FENÓMENOS TERMODINÁMICOS, HOMEOSTÁTICOS Y DE REGULACIÓN DEL CUERPO HUMANO

FENÓMENOS TERMODINÁMICOS, HOMEOSTÁTICOS Y DE REGULACIÓN DEL CUERPO HUMANO

Realizar análisis termodinámicos basados en el contenido y transporte de energía permite estimar los efectos e impactos de los procesos, pero, además, establecer el nivel de desperdicio energético que el proceso introduce.

Se basa en la primera y segunda leyes termodinámicas, balance de energía e imposibilidad de aprovechamiento total. En este sentido, evalúa la posibilidad teórica de obtener el máximo beneficio de un proceso llevando el sistema a su estado basal, correspondiente a las condiciones del medio ambiente circundante al sistema en estudio. Resulta una curiosidad termodinámica analizar el comportamiento del cuerpo humano como un sistema autorregulable, en su calidad de sistema homeostático y evaluar su respuesta cuando es expuesto a la radiación solar. Se incluye al final del análisis el cálculo de la energía destruida en este proceso, aplicando para ello un modelo idealizado.

Reservorios termodinámicos

Se define como un reservorio una región en el espacio en la cual se presentan procesos de transferencia de energía entre sus fronteras y los alrededores. Existen los reservorios de temperatura alta desde donde se emite energía y aquellos de temperatura baja que reciben o absorben la energía. Los primeros se conocen como fuentes y los segundos sumideros. Una consideración importante con respecto a los reservorios es asumir que sus propiedades se mantienen constantes en el tiempo. Decimos que realizan procesos a estado estable. En este sentido, el sol constituye una fuente ideal (reservorio caliente) ya que su enfriamiento abarca espacios de tiempo de muchos millones de años y con respecto a nuestro sistema y parámetros de medida, en un par de siglos no refleja variaciones sensibles.

No sería la misma consideración para una taza de café muy caliente que en un lapso de veinte minutos estará fría, es decir, en equilibrio con la temperatura del medio ambiente que rodea al sistema taza. Por otra parte, con relación a los sumideros, veamos los alrededores de nuestra taza de café. Obviamente, se percibirá el flujo de calor calentándose, aunque sea en una pequeña cantidad. A mayor tamaño de la fuente, mayor el choque térmico y el aumento de temperatura mayor. Estamos hablando entonces de un sumidero no ideal. Sin embargo, la atmosfera terrestre en su conjunto representa un sumidero ideal ya que se mantiene la temperatura promedio constante. Este aspecto está siendo cuestionado en la actualidad, dado que en muy buena parte por las acciones humanas la temperatura promedio de la atmosfera este aumento con el fenómeno del calentamiento global, lo que a finales de cuentas muestra que nuestra atmosfera al igual que el sol no son reservorios ideales.

HOMEOSTASIS  

Fuente: https://www.emaze.com/@ACFQTFTO

En la naturaleza los procesos fisicoquímicos y termodinámicos son autorregulables. Es decir, tienden a la búsqueda del equilibrio para compensar los cambios que el medio ambiente, agentes externos al sistema, introducen en los sistemas vivos o inanimados. Estos mecanismos de autorregulación, llamados procesos homeostáticos en los seres vivos ocurren con cambios infinitesimales en las condiciones del sistema, prácticamente imperceptibles, que gradualmente buscan devolver al estado de equilibrio o condición de salud. Especialmente validos estos procesos para los sistemas y organismos vivos, se incluye al planeta tierra visto en un todo como un ser viviente. En el ser humano tenemos por ejemplo el caso de una herida que se infecta por exposición al medio ambiente contaminado. La respuesta inmediata del organismo es librar anticuerpos que combatan la presencia de la infección.

Se establece una batalla, que en principio son una serie de reacciones bioquímicas exotérmicas que originan un aumento en la temperatura corporal y estado de fiebre. La aplicación de antibióticos sirve para fortalecer el sistema de defensa natural y acelerar el proceso de destrucción de la enfermedad. Otro ejemplo menos dramático lo constituye la exposición al sol por parte de un deportista. La incidencia de radicación solar sobre el organismo origina un aumento en la temperatura corporal que es inmediatamente contrarrestada a través de la exudación. En este proceso la vaporización de líquidos origina enfriamiento y regulación térmica. Más adelante, vamos a desarrollar un modelo teórico de este proceso para analizar la generación de energía. Previo, algunas otras consideraciones teóricas.

