FÍSICA BIOLÓGICATERMODINÁMICA

Ing. Sandra Leiton

CALORCALOREl calor es una forma de energía llamada

energía térmica (energía en tránsito)Unidades : Joule, caloría, 1 cal = 4.184 J o 1J=

0,24cal. El cuerpo humano consume energía en función

de su masa y del tipo de actividad que realiza. Se mide en

Met = kcal /kg h El calor es una forma de variar la E del sistema, no es función de estado y no es “algo” que

posea el sistema.

Calor

Se calcula como: ( , ) 2 1( )T PQ mC T T

T=20ºC T=40ºC

Estado FinalEstado Inicial

CalorCalorSegún si el sistema absorbe o cede calor

Criterio de signosCriterio de signos

SISTEMA

Q > 0 Q < 0

Temperatura: La temperatura es la expresión de la

velocidad promedio (energía cinética media) de las moléculas de las sustancias.

La temperatura depende de: la energía que recibe la cantidad de materia o masa que

posee la naturaleza de la sustancia que la

constituye

La ley cero: Equilibrio Térmico:

Dicha temperatura no es el promedio de ambas, sino que

depende del tipo de sustancia, la cantidad de ellas y la temperatura

de cada una.

Propagación del Calor:

Conducción: Se produce en los sólidos

Conducción: El principal parámetro que regula la conducción de

calor es la conductividad térmica, es una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor

La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Ley de Fourier: Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

Ley de Fourier:

es el calor entregado

∆t es el intervalo de tiempo durante el cual se entregó calor,  

λ es el coeficiente de conductividad térmica propio del material en cuestión,  

A es la sección del cuerpo,   L es la longitud ∆T es el incremento de la temperatura.

Radiación Se realiza en todas las fuentes de calor sin la

intervención de las partículas materiales. Así, sentimos el calor cuando acercamos la mano a una estufa o una plancha, sin necesidad de tocarla.

RadiaciónLa cantidad de energía radiante emitida o calor

radiado viene dada por la Ley de Stefan-Boltzman

Donde: Q es el flujo de calor por unidad de tiempo, A el área; e la emisividad de la superficie, que varía entre 0 y 1 (cuerpo negro); σ la constante de Stefan-Boltzman, que vale  [4.87x10-8 kcal/h m2 K4 = 5.67x10-8 J/s m2 K4] y  T es la temperatura absoluta del cuerpo

Intercambio de calor entre el cuerpo humano y el ambiente:El calor proveniente del interior del cuerpo que

fluye hacia la periferia, (extremidades), es disipado por el cuerpo a través de cuatro vías.

1 - Transmisión del calor por Convección.2 - Transmisión del calor por Conducción.3 - Radiación del calor. 4 - Evaporación.

1 - Transmisión del calor por Convección.Se genera por medio del intercambio

entre la piel y el aire. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre la piel y el aire, mayor es el intercambio de calor, el cual se encuentra favorecido en forma proporcional a la velocidad de movimiento del aire circundante; lo cual explica la sensación de frescura o de frío cuando existe una corriente de aire.

1 - Transmisión del calor por Convección.Cuanto mayor es la aislación de la

vestimenta, menor es el intercambio de calor.

2 - Transmisión del calor por Conducción.Se realiza entre el cuerpo y los objetos que este

toca (toma contacto), siempre que exista una diferencia de temperatura entre ambos.La cantidad de calor trasmitida depende directamente de la diferencia de temperatura de los cuerpos involucrados. En este caso la velocidad del aire no afecta el intercambio calórico.

3 - Radiación del calor. En el caso que la temperatura del medio

ambiente sea menor a la de la piel, se genera una transferencia de calor del cuerpo hacia el medio circundante en forma de radiación.La entrega de calor por radiación diaria de una persona oscila entre 4.200 y 6.300 KJ por día, representando entre el 40 y 60% de la cantidad de calor total que entrega al medio ambiente.

4 - Evaporación.Es la pérdida del 22% del calor corporal, mediante

el sudor, debido a que el agua tiene un elevado calor específico, y para evaporarse necesita absorber calor, y lo toma del cuerpo, el cual se enfría. Una corriente de aire que reemplace el aire húmedo por el aire seco, aumenta la evaporación.

4 - Evaporación.En el organismo se produce por los siguientes

mecanismos: Evaporación insensible o perspiración: se

realiza en todo momento y a través de los poros de la piel, siempre que la humedad del aire sea inferior al 100%. También se pierde agua a través de las vías respiratorias.

Evaporación superficial: formación del sudor por parte de las glándulas sudoríparas, que están distribuidas por todo el cuerpo, pero especialmente en la frente, palmas de manos, pies, zona axilar y púbica.

4 - Evaporación.

Cuando la temperatura ambiental excede a la corporal, el calor se gana por el metabolismo, radiación, convección y conducción y solo se pierde por la evaporación asociada al sudor. El grado de humedad del aire influye en la pérdida de calor por sudoración, ya que cuanto mayor sea la humedad del medio ambiente menor cantidad de calor podrá eliminarse por este mecanismo.

