S12 n TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN LOS SERES VIVOS METABOLISMO Y TERMORREGULACION

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19/06/23 01:21 prof. Daniel Fernández Palma. 1
• Transformación de la energía en los seres vivos y 
aplicación del concepto de entropía
• Aplicación de la termodinámica en el metabolismo y la 
termorregulación.
S_12 TERMODINAMICA Y METABOLISMO
¿Puede el hombre aprovechar toda la energía que
consume?
El organismo utiliza energía para las más diversas
funciones y esta energía se obtiene, fundamentalmente,
de la liberada en la degradación de ciertas estructuras
químicas. La mayor fuente de energía está entonces
representada por los alimentos.
2Profesor Daniel Fernández Palma
Prof. Daniel Fernández Palma
p
Trabajo debido al cambio en el volumen
W = área 
P = f(V)
Aplicación: Trabajo ventricular y alveolar
W = #
$%
$&
pdV
→ p = nRTV
Si T = cte → W = nRT#
$%
$& dV
V W = nRT ln
V4
V5
1
2
V1 V2
P1
P2
El gas aumenta de volumen si
disminye la presion sobre él
V1
estado 1 
V2
estado 2 
dV
P
V0
W = ? 
V
nRT
V
n
Primera ley de la 
Termodinámica
4Profesor Daniel Fernández Palma
El trabajo realizado por un sistema cuando tiene 
lugar un pequeño cambio de volumen DV está 
dado por:
W = pDV
Primera Ley de la Termodinámica: “el calor 
transferido a un sistema modificará su energía 
interna y/o se realizará cierta cantidad de 
trabajo”
DQ = DU + W
5Profesor Daniel Fernández Palma
METABOLISMO HUMANO
Todos los seres vivos requieren de energía para mantener
los procesos vitales. Las plantas verdes (autótrofos)
obtienen la energía directamente del Sol mediante la
fotosíntesis. Las plantas que no utilizan la fotosíntesis así
como los animales (heterótrofos) necesitan alimentos
capaces de proporcionar energía química. En cualquier
caso tanto las plantas como los animales operan dentro de
las limitaciones impuestas por la termodinámica
6Profesor Daniel Fernández Palma
CO2 + H2O + Energía (hν) azúcar + O2
Enzimas de 
las plantas
Azúcar + O2 CO2 + H2O + Energía
Enzimas de 
las células
El hombre, una máquina solar
7Profesor Daniel Fernández Palma
Si en el tiempo Dt un hombre realiza un trabajo DW. Este
puede utilizarse directamente en hacer ciclismo, subir
escaleras etc. En general el cuerpo perderá calor por lo cual
DQ será negativo. Su valor puede medirse hallando cuanto
calor se ha de extraer de la habitación en la que se halla la
persona para que la temperatura del aire siga siendo
constante. Según el primer principio de la termodinámica el
cambio de energía interna viene dado por
DU = DQ - DW (joules o calorías)
8Profesor Daniel Fernández Palma
Dividiendo entre Dt tenemos la siguiente relación entre la 
rapidez de cambio de las correspondientes magnitudes
DW
Dt
DU
Dt
DQ
Dt= - (watts) 
DW
Dt
DU
Dt
DQ
DtO también - = - + 
Tasa o rapidez de consumo de energía
9Profesor Daniel Fernández Palma
Desde que ΔQ es negativa porque el calor fluye 
al exterior se tiene
DW
Dt
DU
Dt
DQ
Dt
- = + 
Tasa o rapidez de consumo de energía
Rapidez de consumo 
de energía química 
Potencia 
calorífica
Potencia 
mecánica
10Profesor Daniel Fernández Palma
La tasa de cambio de la energía interna (DU/Dt) puede
medirse observando la tasa de consumo de oxígeno para
convertir el alimento en energía y materiales de desecho.
Por ejemplo la glucosa se combina con oxígeno en una
serie de pasos para formar anhídrido carbónico, agua y
liberando 2780 kJ de energía.
