TERMODINAMICA EN LOS PROCESOS BIOLOGICOS: CALOR Y TEMPERATURA
La termodinámica y su importancia: Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico.El Diccionario de la lengua española de la Real Academia Española, por su parte, define a la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la interac interacció ción n entre entre el calor calor y otras otras manifes manifestaci tacione oness de la energ energía. ía.on onstit stituy uyee una teoría teoría fenomenológica, a partir de ra!onamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modeli!ar y sigue un m"todo e#perimental.$ %os estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes e#tensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,& o por medio de magnitudes no'e#tensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, temperatura, presión y el potencial químico( químico( otras magnitudes, magnitudes, tales como la imanación, la fuer!a electromotri! y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general tambi"n pueden tratarse por medio de la termodinámica. Variables %as variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son) la masa el volumen la densidad la presión la presión la temperatura En termodi termodinám námica ica es muy importa importante nte estudiar estudiar sus propie propiedad dades, es, las cuáles cuáles podemo podemoss dividirlas en dos) propiedades intensivas) son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que su valor permanece inalterado al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas. propiedades e#tensivas) son las que dependen de la cantidad de sustancia del sistema, y son recíprocamente equivalentes a las intensivas. *na propiedad e#tensiva depe depend ndee por por tant tanto o del del +tam +tamañ año o del del siste sistema ma.. *na *na prop propied iedad ad e#te e#tens nsiv ivaa tien tienee la propiedad de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o más partes, el valor de la magnitud e#tensiva para el sistema completo es la suma de los valores de dic-a magnitud para cada una de las partes. Algunos eemplos de propiedades e#tensivas son la masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, energía, entropía, entalpía, etc. En general el cociente entre dos magnitudes e#tensivas nos da una magnitud intensiva, por eemplo la división entre masa y volumen nos da la densidad. Importancia Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación • de la energía es la llamada /rimera ley de la termodinámica, que establece que, dada una cantidad de energía t"rmica 01 que fluye dentro de un sistema, debe aparecer como un incremento de la energía interna del sistema 20*3 o como un trabao 2043 efectuado por el sistema sobre sus alrededores. Aunque la energía no se pierde, se degrada de acuerdo con el segundo principio de la termodinámica. Es decir, se distribuye de una forma con mayor entropía y en general no resulta posible el volver al estado físico anterior, aunque tenga la misma energía. Así un sistema físico en el que la energía se conserva acaba en un estado físico, en el que la energía acaba en form formaa de calo calorr o tempe temperat ratur ura. a. Este Este calor calor es muy muy difíc difícil il de conv convert ertir ir en otras otras • • • • •
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energías, por lo menos con un rendimiento cercano al rendimiento del iclo de arnot.
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Desde un punto de vista cotidiano, las máquinas y los procesos desarrollados por el -ombre funcionan con un rendimiento menor que el 5667, lo que se traduce en 8p"rdidas de energía8 medido en t"rminos económicos o materiales, sin que esto deba interpretarse como un no cumplimiento del principio enunciado %a aplicación de la termodinámica a los modelos de simulación -a permitido avan!ar a la industria de proceso en el diseño de nuevas plantas y en la operación de las e#istentes. %a elección del correcto conunto de ecuaciones que puedan representar las propiedades físicas y termodinámicas y el equilibrio de las fases fluidas se denota como etapa crítica para el "#ito del proyecto de simulación. A falta de un modelo termodinámico universal, se -an proporcionado unas instrucciones gen"ricas para la elección de las ecuaciones.
