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morenita <3 1 TERMODINÁMICA La TERMODINÁMICA es la rama de la ciencia que estudia la relación entre el calor y las demás formas de energía, dentro de un sistema y entre el sistema y su entorno; entendiendo a un sistema como una parte específica del universo separado del resto por límites. La termodinámica biológica estudia los intercambios y equilibrios entre energía química, trabajo mecánico y calor en el organismo; y entre el organismo y el medio ambiente. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA El primer principio de la termodinámica no es otra cosa que el principio de conservación de la energía “en la naturaleza nada se pierde, todo se transforma”. En el organismo la energía química = energía mecánica + calor. La energía perdida en forma de calor no puede ser totalmente transformada en energía utilizable. Este es el enunciado del segundo principio de la termodinámica y se puede definir así: “es imposible transformar totalmente al calor en otra forma de energía”. Del segundo principio surge el concepto de proceso “irreversible”, que es aquel en el cual se ha perdido cierta cantidad de energía en forma de calor y no se podrá utilizar nuevamente para realizar trabajo. RENDIMIENTO Rendimiento de un proceso es el cociente entre el trabajo realizado y la energía consumida. El valor es siempre menor que uno y se lo expresa en porcentaje. Para tener una idea de la eficacia del funcionamiento del “motor” biológico o mecánico no es suficiente conocer cuánto trabajo se realiza. Es necesario determinar también en cuanto tiempo se realiza ese trabajo. La relación trabajo/tiempo se denomina potencia y se la expresa en watts. En el organismo humano las reacciones químicas ocurren a presión y temperatura constante. En estas condiciones, a la energía se la denomina variación de la energía libre (ΔF). En realidad la energía libre es igual al trabajo útil obtenido solamente en los procesos totalmente reversibles. En los procesos biológicos hay un cierto grado de irreversibilidad, por eso el trabajo útil es menor que la energía libre, ya que como vimos, parte se ha disipado en forma de calor. Se llama entropía (ΔS) a la fracción de energía total que no es utilizada en forma de trabajo. En forma esquemática podemos representar: ΔF = Δ E - (T. ΔS) Donde: ΔF = variación de energía libre ΔE = variación de energía del sistema T = temperatura absoluta ΔS = entropía (que en cierta manera mide el grado de irreversibilidad). En termodinámica se designa como energía dependiente de un “alto grado” de ordenamiento a la energía potencial, mientras que a la energía cinética molecular se la conoce como energía de un grado muy reducido de ordenamiento. A medida que la energía potencial se transforma en cinética, el desorden aumenta y los físicos-químicos usan la expresión “entropía” (S) para caracterizar el grado de desorden de un sistema dado. La capacidad de realizar trabajo en un sistema irá disminuyendo y nunca podrá aumentar. Por otra parte, Clausius formuló dos leyes fundamentales de la energética: 1) El contenido de energía del universo es una cantidad constante. 2) La “entropía” del universo tiende a aumentar constantemente. morenita <3 2 Los compuestos químicos son buenos almacenadores de energía potencial con alto grado de ordenamiento. Ello hace posible la vida, pues al degradarse en las células se transforman en compuestos más simples de menor energía potencial, liberando parte de su energía en forma cinética, esto es energía como calor que se pierde, y parte en forma de trabajo aprovechable. ACOPLAMIENTO DE REACCIONES El saldo de energía libre de las reacciones químicas que se realizan en el organismo es siempre negativo ya que se realizó una reacción con ganancia de energía libre acoplada con otra con mayor disminución de energía libre, y con un balance definitivo negativo. Para compensar el citado déficit de energía libre, la misma debe ser provista por los alimentos. LIBERACIÓN DE ENERGÍA LIBRE La combustión de un mol de glucosa en el organismo se hace a través de una serie de pasos en la que se pierde energía libre: ΔF = – 710 kcal. Pero hay un saldo positivo de ΔF = + 460 kcal/mol, con el cual se forman 38 moles de ATP a partir del ADP, cada uno