TERMODINÁMICA EN LOS PROCESOS BIOLOGICOS LA TERMODINAMICA Y SU IMPORTANCIA BIOLOGICA: La termodinámica es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temper temperatu atura, ra, presió presión n y volume volumen n de los sistem sistemas as físico físicoss a un nivel nivel macros macroscóp cópico ico.. Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. La termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor. Es importante ya que la clula esta repleta de molculas y stas tienen que interaccionar para que se de una reacción química, estas reacciones generan o requieren calor o energía !componente entálpico "delta"#, para que se den estas reacciones tiene que $aber $aber afinid afinidad ad entre entre las molcu molculas las reacci reacciona onante ntes, s, por e%empl e%emplo o las cuesti cuestione oness de reco recono noci cimi mien ento to antí antíge geno no anti anticu cuer erpo po o prot proteí eína na sust sustra rato to,, se pued puede e calc calcul ular ar las constantes de afinidad o de disociación. La presión es algo que definitivamente nos afecta a todos los seres vivos, la clula que esta llena de solución acuosa en el citoplasma.
CICLOS TERMODINAMICOS Entenderemos por &iclo termodinámico cualquier proceso en que un sistema partiendo de un estado inicial, sufre una serie de transformaciones termodinámicas tras las cuales llega a un estado final que es igual al inicial. En un ciclo termodinámico '()*, o lo que es igual +). Es decir el calor neto comunicado al sistema es igual al traba%o neto reali-ado por el mismo. Este funcionamiento cíclico es la idea de partida de cualquier máquina trmica. eremos a continuación los cuatro ciclos termodinámicos más importantes/
Ciclo de carnot
En el siglo 010 el ingeniero francs 2icolas &arnot concibió, estudió y desarrolló un ciclo termodinámico, que constituye el ciclo básico de todos los motores trmicos, en el/ 3e suministra al motor energía en forma de calor a temperatura elevada. La acción del calor permite reali-ar un traba%o mecánico al motor. El motor cede calor al foco de temperatura inferior. El ciclo de &arnot es un ciclo teórico y reversible, su limitación es la capacidad que posee un sistema para convertir en calor el traba%o, se utili-a en las máquinas que usan vapor o una me-cla de combustible con aire u oxígeno. El ciclo se divide en cuatro etapas, cada una de las cuales se corresponde con una transformación termodinámica básica/ •
Etapa A# Expansión isotrmica
En el gráfico es el paso del estado 4 al estado 5. Es un proceso isotermo y por ser un gas perfecto eso $ace que la temperatura se mantenga constante 6 4. El gas se encuentra en un estado de equilibrio inicial representado por p 4, 4, 64, en el interior del cilindro. 3e produce una expansión isotrmica entre 4 y 5, $asta alcan-ar los valores p 5, 5, 64, el sistema reali-a un traba%o + 4 positivo !aumenta el volumen, luego es un traba%o $ec$o por el sistema, traba%o positivo#, comunicando energía al entorno, por otro lado como la variación de energía interna $a de ser cero, toma un calor del entorno equivalente 4/
•
Etapa 7# Expansión adiabática
3e parte del punto 5 y se llega al estado 8. 9or ser un proceso adiabático no $ay transferencia de calor, el gas debe reali-ar un traba%o, elevando el mbolo, para lo que el cilindro debe estar aislado trmicamente, alcan-ándose los valores p 8, 8, 65. •
Etapa &# &ompresión isotrmica
Entre los estados 8 y :, $asta alcan-ar los valores p :, :, 65, siendo el traba%o reali-ado por el pistón. En este caso es un traba%o de compresión !negativo#, se recibe energía del entorno en forma de traba%o y se cede una energía equivalente en forma de calor/
•
Etapa ;# &ompresión adiabática
Entre los estados : y 4 cerrándose el ciclo. 3e alcan-an de nuevo los valores p 4, 4, 64 sin transferencia de calor con el exterior.
&onsideramos a$ora el efecto global del ciclo. •
•
El traba%o neto + reali-ado durante el ciclo por el sistema será el representado por la superficie encerrada en el trayecto 4<5<8<:<4. La cantidad neta de energía calorífica recibida por el sistema será la diferencia entre 5 y 4.