1 mol (glucosa) +
134,4 lit (O2)
CO2 + H2O +2780 kJ
11Profesor Daniel Fernández Palma
Profesor Daniel Fernández Palma 12
El equivalente energético del oxígeno se define como el 
cociente entre la energía liberada y el volumen de oxígeno 
consumido
!"#$%&'()*( ()(+,é*$./: !" = ∆3∆4 ; !" =
67
8
Para la glucosa este cociente es 2780 kj/134,4L =21,4 kj/L 
Equivalente energético del oxígeno O2 = 21,4 kj/L
Profesor Daniel Fernández Palma 13
El contenido energético por unidad de masa es la energía 
liberada por cada unidad de masa
! = ∆$∆% ! =
&
'( )
'*
(
Para la glucosa este cociente es 2780 kj/180 g =15,9 kj/g
La siguiente tabla muestra el equivalente energético del 
oxígeno y el contenido energético de algunos alimentos 
19/06/23 01:21 prof. Daniel Fernández Palma. 14
Alimento
Contenido energético 
por unidad de masa 
(kj/g)
Equivalente energético 
del oxígeno 
(kj/L)
Hidrato de carbono 17,2 21,1
Proteina 17,6 18,7
Grasa 38,9 19,8
Etanol 29,7 20,3
Promedio estandar 20,2
Profesor Daniel Fernández Palma 15
Tasa Metabólica Basal TMB. Todos los seres vivos consumen energía 
incluso cuando duermen. La tasa de consumo de energía en reposo 
pero despiertos se denomina tasa metabólica basal. Su valor es:
!"#$% &$ '( )ñ+, -!. = 01
∆3
∆4 = 0, 06/89
:+1;%$ &$ '( )ñ+, -!. = 01
∆3
∆4 = 0, '6/89
Profesor Daniel Fernández Palma 16
Calculando la energía consumida en un día(86400 s)
Hombre de 20 años y 70 kg: TMB = 1.2 w/kg
DU = 5700000 J = 1400 kcal
DU = (1,2 w/kg)(70 kg)(86400 s) 
= 7300000 J = 1700 kcal
Mujer de 20 años y 60 kg, TMB = 1,1 w/kg De la ecuación de tasa 
metabólica basal se tiene
∆" = $%& ' ∆(
∆" = ), )+/-. /0 -. 1/200 3
La mayor parte de la energía consumida por una persona
en reposo se convierte directamente en calor. El resto se
utiliza para producir trabajo en el interior del cuerpo y se
convierte después en calor.
17Profesor Daniel Fernández Palma
Los materiales de los alimentos no se utilizan
directamente por el cuerpo, sino que se convierte primero
en materiales tales como el ATP (trifosfato de adenosina)
que puede ser consumido directamente por los tejidos. En
esta transformación se pierde aproximadamente el 55%
por ciento de la energía interna en forma de calor. El 45%
por ciento restante queda disponible para realizar trabajo
interno en los órganos del cuerpo o para hacer que se
contraigan los músculos que mueven los huesos y realizar
así trabajo sobre los objetos exteriores
18Profesor Daniel Fernández Palma
Alimentos
CALOR (55%)
ATP (45%)
Trabajo 
muscular
® CALOR
Trabajo de 
órganos 
internos
Mover 
objetos 
externos
®
Metabolismo humano ( trasformación de energía)
19Profesor Daniel Fernández Palma
Cuando una persona está realizando una actividad tal como
subir escaleras o hacer la limpieza de la casa, la tasa
metabólica (TM) aumenta. Una parte del aumento en la
conversión de la energía interna se necesita para
proporcionar el trabajo mecánico realizado por la persona.
El resto se debe al aumento de las demandas internas del
cuerpo. Por ejemplo, al traspalar, la tasa metabólica es unas
ocho veces mayor que la tasa metabólica en reposo, pero la
cantidad de trabajo mecánico producido es en realidad muy
pequeña.
