Nutrición, física - Victoria Beron

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Nutrición: Física 
Sistemas 
Sistema es un conjunto de entidades o elementos, reunidos en alguna 
interaccion o interdependencia, donde los elementos actúan o interactúan juntos para el 
cumplimiento de algun objetivo o propósito común. 
 Los elementos pueden ser de muy diversa naturaleza dependiendo de que 
sistema se trate y pueden ser sistemas compuestos a su vez por elementos que en si 
mismos, pueden ser sistemas. Estos elementos están integrados en una estructura y cada 
uno de ellos cumple una funcion determinado para que el sistema alcance su objetivo. Es 
fundamental definir los limites del sistema, los cuales determinan la relacion fuera-dentro, 
es decir, establecer que elementos pertenecen al sistema y cuales quedan excluidos. 
Se deduce la existencia de tres niveles de resolución: 
 -Sistema: porción del universo que se decide estudiar. 
-Subsistema: cada una de las porciones o partes integrantes del sistema. 
-Supersistema: el conjunto de sistemas que contienen al sistema en 
estudio. 
Definido el sistema, todo el universo que quede fuera de sus limites se 
denomina entorno. El sistema matiene intercambios con el entorno, que pueden ser de 
materia, energia y/o información. Lo que penetra en el sistema se denomina ingreso, lo 
cual es transformado a través de las funciones de cada subsistema, lo que se llama 
proceso. Lo procesado puede ser expulsado o eliminado y se denomina salida. 
Modelos 
Para estudiar un sistema se debe construir un modelo. Es una 
representación simplificada de un sistema cuyo objeto es acrecentar nuestra capacidad 
para entender, predecir y controlar el comportamiento del mismo. 
 Existen diferentes tipos: 
 -Teoricos: consisten en una serie de proposiciones que intentan explicar 
parte de la realidad (teoría de la evolución). 
-Formales: son formulas matematicas que explican la relacion entre, por lo 
menos, dos elementos del sistema. 
-Graficos: son esquemas que intentan explicar el sistema. Alan Altamirano 
Página 3 de 228 -Biologicos: existen diversos como células cultivadas, embriones de pollo, 
animales de experimentación. 
-Fisicos: son aquellos que se construyen para imitar propiedades del 
sistema real (leches maternizadas, prótesis). 
Jerarquia de sistemas 
Los seres vivos pueden considerarse dentro de diferentes niveles de 
organización. Los diferentes niveles representan un tipo de sistema biológico, en la 
medida que incluye un componente biótico que interactua con uno abiótico, a través de 
un intercambio de materia y energia. 
 Conocer un nivel no necesariamente ayuda a comprender los principales 
problemas de otro nivel. Cada uno de ellos es un sistema diferente con complejidades e 
interacciones que no pueden predecirse conociendo las características de otro nivel. 
La ecología trata los sistemas: 
-Poblacion: grupo de organismos de la misma especie que vive en un area 
especifica. 
 -Comunidad: todas las poblaciones de organismos que habitan e 
interactúan en un area determinada. 
 -Ecosistema: es la comunidad en relacion con el ambiente inanimado, 
actuando como un conjunto. 
 Cuando se considera a todos los organismos vivientes del planeta se hace 
referencia a la biosfera. 
Clasificacion 
Una vez establecido el limite del sistema se utiliza el termino endógeno 
para describir las actividades que ocurren dentro del sistema y exógeno para las que 
ocurren en el medio ambiente y que afectan al sistema. En funcion de cómo los sistemas 
se relacionan con el entorno se los puede clasificar en: 
-Sistema abierto: aquel que intercambia materia, energia y/o información 
con el entorno. 
-Sistema cerrado: es el que intercambia energia en información, pero no 
materia con el entorno. 
-Sistema aislado: no intercambia ni materia, ni energia, ni información con 
el entorno. 
Sistemas cibernéticos 
Se puede decir que los sistemas siempre mantienen un equilibro que 
depende del movimiento, por lo que se llama equilibrio dinamico. La compensación de los 
cambios, la permanencia de estructuras y funciones en medio del flujo de movimiento es 
el equilibrio dinamico. Las fluctuaciones se consideran normales en un margen por encima 
o por debajo del cual aparecen los llamados puntos críticos, por lo que la región 
comprendida entre el limite superior e inferior de la variación se denomina placa 
homeostática. 