9ara calcular el rendimiento de un ciclo de &arnot se emplea la misma expresión mencionada anteriormente/
En la práctica es muc$o más difícil obtener los valores de los calores trasegados que los valores de la temperatura !en grados =elvin# de los dos focos, que se conocen por la lectura de un termómetro, y se puede considerar que la transmisión de calor es proporcional a las temperaturas de ambos focos sin que se cometa un error apreciable !recuerda que son gases perfectos y que la variación de energía interna es fución exclusiva de la variación de temperatura# por lo que se puede escribir/
> por lo tanto se puede expresar el rendimiento como/
El rendimiento de este tipo de máquinas será mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas del foco caliente 6 4 y el foco frío 65.
Ciclo de ericsson El ciclo Ericsson, que utili-a aire caliente como fluido de traba%o y que está específicamente pensado para aplicaciones solares. En este ciclo termodinámico, tambin reversible y por tanto nos da el rendimiento máximo que se puede obtener de la máquina, el fluido evoluciona reali-ando dos transformaciones isotermas y dos isobáricas.
Ciclo de sterlin El ciclo 3terling, muy parecido al ciclo ideal de &arnot, y que suele utili-ar aire u otro gas como fluido de traba%o. Este ciclo tambin se emplea en el bombeo solar de agua.
Ciclo de ran!ine
El ciclo ?an@ine opera con vapor, y es el utili-ado en las centrales termoelctricas. &onsiste en calentar agua en una caldera $asta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se $ace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cintica. 9rosigue el ciclo $acia un condensador donde el fluido se lica, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera. La representación en diagrama p< de ciclos en los que el fluido se vapori-a, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase. A la i-quierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no $ay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. 9or ello las isotermas son prácticamente verticales. A la derec$a corresponde al estado vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales. ;entro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son $ori-ontales. Esto es así porqu dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporación. El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de &arnot, aunque no alcan-a valores tan elevados.
El ciclo de ?an@ine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utili-aban un cilindro de doble efecto con un componente despla-able llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro del pistón.
CONCEPTO DE SISTEMAS:
3e define como una cantidad de materia limitada por una superficie cerrada. Los cuerpos que no forman parte del sistema se llama/ Bedio exterior o medio ambiente, tambin se le llama alrededores. 9or consiguiente un sistema se separa de su medio ambiente con ayuda de su superficie límite, esto implica que todo sistema termodinámico interacciona con su medio ambiente a travs de de su superficie límite 9ara poder entender las magnitudes involucradas se $ace necesario definir los conceptos de interacciones, sistema y estado de un sistema.
Interacciones a#
1nteracción Becánica
El sistema reali-a traba%o sobre el medio ambiente, o el medio ambiente reali-a traba%o sobre el sistema b#
1nteracción 6rmica
&onsiste en el intercambio de calor entre partes del mismo sistema o entre el sistema con el medio exterior.
Siste"as .
3e puede definir un sistema como un con%unto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. 3i en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no $ay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturale-a, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos $acer aproximaciones. (n sistema del que sale yCo entra materia, recibe el nombre de abierto.
Siste"as Ter"odin#"icos a$ Siste"a a%ierto: &uando el sistema puede $acer intercambio de materia con el medio exterior. ay interacción de masa, e%emplo/ los flu%os de gas y vapor en las turbinas y tuberías. %$ Siste"a cerrado: 3i la materia no sale fuera de los límites del sistema. 2o $ay intercambio de masa, e%emplo/ un relo% de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de l. 3olo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.
c$ Siste"a aislado/ Aquel que no tiene intercambio ni de energía, ni de materia con el medio ambiente. Dste es un sistema cerrado, e%emplo/ un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía !calor# salga de l. d$ Siste"a adia%#tico: Aquel que no puede $acer intercambio de calor con el medio exterior. MEDIO E&TERNO O MEDIO AMBIENTE 3e llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en l. odo sistema está rodeado por su medio ambiente, y la unión de ambos forma el universo, podem UNIVERSO = SISTEMA + MEDIO AMBIENTE
E'UILIBRIO TERMODINÁMICO
3e produce cuando las coordenadas termodinámicas son constantes en el tiempo, e iguales en todos los puntos del sistema. &uando se trata de sistemas $eterogneos cada parte constituyente se encuentra en equilibrio termodinámico.