20Profesor Daniel Fernández Palma
Profesor Daniel Fernández Palma 21
La tasa metabólica TM para cualquier actividad según su definición 
está dada por:
!" = $%
∆'
∆(
Por lo tanto la tasa de consumo de energía y la energía total consumida 
estan dadas respectivamente por: 
∆'
∆( = % !"
∆' = % !" ∆(
Profesor Daniel Fernández Palma 22
Tasas metabólicas de un hombre de 20 años durante 
varias actividades
Actividad !" = $%
∆'
∆( (*/,-)
Dormir 1,1
Estar de pie 2,6
Montar en bicicleta 7,6
Traspalar 9,2
Nadar 11,0
Correr 18,0
La energía metabólica es consumida principalmente por los 
músculos esqueléticos que cambian y mantienen la posición 
del cuerpo
23Profesor Daniel Fernández Palma
EJEMPLO Para bajar de peso un hombre de 65 kg
conduce bicicleta durante 4 hrs
(a)¿Cuánta energía interna consume?.
(b) Si esta energía se obtiene por metabolismo de la grasa
del cuerpo, ¿cuánta grasa se gasta en este periodo?
¿Cómo adelgazar?..... ¿Quemando grasa?
24Profesor Daniel Fernández Palma
o ¿Ayunando?
Profesor Daniel Fernández Palma 25
Solucion (a) Según la tabla la tasa metabólica al ir en bicicleta 
es TM = 7,6 w/kg. Luego un hombre de masa m = 65 kg en el 
tiempo ∆" = 4 hr = 14400 s consume la energía dada por:
∆# = % &' ∆"
∆#= 65 kg(7,6 w/kg)(14400 s)
∆#= 7,1×)*+ ,
∆#= 7100k,Profesor Daniel Fernández Palma 26
Para apreciar este resultado es conveniente compararlo
con el equivalente energético de la comida necesaria para
un hombre sedentario durante 24 horas que es de 10500 kJ
o 2500 kcal.
(b) El contenido energético de la grasa es C = 38,9 kJ/g de
modo que la masa de grasa necesaria para producir esta
energía es:
∆" = ∆$% =
&'(( )*
+,, . )*/0 =
"121 34 05121 ∆" = ',6 0 = (, ',6 )0
Masa de grasa = = 270 g = 0,270 kg10500 kJ
38,9 kJ/g
El hombre sedentario privado de alimentos obtendrá la 
energía de su propia grasa
Ello indica que limitar la cantidad de comida es para la
mayoría de la gente una forma más práctica de perder
peso antes que hacer ejercicio físico
27Profesor Daniel Fernández Palma
El rendimiento de utilización de los alimentos
El rendimiento de los seres humanos al utilizar la
energía química de los alimentos para realizar trabajo
útil puede definirse de varias maneras.
El convenio más habitual se basa en comparar la tasa
con que se realiza trabajo mecánico con la tasa
metabólica adicional para la actividad.
28Profesor Daniel Fernández Palma
Profesor Daniel Fernández Palma 29
donde el numerador es la potencia mecánica (rapidez o tasa de
ejecución de trabajo) y el denominador es la tasa de consumo de
energía interna adicional obtenida por la diferencia entre la tasa
metabólica global TM y la basal TMB. El rendimiento sería del
100% si toda la energía adicional se convirtiera en trabajo
mecánico.
El rendimiento h en tanto por ciento es entonces:
! =
#$$∆&∆'
∆(
∆' −
∆(
∆' *+,+-
Actividad
Rendimiento
en porcentaje
Traspalar en posición inclinada 3
Levantar pesos 9
Girar una rueda pesada 13
Subir escaleras de mano 19
Subir escaleras 23
Montar en bicicleta 25
Escalar colinas (pendiente de 5°) 30
Rendimientos máximos de trabajos físicos
30Profesor Daniel Fernández Palma
EJEMPLO Un hombre de 60 kg mueve tierra con una pala
con un rendimiento del 3% y su tasa metabólica es de 8
W/kg (a) ¿Cuál es su producción de potencia? (b) ¿Cuánto
trabajo produce en 1 hora? (c) ¿Qué calor pierde su
organismo en 1 hora?