Se denomina retroalimentación a los mecanismos de control por los cuales 
un incremento o una disminución en el nivel de un factor, inhiben o estimulan la 
producción, utilización o liberación de ese factor. Cuando en un sistema los egresos inhibe 
las transformaciones se denomina retroalimentación negativa y en el caso inverso se 
denomina retroalimentación positiva. Estos sistemas son siempre abiertos y se denominan 
sistemas cibernéticos o de retroalimentación. 
 La homeostasis es la capacidad de los seres vivos de estabilizarse a si 
mismos y resistir a los cambios. 
 Cada sistema biológico abierto contiene sistemas cibernéticos que operan 
en un nivel particular proporcionando las características exclusivas. 
Termodinamica 
 La termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones 
energéticas que tienen lugar en cualquier sistema, permitiendo predecir la factibilidad de 
un proceso espontaneo. 
Sistemas termodinamicos 
Desde el punto de vista termodinamicos se define a un sistema como la 
porción del universo sometida a estudio. Se debe tener en cuenta que el sistema definido 
debe ser el mas conveniente para describir en forma simple cualquier cambio de materia y 
energia. Por esto se deduce: Sistema + Entorno = Universo. Cuando en un sistema ocurre 
un proceso, el sistema cambia de estado, es decir, pasa de un estado inicial a otro final. 
Cada estado esta definido por un conjunto de variables que determinan sus propiedades. 
La sucesión de estados intermedios por las que el sistema atraviesa se denomina camino. 
Temperatura y energia cinetica 
 Toda la materia esta constituida por atomos o moléculas que se agitan 
continuamente, por lo que tienen energia cinetica. La energia cinetica de las partículas se 
relaciona con lo caliente que se siente algo, por lo que siempre que se calienta algo, 
aumenta la energia cinetica. La variable que nos indica que tan caliente o que tan frio esta 
un objeto respecto de una referencia se denomina temperatura, siendo una magnitud, 
una propiedad del sistema que puede ser medida (ºC, ºF, ºK). La temperatura es 
proporcional a la energia cinetica de traslación promedio del movimiento molecular, el 
movimiento que lleva a la molecula de un lugar a otro. 
Calor y equilibrio térmico 
 La materia contiene diversas formas de energia pero es erróneo pensar 
que contiene calor. El calor es la energia que fluye entre dos cuerpos de distinta 
temperatura, por lo que aumenta el contenido energético del cuerpo que se calienta y 
disminuye el contenido energético del que se enfria. Cuando dos o mas objetos están en 
contacto alcanzan la misma temperatura, el calor deja de fluir entre ellos y se dice que 
están en equilibrio térmico. 
Con esto se puede enunciar la ley Cero de la termodinámica: “Dos sistemas 
están en equilibrio térmico si y solo si, tienen la misma temperatura” 
 Transmision del calor 
Para que dos cuerpos alcancen la misma temperatura es necesario 
transferir energia y puede hacerse de tres maneras: 
 -Conduccion: la transmisión del calor ocurre debido a los contactos 
directos o choques entre atomos o moléculas (los mejores conductores son los metales). 
 -Conveccion: lo que se desplaza es la sustancia caliente originando 
corrientes de convección (aire calentado por una estufa). 
-Radiacion: en el espacio vacio el calor se transmite por medio de ondas 
electromagnéticas (radiación infrarroja). 
 Energia interna 
 El total de todas las formas de energia que contiene un sistema se 
denomina energia interna. Los sistemas termodinámicos contienenenergia interna que es 
inherente a la estructura interna e independiente del entorno. La descripción del estado 
de un sistema se hace a través de propiedades denominadas variables de estado. El valor 
absoluto de energia interna de un sistema Alan Altamirano Página 6 de 228 depende de 
parámetros microscópicos y es difícil de medir, pero si puede calcularse el cambio de 
energia interna cuando el sistema cambia de estado. Un sistema cerrado puede modificar 
su energia interna intercambiando con el entorno alguna de las dos formas de energia en 
transito: 
-Calor (Q): si existe diferencia de temperatura habrá un movimiento de 
energia llamada calor. 