4 - Evaporación.El calor irradiado se puede calcular como

Donde: ∆Q es el calor irradiado [J o cal], m es la masa evaporada [kg] y L es la energía de evaporación [kcal/kg o

J/kg]

Sistemas y procesos:Los elementos son: un sistema físico, el

medio ambiente y la frontera

Sistemas y procesos:En general, un sistema material intercambia

materia y/o energía con el medio que lo rodea. Según el tipo de intercambio, los sistemas pueden clasificarse en:

Tipos de sistemas Un sistema donde se logre que el

volumen se mantenga constante al igual que su temperatura, se denomina estacionario

Si no hay intercambio de calor con el medio ambiente, el proceso se llama adiabático.

Tipos de sistemas Si el sistema libera calor y si ocurre en un

recipiente adiabático, se produce un aumento de temperatura dentro del sistema y es un proceso exotérmico.

Si el sistema absorbe calor y si se produce en un recipiente no adiabático la temperatura del medio disminuye y el proceso es endotérmico

El hombre concebido como sistema termodinámicoEl hombre concebido como sistema termodinámico

en interacción con su entorno es un sistema abierto en estado estacionario que mantiene constante algunos parámetros: temperatura corporal; pH sanguíneo; concentración de iones extracelulares; entre otros, por lo que puede caracterizarse: “El hombre es un sistema abierto en estado estacionario que mantiene constantes sus propiedades, a pesar del intercambio de masa y energía con su entorno, el medio ambiente”.

Conceptos básicos de la Termodinámica:El trabajo, el calor y la energía son los conceptos

básicos de la termodinámica

Decimos que el trabajo es realizado por sistema cuando su energía potencial aumenta (el cuerpo en el medio ambiente se eleva) y será positivo. Por el contrario, para el caso en el cuerpo disminuye su energía potencial, decimos que el trabajo está hecho sobre el sistema y será negativo.

Criterio de signosCriterio de signos

Primer principio de la Termodinámica:La cantidad total de calor absorbida por un

sistema (estado inicial igual al final) es igual al trabajo realizado por el mismo.

∑ Q + ∑ W = 0

La ecuación nos indica que el trabajo (W) puede transformarse en calor (Q) y el calor puede transformarse en trabajo.

Lo que lleva a asegurar que la energía total del sistema permanece constante.

Energía interna La energía interna es la suma de las energías

cinética y potencial de las moléculas.

Es una función de estado

Entalpía: La Entalpía es una medida de la

cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

ΔH = ΔU + P Δ.V [cal]Es una función de estado

Entalpía

Para un proceso exotérmico siempre ΔH<0 y para un proceso endotérmico siempre ΔH >0

Procesos reversibles e irreversibles:Un proceso en el que un sistema pasa de

un estado A a otro B es reversible si el sistema puede volver al estado A, pasando, en sentido contrario, por los mismos estados por los que pasó. Es posible demostrar que si esto ocurre no queda ninguna trasformación fuera del sistema.En caso que las condiciones mencionadas no se cumplan, el proceso es irreversible.

Segundo principio de la termodinámica:Su enunciado es: “es imposible

obtener un proceso cíclico cuyo único efecto sea la transformación de calor en trabajo”.

Se relaciona con el sentido posible de las transformaciones y se demuestra la imposibilidad de obtener un proceso cíclico cuyo único efecto sea la transformación de calor en trabajo.

Entropía: “la entropía (S) es una medida

cuantitativa del desorden”. Es igual a: ΔS = Q/ T [J/ºK]

La Entropía es una función de estado y no depende del camino de la transformación

Resumiendo La entropía nos permite establecer

cuál es el sentido posible de una transformación adiabática.

Entonces: ΔS =0 el proceso es reversible y se

encuentra en equilibrio ΔS >0 el proceso es espontáneo ΔS <0 el proceso es imposible

Variables que afectan la entropía. Temperatura - a mayor temperatura,

mayor el movimiento molecular y mayor es la entropía.

Presión - a mayor presión se reduce el volumen y la entropía aumenta.

La cantidad de sustancia, n - que depende del número de moles. A mayor cantidad de sustancia, mayor será la entropía.

Cambios de entropía

Cambios de entropía

Energía libre El concepto es de potencial termodinámico y

da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).

Sirve para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea.

Se define a partir de:

ΔG = ΔH – Δ (T.S)

Es una función de estado

Energía libre ΔG =0 el proceso es reversible y el

sistema está en equilibrio ΔG >0 el proceso es imposible, sólo es

posible si le agrego calor externo ΔG <0 el proceso es irreversible y

espontáneo en la dirección de la disminución de G

Reacciones endergónicas y exergónicas Se denominan exergónicas a las

transformaciones que se producen con disminución de energía libre y el proceso ocurre espontáneamente.Una transformación es endergónicas cuando se produce con aumento de energía libre.

Reacciones endergónicas y exergónicas

Muchas gracias