EXTRAÍDO: Salazar, F. (2019). Termodinámica: Exergía. Retrieved from http://www.incytde.org/incytde/node/133

ENTROPÍA Y ENTALPÍA

ENTROPÍA

https://www.areaciencias.com/fisica/entropia.html

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la Termodinámica, refiere el principio de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, define a la entropía.

ENTALPIA

La Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo, de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en julios.

H = U + pV

Cuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía ( Δ H).

ΔH = Hf – Hi

Fuente: https://mundodelabiofisica.wordpress.com/unidad-3/ Bibliografía

Netto, R. (2019). La termodinámica y el concepto de entropía. Retrieved from https://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap12_entropia.php

PROPAGACIÓN DE CALOR

PROPAGACIÓN DEL CALOR. El calor es una de las múltiples formas en que se manifiesta la energía, y la transferencia de calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo que estén a temperaturas desiguales. La transferencia de calor ocurre mediante convección, radiación y conducción. Estas tres formas pueden producirse a la vez, aunque por lo regular predomina una de ellas. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Figura-1-Mecanismos-de-liberacion-del-exceso-de-calor-en-el-cuerpo-humano_fig1_273755565 Calor de conducción En los sólidos el calor se transfiere por conducción. Si calentamos el extremo de una varilla metálica, después de cierto tiempo percibimos que la temperatura del otro extremo asciende, o sea, el calor se transmitió hasta el extremo opuesto por conducción. Se cree que esta forma de transferencia de calor se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura entre dos puntos del objeto. Esta teoría explica, especialmente en el caso de los metales, por qué los buenos conductores del calor. La plata, el oro y el cobre conducen bien el calor, o sea, tienen conductividades térmicas elevadas, pero la madera, el vidrio y el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores y se conocen como aislantes térmicos. Calor por convección Si provocamos una diferencia de temperatura dentro de una masa líquida o gaseosa se producirá un movimiento del fluido que transfiere calor por convección de la parte más caliente hacia la menos caliente. Esta transferencia cesará cuando toda la masa del fluido haya alcanzado igual temperatura. A este movimiento contribuye la diferencia de densidad del fluido, ya que cuando una porción de este se calienta su densidad suele disminuir y asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende con lo que con lo que se inicia el movimiento circulatorio que permite la homogenización de la temperatura. Por eso los acondicionadores y refrigeradores de aire deben instalarse cerca del techo y los radiadores de calor a poca altura del piso de la habitación. Las corrientes de convección hacen que una sustancia tan mala conductora como el agua se calienta relativamente rápido. Estas también originan las brisas marinas, ya que, al incidir los rayos del sol sobre la tierra, esta se calienta más rápido que los océanos y mares, ello hace que el aire sobre la superficie de la tierra se caliente más rápido, ascienda y el aire sobre la superficie del mar ocupe su lugar. Calor de radiación La propagación del calor por radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino pueden estar separadas aún por el vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con las ondas electromagnéticas. La radiación transfiere calor por radiación electromagnética (en especial infrarroja) y es el principal mecanismo mediante el cual el Sol calienta a la Tierra. En las montañas, cuando el sol asciende por el horizonte, se percibe el calor tan pronto como el sol se hace visible. A este calor, se le denomina calor radiante y está constituido por ondas electromagnéticas con longitud de onda un poco mayor que la del espectro visible y que también viajan a la velocidad de la luz. A estas se les denomina rayos infrarrojos y son invisibles al ojo humano. Un ejemplo común de la propagación del calor por radiación lo constituyen las hogueras utilizadas como medio de calefacción en los hogares. Contrario a la creencia generalizada, el calor que llega a la habitación desde la chimenea es casi todo en forma de radiación infrarroja emitida por las llamas, brazas y paredes calientes. Métodos de propagación del calor Hay que reseñar que los cuerpos no contienen calor sino energía térmica, el calor es la transferencia de energía entre dos cuerpos. El calor se mide en julios en el Sistema Métrico Internacional, aunque puede que la medida más conocida sean las calorías. Una caloría es la energía que hay que suministrar a un gramo de agua para aumentar un grado su temperatura, concretamente de 14, 5º a 15, 5º. Es habitual ver en los alimentos etiquetas con la indicación de las kilocalorías (Kcal). Una kilocaloría, como su propio nombre indica, equivale a 1000 calorías. Para actuar con eficacia ante un incendio y tomar las medidas necesarias para su extinción mediante los medios existentes en el local y poder erradicarlo, es muy importante conocer como el actúa el fuego y se transmite el calor del mismo hacia todos los materiales de su alrededor, propagándose. Una vez que conocemos como se propaga el calor de un cuerpo a otro podemos aplicarlo a como se propagan los incendios. Un fuego se propagará de igual forma que el calor, por conducción, convección y radiación. Por lo tanto, conocer las formas en las que un incendio puede propagarse puede ser de vital importancia a la hora de sofocarlo. Bibliografía EcuRed. (2008). Obtenido de https://www.ecured.cu/Propagaci%C3%B3n_del_calor