-Trabajo (W): es la energia que entrega el sistema a su entorno cuando 
ejerce algun tipo de fuerza sobre el, o a la inversa. 
 Si el sistema entrega trabajo o calor, ambas energias tendrán signo 
negativo y en el caso contrario tendrán signo positivo. Por lo tanto se deducen dos formas 
para definir el termino energia: 
-Es la capacidad de un sistema para realizar trabajo. 
 -Es todo lo que puede tranformarse en calor. 
 Primer principio 
Si u sistema abierto o cerrado gana energia esta debe provenir del entorno 
y a la inversa si pierde energia, esta pasa al entorno. Por lo tanto el primer principio de la 
termodinámica enuncia: 
“La energia no puede ser creada ni destruida, se transforma” o “La energia 
interna del universo es constante”. 
Para un sistema aislado, la energia interna no puede modificarse. 
Para un sistema cerrado, su contenido de energia varia durante un proceso, 
por lo que puede deducirse la siguiente expresión: 
ΔEi = Ei2 – Ei1 = Q + W = 0 
En el caso que un sistema cerrado absorbe calor del entorno y le entrega 
trabajo: 
ΔEi universo = ΔEi sistema + ΔEi entorno = +Q – W – Q + W = 0 
Para un sistema abierto: 
ΔEi = Q + W + Emateria = 0 
Cuando la cantidad de energia incorporada con los alimentos es igual a la 
cantidad liberada al entorno como calor y trabajo, la energia interna del organismo se 
matiene constante. Sin embargo durante el crecimiento la energia química del organismo 
aumenta progresivamente o disminuye en las insuficiencias nutricionales. Alan Altamirano 
Metabolismo basal 
 El metabolismo consiste en el conjunto de todas las tranformaciones que 
tienen lugar en los sistemas biológicos. Desde el punto de vista de energia, el 
metabolismo consiste en el aprovechamiento de la energia química contenida en los 
alimentos ingeridos y en su eliminación posterior. El ser vivo obtiene energia de la 
oxidación de moléculas complejas denominada energia metabolica. Una parte la utiliza 
para sus procesos vitales y el resto es eliminado en forma de calor. La velocidad con la que 
el organismo consume energia se denomina tasa metabolica. La cantidad de energia 
necesaria para desarrollar las funciones corporales minimas se denomina tasa metabolica 
basal. Para mantener un peso constante, un individuo debe consumir alimentos en la 
cantidad justa y necesaria para atender al metabolismo basal mas la actividad física que 
desarrilla. 
Rendimiento 
La relacion entre el trabajo que efectua el ser vivo sobre el entorno y la 
energia total consumida para realizarlo se denomina rendimiento (R). Generalmente se lo 
expresa como porcentaje y se calcula: 
R = (W realizado / Energia total) x 100. 
El rendimiento que puede alcanzar el ser humano en condiciones optimas 
no supera el 25%. 
Potencia 
La potencia (P) se define como el trabajo realizado (W) por unidad de 
tiempo (t) P = W / t. Su unidad es watt: Joule / s. 
Segundo principio 
El primer principio se refiere a la energia total, pero no toda la energia de 
un sistema esta disponible para realizar trabajo, por lo que hay una energia útil y otra 
inútil (no disponible para realizar trabajo). 
La energia útil que contiene el sistema es una variable de estado que se 
denomina energia libre (F) y mide la energia que esta disponible para realizar trabajo. 
Todos los procesos espontaneos acompañar una disminución de F. Cuando un sistema 
aumenta su energia libre durante un proceso es porque recibe E libre del entorno. 
La entropía (S) no es una forma de energia, es una propiedad del sistema 
relacionada con su contenido de energia que no puede ser transformada en trabajo. La 
energia entropica se obtiene multiplicando entropía (S) x temperatura (T). La entropía 
mide el grado de desorden del sistema y cuanto mayor sea el mismo, menor es su 
capacidad para realizar trabajo. 