de los cuales pueden liberar 10 kcal. El potencial químico (fuerza impulsora de un ion por la diferencia de concentración) es la energía libre asociada a un ion a través de la membrana celular. Potencial químico de un ión = R. T. ln [C] R es la constante general de gases (8.3), T temperatura absoluta, C concentración de un ion expresada en moles. Estado de equilibrio y estado estacionario Los seres vivos no son sistemas en equilibrio dado que en estos no existen intercambios físicos o químicos dentro del sistema, o entre el sistema y el medio. Además ese equilibrio se mantiene sin ningún gasto de energía. Desde el punto de vista termodinámico, el hombre es un sistema termodinámicamente abierto. Por otra parte, cuando en un sistema se producen transformaciones, pero se mantienen sus propiedades, se dice que hay un estado estacionario, que es la base de la homeostasis. Con la muerte biológica, el sistema pierde la posibilidad de realizar trabajo, con ello se pierde el estado estacionario, y se evoluciona al estado de equilibrio. Cuando un sistema está en equilibrio, ΔF = 0. Energía Interna Es la energía inherente al sistema mismo, es decir la energía cinética más la energía potencial total de todas sus moléculas. No se puede medir directamente la energía interna de un sistema, únicamente se pueden determinar cambios en ella, y eso sólo haciendo mediciones del calor transferido y/o del trabajo realizado. Índice Metabólico. Calorimetría Indirecta y Directa. Cociente Respiratorio Es la velocidad (cantidad) de consumo de energía en el cuerpo, y se utilizan las calorías (cantidad de calor para elevar un °C un gramo de agua) o las kcal (1000 calorías) para medirlo. Con una dieta normal promedio, la cantidad de energía liberada por litro de oxígeno consumido en las citadas condiciones, se aproxima a 4825 cal (ó 4,825 kcal). Este valor se denomina Valor Calórico del Oxígeno. El índice metabólico es afectado por el ejercicio, la hormona tiroidea y la actividad simpática. Metabolismo Basal: el índice metabólico en las llamadas condiciones basales. morenita <3 3 Condiciones Basales: Ayuno de las últimas 12 h; sueño tranquilo la noche anterior; reposo absoluto 30 minutos antes de la determinación, supresión de todos los factores físicos o psicológicos que puedan perturbar, temperatura ambiental confortable entre los 20º C y 27º C. Calorimetría indirecta respiratoria: procedimiento que calcula la velocidad de liberación del calor del cuerpo a partir del oxígeno consumido en un determinado intervalo de tiempo. Cociente Respiratorio = CO2 excretado / oxígeno consumido. Es otro método de calorimetría indirecta respiratoria. Cociente respiratorio no proteico: relación entre el volumen de anhídrido carbónico producido y el volumen de oxígeno consumido solamente durante la oxidación de carbohidratos y grasas. Se basa en el cálculo indirecto de la cantidad de proteínas metabolizadas por el organismo, a través de la determinación del nitrógeno eliminado por orina. Obtenido este último dato, y a partir de él, se calcula el volumen de oxígeno y el de anhídrido carbónico producido por la combustión de las proteínas. Conociendo el cociente respiratorio, y el valor calórico del oxígeno para hidratos de carbono (5.05 kcal/litro), lípidos (4.69 kcal/litro) o proteínas (4.58 kcal/litro) se puede calcular la producción de calor por cada una de éstas sustancias. Calorimetría directa: método que mide directamente la cantidad de calor producido a través de un calirómetro, es para animales. Por otra parte existe un calorímetro para calorimetría humana denominado de Atwater pero es muyraramente utilizado. TEMPERATURA CORPORAL Y SU REGULACIÓN. TRANSFERENCIA DE CALOR Significado del Calor del cuerpo humano 1) La temperatura, que depende de la energía cinética de las moléculas. Es una magnitud no aditiva. 