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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA
BIOTERMODINÁMICA
Prof. Dr. Elvar Quezada Castillo
CALOR Y TEMPERATURA
CORPORAL
ENERGÍA INTERNA
• Cada cuerpo o conjunto de moléculas poseen cierta energía
interna que es igual a la energía cinética de todas las partículas
(o moléculas) más la energía potencial de todos los pares de
partículas ( o moléculas) existentes en el cuerpo, esto es:
N
E in 
E
i 1
N
ki

E
pij
i j
que es independiente de cualquier energía cinética o potencial
del cuerpo en conjunto.
• Las moléculas de un cuerpo no tienen la misma energía cinética
ni la misma energía potencial de interacción. Por eso, es
conveniente definir la energía media de las moléculas como el
valor medio de sus energías cinética y potencial
TEMPERATURA
• Es una medida del estado relativo de calor o frío de un
cuerpo.
• Al disminuir la temperatura disminuye la energía
cinética de las moléculas que lo constituyen y
recíprocamente, al aumentar la temperatura aumenta
la energía cinética de estas moléculas. En
consecuencia, una manifestación externa de la energía
interna del cuerpo es la temperatura:
T = T(Eint)
EQUILIBRIO TÉRMICO
• Cuando ponemos en contacto dos cuerpos cuyas
temperaturas son diferentes, la temperatura del más
caliente disminuye y la del más frío aumenta, hasta
que ambos adquieren la misma temperatura; cuando
esto sucede se dice que están en equilibrio térmico
T1>T2
T1=T2
CALOR
• Se llama calor a la energía que pasa de un cuerpo a
otro debido a una diferencia de temperatura entre
ellos
Q = ΔEint
• El calor no es una nueva forma de energía, sino un
nombre que se le da a la energía transferida o en
tránsito a consecuencia de una diferencia de
temperatura.
CALOR ESPECÍFICO
• Es la cantidad de calor que debe suministrarse a la
unidad de masa de una sustancia para elevar su
temperatura un grado. Si Q es la cantidad de calor que
debe suministrarse a una masa m para elevar su
temperatura de to a t, el calor específico de la
sustancia es
c
Q
m (t  t o )
TERMÓMETRO CLÍNICO
• Esta constituido por un bulbo alargado que se
prolonga en un tubo capilar a través del cual se
desplaza el mercurio al dilatarse por el calor
corporal.
• Este tubo presenta un estrechamiento en su porción
inferior que permite el fácil pasaje de mercurio del
bulbo al capilar e impide el retroceso de mercurio
del capilar al bulbo.
• El termómetro clínico sirve para medir la
temperatura del cuerpo humano; su escala se
extiende de 35º a 41 ºC, con intervalos de 0.1º
TERMOMETROS CLÍNICOS ACTUALES
Termómetro
infrarrojo de
oído
Termómetro
infrarrojo
multiusos
Termómetro de vidrio
Termómetro electrónico
TEMPERATURA CORPORAL
1. Temperatura interna o temperatura del núcleo (ti), se
usa al habla de la regulación térmica del cuerpo.
2. Temperatura de la piel (tp), se usa cuando se habla de
la capacidad de la piel para perder calor hacia el
medio ambiente
3. Temperatura corporal media (tm), se utiliza para
determinar la cantidad de calor almacenada por el
cuerpo.
tm = 0,7 ti + 0,3 tp
TEMPERATURA CORPORAL
TEMPERATURA CORPORAL
Las principales temperaturas corporales son:
1. Temperatura oral:
37,3 ºC
2. Temperatura rectal:
37,5 ºC
3. Temperatura vaginal: 37,5 ºC
4. Temperatura axilar:
37,0 ºC
CALORIMETRÍA ANIMAL
Se usan dos métodos:
1. Calorimetría directa.- Utilizando los calorímetros de
Lavoisier y Laplace, el calorímetro de Atwater y
Benedict o cualquier otro calorímetro de actualidad.