E'ULIBRIO T(RMICO
El equilibrio trmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede calor al que tiene más ba%a, $asta que ambos alcan-an la misma temperatura. 3i dos sistemas se encuentran en equilibrio trmico se dice que tienen la misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio trmico con otro sistema.
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
Establece 3i dos sistemas A y 7 están en equilibrio termodinámico y 7 está en equilibrio termodinámico con &, entonces A y & a su ve- en equilibrio termodinámicoF.
7
A
&
Es decir una ve- que se $a alcan-ado el equilibrio trmico si/ 67 ) 6 A
y
6 A ) 6&
3e sigue inmediatamente en virtud de la Ley &ero de la termodinámica que/ 67 ) 6&
LEYES DE LA TERMODINAMICA
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La 9rimera Ley de la 6ermodinámica, es un enunciado del 9rincipio de la &onservación de la Energía, donde se afirma/ El intercambio total de energía a travs de los límites de un sistema es igual a la variación de energía del sistemaF. 9ara estos fines es suficiente considerar dos tipos de energía, que se transfiere a travs de una superficie que contiene a un sistema termodinámico, estos tipos son/
a$ El traba%o que el sistema reali-a !tiene un valor positivo ya que se trata de una expansión#, o al traba%o que el sistema recibe !tiene un valor negativo por tratarse de una comprensión#.
%$ El calor que se transmite por conducción o por radiación. La cantidad de calor es positivo cuando el sistema absorbe calor y negativo cuando el sistema pierdeF calor. En efecto, desde el punto de vista de la conservación de la energía, cada ve- que se transmite energía a un sistema, la energía de ste aumenta en una cantidad exactamente igual a la energía total transmitida.
3i (4/ representa la energía del sistema al inicio de una transformación. (5/ la energía en el estado final de la transformación. / &alor total que fluye al sistema durante el proceso. +sist/ 6raba%o reali-ado por el sistema durante la transformación. Entonces el aumento de energía del sistema es ( 5 G (4 y es igual a/ U 2 − U 1 = Q − W sist .
Esta es la ecuación de la 9rimera Ley de la 6ermodinámica Llamaremos ( energía interna del sistema en lugar de energía simplemente puesto que/ W = − W !5# sist ext .
..
;e la ecuación !4# se puede escribir/ U 2 − U 1 = Q + W ext .
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Proceso Re+ersi%le
o
trans)or"aci*n
6iene lugar cuando el sistema pasa de un estado inicial a otro final por sucesivos estados de equilibrio y da la posibilidad de que el sistema retorne a su estado inicial sin que el medio ambiente persista variación alguna. ;e esta manera la condición necesaria y suficiente para que un proceso sea reversible es la de ser una sucesión de estados de equilibrio
Proceso o trans)or"aci*n Irre+ersi%le Es aquel en el cual es imposible que el sistema retorne a su estado inicial sin que en el medio ambiente persista variación alguna. (na transformación irreversible no es una sucesión de estados de equilibrio/ en el sentido directo son espontáneas pero su reali-ación en sentido inverso !de manera que el sistema retorne a su estado inicial# requiere de una transformación compensadora en el medio ambiente !en los cuerpos
externos# que $ace que el estado de este sea diferente al inicial. Las transformaciones irreversibles, como no son una sucesión de estados de equilibrio, no se pueden representar en los diagramas termodinámicos. 9ero en la práctica lo que interesa generalmente es conocer las características integrales del paso del sistema desde el estado de equilibrio inicial a otro final, por eso toda transformación irreversible se puede sustituir por otra reversible que sea equivalenteF a aquella, es decir, que $aga que el sistema pase del estado inicial al final de manera que el traba%o que $aga al ocurrir esto y la cantidad de calor que absorban sea respectivamente/ W = W irrev. Q = Qirrev.
MÁ'UINAS T(RMICAS
Entendemos por máquina trmica a todo mecanismo al cual se le suministra una cierta cantidad de calor 4 de un cuerpo a la temperatura 6 4 !foco caliente#, parte de esa cantidad de calor lo transforma en traba%o mecánico + y el resto que llamemos 5 lo cede a un cuerpo más frío a una temperatura 6 5 !foco frío# repitindose el proceso cíclicamente.