ENERGIA - TRABAJO - CALOR

ENERGÍA

Para la Física, la energía es la capacidad potencial que tienen los cuerpos para producir trabajo o calor, y se manifiesta mediante un cambio. Es energía el esfuerzo que hace una persona cuando pedalea sobre una bicicleta. También lo es el movimiento continuo del agua de un río, o el calor que desprende el carbón cuando se quema. Desde siempre, el hombre ha utilizado las fuentes de energía a su alcance para hacer un trabajo o para obtener calor.

Primero su propia fuerza física o la de los animales domésticos. Luego la energía del viento y del agua. Más tarde llegaría la explotación de los combustibles fósiles –carbón, gas natural y petróleo– y de la energía nuclear. En el futuro es probable que puedan aparecer nuevas fuentes, pero, sea como fuere, la disponibilidad de energía ha sido siempre esencial para la humanidad. Tan esencial como pueda serlo, por ejemplo, el agua potable. De entre las distintas fuentes de energía, las renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables a escala humana, aunque habría que decir que, para fuentes como la biomasa, esto es así siempre que se respeten los ciclos naturales. El sol está en el ori- © EHN gen de todas las energías renovables porque su calor provoca en la Tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos, fuente de la energía eólica. El sol ordena el ciclo del agua, causa la evaporación que predispone la formación de nubes y, por tanto, las lluvias. También del sol procede la energía hidráulica.

Fuente: https://www.slideshare.net/MaryCarmen790/la-energa-del-ser-humano

Las plantas se sirven del sol para realizar la fotosíntesis, vivir y crecer. Toda esa materia vegetal es la biomasa. Por último, el sol se aprovecha directamente en las energías solares, tanto la térmica como la fotovoltaica. Las fuentes de energía renovables que incluimos en esta colección son la eólica, la solar térmica y fotovoltaica, la biomasa y los biocarburantes, la hidráulica –con especial atención a la minihidráulica–, la geotérmica y las energías procedentes del mar. Dedicamos también un cuaderno al hidrógeno y a la pila de combustible. El hidrógeno no es una fuente de energía, como tampoco lo es la electricidad, pero es sin duda el combustible limpio del futuro y algún día se producirá fundamentalmente a partir de renovables. El último cuaderno de la colección trata de ofrecer a los niños una visión de todas las fuentes de energía limpias.

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TRABAJO

La medida del intercambio de energía parte de observar como en diferentes labores que impliquen transferencia de energía, siempre aparecen fuerzas y objetos que se mueven, la combinación de fuerzas y desplazamientos permite definir trabajo, si emplea el doble de combustible para subir dos teleféricos a la cima de la montaña y para recorrer el doble de la distancia con un solo teleférico, el consumo de energía o el trabajo debe estar expresado en términos de fuerza por la distancia recorrida. Esta es una buena forma de medir transferencias de energía. Si se quiere aplicar el concepto de trabajo, por ejemplo: para informarse de la energía transferida a la luna en su movimiento orbital alrededor de la tierra, identificamos una fuerza tipo central y un desplazamiento perpendicular a la dirección de la fuerza; en su movimiento la luna no se desplaza en la dirección de la fuerza, luego la energía transferida a la luna es cero. (La luna girara eternamente alrededor de la tierra) Esta ilustración determina completamente la validez 