2. Calorimetría indirecta.- Utilizando el calorímetro de
Benedict – Roth y otros datos tales como sustancias
ingeridas, gases de la respiración, etc. Esta
calorimetría puede ser de dos clases: calorimetría
indirecta por balance energético y calorimetría
indirecta respiratoria.
CALORÍMETRO DE LAVOISIER y
LAPLACE
• Construido en 1780
• Mide el cociente
respiratorio:
Entrada
de aire
Salida
de aire
CO2/O2
• Q = m L, donde:
m = masa de hielo
L = calor de fusión
Hielo
Hielo fundido
CALORÍMETRO DE LAVOISIER Y
LAPLACE
Método poco sensible:
1. Se necesita mucho calor para fundir una pequeña
cantidad de hielo (80 cal/g).
2. No se recoge toda el agua proveniente de la fusión
del hielo, parte queda adherida a los tozos de hielo.
3. El animal se encuentra en condiciones anormales a
una temperatura de 0 ºC y en una atmósfera
confinada.
CALORÍMETRO DE ATWATER Y
BENEDICT
Q = mc(tf-to) + mVL ± mhchΔt
CALORÍMETRO ATWATER Y
BENEDICT
CALORÍMETRO COMPUTARIZADO
ESPIRÓMETRO DE BENEDICT - ROTH
ESPIRÓMETRO DE BENEDICT - ROTH
Registro de consumo de oxígeno
ESPIRÓMETRO DE BENEDICT - ROTH
METABOLISMO BASAL
• Se llama metabolismo a los cambios
y
transformaciones de energía que tienen lugar en los
seres vivos.
• El metabolismo consiste en el aprovechamiento de la
energía convertida de los alimentos ingeridos.
• El metabolismo basal es el consumo de energía en
estado de reposo metal y físico completo.
• Se determina por calorimetría directa o indirecta,
comunmente, usando el aparato de Benedict – Roth.
METABOLISMO BASAL
• El metabolismo basal se expresa en energía
consumida por hora y por metro cuadrado de
superficie corporal.
• La superficie corporal se determina con la fórmula de
Du Bois
S = 0,007184 W0,425 h0,725
donde S en el área en m2, W el peso en Kg y h la
altura del individuo en cm
CONCEPTOS PRELIMINARES DE
PROPAGACIÓN DE CALOR
Convección
Radiación
Propagación del calor
Aislante térmico
Foco térmico 1
T1
Q
Conducción
Barra de sección transversal A
T2
Foco térmico 2
REGULACIÓN TÉRMICA
• Termogénesis.- Producción de calor mediante los
procesos que tienen lugar en el organismo tales como
ingestión de alimentos, reacciones químicas básicas,
contracción muscular, mecanismos endocrinos
• Termólisis.- Conjunto de procesos mediante los
cuales el cuerpo pierde calor:
1. Conducción
2. Convección
3. Radiación
4. Evaporación
CONDUCCIÓN DEL CALOR
N
E in 
E
N
ki

i 1
E
pij
i j
Aislante térmico
Foco térmico 1
T1
Q
Conducción
Barra de sección transversal A
T2
Foco térmico 2
CONVECCIÓN DEL CALOR
H = q S (tp – to)
donde q es el coeficiente de convección, S la superficie del
cuerpo, tp y to las temperaturas de la piel y del aire
respectivamente.
• Para el hombre q = 1,7 x 10-3 kcal/s m2.
T1
Convección
RADIACIÓN DEL CALOR
• La piel humana cualquiera que sea su color, irradia
energía.
• La ecuación de radiación es

H  e A T
Radiación
4
p
T
4
o

RADIACIÓN DEL CALOR
donde e es la emisividad del medio, A el área de
radiación, Tp la temperatura de la piel, To la
temperatura ambiente y σ la constante de StefanBoltzmann
σ = 1,36x10-11 kcal/s m2 K4
• La longitud de onda de la radiación emitida por la
piel esta comprendida entre 5 μm y 20 μm con un
máximo en 9 μm.
EVAPORACIÓN
• Al evaporase un líquido absorbe una cantidad de
calor, denominado calor de vaporización (L)
Q=mL
donde m es la masa del líquido y Q el calor del
líquido evaporado.