Foco caliente
64
Q1 M.T.
+ Q2
Foco fro
65
Hoco &aliente/ llamado tambin emisor del calor, es el cuerpo que cede la energía en forma de calor al sistema termodinámico que se estudia.
Hoco Hrío/ llamado receptor del calor, es el cuerpo que recibe la energía en forma de calor del sistema termodinámico que se estudia. Agente de transformación/ es la denominación que se le da al sistema termodinámico que cumple el ciclo en la instalación trmica. En las máquinas o motores trmicos el agente de transformación recibe energía en forma de calor y parte de esta energía lo devuelve en forma de traba%o, en las instalaciones de refrigeración el agente de transformación recibe energía en forma de traba%o y transporta energía en forma de calor desde un cuerpo más frío a otro más caliente. Existen diferentes tipos de motores trmicos como/ la máquina de vapor, el motor de combustión interna, las turbinas de vapor y de gas, el motor de retropulsión, etc.
DE,INICION DE ENTALPIA-ENTROPIA: ENTALPIA: La cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. 3u variación expresa una medida de la cantidad absorbida o cedida por un sistema termodinámico. (sualmente se mide en Ioules. La entalpía se define mediante la siguiente fórmula/ )(Jp () Energía interna p) 9resión del sistema ) olumen del sistema La variacion de la entalpía expresa una cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinamico.
ENTROPIA: El concepto de entropíaF es equivalente al de desordenF. Así, cuando decimos que aumentó la entropía en un sistema, significa que creció el desorden en ese sistema. > a la inversa/ si en un sistema disminuyó la entropía, significa que disminuyó su desorden. La medida de la entropía permite establecer el ordenF que posee un sistema en determinada instancia, respecto al que poseía o pudo $aber poseído en otra. Así, podría determinarse la diferencia de entropíaF para la formación o constitución de
un sistema a partir de sus componentes desagregados, y tambin para cualquier proceso que pueda ocurrir en un sistema ya constituido. La entropía tambin es una magnitud que mide la parte de la energía que 2K puede utili-arse para reali-ar un 6?A7AIK El grado de ;E3K?;E2 que poseen las molculas de un cuerpo 3)3i<3f ;onde 3) Entopía 3i) Entropia 1nicial 3f) Entropia Hinal 9or lo que la entropía es el cambio de condiciones de un sistema
La entropía es un proceso irreversible/ 2o implica que el sistema no pueda volver a su estado inicial, solo que no es posible volver por el mismo camino. Hórmulas/ ;!ln9#)b q o expresando en trminos de la temperatura 6. A !@ ln 9# ) q C 6 6enemos una relación entre una cantidad microscópica !el nmero de microestados 9# y dos cantidades macroscópicas/ la energía transferida q y la temperatura 6. La parte derec$a de la igualdad es la definición termodinámica de variación de entropía ;3. Llegamos así a la definición de entropía en trminos del nmero de micoroestados 9 asociados con un macroestado dado del sistema 3) @ ln 9
APLICACION EN LOS SERES .I.OS DE LAS LEYES TERMODINAMICAS: La característica principal de los seres vivos que debe llamarnos la atención, a fin de anali-arlos desde el punto de vista termodinámico, es la constancia de sus propiedades en comparación con las grandes transformaciones energticas que ocurren en ellas. Esta constancia se refle%a básicamente en la composición química. A pesar de mantener constantes tales propiedades, los organismos vivos no son sistemas en equilibrio, pues no ocurriría en ellos ningn proceso. Los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian constantementmateria y energía con su entorno. Los seres vivos no son por lo tanto, sistemas en equilibrioM no somos compatibles con la condición de equilibrio estático definido anteriormente. 3i se anali-an en un momento dado, los contenidos de los diferentes elementos que participan en las reacciones que tienen lugar dentro del ser vivo, observaremos con asombro que casi todos los reactantes y productos permanecen estables en el tiempoM o sea, que a pesar del flu%o constante de materia y energía, nuestras concentraciones permanecen constantes, estables en el tiempo, que parecieran que mantuviramos un equilibrioF.
