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Termodinamica aplicada al hombre

Universidad Libre Barranquilla - Biofisica
by

Juan Llamas

on 22 September 2012

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Transcript of Termodinamica aplicada al hombre

aplicada al hombre T E R M O D I N A M I C A ALGUNAS FORMAS DE ENERGIA La energía se puede definir como la capacidad de un sistema de realizar un trabajo. Se conocen diferentes clases de energía :

Mecánica
Química
Calórica
Atómica
Lumínica Cualquier tipo de energía se puede transformar integralmente en calor pero nunca la energía calorica se transforma íntegramente en otro tipo de energía. Así la energía eléctrica consumida por una lampara se transforma en lumínica y la lumínica totalmente en calorica.
Por principio la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma, permaneciendo constante la energía total del universo. CLASES DE ENERGIA ENERGIA TERMICA O CALORICA

Esta asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas Este movimiento al azar se conoce como agitación térmica La expresión mensurable de la E. Térmica es la temperatura. ENERGIA QUIMICA

Es la energía almacenada entre los átomos y/o moléculas de las sustancias. Cuando las sustancias participan en las reacciones químicas, la energía química se libera, se almacena otras vez en lo enlaces de las nuevas moléculas o se convierte en otras formas de energía.  ENERGIA MECANICA

Se puede clasificar como:

 Energía Potencial.
 Energía Cinética EL HOMBRE SISTEMA ABIERTO EN ESTADO ESTACIONARIO El hombre es un sistema abierto en estado estacionario, que mantiene constante sus propiedades, a pesar del intercambio de masa y energía con su entorno, el medio ambiente.
Mantiene constante algunos parámetros como:

Temperatura corporal
pH sanguíneo
Concentración de iones extracelulares El hombre es un sistema abierto porque existe un flujo de materia y energía que también comparte con el medio que lo rodea.

El organismo humano necesita energía para desarrollar sus funciones: moverse, conducir, información nerviosa, sintetizar y secretar sustancias, mantener la circulación permanente de la sangre, mantener los movimientos de los pulmones para el intercambio gaseoso con el medio.

La mayor parte de energía es obtenida de los alimentos. El hombre entre otros seres es heterotrofo, es decir que su supervivencia depende de las moléculas producidas por otros organismos vivos, a tales moléculas las transforma y de ellas obtiene la energía necesaria para vivir Desde la termodinámica, se pueden analizar las reacciones químicas que ocurren en el organismo,muchas de las cuales son espontáneas,o sea, que ocurren con un ∆ G negativo (‹0). pero hay algunas que ocurren con un ∆ G positivo (‹0). En los organismos como el humano, hay una molécula altamente energética, es decir, que contiene energía potencial almacenada en sus enlaces covalentes y es el ATP (Adenosin trifosfato) Ciertas reacciones químicas necesitan de energía y ATP que es una de las moléculas disponibles a hidrolizar sus enlaces de alta energía que necesita la primera reacción para que ocurra. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
¿QUÉ ES UN PROCESO REVERSIBLE?

Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en sus alrededores. Sin embargo es importante resaltar que el proceso, después de ser llevado de un estado inicial a uno final, puede retomar sus propiedades originales.
Estos procesos son procesos ideales, ya que el tiempo necesario para que se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio sería infinito. La variación de las variables de estado del sistema, entre uno de estos estados de equilibrio intermedio y el sucesivo es una variación infinitesimal, es decir, la diferencia que hay entre el valor de una de las variables en un estado y el siguiente es un infinitésimo. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, sólo son idealizaciones de procesos reales.

Razones para estudiarlos:

• Son fáciles de analizar, puesto que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio durante un proceso reversible.

• Sirven como modelos idealizados con los que es posible comparar los procesos reales.
¿QUÉ ES UN PROCESO IRREVERSIBLE?


Un proceso es irreversible si involucra transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita entre el sistema y su entorno. Sin embargo, el sistema puede comportarse durante este proceso irreversible como si el calor fuera transferido reversiblemente a través de una diferencia de temperatura infinitesimal.
Se dice que este proceso es internamente reversible, porque nada ocurre dentro del sistema para que éste sea irreversible, pero es externamente irreversible. EXPANSIÓN IRREVERSIBLE DE UN GAS Figura A figura B Durante el proceso el gas no está en equilibrio
Supóngase que se tiene un gas en un recipiente ocupando solo una parte de este (fig. A) debido a un tabique que lo separa.
Si se quita este el tabique, el gas se expande ocupando todo el recipiente (fig. B).
•Este proceso es irreversible porque es muy improbable aunque no imposible que el gas por su propia cuenta vuelva a reunirse en la parte inferior del recipiente quedando las partículas en las mismas posiciones que como estaban al comienzo. EXPANSIÓN REVERSIBLE DE UN GAS Figura A figura B En la (fig. A) el gas ocupa parte del volumen de un recipiente y el émbolo se mantiene en su posición a causa de la arena que lo sostiene, pero si se retira la arena poco a poco, el gas se expande permaneciendo en equilibrio hasta que ocupa el volumen total.
El proceso es reversible porque colocando la arena poco a poco de la misma manera que se retiró, se puede reducir el gas a su volumen inicial
En un proceso reversible se impone el criterio de espontaneidad es decir que indica en qué sentido es posible que ocurra una reacción. En el proceso de degradación de la glucosa (glucólisis) hay una primera reacción fundamental, que es la fosforilación de la glucosa, esto es, un anión fosfato se une al C6 de la glucosa, mediante la reacción:

Glucosa + Pi (fosfato inorgánico) = Glucosa – 6 –fosfato. Esta reacción ocurre con un G=13,4 KJ/mol, es decir un G > 0 (positivo), es decir, no es una reacción espontánea; para que ocurra, necesita de energía adicional, que se la da el ATP del modo siguiente: Esta reacción es espontánea y ocurre con un
G < 0, es decir, negativo (varía de -25 y -40 KJ/mol, según el pH del medio y de los iones metálicos presentes)
De manera que para hacer posible la primera reacción, se acopla a la segunda. Se puede sintetizar lo ocurrido como:

Glucosa + ATP = Glucosa - 6 - fosfato + ADP En definitiva y haciendo la suma de los
G da un resultado neto negativo, lo cual significa que es un proceso exergónico.

Los procesos de catabolismo son exergónicos es decir, que en el balance energético, resulta que se pierde energía libre, sea por que la transforma en otro tipo de energía o la disipa como calor.
Este es un ejemplo de como un organismo como el hombre heterótrofo utiliza la energía química de los alimentos. Sistema Biológico: Sistema con capacidad de multiplicarse o reproducirse.
Materia: cualquier cosa que tiene masa y ocupa espacio, tiene límites bien definidos.
Energía: capacidad de hacer trabajo: cinética, potencial o energía almacenada, ejm. energía de unión molecular o atómica, energía de la masa en reposo, etc..
Interacción: cambios que la presencia de un objeto dado causa en otros que lo rodean. Sabemos por experiencia que cuando dos cuerpos de temperaturas distintas se ponen en contacto, el calor pasa en forma espontánea del cuerpo de temperatura mayor al de menor temperatura.
En virtud de lo explicado decimos que el pasaje de calor por conducción de una temperatura mayor a otra menor es un proceso irreversible, de acuerdo con las siguientes definiciones: Un proceso por el que un sistema pasa de un estado A a otro B es reversible si el sistema puede volver del estado B al A, pasando, en sentido contrario, por los mismos estados por los que pasó en la primera transformación. Es posible demostrar que si esto ocurre no queda ninguna transformación fuera del sistema. Esto constituye una definición alternativa, equivalente a la primera enunciada. En caso de que las condiciones mencionadas no se cumplan, el proceso es irreversible. El hecho de que una transformación sea irreversible no implica que el sistema no puede volver del segundo estado al primero. Esto es posible en muchos casos pero siempre queda como saldo una transformación fuera del sistema. Un proceso después del cual el sistema puede volver al estado inicial recibe el nombre de invertible. RENDIMIENTO Y TEMPERATURA TRANSFERENCIA DE CALOR EN UNA MAQUINA TÉRMICA. REVERSIBILIDAD IDEAL. Es posible demostrar que en el caso de una máquina térmica reversible el rendimiento, las cantidades de calor y las temperaturas están relacionados por:

R= Q1 + Q2 / Q1 = T1 – T2 / T1

Por el contrario en los procesos cíclicos irreversibles (reales) el rendimiento es menor que este valor, de modo que se cumple:

R= Q1 + Q2 / Q1 < T1 – T2 / T1 ENERGIA DE GIBBS O ENERGIA LIBRE INTRODUCCION A LA ENERGIA LIBRE En 1879, Willard Gibbs, Fisico de la Universidad de Yale, definió una función de estado combinada, que depende de tres parámetros: La entalpía, la entropía y la temperatura conocida como la energía de Gibbs. CONCEPTO DE ENERGIA LIBRE La energía libre de Gibss, nos indica la energía que esta disponible para realizar un trabajo útil que puede realizar el sistema sobre los alrededores. Se representa con la letra G mayúscula y se representa matemáticamente así: En una transformación isotérmica la energía libre de un sistema nunca aumenta. En los procesos isotérmicos esta relacionada con en trabajo útil.
Se le llama cambio de energía libre de un sistema para un proceso a presión y temperatura constante; a la suma de la entalpía mas la entropía por la temperatura absoluta. Gc = H + S T PROCESOS A PRESION Y TEMPERATURA CONSTANTE Las relaciones cualitativas de la energía libre para los procesos a presión constante; sobre la espontaneidad o equilibrio de un sistema puede resumirse en tres formas: G G G = 0 = La reacción esta en equilibrio. › 0 (+) = La reacción no es espontánea. ‹ 0 (-) = El proceso es espontáneo. LA ENERGIA LIBRE EN LOS PROCESOS BIOLOGICOS Necesidad de energía libre en el organismo:

Trabajo muscular: como sabemos el organismo puede realizar trabajo mecánico por medio de su tejido muscular este trabajo constituye trabajo útil.