• Para el agua L = 580 cal/g.
MECANISMOS DE PÉRDIDA DE CALOR
POR EL CUERPO HUMANO
FENÓMENO DE CONTRACORRIENTE
• Mecanismo a través del cual la sangre venosa se
calienta a medida que retorna a las regiones centrales,
mientras que la sangre arterial se enfría en su trayecto
hacia las extremidades.
INTERCAMBIO DE CALOR EN EL
BRAZO
APLICACIÓN DEL FRIO EN MEDICINA
• La criogénia es la ciencia y tecnología que produce y
utiliza bajas temperaturas. Al estudio de estas
temperaturas en biología y medicina se llama
criobiología.
• Un objetivo de la criogenia es congelar cuerpos y
llevarlos a un estado de animación suspendida y
revivirlos cuando sea necesario.
• Las bajas temperaturas se usan para conservar sangre,
esperma, médula ósea y tejidos biológicos.
• La sangre no puede conservarse más de 21 días
porque cada día sufre hemólisis el 1 % de glóbulos
rojos.
APLICACIÓN DEL FRIO EN MEDICINA
• La sangre puede guardarse por tiempo indefinido
congelándola a la temperatura del nitrógeno líquido
(-196 ºC) en contenedores de paredes delgadas y por
método de arena de sangre.
• La conservación de órganos es más fácil que simples
células. Ejemplo, piel, huesos, músculos y córneas.
• El método criogénico se usa también para destruir
células.
• La criogenia se usa para curar el Parkinson, el
pionero fue el Dr. Irvin Cooper al comienzo de los
sesenta. Se usa también para curar tumores, verrugas,
en cirugía ocular, etc.
TERAPIA CON CALOR
• Baños calientes, producen incremento en el resultado
metabólico durante la relajación del sistema vasucular
e incrementan el flujo sanguíneo al mover la sangre de
zonas templadas a zonas calientes.
• Los métodos físicos para producir calor son:
conducción, rayos infrarrojos, ondas de radio
(diatermia) y ondas ultrasónicas.
• Por el método conductivo, baños calientes, paquetes
calientes, almohadillas eléctricas calientes y parafina
caliente para tratamiento de artrosis, neuritis,
torceduras, sinusitis, estiramientos, contuciones y
dolores de espalda.
TERAPIA CON CALOR
• Los rayos infrarrojos penetran hasta 3 mm de
profundidad e incrementan la temperatura de la
superficie. Se usa en los mismos casos que el calor
conductivo pero es más efectivo porque penetra más.
• El calor diatérmico penetra más en el cuerpo que el
calor radiante y el conductivo. Se usa en
inflamaciones del esqueleto, bursitis y neuralgia.
• Las ondas ultrasónicas al moverse en el cuerpo
producen calor debido al movimiento hacia atrás y
delante de los tejidos, similar al micromasaje. Se usa
para transmitir calor a los huesos y para aliviar y
cicatrizar las articulaciones enfermas.
FÍSICA DEL SISTEMA
RESPIRATORIO
SISTEMA RESPIRATORIO
• Esta constituido por dos cámaras una contenida
dentro de la otra, siendo la primera la que impone las
condiciones de volumen y la segunda la que
comunica con la atmósfera.
• La primera cámara está constituida por la caja
torácica y está cerrada en la parte inferior por el
diafragma.
• La cámara interior está formada por la tráquea, los
bronquios, bronquiolos y alvéolos pulmonares.
• Los alvéolos son los receptores finales del aire
inspirado, abriéndose cuando reciben aire y
disminuyendo o cerrándose cuando se expulsa aire.
SISTEMA RESPIRATORIO
VÍAS AÉREAS
• Están constituidas por
los órganos a través de
los cuales pasa aire
desde la nariz hasta los
alvéolos pulmonares.
• Los alvéolos tienen
diámetros de 0,2 mm,
un espesor de 0,4 μm y
se expanden y contraen
durante la respiración.