Ciclos termodinámicos
9e denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial( es decir , que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula. :o obstante, a variables como el calor o el trabao no es aplicable lo anteriormente dic-o ya que "stas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre "ste y su entorno. *n -ec-o característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que) la suma de calor y trabao recibidos por el sistema debe ser igual a la suma de calor y trabao reali!ados por el sistema. Ciclo de Carnot En el siglo ;<; el ingeniero franc"s :icolas arnot concibió, estudió y desarrolló un ciclo termodinámico, que constituye el ciclo básico de todos los motores t"rmicos, en el) 9e suministra al motor energía en forma de calor a temperatura elevada. • %a acción del calor permite reali!ar un trabao 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 trabao, se utili!a en las máquinas que usan vapor o una me!cla de combustible con aire u o#ígeno . 9e dice que un proceso termodinámico es reversible, cuando acometiendo pequeños cambios en el ambiente podemos conseguir que recorra su trayectoria inversa. En la práctica es imposible, en la naturale!a todos los procesos que ocurren son irreversibles. 9in embargo el estudio de estos procesos es
Representado en un diagrama p'v se obtiene la siguiente figura)
El ciclo se divide en cuatro etapas, cada una de las cuales se corresponde con una transformación termodinámica básica) 5. Etapa A) Expansión isotérmica En el gráfico es el paso del estado 5 al estado >. Es un proceso isotermo y por ser un gas perfecto eso -ace que la temperatura se mantenga constante ?5. El gas se encuentra en un estado de euilibrio inicial representado por p5, @5, ?5, en el interior del cilindro. 9e produce una e#pansión isot"rmica entre 5 y >, -asta alcan!ar los valores p>, @>, ?5, el sistema reali!a un trabao 45 positivo 2aumenta el volumen, luego es un trabao -ec-o por el sistema, trabao positivo3, comunicando energía al entorno, por otro lado como la variación de energía interna -a de ser cero, toma un calor del entorno equivalente 15)
>. Etapa !) Expansión adiabática 9e parte del punto > y se llega al estado . /or ser un proceso adiabático no -ay transferencia de calor, el gas debe reali!ar un trabao, elevando el émbolo, para lo que el cilindro debe estar aislado t"rmicamente, alcan!ándose los valores p, @, ?>. . Etapa C) Compresión isotérmica
Entre los estados y B, -asta alcan!ar los valores p B, @B, ?>, siendo el trabao reali!ado por el pistón. En este caso es un trabao de compresión 2negativo3, se recibe energía del entorno en forma de trabao y se cede una energía equivalente en forma de calor)
B. Etapa ") Compresión adiabática Entre los estados B y 5 cerrándose el ciclo. 9e alcan!an de nuevo los valores p 5, @5, ?5 sin transferencia de calor con el e#terior. onsideramos a-ora el efecto global del ciclo. El traba#o neto 4 reali!ado durante el ciclo por el sistema será el representado por la superficie encerrada en el trayecto 5'>''B'5. %a cantidad neta de ener$%a calor%&ica recibida por el sistema será la diferencia entre 1> y 15. /ara calcular el rendimiento de un ciclo de arnot se emplea la misma e#presión mencionada anteriormente) •
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En la práctica es muc-o más difícil obtener los valores de los calores trasegados que los valores de la temperatura 2en grados Celvin3 de los dos focos, que se conocen por la lectura de un termómetro, y se puede considerar que la transmisión de calor es proporcional a las temperaturas de ambos focos sin que se cometa un error apreciable 2recuerda que son gases perfectos y que la variación de energía interna es fución e#clusiva de la variación de temperatura3 por lo que se puede escribir)
por lo tanto se puede e#presar el rendimiento como)
El rendimiento de este tipo de máquinas será mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas del foco caliente ?5 y el foco frío ? >.
Ciclo de Ericcson
En este ciclo termodinámico, tambi"n tanto nos da el rendimiento má#imo que se la máquina, el fluido evoluciona reali!ando transformaciones isotermas y dos isobáricas, como se puede observar en la figura adunta)
reversible y por puede obtener de dos tal
Ciclo "e 'tirlin$ En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona reali!ando dos transformaciones isot"rmicas y dos transformaciones isocóricas 2a volumen constante3, tal como se puede observar en la figura adunta)
Ciclo
de (anine
El ciclo Ranine opera con vapor, y es el utili!ado en las centrales termoel"ctricas. 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 cin"tica. /rosigue el ciclo -acia un condensador donde el fluido se lic=a, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.
%a 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. /or 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. Dentro 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.