2) El calor, que es una magnitud aditiva, depende del número (masa) de moléculas y no de su energía cinética. Además de constituir la forma principal de eliminación de energía del organismo, el calor es una condición de importancia vital. En efecto, todos los procesos biológicos dependen de la temperatura, disminuyen o se detienen a 0 º C, y luego aumentan al subir nuevamente la temperatura, hasta llegar a su óptimo (37º C). Por encima de este punto óptimo, los citados procesos biológicos disminuyen nuevamente, se perturban, o puede llevar incluso a producir la muerte. Al hablar de calor se está hablando de energía térmica: La relación entre el trabajo consumido (T) y el calor producido (Q) se llama equivalente mecánico del calor (T/Q). La inversa del equivalente mecánico se denomina equivalente calórico del trabajo, y es la cantidad de calorías que produce un joule de trabajo: 1 joule es igual a 0.24 calorías pequeñas. Calor Específico Es la cantidad de calor que es necesario agregar o quitar a 1 g de la masa de un cuerpo para que su temperatura varíe en un grado. Q = cantidad de Calor. ΔT = cambio de temperatura producido. m = masa. Capacidad calórica: cantidad de calor que absorbe un cuerpo para aumentar su temperatura 1º C. El calor específico del agua es igual a 1, el del aire es aproximadamente 0.22. El calor específico del organismo humano es 0.83, la temperatura corporal media varía entonces 1º C por cada 0.83 kcal. de calor agregado o sustraído por kg de peso corporal del organismo. Calor específico = Q / m ΔT Capacidad calórica = calor específico . masa del cuerpo morenita <3 4 Poiquilotermos: animales cuya temperatura es variable. Invertebrados, peces, reptiles, etc. Homeotermos: animales cuya temperatura casi no varía. Mamíferos por ejemplo. Temperatura corporal. La pérdida de calor no es uniforme en las distintas áreas del organismo. La temperatura corporal media, (Tc) es la suma de la temperatura central, representada por la temperatura rectal (Tr), y de la temperatura periférica, representada por la temperatura media de la piel (Tp). A una temperatura ambiente confortable se considera que las 2/3 partes de la masa corporal están a la temperatura central, y un tercio a la temperatura periférica. La temperatura corporal media puede expresarse por la ecuación: Tc = 0.67 Tr + 0.33 Tp Con fines médicos se determina la temperatura rectal, axilar o bucal. La temperatura rectal (temperatura interna) puede oscilar entre 36.6º C y 37.4º C o más, considerándose a 37º C como término medio. Es la más segura, pero la más incómoda. Se debe determinar siempre que haya dudas sobre la existencia de un estado febril. La temperatura axilar es la que se determina más habitualmente en poblaciones latinas. Es la más insegura en cuanto a sus valores. El termómetro se debe dejar no menos de 5 minutos y con la axila bien cerrada. De acuerdo a investigaciones realizadas en un gran número de personas, los valores normales oscilan entre 36.2º C y 36.9º C. Término medio 36.6º C aproximadamente. La temperatura bucal se toma con termómetro debajo de la lengua y con boca cerrada. Varía entre 36.5º C y 37.5º C. No se puede tomar si la respiración es bucal o si la boca está abierta. Es el método más usado en países de habla inglesa. La temperatura varía según la edad, el momento del ciclo de la mujer, el día, la región del cuerpo, estado nutricional, hiper/hipotiroidismo, entre otras. El hombre puede soportar descenso de temperatura corporal hasta los 27º C-30º C. En ciertas enfermedades el aumento de la temperatura puede llegar a valores cercanos a 40º C. Con 41º C-42º C se producen lesiones celulares. Se producen hemorragias locales y degeneración de las células parenquimatosas de todo el cuerpo, pero sobre todo del cerebro. En el “golpe de calor” la temperatura del cuerpo se puede elevar en situaciones extremas a 41º C-42º C. En muchos casos temperaturas tan elevadas pueden ser fatales en pocos minutos. Este cuadro se produce al estar sometido un sujeto sano a temperaturas y humedad ambiente muy elevadas. Regulación térmica La temperatura del organismo humano es el resultado de un balance entre la producción de calor (termogénesis) y su pérdida (termólisis). La producción de calor es consecuencia de las reacciones químicas del metabolismo, y su regulación se denomina termorregulación química. La perdida de calor se lleva a cabo a través de mecanismos físicos, y su regulación se denomina termorregulación física. La constancia de la temperatura (homeotermia) depende de un equilibrio bien regulado entre la termorregulación química y la termorregulación física. Producción de Calor Los mecanismos fundamentales que modifican la producción de calor son: morenita <3 5 1) Actividad muscular: El ejercicio físico intenso aumenta hasta 4-5 veces la producción de calor comparando con los valores de reposo. Por otro lado, en el escalofrío una persona semidesnuda duplica su producción de calor al estar 60 minutos a 5º C. Los escalofríos consisten en una sensación de frío intenso, con temblor muscular (contracciones y relajaciones sincrónicas de músculos antagonistas), “piel de gallina”, etc. Las vías nerviosas son las neuronas eferentes somáticas. Hay participación del hipotálamo posterior y otras estructuras nerviosas en la generación de escalofrío. 