VÍAS AÉREAS
• Los alvéolos participan
en el intercambio de O2
y CO2 y están rodeados
por sangre, así que el O2
puede difundirse de los
alvéolos a la red de las
células sanguíneas y el
CO2 puede difundirse de
la sangre hacia el aire en
los alvéolos.
VÍAS AÉREAS
• Las vías aéreas además de servir como sistema de
transporte de aire sirven para remover las partículas
de polvo que se adhieren a las líneas curvas de los
distintos pasajes aéreos.
• Los trozos grandes son removidos mediante la tos y
las pequeñas partículas son llevadas a la boca por
millones de cilios, los cuales podemos imaginarlos
como una escalera en la tráquea a través de la cual en
30 minutos una partícula de polvo puede ser
transportada hacia la garganta donde es expulsada o
tragada.
PRESIONES EN EL SISTEMA
RESPIRATORIO
COMPLIANCIA DEL APARATO
RESPIRATORIO
• La compliancia se define
como la relación entre el
volumen de aire almacenado
y la sobrepresión a la que
está sometido
C 
C 
V
P
• La compliancia define las
características
de
un
elemento elástico hueco
COMPLIANCIA DEL APARATO
RESPIRATORIO
• Cuando la característica presión/
volumen es una línea recta es
importante la pendiente de dicha
recta. En caso que la línea
presión/volumen sea una curva debe
usarse la compliancia dinámica
definida como
 dV 
C 

 dP  P  P1
La pendiente de la recta de puntos
en la figura representa la
compliancia dinámica.
Otra compliancia:
• La compliancia específica se define como
C 
V
VP
donde V es el volumen pulmonar en condiciones
normales.
• Cuando un sistema está formado por dos elementos
elásticos en serie, como pulmones y tórax, su
compliancia total se calcula con la fórmula
C 
C pCt
C p  Ct
TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO
SURFACTANTE
• Las curvas de presión/volumen del pulmón durante el
llenado y vaciado de aire no son iguales; tienen una
curva de histéresis.
TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO
SURFACTANTE
1.-La curva de histéresis se
reduce al mínimo si el
pulmón se llena con
solución salina.
2.-La causa de la histéresis
es la tensión superficial
del líquido surfactante o
tensioactivo.
TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO
SURFACTANTE
• Los alvéolos pueden considerarse como pequeños
globos de goma, con su superficie interior
humedecida, de forma que cuando está inflado el
líquido que lo baña forma una burbuja líquida
rodeada por tejido pulmonar elástico.
• Si Pi es la presión en el interior del alvéolo y Po la
presión en la cavidad pleural,
r ( Pi  Po )  2
o
P 
2
r
σ es la tensión superficial y r el radio del
alvéolo
TENSIÓN SUPERFICIAL DEL LÍQUIDO
SURFACTANTE
Problemas:
1. Durante la espiración la presión pleural Po aumenta
y la contracción muscular reduce el radio de los
alvéolos. Si tanto r como ΔP disminuye y σ
permanece constante, la ecuación no se cumple y
los alvéolos se aplastarían.
2. Durante la inspiración, la presión pleural Po
disminuye y el radio aumenta. Si σ permanece
constante, la ecuación anterior tampoco se satisface
y los alvéolos aumentarían de tamaño hasta
romperse.
RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL
AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS
• La fricción disipa energía mecánica en calor durante
el movimiento de los tejidos pulmonares, paredes de
pecho, movimiento de aire en el árbol
traqueobronquial, y aire moviéndose a través de
equipos de respiración externa.
• El término resistencia pulmonar se usa para significar
resistencia en conductos de aire y resistencia del
tejido pulmonar, y el término resistencia torácica
para significar resistencia en conductos de aire más
pulmonar y más resistencia de las paredes de pecho.
RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL
AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS
• La resistencia a la corriente de aire en las vías aéreas
es semejante a la resistencia eléctrica en un circuito.