Formación de orina concentrada: el riñón debe cumplir la función de llevar especies químicas de una solución de concentración menor a una mayor, lo cual solo puede ocurrir con ganancia de energía libre.

Síntesis de proteínas: la síntesis de proteínas, que las células realizan constantemente, va acompañada del aumento de la energía libre. UTILIZACION DE LA ENERGIA LIBRE EN EL ORGANISMO Acoplamiento de reacciones.
Eficiencia.
Fuentes de energía libre. BIOENERGETICA Una célula viva es una estructura dinámica que crece, se mueve, sintetiza macromoléculas complejas y traslada selectivamente sustancias dentro y fuera de la célula o entre compartimentos. Toda esta actividad requiere energía, por lo que cada organismo debe obtenerla de sus alrededores y gastarla de la manera mas eficaz posible. HETEROTROFOS Se llama heterótrofos aquellos organismos que tiene la capacidad de transformar la energía de los alimentos, mediante la oxidación gradual de sus componentes, en forma de energía utilizable para efectuar el trabajo celular o en energía química almacenada
El hombre pertenece a este grupo de organismo ya que requieren las moléculas producidas por otros para subsistir . ALIMENTOS Las grasas, proteína e hidratos de carbono, algunos de los componentes de los alimentos suministran:

energía por oxidación: las reacciones que ocurren en estos procesos son en su mayoría espontáneas ósea
G < 0 energía de gibbs menor que cero
G > 0 el organismo realiza procesos de acoplamiento en la reacción para liberar energía y así G < 0

ATP molécula encargada de almacenar la energía química de los organismos vivos

Cuando un proceso es reversible es decir espontáneo, el rendimiento del mismo es mayor, en caso contrario, cuando es irreversible el proceso es menos eficiente LIMITACIONES DE LA TERMODINAMICA Limitación formal. Esta restricción establece que la teoría termodinámica no proporciona ninguna información a nivel molecular, ya que las descripciones de los cambios químicos se estudian con base en la teoría molecular y, por tanto, los conceptos termodinámicos son independientes de ésta. La termodinámica es una ciencia experimental fenomenológica que trabaja con propiedades macroscópicas que caracterizan a la materia en su conjunto: presión, volumen, temperatura, fuerza eléctrica, capacidad calorífica. Limitación funcional. La termodinámica es capaz de formular las condiciones necesarias, pero no las suficientes. Esta condición es una restricción, ya que la teoría termodinámica proporciona los fundamentos para resolver muchos problemas químicos, aunque las respuestas que se obtienen no suelen ser definitivas. SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA INTRODUCCION A LA
SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA La segunda ley de la termodinámica es una de las leyes mas importantes de la naturaleza y de la ciencia.

El físico matemático Rudolf Clausius estableció por primera vez ideas sobre el principio de la termodinámica alrededor del año 1850. ¿QUE ENUNCIA LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA? La segunda ley de la termodinámica ha sido expresada de muchas maneras diferentes, pero dos de los enunciados mas importantes sobre esta ley son:

Enunciado de Clausius.
Enunciado de Kelvin. Rudolf Clausius Kelvin Thomson ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA ENUNCIADO DE CLAUSIUS

"Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura" ENUNCIADO DE KELVIN

"Todo proceso de la naturaleza por el cual se transforma calor procedente de un foco caliente en trabajo mecánico requiere la cesión de una parte del calor absorbido a un foco frío" ¿QUE ES LA ENTROPIA? Es una magnitud física que se simboliza con la letra S que nos permite mediante el calculo determinar la parte de energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Esta perdida de energía es el resultado de una tendencia al desorden del universo a aumentar cada vez que hay transferencia energética.
Matemáticamente la entropía esta dada por el coeficiente entre la cantidad de calor y ta temperatura a la que ha sido absorbido,
Entre mayor sea el grado de desorden mayor sera la entropía del sistema. ENTROPIA EN LA MATERIA La materia se puede presentar en tres estados diferentes: sólido, líquido y gaseoso. El mayor grado de entropía es decir de desorden corresponde al estado gaseoso ya que las moléculas se pueden mover con mayor libertad, sigue el estado líquido, y por ultimo el estado sólido ya que es el estado con un menor desorden.
En consecuencia la entropía es mayor en los gases, disminuye en los líquidos y es aún en los solidos. ENZIMAS Al igual que sucede con todos los catalizadores, las enzimas no alteran el equilibrio químico de la reacción. Generalmente, en presencia de una enzima, la reacción avanza en la misma dirección en la que lo haría en ausencia de enzima, sólo que más rápido. Sin embargo, en ausencia de enzima, podría producirse una reacción espontánea que generase un producto diferente debido a que en esas condiciones, dicho producto diferente se forma más rápidamente. GRACIAS POR SU ATENCION
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