. Desde el punto de vista de la energía, el metabolismo

consiste en el aprovechamiento de la energía química contenida en los alimentos

ingeridos y en su eliminación posterior en forma de energía utilizada.

El ser vivo obtiene energía de la oxidación de moléculas complejas (carbohidratos,

proteínas, grasas) denominada energía metabólica. Una parte la utiliza para sus procesos

vitales y el resto es eliminada al exterior en forma de calor. La energía utilizada en los

procesos vitales es eliminada finalmente al exterior, también en forma de calor.

La cantidad total de calor eliminado al exterior da idea de la actividad interna del

organismo, que se puede estimar midiendo el 02 consumido durante un determinado

período. La velocidad con que el organismo consume energía se llama tasa metabólica.

En condiciones de reposo una persona de 1,75 m2 de superficie corporal; 1,75 m de altura

y 76 Kg de masa, consume 92 Kcal/h. Esta es la cantidad de energía necesaria para

desarrollar las funciones corporales mínimas (respiración, bombeo cardíaco, etc.) y se

denomina tasa metabólica basal y equivale a consumir aproximadamente 0,3 litros de 02

por minuto.

Más allá de la tasa metabólica basal, el consumo energético depende de la

actividad física realizada. Por ejemplo: jugando al tenis se consumen 1,26 litros de 02 por

minuto, lo que equivale a 6,3 kcal de energía por minuto; caminar lentamente consume

0,76 litros de 02 /min que equivalen a 3,8 kcal/min de energía.

La medición del oxígeno consumido por el cuerpo es una buena estimación de la

energía liberada (calor más trabajo). Del mismo modo, se puede obtener una estimación

de la energía que proveen los distintos tipos de alimento en función del oxígeno


consumido para su oxidación.

La tasa metabólica basal depende fundamentalmente de la función tiroidea. Una

persona con una glándula tiroides hiperactiva tendrá mayor metabolismo basal que una

normal. La tasa metabólica depende también de la temperatura corporal. Los procesos

químicos que se desarrollan en el cuerpo son dependientes de la temperatura; un

pequeño cambio en ella puede producir un gran cambio en la velocidad de las reacciones

químicas. Por ejemplo: la hibernación utilizada durante las cirugías cardíacas (se

mantiene al paciente a baja temperatura) tiene por finalidad disminuir el metabolismo para

reducir el flujo sanguíneo.

Es obvio que para mantener un peso constante, un individuo debe consumir

alimentos en la cantidad justa y necesaria para atender al metabolismo basal más la

actividad física que desarrolla. Comiendo muy poco provocará una pérdida de peso y a la

inversa, un aumento del peso corporal.

Observando la gráfica de la utilización de la energía por el organismo vivo, resulta

evidente que sólo una pequeña parte es entregada al entorno como trabajo. Más aún,

algunas veces el esfuerzo realizado no constituye “trabajo” en un sentido físico.

Sabiendo que trabajo es el desplazamiento logrado contra una fuerza, si una

persona camina o corre sobre una superficie horizontal a velocidad constante (la fuerza

de gravedad que actúa sobre ella, es perpendicular al movimiento), el trabajo que realiza

es nulo. De igual manera, si la persona empuja un cuerpo y no logra desplazarlo, el

trabajo externo es cero porque el desplazamiento es nulo. Sin embargo, en ambas

circunstancias los músculos realizan trabajo interno, se utiliza energía química para la

contracción muscular y parte se pierde como calor. Este es retirado por la sangre y

conducido hacia la piel para disiparlo al exterior.

Sabiendo que trabajo es el desplazamiento logrado contra una fuerza, si una

persona camina o corre sobre una superficie horizontal a velocidad constante (la fuerza

de gravedad que actúa sobre ella, es perpendicular al movimiento), el trabajo que realiza

es nulo. De igual manera, si la persona empuja un cuerpo y no logra desplazarlo, el

trabajo externo es cero porque el desplazamiento es nulo. Sin embargo, en ambas

circunstancias los músculos realizan trabajo interno, se utiliza energía química para la

contracción muscular y parte se pierde como calor. Este es retirado por la sangre y

conducido hacia la piel para disiparlo al exterior.


Rendimiento del cuerpo humano como máquina El ser vivo puede analizarse como una máquina. Claro que su funcionamiento se

encuentra alejado del ideal debido a que solo parte de la energía química de los alimentos

es utilizada por el hombre para realizar trabajo mecánico: los procesos vitales que ocurren

en él implican un gasto energético mucho mayor que el trabajo externo producido.