Así, en la ley de Ohm se reemplaza la caída de
potencial por la caída de presión y la corriente es
sustituida por el caudal o flujo de aire:
R 
P
Q
• Si el gas fluye sin turbulencia se puede aplicar la ley
de Poiseuille:
 P  R1Q
RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL
AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS
• Si hay turbulencia dentro del sistema, la caída de
presión es proporcional al cuadrado del caudal
P  R2Q
2
donde R2 depende de la densidad del gas más que de
su viscosidad. En este caso, la energía potencial
impulsora se disipa en los remolinos y remansos.
• En las vías aéreas superiores aparecen turbulencias
debido a estrechamientos, cambios en la dirección de
corrientes de aire, ramificaciones del árbol
traqueobronquial.
RESISTENCIA A LA CIRCULACIÓN DEL
AIRE EN LAS VÍAS AÉREAS
• En el árbol traqueobronquial la presión necesaria para
hacer progresar el aire tiene una componente laminar
y otra turbulenta:
 P  R1Q  R 2 Q
2
TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN
• Los Músculos respiratorios ejecutan trabajo:
1. Al distender a los tejidos elásticos de la pared
torácica de los pulmones.
2. Al mover los tejidos inelásticos (resistencia por
viscosidad).
3. Al desplazar el aire a través de las vías respiratorias.
• El trabajo efectuado por la respiración puede
calcularse a partir de la curva de presión de
relajación.
TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN
• El trabajo requerido
para la inspiración es
el área ABCA y el
trabajo elástico total
para aumentar
el
volumen
de
los
pulmones solos es el
área ABDEA.
TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN
• La cantidad de trabajo
elástico requerido para
inflar todo el sistema
respiratorio es menor que
la requerida para inflar los
pulmones solos.
• La
energía
elástica
perdida por el tórax (área
AFGBA) es igual a la
ganada por los pulmones
(área AEDCA)
TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN
• La resistencia a la fricción por el
movimiento del aire produce un
lazo de histéresis. El área AXBYA
representa el trabajo realizado
para vencer la resistencia de las
vías respiratorias y la viscosidad
pulmonar. Si el flujo se vuelve
turbulento durante la respiración
rápida, la energía requerida es
mayor que cuando el flujo es
laminar.
TRABAJO EN LA RESPIRACIÓN
• El trabajo depende de la frecuencia respiratoria. Para
ciertas condiciones particulares se calculó que el
trabajo para vencer las fuerzas elásticas es el 63 % del
total, para las fuerzas viscosas y turbulentas es 28,5 %
y para las fuerzas de fricción y deformación de
órganos 8,2 %.
VOLÚMENES PULMONARES
• En cada respiración normal entran
y salen de los pulmones 500 cm3
de aire, denominado aire corriente.
De este volumen solamente 360
cm3 participan en la respiración y
el resto queda en el espacio
muerto.
• Si después de una inspiración
normal se ejecuta una inspiración
forzada pueden entrar unos 2000
cm3 más de aire, denominado aire
complementario.
VOLÚMENES PULMONARES
• Si después de una espiración normal se ejecuta una
espiración forzada pueden expulsarse de los pulmones
unos 1500 cm3, denominado aire de reserva o
suplementario. Al aire restante que queda en los
pulmones se llama aire residual (1500 cm3).
• La capacidad vital es la suma del aire de reserva,
corriente y complementario. Se determina midiendo la
cantidad de aire contenido en los pulmones entre una
inspiración forzada y una espiración máxima.
• Ventilación pulmonar es el intercambio de gases entre el
interior y exterior de los pulmones. Su eficiencia se
determina con el cociente de ventilación pulmonar: CT =
Vc/VT
INTERCAMBIO DE GASES EN LOS
PULMONES
• La composición de aire seco es: O2 20,98 %;
CO2 0,04 %; N 78,06 %; 0,92 % otros
constituyentes.
• A nivel del alvéolo pulmonar la concentración
de aire es: O2 14%; CO2 5,6 %.
• El intercambio de gases entre el aire inspirado
y el alveolar se expresa en los valores
intermedios de los gases contenidos en el aire
espirado.