 Cuando ocurre un proceso espontaneo disminuye la capacidad del sistema 
de realizar trabajo, es decir disminuye su energia libre por la transformación de energia 
útil en energia inútil. El calor es la forma menos útil de energia, porque toda forma de 
energia puede transformarse ilimitadamente en calor, pero la transformación de calor en 
otra forma de energia es difícil y limitada. Por lo tanto con el transcurso del tiempo toda la 
energia del universo será entropica. 
 El segundo principio de la termodinámica enuncia: 
 “La entropía del universo siempre crece” o “En un sistema aislado solo 
pueden ocurrir procesos espontaneos que van acompañados de un aumento de entropía”. 
Termodinamicamente un sistema se halla en equilibrio cuando el sistema mantiene 
constantes sus variales de estado (F, S, E) sin aporte o ayuda desde el entorno. 
Homogeneidad 
Se puede decir que antes de que ocurra un proceso espontaneo existe 
inhomogeneidad, por lo que el contenido de S de un sistema mide su grado de 
homogeneidad. Los procesos vitales accionan en el sentido de destruir las 
inhomogeneidades y nuestro organismo se encarga de restaurarlas constantemente con el 
aporte de energia libre. Esta energia libre proviene de los alimentos, siendo de tipo 
química. 
En el cuerpo humano la energia proviene del catabolismo de moléculas 
organicas complejas, con liberación de energia que se almacena en los llamados 
compuestos de alto contenido energético (ATP), con enlaces especiales denominados 
macroergicos. El ser humano es un sistema termodinámico inestable porque se mantiene 
en un estado muy alejado del equilibrio, necesario para que tengan lugar los procesos 
vitales. En cada uno de los procesos aumenta la entropía del organismo y sin embargo no 
desaparecen las inhomogeneidades, propiedad que se llama estado estacionario. Cuando 
se produce la muerte, las inhomogeneidades desaparecen pero nuestro organismo 
alcanza el equilibrio cuando todas las moléculas se han destruido. Para que el organismo 
pueda mantenerse en el estado estacionario es necesario que expulse continuamente el 
exceso de entropía que esta produciendo y reemplazarla por cantidades equivalentes de 
materia y energia en estado de entropía baja. 
Energetica 
 Es la ciencia que estudia los intercambios de energia. 
Formas de energia 
Existen diversas formas de energia: calórica, química, luminosa, mecánica, 
etc. La energia química esta contenida en la estructura misma de las moléculas, 
representada por el movimiento y posición relativa de los atomos y partículas 
componentes, por los enlaces y atracciones entre esos elementos, etc. Al producirse una 
transformación química frecuentemente se rompen o forman enlaces. 
 Reacciones 
 En una reacción química, si los reactivos poseen un contenido de energia 
mayor que el de los productos, se libera energia (unidad kilocalorias o kilojoule; 
1Kcal=4,18KJ) por lo que se le asigna un signo negativo a la cantidad de energia y se 
denomina exergonica. Por el contrario si se aportara energia a este sistema, el valor seria 
positivo y la reacción se denomina endergonica. 
Las reacciones químicas son transformaciones de energia. En un sistema 
vivo la suma de todas estas reacciones se conoce como metabolismo. Las reacciones 
endergonicas constituyen el anabolismo y las exergonicas el catabolismo. Un proceso 
fundamental para los seres vivos es el acoplamiento entre reaccionesexergonicas y 
endergonicas. 
 El ATP no es una reserva de energia sino una moneda de intercambio 
utilizada sin cesar. Los sistemas celulares reponen permanentemente el ATP a partir de 
ADP y AMP, renovando el residuo fosfato. 
Oxidorreduccion 
 Toda ganancia de oxigeno, perdida de hidrogeno o perdida de electrones 
se considera una oxidación, mientras que la perdida de oxigeno, ganancia de hidrogeno o 
ganancia de electrones involucra reacciones de reducción. Cuando hay una oxidación un 
reductor se oxida. Una sustancia oxidante es capaz de tomar electrones de otra y una 
reductora es capaz de ceder electrones a otra, por lo que en este tipo de reacciones existe 
siempre una sustancia que se reduce, mientras que otra se oxida. 