La relación entre el trabajo que efectúa una máquina o el ser vivo sobre el entorno

y la energía total consumida para realizarlo, se denomina rendimiento(R) o eficiencia.

Generalmente se lo expresa como porcentaje, y se calcula de la siguiente manera:

R = (W realizado / Energía total) x 100 El rendimiento del cuerpo humano como máquina puede estudiarse a través de la

prueba ergométrica: un individuo pedalea sobre una bicicleta fija que tiene una resistencia

ajustable en diferentes valores. De esta manera, el trabajo externo realizado y la potencia

desarrollada pueden medirse al igual que el oxígeno consumido durante dicha actividad.

Sabiendo que por cada litro de oxígeno consumido se producen entre 4.8 y 5 kcal, se

puede calcular la cantidad de energía total consumida durante la prueba. Con el trabajo

externo (W) realizado y la energía total consumida podemos obtener la eficiencia o

rendimiento (R) del cuerpo como máquina.

Ejemplo: Durante un ejercicio físico que implique un trabajo de 10 Kcal/hora, el

organismo proporciona 60 Kcal/hora de las cuales 50 Kcal/hora se eliminan al exterior

como calor. El rendimiento de la operación es del 17 %.

La eficiencia del cuerpo humano en condiciones óptimas puede alcanzar valores

del orden del 25%. La actividad deportiva más eficiente es el ciclismo.

Potencia

En la definición de trabajo, no se especifica cuánto tiempo se tarda en hacerlo.

Subir una escalera de 10 metros de altura a una persona de 80 Kg, implica realizar el

mismo trabajo en 1 minuto que en 10 minutos. ¿Por qué se siente más fatigado cuando lo

realiza en menos tiempo?

Para responder a esta pregunta es necesario referirse a la rapidez con que se

realiza el trabajo, es decir, a la potencia.

Potencia (P) se define como el trabajo realizado (W) por unidad de tiempo (t). P = W / t

Su unidad: watt (wattios): Joule / segundo


Postulado de evolución: el segundo principio Consideremos los siguientes procesos que provienen de nuestra vida cotidiana: a)

el agua caliente abandonada en un recipiente cerrado, se enfría hasta la temperatura

ambiente; b) un globo que se pincha se desinfla; c) una pelota que rueda hasta el borde

de la mesa cae al piso; d) una gota de tinta que cae en un vaso de agua se difunde. En

estos procesos espontáneos, el balance energético demuestra que cumplen el primer

principio. Sin embargo, en los procesos inversos a los enunciados: e) el agua a

temperatura ambiente se calienta; f) el globo se infla; g) la pelota se eleva hasta la mesa;

h) la tinta dispersa se separa del agua, se cumple también el primer principio, pero la

experiencia nos dice que nunca ocurrirán espontáneamente.

Ello se debe a que el primer principio se refiere a la energía total. Pero aquí

conviene resaltar que no toda la energía de un sistema está disponible para realizar

trabajo. De acuerdo a este concepto, hay una energía útil y otra inútil (realmente no es

inútil, sino “no disponible” para realizar trabajo en las actuales condiciones del sistema).

Así, la energía total del sistema es la suma de la energía útil más la inútil.

El primer principio tampoco explica que un proceso consuma energía. Por ejemplo,

un coche para moverse consume energía química de la nafta. En realidad, el coche libera

al entorno una cantidad de calor equivalente a la energía que toma de la nafta

satisfaciendo el primer principio, lo que en realidad consume es energía útil y libera

energía inútil.

La energía útil que contiene el sistema es una variable de estado que se la

denomina energía libre (F) y mide la energía que está disponible para realizar trabajo.

Aplicando estos conceptos a los procesos espontáneos enunciados, todos ellos se

acompañan de disminución de F (∆F <0).

Cuando un sistema aumenta su energía libre durante un proceso (∆F > 0) es

porque recibe E libre del entorno. Un proceso así no puede darse en un sistema aislado.

Para que los procesos de los ejemplos e, f, g y h se lleven a cabo es necesario la

intervención del calentador, el inflador, el elevador y el destilador, respectivamente, que

pertenecen al entorno. Ellos, al entregar energía útil al sistema, sufren una disminución de

su energía útil.