Concepto de sistemas: Aislado* cerrado* abierto:
%os sistemas termodinámicos se clasifican seg=n el grado de aislamiento que presentan con su entorno. Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas) •
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9istema aislado) Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. *n eemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas 2paredes adiabáticas3 como para considerar que los intercambios de energía calorífica sean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de trabao. 9istema cerrado) Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el e#terior. Fultitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. *na lata de sardinas tambi"n podría estar incluida en esta clasificación. 9istema abierto) En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. /or eemplo, un ve-ículo motori!ado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el e#terior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es provisto de combustible al repostarse, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía
con el entorno. 9olo -ay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabao que puede efectuar acarreando carga. E#isten otros criterios para la clasificación de sistemas. %a -omogeneidad que pueda presentar un sistema es uno de ellos. De esta manera se -abla de sistemas) •
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Gomog"neos, si las propiedades macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquier parte o porción del mismo. El estado de agregación en el que puede presentarse el sistema puede ser cualquiera. /or eemplo, una sustancia sólida, pura, que se encuentra cristali!ada formando un monocristal es un sistema -omog"neo, pero tambi"n lo puede ser una cierta porción de agua pura o una disolución, o un gas retenido en un recipiente cerrado. Geterog"neos, cuando no ocurre lo anterior.
En ?ermodinámica, los sistemas elegidos para su estudio presentan, usualmente, una especial simplicidad. %os sistemas que se estudian son, generalmente, aquellos cuyo estado queda perfectamente determinado por un conunto de variables de estado. /or eemplo, el estado de un gas puede ser descrito perfectamente con los valores de la presión que -ay en el mismo, la temperatura que presenta y el volumen que ocupa. En esta clase de sistemas, las variables no son absolutamente independientes, ya que e#isten ligaduras entre ellas que pueden ser descritas mediante ecuaciones de estado.
+rans&ormaciones %a energía interna U del sistema depende =nicamente del estado del sistema, en un gas ideal depende solamente de su temperatura. Fientras que la transferencia de calor o el trabao mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para ir del estado inicial al final. Isócora o a volumen constante
:o -ay variación de volumen del gas, luego W=0 Q=ncV (T B-T A ) Donde cV es el calor específico a volumen constante
Isóbara o a presión constante
W=p(v B-v A ) Q=nc P (T B-T A ) Donde c P es el calor específico a presión constante
Leyes de la termodinámica Ley cero
Este principio o ley cero, establece que e#iste una determinada propiedad denominada temperatura empírica H, que es com=n para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. En palabras simples) +9i se pone un obeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor -asta que sus temperaturas se igualan. ?iene una gran importancia e#perimental +pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica. El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema 2presión, volumen, campo el"ctrico, polari!ación, magneti!ación, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano #, y3 no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cin"tico, asociado a nivel microscópico( el cual a su ve! está dentro del físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabaar con un tiempo iniIcial y otro final. A dic-as variables empíricas 2e#perimentales3 de un sistema se las conoce como coordenadas t"rmicas y dinámicas del sistema. Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente -asta despu"s de -aberse enunciado las otras tres leyes. De a-í que recibiese el nombre de principio cero. •
9i dos sistemas están por separado en equilibrio con un tercero, entonces tambi"n deben estar en equilibrio entre ellos.
9i tres o más sistemas están en contacto t"rmico y todos untos en equilibrio, entonces cualquier par está en equilibrio por separado.
,rimera Ley de la +ermodinamica Esta ley se e#presa como) Eint J 1 ' 4 ambio en la energía interna en el sistema J alor agregado 213 ' ?rabao efectuado por el sistema 243 :otar que el signo menos en el lado derec-o de la ecuación se debe ustamente a que 4 se define como el trabao efectuado por el sistema. /ara entender esta ley, es =til imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un "mbolo móvil y que mediante un mec-ero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabao que el gas -ace al levantar el "mbolo contra la presión atmosf"rica. 'e$unda Ley de la +ermodinamica %a primera ley nos dice que la energía se conserva. 9in embargo, podemos imaginar muc-os procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturale!a. 9i se acerca un obeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al rev"s. 9i pensamos que puede ser al rev"s, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.