INTERCAMBIO DE GASES EN LOS
PULMONES
• Las presiones de los gases de la respiración se rige por la
ley de Dalton de las presiones parciales. Como los
alvéolos están saturados de vapor de agua, la presión
parcial de un gas se determina con la fórmula
PA = XA(Patm – 47) mmHg
donde XA es la fracción molar del gas y 47 mmHg
corresponde a la presión del vapor de agua en el alvéolo
a 37 ºC.
• El nitrógeno no participa en la respiración.
INTERCAMBIO DE GASES EN LOS
PULMONES
• Si se comparan las presiones de los gases en el aire
alveolar y en la sangre, se observa que el intercambio
gaseoso se realiza por un proceso de difusión
Sustancia
Aire alveolar
Presión de Presión de
O2(mmHg) CO2(mmHg)
100
40
Sangre venosa
40
46
Sangre arterial
80 a 90
40
INTERCAMBIO DE GASES EN LOS
PULMONES
Alveolo
Capilar
Glóbulo rojo
Desprovisto de
oxígeno
Anhídrido carbónico
Oxígeno
Glóbulo rojo
cargado de
oxígeno
FÍSICA DE ALGUNAS
ENFERMEDADES PULMONARES
• En el enfisema, las divisiones entre los alvéolos se
rompen produciendo espacios pulmonares mayores,
dando lugar a la pérdida de elasticidad. Los pulmones
se hacen más complacientes; de modo ante un
pequeño cambio de presión se origina un volumen
mayor que el normal.
• En el asma, el problema básico es la dificultad
respiratoria debido al incremento de la resistencia en
las vías aéreas producido por la hinchazón (edema) y
moco en las vías aéreas más pequeñas, pero la mayor
se debe a la contracción de los músculos lisos
alveolares de las grandes vías aéreas.
FÍSICA DE ALGUNAS
ENFERMEDADES PULMONARES
• En la fibrosis, las membranas entre los alvéolos se
engrosan. Esto tiene dos efectos: 1) la compliancia
del pulmón decrece y 2) la difusión de O2 en capilares
también.
HIPOPRESIÓN ATMOSFÉRICA
• Presión Atmosférica
P  Po e
 0 , 0342 h / T
T es la temperatura absoluta a la altura h y Po la
presión a nivel del mar ( h = 0)
PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y PRESIÓN PARCIAL DE
OXÍGENO EN FUNCIÓN DE LA ALTURA
Altura (m)
Presión (mmHg)
pO2 en aire (mmHg)
000
760
159
3000
523
110
6000
349
73
9000
226
47
12000
141
29
15000
87
18
19200
45
----
DESCOMPRESIÓN RÁPIDA
• Se produce al pasar de la presión normal a una inferior o al
regresar a una presión normal de una presión superior a ella.
• En los buzos la rápida disminución de la presión atmosférica
provoca la formación de burbujas de gas en los líquidos
corporales dando lugar a dolores articulares, obstrucción de
arterias encefálicas causando parálisis, obstrucción de arterias
coronarias causando lesiones cardiacas, en los alvéolos
pulmonares produce falta de aliento y sofocus.
• En aviación se produce en ascensor rápidos en aviones que no
tienen cabinas comprimidas entre 6000 o 7000 m de altura.
• A una altura de 19000 m la sangre comenzará a hervir si la
cabina queda expuesta a la presión atmosférica (47 mmHg).
DESCOMPRESIÓN EXPLOSIVA
• Se produce cuando la presión cae rápidamente a valores muy
bajos. Por ejemplo, debido a pérdidas en una cabina.
• Produce expansión de gases en el organismo especialmente en
el estómago e intestinos.
• Se produce cuando el coeficiente de expansión relativa de los
gases (ERG) es superior a 2,3.
• El ERG se calcula con la fórmula
ERG 
P1  47 mmHg
P2  47 mmHg
donde P1 y P2 son las presiones antes y después de la
descompresión.
TERMODINÁMICA
MUSCULAR
CALOR DE CONTRACCIÓN
• El Calor producido en una contracción es
Q = Qa + ax
donde Qa es el calor de activación, ax calor de contracción y Q
el calor inicial. La constante a vale 0,035 J/cm3.