∆F sistema >0 y ∆F entorno <0

De modo que, si consideramos al entorno más el sistema en conjunto como un

único sistema más amplio (obsérvese que tal sistema es el universo -típicamente aislado-

y que, en consecuencia, solo pueden ocurrir en él procesos espontáneos), se cumple que:


∆F total = ∆F sistema + ∆F entorno < 0 que son las condiciones propuestas para los procesos espontáneos.

La entropía (S) no es una forma de energía, es una propiedad del sistema

relacionada con su contenido de energía que no puede ser transformada en trabajo (es

una medida del grado de inutilidad de su Ei). La energía entrópica (o "inútil") se obtiene

multiplicando S x T (entropía por temperatura).

La entropía mide el grado de desorden del sistema, y cuanto mayor sea el

mismo, menor es su capacidad para realizar trabajo. "S" es una propiedad del sistema y

es una variable de estado.

El Segundo principio refiere que cuando ocurre un proceso espontáneo,

disminuye la capacidad del sistema de realizar trabajo, es decir, disminuye su Energía

libre (∆F< 0).

A su vez, siempre que ocurre un proceso, hay transformación de energía útil (F) en

energía inútil (T.∆S). Pero, ¿en qué tipo de energía inútil aparece esa transformación de

energía útil, teniendo en cuenta que la energía no puede destruirse sino transformarse?

El calor es la forma menos útil de energía, porque toda forma de energía puede

transformarse ilimitadamente en calor, pero la transformación de calor en otra forma de

energía es difícil y limitada. Por lo dicho, también es una forma privilegiada de energía ya

que cualquier forma de energía puede transformarse íntegramente en calor, pero nunca

se puede transformar todo el calor en otra forma de energía.

En consecuencia, dado que en cualquier proceso, al menos una parte de la energía

que implica se transforma en calor, ésta es la única forma de energía que aumenta

constantemente.

Por lo tanto, toda la energía del Universo con el transcurso del tiempo será

entrópica: habrá desaparecido incluso la materia y toda la energía estará exclusivamente

como calor y en consecuencia no disponible para realizar procesos. Esta situación es

conocida como muerte entrópica del Universo.

El postulado de evolución (segunda propiedad de la energía) es el Segundo Principio de la Termodinámica: - "En un sistema aislado, sólo pueden ocurrir procesos espontáneos que van

acompañados de un aumento de entropía".

- "La Entropía (S) del Universo siempre crece, con cada proceso que se

produce en él".

Aplicando este principio a uno de los ejemplos enunciados al comienzo:


d) Una gota de tinta que cae en un vaso de agua, difunde. En un primer momento, el

sistema tinta–agua se halla en un estado de baja entropía (ordenado porque no están

mezcladas las moléculas de tinta con las de agua). Con el transcurso del tiempo, las

moléculas de tinta difunden alcanzándose un estado final donde todas las moléculas se

hallan mezcladas (macroscópicamente homogéneo; microscópicamente desordenado), es

decir, un estado con un alto contenido entrópico. El sistema utilizó su propio contenido de

energía útil para realizar el proceso de difusión, provocando un aumento de su desorden.

¿Qué ocurre con los parámetros termodinámicos que estamos estudiando cuando se

llega al fin de un proceso espontáneo?

La energía útil del sistema alcanza el mínimo valor mientras que la entropía alcanza

el máximo valor. Entonces, el sistema ya no evolucionará; permanecerá estable en el tiempo

mientras se mantengan las condiciones que lo llevaron a ese estado (∆F= 0 y ∆S= 0). Es

decir, habrá alcanzado el equilibrio termodinámico.

Equilibrio es un término empleado por artistas, economistas, políticos, psiquiatras,

atletas y militares y en cada caso tiene una acepción distinta.

Termodinámicamente, un sistema se halla en estado de equilibrio cuando el

sistema mantiene constantes sus variables de estado (F, S, Ei) sin aporte o ayuda desde

el entorno.

Homogeneidad y entropía Otra forma de abordar el segundo principio es desde el concepto de

homogeneidad. Es útil para aplicar a la biología, porque explica los procesos de flujo, tan

comunes en los seres vivos.

Para los ejemplos enunciados al principio, las situaciones de equilibrio serán: en (a)

cuando la temperatura del agua sea igual a la del ambiente, en (b) cuando la presión en el

globo sea igual a la del entorno, en (c) cuando la tiza no pueda descender más y en (d)

cuando la tinta esté uniformemente distribuida en el agua.