En la naturale!a -ay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. /ara e#plicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes) Enunciado de -elvin ,lanc : Es imposible construir una máquina t"rmica que, • operando en un ciclo, no produ!ca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la reali!ación de una cantidad igual de trabao. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo =nico • efecto sea la transferencia continua de energía de un obeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabao. +ercera ley de la +ermodinámica
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de :ernst como 8%a tercera de las leyes de la termodinámica8. Es importante reconocer que no es una noción e#igida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de +ley, siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. %a mayor parte de la termodinámica no requiere la utili!ación de este postulado. El postulado de :ernst, llamado así por ser propuesto por 4alt-er :ernst, afirma que es imposible alcan!ar una temperatura igual al cero absoluto mediante un n=mero finito de procesos físicos. /uede formularse tambi"n como que a medida que un sistema dado se apro#ima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. %a entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bao temperaturas iguales al cero absoluto. Es importante remarcar que los principios de la termodinámica son válidos siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. %a idea del demonio de Fa#Kell ayuda a comprender los límites de la segunda ley de la termodinámica ugando con las propiedades microscópicas de las partículas que componen un gas. 8%a entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero8. 8%a primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar -asta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible8. Entalp%a Fagnitud2oules3 termodinámica, simboli!ada con la letra G may=scula, cuya variación e#presa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite e#presar la cantidad de calor puesto en uego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo obeto conocido se puede entender como un sistema termodinámico. 9e trata de una tra nsformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía 2por eemplo la utili!ada para un trabao mecánico3. En este sentido la entalpía es num"ricamente igual al calor intercambiado con el ambiente e#terior al sistema en cuestión. Entrop%a
2simboli!ada como S 3 es una magnitud física que para un sistema termodinámico en equilibrio mide el n=mero de microestados compatibles con el macroestado de equilibrio, tambi"n se puede decir que mide el grado de organi!ación del sistema, o que es la ra!ón de un incremento entre energía interna frente a un incremento de temperatura del sistema. %a entropía es una función de estado de carácter e#tensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se da de forma natural. %a entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.
/ipotermia
Es el descenso involuntario de la temperatura corporal por debao de & L 2M$ LN3 medida con termómetro en el recto o el esófago. 9i la temperatura es muy baa, la temperatura corporal desciende bruscamente) una caída de sólo > L 2,& LN3 puede entorpecer el -abla y el afectado comien!a a amodorrarse. 9i la temperatura desciende a=n más, el afectado puede perder la consciencia e incluso morir. 9e considera -ipotermia levecuando la temperatura corporal se sit=a entre L y $ L 2M5,B LN y M$ LN3, y va acompañada de temblores, confusión mental, torpe!a de movimientos y cuerpo tembloroso Entre 6 L y L 2O& LN y M5,B LN3 se considera -ipotermia moderada y a los síntomas anteriores se suman desorientación, estado de semiinconsciencia y p"rdida de memoria. /or debao de los 6 L 2O& LN3 se trata de una -ipotermia grave, y comporta p"rdida de la consciencia, dilatación de pupilas, baada de la tensión y latidos cardíacos muy d"biles y casi indetectables.
/ipertermia
Es un aumento de la temperatura por encima del valor -ipotálamico normal por fallo de los sistemas de evacuación de calor, esto es, una situación en la que la persona e#perimenta un aumento de la temperatura por encima de los límites normales, es decir, por encima de los PQ$ grados. *n caso de -ipertermia es el golpe de calor . Es distinta de la fiebre, que es una reacción del organismo en la que "ste eleva temporalmente la temperatura -omeostática a un nivel más alto como respuesta inmunitaria a alg=n agente e#terno. %a -ipertermia puede ser creada artificialmente con drogas o aparatos m"dicos. En esas instancias puede tratar cáncer y otras condiciones. %a -ipertermia maligna es una rara complicación de algunos tipos de anestesia general.