Fuente: https://noticiasdelaciencia.com/art/11180/primera-demostracion-de-marcapasos-energizado-por-el-propio-cuerpo

CALOR

Cuando dos sistemas macroscópicos a diferente temperatura son puestos en interacción térmica (exclusivamente), se denomina calor a la energía neta que se transfiere del sistema inicialmente a más alta temperatura al inicialmente a más baja temperatura)). Esta definición, inspirada en Reif (1969), no es general, en el sentido de que con más de dos sistemas y/o con otras interacciones presentes además de la térmica también surge el calor. Pero esta falta de generalidad no elimina ninguno de los elementos necesarios para la presencia del calor y facilita el análisis. Resaltemos algunos aspectos de la definición:

Fuente: https://es.wikiversity.org/wiki/ProgramacionIngenieriaMecanicaUPB:Grupo_1520_06

a) La aparición de calor implica la presencia de dos sistemas (por lo menos).

b) Los sistemas deben estar a diferente temperatura.

c) Han de asegurarse las condiciones de interacción térmica.

d) Existe un claro referente para el calor que es la energía.

e) Destaca la situación de transferencia de la energía.

Aparecen pues implicados los conceptos de temperatura, energía, transferencia de energía e interacción térmica. Veamos hasta qué punto. En primer lugar, la temperatura debería de ser conocida como la magnitud que relativiza los conceptos de «frío» y «caliente», conceptos que presentan cierto carácter dicotómico en la concepción espontánea. Es pues necesario el concepto macroscópico de temperatura, construido a partir de nuestras sensaciones, para establecer el nivel térmico de un sistema y apreciar diferencias de temperatura. La transferencia de energía entre sistemas por interacción térmica implica por su parte el concepto de energía interna, el cual implica a su vez el conocimiento de la constitución molecular de la materia, el concepto microscópico (estadístico) de temperatura y el conocimiento de varias formas de energía asociadas a las moléculas y a los átomos o iones que las componen.

Estas formas de energía asociadas a las partículas atómicas son además necesarias para justificar los modos elementales de transferencia de energía en las interacciones térmicas, es decir, la transferencia por interacción mecánica microscópica y la transferencia por interacción electromagnética. En resumen: el concepto científico de calor exige como prerrequisitos el concepto de temperatura en sus dos aspectos macroscópico y microscópico, y los de energía, sus formas y sus modos fundamentales de transferencia. No entraremos aquí en consideraciones sobre la dificultad de los prerrequisitos señalados, pero sí sobre su cantidad. A la vista de esta queda claro que el concepto de calor es muy complejo debiendo esperarse por tanto que su aprendizaje resulte bastante difícil. «El calor es sin duda uno de los tópicos conceptualmente más difíciles de todo el currículum de ciencias en la escuela secundaria)) (Summers 1983). Sin embargo, el concepto de calor resulta muy natural cuando se conocen los mecanismos microscópicos de transferencia de energía en los procesos de interacción térmica.

Bibliografía

[1] Energías renovables. (2019). Retrieved from https://es.calameo.com/read/0005488005c0d463ce06c

[2] (2019). Retrieved from http://bdigital.unal.edu.co/4849/1/tesis_leonardo.pdf 

[3] ANALISIS CIENTIFICOS - CALOR Y TEMPERATURA OAXACA. (2019). Retrieved from https://sites.google.com/site/calorotemperatura/analisis-cientificos

CALORIMETRÍA

CALORIMETRÍA

Dentro de los de los aportes más importantes y significativos que relacionan el calor y el frío se encuentran los de Galileo y Black. Galileo al construir el termoscopio logró interrelacionar los conceptos de calor y frio en el instrumento por medio del aire como sustancia termométrica e identificarlos en la escala de vidrio. Sin embargo, la comunidad científica no consideró importante este aporte y no lo reconoció en su momento. Black formula sus observaciones experimentales definiendo el equilibrio térmico, de esta manera se resuelve el problema epistemológico de asignarle un número exacto y reproducible de la temperatura de un cuerpo. Un cuerpo cuya temperatura es de 35°C se puede comparar con la temperatura de 35°C que indica la longitud de la columna de mercurio en un termómetro para lograr cuantificar el fenómeno térmico y tener información de primera mano de lo caliente o frío de este cuerpo, asignando datos numéricos que indican relaciones cuantitativas entre la sustancia termométrica empleada y los conceptos de calor y frío.