Antes de ocurrir los procesos existían inhomogeneidades de temperatura en (a), de

presión en (b), de altura en (c) y de concentración en (d) que generaron flujos de calor (a),

de materia (b), (c) y (d).

Estas inhomogeneidades dieron lugar a procesos que las destruyeron llevando a

los sistemas a sus equilibrios (homogeneidad). Asociando estos conceptos con los

enunciados anteriormente, podemos decir que el contenido de "S" de un sistema mide su

grado de homogeneidad. Dicho de otra manera, la incapacidad de su energía de generar

flujos.


Aplicando lo visto a nuestro organismo y dado que la vida es un conjunto de

procesos: la sangre circula, el aire de los alvéolos es constantemente renovado, en todas

las células hay flujos de sustancias que atraviesan las membranas saliendo o entrando,

etc. Para que estos procesos ocurran, son necesarias inhomogeneidades: la diferencia de

presión de la sangre entre los extremos arterial y venoso del sistema circulatorio; de

presiones parciales de gases entre el ambiente y nuestros pulmones; la diferencia de

concentración de sustancia a ambos lados de la membrana, etc. Los procesos vitales

accionan en el sentido de destruir estas inhomogeneidades y nuestro organismo se

encarga de restaurarlas constantemente con el aporte de energía libre (F) (el trabajo

cardíaco, el trabajo de los músculos respiratorios, el trabajo de las bombas iónicas, etc.).

La energía libre aportada por estos sistemas proviene en última instancia de los

alimentos. Ciertas moléculas complejas han sido seleccionadas evolutivamente para

actuar como depósito de energía libre. Esta energía es de tipo química y es la energía de

los enlaces químicos de moléculas altamente ordenadas.

Nuestro cuerpo puede considerarse como un sistema abierto al cual ingresa

energía química de éstas moléculas orgánicas complejas (polisacáridos y lípidos).

Durante el catabolismo, esas moléculas son degradadas en moléculas más simples, más

desordenadas (CO2 y H2O) liberándose la energía libre de sus enlaces químicos rotos.

En una primera etapa, esa energía queda almacenada en los llamados

compuestos de alto contenido energético (como el ATP), con enlaces especiales

denominados macroérgicos, con los que el organismo “paga” la restauración de sus

inhomogeneidades.

Antiguamente se consideraba que los sistemas biológicos (una sola oveja, una

manada, todas las ovejas del mundo, todos los animales del mundo, toda la biosfera)

estaban en equilibrio. Actualmente se considera que en un organismo, desde que se

origina hasta su muerte, ocurren una serie de crisis y transiciones, es decir en un huevo

fecundado las células se dividen y forman una masa (mórula) que no queda como tal, sino

que luego se ahueca (blástula) y más tarde se invagina (gástrula), pasando después por

otros estados que incluyen los de embrión, feto, niño, adolescente, adulto, anciano y

cadáver. Cada una de las etapas desde embrión hasta adulto joven se caracteriza por

procesos que lo alejan del estado de equilibrio. En todas estas etapas, en el organismo

suceden procesos tan complejos como la construcción del intestino, de los circuitos

neuronales, de las glándulas, y se dice que el organismo se encuentra en evolución.

El adulto joven es un sistema termodinámico inestable (de lo que da cuenta la

facilidad con que se destruye la vida) porque se mantiene en un estado, muy alejado del


equilibrio, necesario para que tengan lugar los procesos vitales. Esta lejanía del equilibrio

genera procesos de equilibración que, como hemos visto, constituyen la vida. Ahora bien,

cada uno de los procesos que llamamos vida aumentan la entropía del organismo y sin

embargo, en líneas generales, sus parámetros no varían en el tiempo, no desaparecen

sus inhomogeneidades que son mantenidas a expensas de otros procesos no

espontáneos que ocurren simultáneamente. A esta situación tan extraordinaria en el

mundo físico se la denomina estado estacionario.

Es interesante analizar el comportamiento de las propiedades del sistema en dos

casos: cuando el sistema está en estado de equilibrio y cuando está experimentando

una evolución.

Un estado de equilibrio en un sistema implica valores de todas sus

propiedades constantes en el tiempo. Esa constancia se logra sin el aporte de

energía desde el entorno.