2) Tono muscular: El tono muscular participa en la producción de calor en condiciones normales, pero también aumenta el tono muscular con el frío o las emociones. 3) Acción dinámica especifica de los alimentos: es mayor para las proteínas (30%) que para las grasas (6 %) e hidratos de carbono (4%). 4) Variaciones del metabolismo basal: El aumento del metabolismo producido por el frío puede llegar a ser 3 a 4 veces mayor que el metabolismo basal cuando se supera la zona de neutralidad térmica (entre 25-29 °C) 5) Enfermedad (fiebre). Pérdida o transferencia del calor hacia el ambiente El calor fluye cuando hay una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre dos partes de un mismo cuerpo. Los mecanismos por los que se transfiere calor se clasifican en cuatro tipos: conducción, convección, radiación y evaporación. En cualquier caso de transferencia de calor pueden simultáneamente operar una combinación de dos o tres de los citados mecanismos, y en algunos casos de los cuatro. La cantidad de calor perdida depende de la superficie del cuerpo, de la relación entre temperatura del mismo y de los objetos vecinos, y de la humedad ambiente. Radiación Es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas (radiaciones infrarrojas lejanas) entre objetos que no están en contacto físico. El cuerpo humano absorbe y emite radiaciones infrarrojas. La manera que irradia un cuerpo energía electromagnética depende de su temperatura. Un cuerpo que es buen absorbente de radiaciones es también un buen emisor de la misma, y generalmente el intercambio continuo impide cualquier exceso en uno u otro sentido. Un cuerpo absorbente y emisor perfecto de radiación electromagnética es llamado cuerpo negro. El cuerpo humano se comporta como un cuerpo negro casi perfecto (97%), sin importar el color de la piel del sujeto. La energía total emitida por un cuerpo negro de área (A) por unidad de tiempo (es decir la potencia P) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (T): P= δ . A . T (Donde δ es una constante llamada constante de Stefan Bolzmann cuyo valor es 5.7 . 10-8 W/m2. A = area y T = temperatura absoluta). Un sistema que esté a una temperatura (T) rodeado de un medio a temperatura (To) emite una radiación con una constantede emisividad o de efectividad (llamada ) propia de cada cuerpo, y que depende del tipo de material en estudio. R = ε . δ (T 4 – T0 4 ) morenita <3 6 El cuerpo humano es tanto un buen absorbente como un buen emisor de radiación, con una constante de emisividad de 0.97. Por lo tanto, la potencia total de radiación infrarroja de una persona sería cerca de 150 W. Todos los objetos densos irradian calor. A mayor diferencia de temperatura entre dos objetos, mayor es la cantidad de calor irradiado desde el objeto más caliente al más frío. A bajas temperaturas ambientales (20º C) la pérdida radiante de calor por el cuerpo humano representa el 70 % de la producción total del calor. A altas temperaturas (35º C) el cuerpo puede recibir calor por radiación. El calor irradiado por gramo es inversamente proporcional al tamaño del cuerpo. Tiene una importancia fundamental en lactantes y niños. La ley de Enfriamiento de Newton establece que la pérdida de calor por radiación es directamente proporcional a una constante (k), a la superficie radiante (A), a la diferencia de temperatura entre el cuerpo (T) y el medio circundante (Tc), y al tiempo. Q = k . A (T - Tc) t Convección Es la transferencia de calor de un cuerpo a las moléculas de gas o líquido que las rodea, produciendo en estos últimos una corriente gaseosa o líquida, que se denomina corriente de convección. El aire que rodea al cuerpo disminuye su densidad