• El calor liberado después de una contracción se llama calor de
restitución
CALOR DE CONTRACCIÓN
• En una contracción isométrica pura solamente aparece
el calor de activación:
Q = Qa
• El calor máximo producido en una contracción
tetánica es
Q = f t + Qa + a(L/3)
donde L es la longitud del músculo en reposo, f la
frecuencia del estímulo y t la duración del estímulo.
POTENCIA DE LA CONTRACCIÓN
MUSCULAR
• La energía total de una contracción es
E = Qa + W + ax = Qa + (F + a)x
• La potencial de la contracción es
P = dE/dt = (F + a)v
(1)
POTENCIA DE LA CONTRACCIÓN
MUSCULAR
• Experimentalmente
se
comprobó que la potencia
total es función lineal de la
tensión. La potencia es
nula cuando la tensión es
máxima y la potencial es
máxima cuando la tensión
es nula:
P = b(Fmax – F)
(2)
POTENCIA DE LA CONTRACCIÓN
MUSCULAR
• De las ecuaciones (1) y (2)
tenemos
v (F+a)=b(Fmax- F)
O bien
(F+a)(v+b) = (Fmax+a)b
Ecuación fundamental de la
contracción muscular
RENDIMIENTO DEL MÚSCULO
• El rendimiento muscular (R), se define como el
cociente del trabajo mecánico realizado y la energía
suministrada al cuerpo, a través de los alimentos
R 
W
E

T1  T 2
T1
donde W es el trabajo y E la energía suministrada por
el cuerpo
• El trabajo muscular está entre el 20 y 30 %.
MÁQUINA TÉRMICA
• Una
máquina
térmica
transforma calor en trabajo
mecánico, operando entre
dos depósitos a diferente
temperatura, y el trabajo
mecánico se obtiene si el
calor se transfiere del
depósito
con
mayor
temperatura al depósito de
menor temperatura.
EL MÚSCULO .¿UNA MAQUINA
TÉRMICA?
• Si la temperatura del músculo (fuente caliente) es 37
ºC, aplicando la fórmula del rendimiento tenemos:
0 ,3 
310  T 2
310
de donde T2 = 217 ºK = -56 ºC
• Asumimos que la temperatura del músculo (fuente
fría) es 37 ºC, usando la fórmula anterior, tenemos:
0,3 = (T1 – 310)/T1, de donde T1 = 443 ºK = 170 ºC.
EL MÚSCULO.¿UNA MÁQUINA TÉRMICA?
TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE LOS ALIMENTOS
• La principal fuente de energía en el organismo la
constituyen los carbohidratos que ingerimos en
nuestra alimentación, que se desdoblan en glucosa
• La transformación de energía, se realiza oxidando
esencialmente glucosa en el proceso de respiración,
mediante mecanismos moleculares realizados a nivel
celular, a temperatura constante y baja.
• En la oxidación, una molécula de glucosa, se degrada
en seis moléculas de agua, seis moléculas de bióxido
de carbono y energía. Parte de la energía
transformada en este proceso se recupera en la
formación de moléculas de ATP, las cuales
suministran la energía requerida para realizar el
trabajo mecánico, químico, osmótico, eléctrico.
EL MÚSCULO.¿UNA MÁQUINA TÉRMICA?
SIMILITUDES Y DIFERENCIAS DE LA ANALOGÍA
• Una máquina térmica y el organismo, requieren de
combustible. La primera, opera con diferencias de
temperatura provocando transferencia de calor y con ello
la realización de trabajo; en el organismo la oxidación se
realiza a temperatura constante por lo que no hay
transferencia de calor asociado a la realización de trabajo.
• La transformación de energía, en la combustión como en
la oxidación, tienen el mismo principio. La diferencia
radica en la velocidad con que se realizan; la combustión
es violenta y la reacción se mantiene por sí sola una vez
que ha comenzado; en cambio, la oxidación es un proceso
lento y controlado, de manera que, la energía se
transforma de acuerdo a los requerimientos del
organismo.
EL MÚSCULO.¿UNA MÁQUINA TÉRMICA?