9ara resolver tal incongruencia conceptual, se ideó un concepto que algunos autores denominan Estado Estable y otros lo llaman Equilibrio Hluido, en donde las reacciones y transformaciones se están produciendo constantemente. 3i a un ser vivo se le priva del suministro de materia, su integridad en poco tiempo se verá comprometida. 9ero un sistema biológico tambin pierde la capacidad para mantener su equilibrio fluido con el paso del tiempo, es decir, con el temido enve%ecimiento. En resumen, podemos establecer que los organismos vivos somos sistemas termodinámicos abiertos que permanecemos en estado estable o de equilibrio fluido
TEMPERATURAS E&TERNAS: /IPERTERMIA 3e considera $ipertermia a todo aumento de la temperatura corporal que supera los 8NO&. La $ipertermia puede clasificarse en !>e@aterina et alM 5**N#/ .< &ontrolada !fiebre#/ los sistemas de control de la termorregulación son funcionales, casi nunca supera los :4O& y se atribuye a un mecanismo de alarma o adaptativo ante procesos generalmente infecciosos, que estimulan la secreción de pirógenos endógenos por parte de leucocitos y macrófagos. .< ;escontrolada !pirexia extrema#/ en este caso el sistema de termorregulación es disfuncional ya sea por lesión directa !tumores, ictusP# o sobrecarga !golpe de calor, $ipertermia maligna, des$idrataciónP.#. 3uele sobrepasar los :4O&. ;e entre las causas de $ipertermia, las más frecuentes suelen ser de origen no neurológico !golpe de calor y des$idratación# si exceptuamos los casos inducidos por pirógenos !procesos infecciosos e inflamatorios#. &línicamente se caracteri-a por presentar dos tipos de síntomas/ .< 2eurológicos/ fatiga, debilidad, calambres musculares, alteración del nivel de atención, agitaciónP .< 2o neurológicos/ síncope, edemas, fallo renal agudo por rabdomiolisis, trastornos de la coagulación, disturbios electrolíticos y del equilibrio ácido
.< 2o neurológicas/ escalofríos, arritmias, s$oc@ distributive.
ESCALAS TERMOM(TRICAS La temperatura es un concepto que involucra valores positivos y negativos, la asociamos al concepto "fiebre" cuando estamos enfermos, pero la verdad que muc$o más amplio. Está presente en nuestra vida cotidiana y no nos damos cuenta. (sted puede enumerar, fácilmente tres situaciones donde se est presente la temperatura. 9ara medir la temperatura existe un instrumento llamado termómetro. Este instrumento está formado por un capilar muy fino en el interior de un tubo de vidrio, ambos extremos están cerrados y en uno de ellos se estrec$a y el capilar tiene un bulbo con mercurio, el cual se dilata al más mínimo cambio de temperatura. Existen tres escalas termomtricas conocidas y estas son/ 4. ESCALA CELSIUS O CENT0GRADA: Es la más usada, toma como referencia el punto de fusión del agua para indicar la temperatura mínima, es decir * O&, y considera el punto de ebullición del agua para indicar la temperatura más alta, o sea 4** O&. Es una escala que considera valores negativos para la temperatura, siendo el valor más ba%o de <5S8 O&. 5. ESCALA ,A/REN/EIT O ANGLOSA1ONA/ Es una escala que tiene 4N*O de diferencia entre el valor mínima y el máximo del termómetro. 6ambin relaciona los puntos de fusión y ebullición del agua para indicar los valores de temperatura. El valor mínimo es a los 85 OH y el máximo a los 545 OH. Al igual que la escala &elsius, tiene valores negativos de temperatura. 8. ESCALA 2EL.IN O ABSOLUTA: Es una escala que no tiene valores negativos. El punto de fusión del agua en esta escala es a los 5S8 O= y el punto de ebullición es a los 8S8 O= y la mínima temperatura es *O = que para la
escala &entígrada resulta ser a los <5S8 O=.
ECUACIONES 'UE RELACIONAN LAS DI,ERENTES ESCALAS3 a# entre las escalas &elsius y =elvin/ O= ) O& J 5S8 O& ) O= < 5S8 b# entre las escalas &elsius y Ha$ren$eit/ O& ) Q !OH < 85# T Lo particular de esta ecuación es que se puede transformar de &elsius a Ha$ren$eit y vis y versa.