por efecto de la temperatura corporal. El aire al volverse menos denso asciende, y es sustituido por aire más frío, en un proceso que se repite continuamente. De ese modo se extrae continuamente calor del cuerpo. El mismo fenómeno ocurre cuando un líquido en movimiento entra en contacto con un cuerpo más caliente. En este caso es la corriente líquida la que extrae el calor del cuerpo. Además, la pérdida de calor se puede favorecer con corrientes forzadas de aire o líquidos (convección forzada). Conducción Es el intercambio de calor como energía cinética entre átomos o moléculas de objetos que se hallan en contacto, ya sea entre dos cuerpos distintos, o en el interior de uno solo en el cual se ha calentado uno de los extremos. Se pierde poco calor por este mecanismo, a no ser que el cuerpo esté inmerso en agua fría. La cantidad de calor intercambiado por unidad de tiempo es proporcional a la diferencia de temperatura entre los objetos. Los gases son los peores conductores de calor, los metales son los mejores. La conducción térmica está regida por la siguiente fórmula: Q = K S t (T2 – T1) / L Q = cantidad de calor que se conduce en el tiempo t, en un cuerpo de superficie S y longitud L. T2 es la extremidad caliente y T1 la extremidad fría. K = constante de conductividad del cuerpo. Vaporización y Evaporación El paso de un líquido al estado gaseoso se denomina vaporización. Evaporación es el escape de las moléculas de la superficie de un líquido, al vencer éste las fuerzas de atracción molecular por acción de la energía calórica recibida. Se produce a cualquier temperatura y se acentúa en el vacío. Ebullición es la participación de todas las moléculas de una masa líquida en su paso al estado de vapor. La cantidad evaporada es proporcional a la temperatura e inversamente proporcional a la humedad del aire y a la presión atmosférica. A la temperatura ambiente de 18º C-30º C, el organismo pierde por evaporación del 22% al 27% del calor total eliminado del cuerpo. La evaporación cutánea se realiza por dos mecanismos: transpiración insensible (o perspiración insensible) y sudor. La transpiración insensible o perspiración insensible, es agua que atraviesa la piel en pequeña proporción, y que se evapora sin ser percibida. Alcanza a 30 g de agua por hora aproximadamente en condiciones de metabolismo basal normal. La evaporación se mantiene constante hasta los 28º C-31º C y luego aumenta morenita <3 7 Porcentajes de pérdidas diarias de calor Irradiación, conducción, convección: 70% (2100 kcal.) Evaporación en piel y pulmones: 27% (810 kcal.) Calentamiento del aire inspirado: 2% (60 kcal.) Orina y heces: 1% (1 kcal.) rápidamente porque se instala la secreción sudoral. En un ambiente a 37º C casi toda la temperatura se regula a través de la sudoración. A temperaturas más altas, el organismo absorbe calor por irradiación. Por el pulmón se pierde agua por evaporación y en parte por convección. Transferencia de calor dentro del cuerpo El calor se transfiere desde los sitios de producción interna hasta las superficies corporales mediante una combinación de conducción y convección asistida por la circulación (convección forzada). La transferencia conductiva del calor es pobre entre las células profundas del cuerpo, porque el gradiente térmico es muy escaso. Pero la convección asistida por la circulación es rápida, y es el medio principal de la transferencia de calor en los humanos. El aparato circulatorio se convierte así en un mecanismo fundamental para la regulación de la temperatura corporal, porque traslada grandes cantidades de calor de origen central hasta los tejidos periféricos más fríos y metabólicamente menos activos. Como los capilares sistémicos no llegan a la epidermis superficial, el calor transferido por este medio se disipa por conducción tisular. A temperatura confortable, la actividad vasomotora establece un estado térmico sin sudoración ni aumento en el metabolismo. Ante calor en el medio ambiente, las arteriolas cutáneas se dilatan, acrecentando el flujo sanguíneo capilar (100 veces en algunas áreas), y exponen grandes cantidades de sangre caliente a los capilares superficiales, de modo que la pérdida calórica aumenta hasta 20 veces, actuando la piel como un excelente radiador del cuerpo. Por