CONCLUSIÓN
• Las similitudes antes mencionadas, podrían justificar
la analogía que comúnmente se hace del organismo
con una máquina, pero evidentemente no sería
térmica. Sin embargo el organismo realiza un
conjunto de transformaciones de energía dentro de los
confines de las leyes de la termodinámica, por lo que
si se insiste en llamarle máquina, podría ser, máquina
bioquímica.
http://www.smf.mx/boletin/Ene-99/ensena/o-humano.html
ENTROPÍA
• Es el cociente entre la cantidad de calor absorbido (o
desprendido) y la temperatura a la cual lo absorbe (o
desprende)
S 
Q
T
• La entropía es una medida del estado de desorden o
agitación de las moléculas de un cuerpo. Cuanto
mayor es el desorden molecular, mayor es la entropía.
ENTROPÍA
• De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica,
la entropía de un sistema aislado no puede disminuir,
por lo tanto solo son posibles aquellos estados en los
cuales la entropía aumenta o permanece igual
S  0
ENERGÍA LIBRE
• La relación entre la entropía, entalpía y energía libre es
ΔF = ΔH - T ΔS
• Para la reacción química
A + B →C + D
la energía libre es
ΔF = - RTLn K,
K = [A][B]/[C][D]
(K es la constante de equilibrio de la reacción química)
ENTROPÍA EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
• El organismo vivo es un sistema termodinámicamente
inestable, es decir, un sistema que no está en su
estado de máxima entropía.
• Cada operación que tiene lugar en este sistema,
suponiendo que no intercambian energía con el
exterior, aumenta su entropía y si estuviera totalmente
aislado, la entropía llegaría a su máximo valor y
dejaría de evolucionar: llegaría la muerte.
ENTROPÍA EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
• Para que el organismo se mantenga en estado
estacionario, debe expulsar continuamente el exceso
de entropía que se está produciendo. Es decir,
necesita expulsar materia y energía en estado de
entropía alta y reemplazarlo por materia y energía en
estado de entropía baja.
• El problema de la alimentación sólida o líquida no
consiste apropiadamente en adquirir energía o
materia, sino en adquirir entropía baja, es decir,
orden.
ENTROPÍA EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
• El ser vivo no viola la segunda ley de la
termodinámica al mantener por largos periodos de
tiempo un nivel constante de entropía. El aumento de
entropía previsto por la ley vale para sistemas
aislados y el ser vivo es un sistema abierto.
• La capacidad de vida lo determinan los mecanismos
capaces de expulsar del organismo la energía
utilizada o de alta entropía y lo sustituyen por
cantidades equivalentes de energía utilizable o
energía libre:
ΔF = - Wútil
ENERGÍA LIBRE EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
• La energía libre representa el trabajo máximo que
puede obtenerse de una reacción dada en condiciones
isotérmicas.
• Para una reacción reversible a temperatura y presión
constante
ΔF = ΔH – TΔS
• Para una reacción A+B→C+D, el cambio de energía
libre es:
ΔF = - RT Ln K
donde K es la constante de equilibrio de la reacción
química.
ENERGÍA LIBRE EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
• Para estudiar el balance energético de una persona se
deben medir tres variables de la ecuación anterior.
Esto se hace eliminando algunas de estas variables.
Por ejemplo, la energía química de los alimentos
desaparece si la determinación se realiza durante la
fase posabsortiva. Además, la supresión de los
movimientos voluntarios permite eliminar la energía
bajo la forma de trabajo. Luego, la ecuación de
balance energético toma la forma
-Energía química almacenada = Energía térmica
ENERGÍA LIBRE EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
• La energía perdida en forma de calor no puede ser
totalmente transformada en energía utilizable, esto se
expresa como la segunda ley de la termodinámica.
Energía mecánica obtenida < Energía química liberada
• Cuando una reacción ocurre a presión y temperatura
constante, como en el caso del ser humano, a la energía
útil obtenida de la misma se denomina variación de la
energía libre, que es igual al trabajo útil en procesos
reversibles:
ΔF = - Wútil

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