Consumo energético de los seres vivos 
La vida en la Tierra depende del flujo de energia procedente de las 
reacciones termonucleares que tienen lugar en el corazón del Sol. Una pequeña fracción 
(menos 1%) de la energia solar que alcanza la Tierra se transforma. 
EN un ecosistema el flujo de energia comienza por la fotosíntesis, proceso 
por el cual los vegetales convierten en energia química el 1% de energia solar. Los 
organismos pueden satisfacer sus requerimientos energéticos en una de dos formas 
fundamenteles: 
-Heterotrofos: obtienen la energia a partir de la degradación de moléculas 
organicas complejas. 
 -Autotrofos: sintetizan sus propias moléculas organicas. 
Existen diversos niveles tróficos: 
A- Nivel de los productores: organismos capaces de hacer fotosíntesis. 
B- Nivel de los consumidores: consumen y asimilan los compuestos 
otganicos sintetizados por los productores y se dividen en primarios que se alimentan de 
productores, secundarios que se alimentan de herbívoros y superiores que son carnívoros. 
El hombre es un consumidor, ya que obtiene energia de los alimentos y un 
omnívoro que ocupa varios niveles tróficos. 
Consumo energético humano 
 El hombre requiere entradas permanentes de energia para mantener el 
alto grado de organización y complejidad que es propio de todos los seres vivos, pero las 
particularidades del ser humano obligan a hacer otras consideraciones ya que es un ser 
cultural. Se entiende por cultura al conjunto de rasgos distintivos, espirituales y 
materiales, intelectuales y afectivos, que caracterizan a una sociedad o un grupo social en 
un periodo determinado. 
Por esta razón se debe estudiar el consumo energético humano en dos 
aspectos: 
-Consumo energético interno: empleado para realizar procesos vitales. 
-Consumo energético externo: para crear, mantener y desarrollar la cultura. 
El ser humano incorpora energía química en un proceso denominado 
alimentación y degrada las moléculas en la respiración celular. La utilización de esta 
energia cuyas transformaciones se producen en el interior del organismo se denomina CEI. 
El CEE es un hecho absolutamente propio del hombre y las 
transformaciones se llevan a cabo fuera del cuerpo humano. En términos energéticos, el 
CEI tiene escasa variabilidad entre países en cambio el CEE tiene una variabilidad muy 
grande entre países. 
 Hombre cazador-recolector 
Es el primer estadio cultural y el mas prolongado, durante el cual el CEE fue 
muy pequeño, no superior al interno. Esta caracterizado por dos descubrimientos 
fundamentales: el empleo de herramientas y el uso del fuego. El empleo de pieles para 
abrigarse constituyo otra forma de CEE y el uso del fuego constituye el primer ejemplo de 
empleo de energia química. 
Hombre agricultor 
 Tanto la agricultura como la ganadería tuvieron consecuencias enormes: el 
hombre se hizo sedentario y surgieron los primeros poblados. Tambien surgió la división 
del trabajo. En las sociedades agrícolas primitivas en CEE es aproximadamente 12000 
Kcal/ind/dia. El agricultor avanzado alcanza las 14000 Kcal/ind/dia. 
 Hombre industrial 
Se inicio el empleo de los combustibles fosiles. Se alcanzo un CEE de casi 
105000 Kcal/ind/dia. 
 Hombre tecnológico 
Se emplean maquinas destinadas a ahorrar mano de obra, esfuerzo físico y 
tiempo, a lograr precisión y seguridad, a entretener, etc. Su existencia solo es posible 
mediante un desaforado consumo de enrgia. Se emplean mas de 200000 Kcal/ind/dia, 
mucho mas de lo que necesita un ser humano para atender a sus funciones vitales. La 
utilización de energia por persona varia mucho según los países. 
Consideraciones 
-El CEI se ha mantenido relativamente estable desde hace varios miles de 
año. 
-El CEE ha aumentado enormemente en los últimos 100 a 200 años. 
-El CEE no ha sido ni es compartido por todos los habitantes del planeta 
equitativamente. 
-Todo el desarrollo tecnológico no ha permitido asegurar el CEI de todos los 
seres humanos.