En una evolución, en cambio, se observará que al menos una variable

experimentará variación en sus valores a lo largo del tiempo.

Tanto el estado de equilibrio como el estado estacionario son invariables en el

tiempo, las propiedades del sistema no se modifican, pero se diferencian específicamente

en el aporte de energía desde el entorno ( el estado de equilibrio no necesita que el

entorno le brinde energía para mantenerse, mientras que en el estado estacionario sí lo

requiere).

Cuando se produce la muerte, las inhomogeneidades desaparecen, pero aún así

nuestro organismo permanece lejos del equilibrio por la energía libre atesorada en la

sofisticada estructura de las moléculas que lo constituyen. Recién cuando todas ellas se

han destruido y transformado en moléculas simples (H2O y CO2) se llega al equilibrio.

Los criterios de equilibrio servirían, a lo sumo, para estudiar un cadáver

en un congelador, pero no a un ser vivo. Si dejáramos un cadáver fuera

del congelador se iría descomponiendo, lo que también constituye un

proceso. De manera que el equilibrio no nos sirve ni siquiera para

estudiar procesos post mortem y mucho menos para estudiar la vida.

Siguiendo con el estado estacionario, un ejemplo muy simple lo tenemos en un

recipiente dividido en dos compartimentos por una pared central y conteniendo líquido en

ellos. Si la pared está completa, un desnivel entre los compartimentos no significa


inhomogeneidad, ya que al no estar conectados entre sí, el líquido no puede fluir de uno

al otro (A). Pero si se abre un orificio en la parte inferior de la pared central, la

inhomogeneidad de niveles provocará el flujo (proceso) que llevará al sistema a su

equilibrio: igualdad de niveles (B).

A B Consideremos ahora que se coloca una bomba que trasloca líquido del

compartimento de menor nivel al otro a la misma velocidad con que el líquido fluye

espontáneamente por el orificio en sentido opuesto, pero que esa bomba no pertenece al

sistema sino al entorno (C). El desnivel permanecerá en el tiempo, el sistema no cambia

pero tampoco está en equilibrio, su energía libre está disminuyendo en el proceso

espontáneo de flujo, pero es constantemente repuesta por el entorno (la bomba), que

pierde más energía libre que la que gana el sistema.

BOMBA

C Para que el organismo pueda mantenerse en estado estacionario a pesar de los

procesos vitales es preciso que expulse continuamente el exceso de entropía que está

produciendo; es decir, necesita eliminar sin cesar materia y energía en estado de entropía

alta (sustancias de deshecho y calor) y reemplazarla por cantidades equivalentes de

materia y energía en estado de entropía baja (incorporar energía libre). Por lo tanto, el

problema de la alimentación no consiste propiamente en adquirir energía o materia, pues

cada unidad que se adquiere reemplaza a otra igual que se elimina; si no en adquirir

energía libre que se degrada en los procesos vitales y se elimina en ese estado.

La energía libre de las moléculas orgánicas de nuestra alimentación procede, en


último término, de la energía altamente ordenada del sol que los vegetales capturan

durante la fotosíntesis y depositan en forma de enlaces químicos de sustancias orgánicas

complejas. (En la fotosíntesis, CO2 y H2O se combinan formando glucosa).

Resulta claro entonces, que aunque pueda parecer, a primera vista, que el ser vivo

viola el segundo principio de la Termodinámica en cuanto es capaz de disminuir su

entropía durante el crecimiento y mantenerlo en un nivel constante durante la adultez, en

verdad no es tal. El aumento de entropía previsto por el principio, se da sólo en los sistemas aislados, y el ser vivo, precisamente por el hecho de alimentarse, no es un sistema aislado.

Lo que determina entonces la vida es la existencia de mecanismos capaces de

expulsar energía entrópica y sustituirla con cantidades equivalentes de energía libre, de

modo que el mantenimiento de un estado muy alejado del equilibrio y la extraordinaria

organización del sistema biológico son “pagados” con pérdida de energía libre y

desorganización del entorno en el cual se desarrolla.

Interpretación termodinámica del metabolismo animal

El organismo tiene una eficacia de aproximadamente 20 % para convertir la

energía química de los alimentos en trabajo mecánico, eléctrico o de síntesis. El 80 %

restante aparece como calor o energía térmica. Por consiguiente, todos los procesos que

acontecen en el organismo se acompañan de una importante producción de calor, el

trabajo invertido en procesos internos como la circulación de la sangre, la secreción, la

conducción nerviosa, etc., al producirse se transforman también en calor. Por esto es

importante la cantidad de calor que los organismos vivos eliminan al exterior.