el contrario, ante el frío, las arteriolas cutáneas se contraen, el flujo capilar y los vasos perfundidos disminuyen mucho, y la pérdida calórica disminuye también exponencialmente. Intercambio térmico de contracorriente La sangre venosa se calienta al regresar al corazón, y la sangre arterial se enfría a medida que avanza por las extremidades. Ésta caída de la temperatura en la arteria se debe a la transferencia térmica por conducción desde las arterias a las venas adyacentes. Estas últimas transportan la sangre que ha captado calor periférico, a la parte central del organismo. De esta forma: 1) Se disipa menos calor por radiación en los vasos cutáneos periféricos. 2) La sangre venosa capta calor periférico para llevar a las regiones profundas del organismo y mantener la constancia de la temperatura interna. Papel del sistema nervioso en la termorregulación Los receptores térmicos están distribuidos con diferentes densidades en las diversas zonas del cuerpo. Transmiten los impulsos a la médula espinal y de ahí a la región hipotalámica. Hay receptores al frío que son filetes nerviosos tipo A delta mielinizados. Algunos serían terminaciones nerviosas libres. Otros receptores son fibras nociceptivas (receptores del dolor que son estimulados por el frío o también por el calor.). Las terminaciones nerviosas libres actuarían como receptores al calor. Los termorreceptores en general serían estimulados por cambios químicos. Esto significaría que la detección térmica no es efecto directo del calor o frío sobre las terminaciones nerviosas, sino debida a cambios químicos La ley de Dalton: la velocidad de evaporación de un líquido es proporcional a la superficie del líquido (S), a la tensión del vapor correspondiente a la temperatura del líquido (F) menos la tensión de ese mismo vapor contenido en el aire (f), e inversamente proporcional a la presión atmosférica. Masa evaporada = C . S . (F – f) / Presión atmosférica morenita <3 8 que la temperatura produce en las citadas fibras nerviosas. Por otra parte, se considera que hay receptores térmicos también en la médula espinal, abdomen,y quizás en otras estructuras internas. El Termostato hipotalámico Los principales centros reguladores de la temperatura están en el hipotálamo, es el termostato. El hipotálamo posee neuronas sensibles a los cambios térmicos de la sangre; cuando aumenta la temperatura de esta, las neuronas aumentan la frecuencia de descarga de estímulos. Lo contrario ocurre cuando disminuye la temperatura. La zona anterior es el centro de pérdida de calor o de defensa contra el calor. La zona posterior es la zona de producción de calor o de lucha contra el enfriamiento (los mecanismos conocidos + secreción de hormonas tiroideas (tiroxina) y liberación de catecolaminas). A medida que la temperatura se equilibra, se van atenuando los mecanismos compensatorios por muy precisos mecanismos de retroalimentación negativa, disminuyendo así la intensidad de la respuesta, hasta que prácticamente cesa. Una vez que la temperatura corporal cae por debajo de 29.4º C, el hipotálamo pierde por completo la capacidad de regulación de la temperatura. Sus células sufren grandes daños aún si la temperatura corporal fuese menor de 34º C. Parte de esta pérdida de regulación de la temperatura es que la velocidad de las reacciones bioquímicas, y por lo tanto la producción de calor, se reduce enormemente. Fiebre: se presenta cuando la temperatura corporal está por encima de los límites considerados normales. Se puede producir por varios mecanismos, se denominan pirógenos a estos factores que contribuyen a la elevación de la temperatura corporal. El termostato hipotalámico está regulado a 37º C normalmente. Si el nivel de regulación se eleva o disminuye, entran en juego los elementos de termólisis y termogénesis. Antipiréticos: son fármacos que disminuyen la fiebre por acción directa sobre el hipotálamo, estimulando así la termólisis. Escalofríos: se presentan cuando: 1) la temperatura de la sangre es menor que la establecida por el termostato hipotalámico (37º C), 2) en respuesta a una sustancia nociva que eleva el nivel normal de regulación de temperatura del termostato hipotalámico, originándose de este modo la fiebre.
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