Prévost plantea: Un cuerpo frío en un foco emitirá menos calor radiante que un cuerpo tibio en el otro foco, el cual será enfriado porque recibiría menos calor radiante que el emitido. Entonces, el efecto del termómetro se debía no a la reflexión del frío, sino a la reflexión del calor en la dirección opuesta. 

 El calor viene a un estado de equilibrio. Este equilibrio es de algún modo curioso. Encontramos, cuando toda acción mutua ha finalizado que un termómetro aplicado a cualquiera de esas sustancias adquiere el mismo grado de expansión; por consiguiente, la temperatura de ellos es la misma y el equilibrio es universal. Ninguna adquisición previa con la relación particular de cada cuerpo con el calor nos podría haber asegurado esto, y nosotros debemos reconocer el descubrimiento enteramente al termómetro. 

La dirección privilegiada del flujo del calor presentada por Black y su conservación permiten inferir el principio de conservación del calor “calor ganado es igual al calor cedido.” Identificar la temperatura y el calor como conceptos inherentes pero diferentes en los fenómenos térmicos, implica tener también claridad del concepto de calor, históricamente para la construcción del concepto de calor se dan dos corrientes de pensamiento, la que considera que el calor es una sustancia (teoría del calórico) y la que considera que es movimiento (Teoría molecular). Una vez se ha significado la temperatura como la intensidad de calor en un proceso térmico, se centra la discusión en identificar las características tanto cualitativas como cuantitativas del concepto de calor, la siguiente descripción permite evidenciar lo que diferencia el calor de temperatura “cuando se compara la temperatura de un paciente, por ejemplo, con un termómetro, después de un tiempo relativamente corto se puede afirmar que su temperatura es la representada en el termómetro, suponer que el paciente y el termómetro poseen la misma cantidad de calor porque sus temperaturas son iguales”, fue aclarado por Black de la siguiente forma: “…tener una visión muy apresurada del asunto.

La teoría del calórico donde el calor es considerado como una sustancia, explica completamente el comportamiento térmico de la materia en cuanto a su naturaleza, su dilatación, (metales, gases y líquidos) los estados de la materia, la capacidad calorífica específica y los cambios de estado. La teoría del calórico identifica la naturaleza del calor como un fluido indestructible, capaz de penetrar los espacios vacíos entre moléculas, y caracterizado por dos fuerzas a saber: una fuerte atracción por la materia y una fuerza calórica auto repulsiva. La dilatación lineal, superficial y volumétrica se explica por la capacidad de las sustancias en ganar calórico y cuando disminuye su temperatura se contraen perdiendo calórico, la densidad del calórico disminuye rápidamente y no genera interferencia con la fuerza de atracción gravitatoria intermolecular. Los estados de la materia se explican por la diferencia entre la fuerza de atracción gravitatoria entre las moléculas y la repulsión del calórico, por ejemplo, en los gases las fuerzas de atracción entre moléculas son insignificantes comparadas con la fuerza auto repulsiva del calórico.

De acuerdo con la teoría clásica de Maxwell se puede afirmar:

• Toda partícula de materia, cargada eléctricamente y en movimiento acelerado, emite o absorbe radiación electromagnética.

• Una partícula cargada atrae o repele a otra partícula cargada, porque produce un campo electromagnético en el espacio que la rodea

Planck reformula su teoría así:

• La radiación electromagnética existe en forma de fotones

 • Electrones y protones emiten y absorben fotones

 • Un electrón emite uno o muchos fotones y otro electrón los absorbe

En cualquier proceso de interacción de la materia con una onda electromagnética, la emisión y absorción de fotones cumple la conservación de la carga, del número de electrones y del número de protones; sin embargo el número de fotones es diferente antes o después de la interacción, las tres leyes de conservación son la ley de conservación de la energía, la ley de conservación de la cantidad de movimiento y la ley de conservación de la cantidad de movimiento angular.

Fuente: https://institutodeobesidad.com/diagnostico/calorimetria/ Bibliografía ANALISIS CIENTIFICOS - CALOR Y TEMPERATURA OAXACA. (2019). Retrieved from https://sites.google.com/site/calorotemperatura/analisis-cientificos