De acuerdo a los mecanismos que las células utilizan para obtener energía se las

clasifica en autótrofas y heterótrofas.

Las autótrofas, como las plantas y algunas bacterias fotosintéticas sólo incorporan

moléculas simples como CO2 y H2O y a partir de la energía solar construyen con ellas sus

biomoléculas complejas.

Las heterótrofas, que comprenden en general las moléculas de los organismos

superiores y muchas bacterias, requieren el suministro de moléculas complejas de las

cuales obtienen energía. El proceso implica una degradación enzimática de esas

sustancias nutritivas: carbohidratos, lípidos y proteínas a moléculas simples. En ambos

casos, tanto la energía solar como la procedente de los alimentos se almacena en un

enlace rico en energía de una molécula bien definida el ADP (Adenosin difosfato)

transformándolo en ATP (Adenosin trifosfato).


Energía libre

ADP + Pi ATP De modo que el sistema ADP – ATP funciona como un transportador y

almacenador de energía en el cual el ATP es la forma rica o cargada de energía y el ADP

la forma pobre o descargada. ATP es la “moneda energética” de las células.

Cuando la célula necesita realizar un proceso tal como la biosíntesis o la

contracción muscular, rompe ese enlace:

ATP ADP + Pi

Energía libre

En el catabolismo de cada mol de glucosa a CO2 y H2O se libera 680 KcaI y con

parte de ellas se sintetizan 38 moles de ATP. Como se almacenan 7,3 KcaI /mol para la

síntesis de cada ATP a partir de un ADP y un Pi, entonces se almacenan en total: 277

Kcal.

38 ADP +38 Pi 38 ATP

C6H12O6 +602 6 CO2 +6 H20

C6H12O6 +602+38 ADP +38 Pi 6 CO2 +6 H20 +38 ATP

Así, la eficiencia del proceso total es de 40%. El restante 60% se disipa como calor.

La energía almacenada en el ATP es empleada para mantener el estado estacionario o sea,

las inhomogeneidades que permiten los procesos vitales (circulación, respiración, etc.).

Estos procesos al transcurrir transforman la energía en calor que también se libera al

exterior.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS LEVENSPIEL O.: “Fundamento de termodinámica” 1ª edición. Prentice-Hall Hispanoamericana 8, 1997. BURKE J.R.: “Física. La naturaleza de las cosas” Vol 1. Lea’- 5. M., International Thomson editores, 1998.


CEREJIDO M.: “Orden, equilibrio y desequilibrio. Una introducción a la Biología” 1ª edición. Editorial Nueva Imagen, 1978. GITTEWITTL P.: “Física conceptual” 2ª edición. Addison-Wesley Iberoamericana, 1997. CAMEROFL J.R., SKOFRONICKL J.G.: “Energía, trabajo y potencia en el cuerpo”. En: Medical Physics: Cap. 5. Wiley- lnterscience Publication, 1978.


Guía de autoaprendizaje

Luego de estudiar el tema, responda la siguiente guía y consulte a los expertos las

cuestiones que usted no pueda resolver.

1) Defina sistema termodinámico.

2) Enuncie la clasificación de sistema desde el punto de vista termodinámico. Cite las

características de cada uno.

3) Analice el ser vivo como sistema termodinámico.

4) Defina Energía.

5) Defina Energía interna.

6) Enuncie la ecuación que le permite calcular la variación de energía interna del ser

vivo.

7) Enuncie el postulado del primer principio de la termodinámica.

8) Explique cuando un proceso es espontáneo. Cite un ejemplo.

9) Indique en qué estado termodinámico se puede encontrar un sistema. Cite las

características de cada uno.

10) Defina Energía libre.

11) Defina Entropía.

12) Analice la evolución de las variables de estado energía libre y entropía en un sistema

aislado. Justifique.

13) Enuncie el postulado del segundo principio de la termodinámica.

14) Nombre los mecanismos que utiliza el ser humano para intercambiar calor con el

entorno. Explique cada uno.

15) Analice cómo se modifica la entropía y la energía libre en un niño entre los 2 y 8

años de edad. Justifique la respuesta.

termodinamica de los seres vivos

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