Solución Como la tasa metabólica basal de un hombre es
TMB = 1,2 W/kg y cuando está trabajando su tasa
metabólica es de TM = 8,0 W/kg; .
31Profesor Daniel Fernández Palma
Profesor Daniel Fernández Palma 32
a) De la fórmula del rendimiento
h
100=
b) Dt = 1 h = 3600 s ® DW = (12,24 W)(3600 s) = 44 kJ
c) = 0.97(8-1,2)(60) = 396 W ® DQ = (396W)(∆t)
DQ = 1425 kJ
DQ
Dt
DW
Dt (TM - TMB)m = 0,03(8 - 1,2)60 = 12,24 W 
Profesor Daniel Fernández Palma 33
EJEMPLO Una chica de 45 kg tiene en reposo una tasa metabólica
normal (a)¿Qué volumen de oxígeno consume en una hora? (b) Si
anda durante una hora y tiene una tasa metabólica de 4,3 W/kg
¿cuánto oxígeno consumirá?
Solucion (a) Los datos son: TMB = 1,1 w/kg; m = 45 kg ∆t = 1 hora = 
3600 s Equivalente del oxígeno Eq = 20,2 kj/L
Escribimos las ecuaciones de la tasa metabólica basal y del equivalente 
del oxígeno:
Profesor Daniel Fernández Palma 34
!"# = %&
∆(
∆) *+ =
∆(
∆,
Eliminando ∆( entre ambas ecuaciones y despejando ∆,
∆, = &(!"#)(∆))*+
∆, = /0 12(%, % 4/12)(6788 9):8, : 1;/<
∆, = =, =: <
Profesor Daniel Fernández Palma 35
(b) Al andar la tasa metabólica es TM = 4,3 w/kg 
El volumen de oxígeno consumido será
∆" = $(&')(∆))*+
∆" = ,- ./(,, 1 2/./)(1455)65655 7/8
∆" = 1,. ,: 8
Segunda Ley de la Termodinámica:
“Los sistemas evolucionan progresivamente hacia un
desorden molecular creciente”
Microscópicamente, si a un sistema se suministra
mediante un proceso reversible una cierta cantidad de
calor DQ, el cambio de entropía del sistema es:
donde T es la temperatura absoluta. 
36Profesor Daniel Fernández Palma
∆" = ∆$% ; " =
'()*+
,+*-./
Todos los procesos naturales ocurren de modo que se incrementa el
desorden, de allí que podemos relacionar a la entropía (S) con la
probabilidad termodinámica (W) o distribución de moléculas de
máxima probabilidad mediante la siguiente relación debido a
Boltzmann:
S = k.Ln(W)
Y el cambio de entropía entre dos estados es:
DS = kLn(W2/W1)
La tendencia de la naturaleza de transformarse hacia un estado
desordenado afecta la capacidad de un sistema para hacer trabajo.
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. . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. . . .. . . 
V V
Como un conjunto de moléculas pequeñas puede
disponerse de muchas mas maneras diferentes que cuando
dichas moléculas pequeñas están ligadas formando una
sola molécula, se ingiere poca entropía y se expulsa mucha
entropía, por lo cual la entropía interior del ser vivo puede
disminuir, ya que del exterior aumenta.
Sistema 
biológico
Moléculas grandes Moléculas pequeñas
Entropía elevadaEntropía baja
39Profesor Daniel Fernández Palma
Sistema 
biológico
Moléculas grandes Moléculas pequeñas
Entropía elevadaEntropía baja
+10 - 6 + 20 
Antes (+10) Después (+14)
El sistema biológico evoluciona en el sentido en que 
aumenta la entropía global
40Profesor Daniel Fernández Palma
Es importante notar además que los sistemas vivos se
mantienen fuera del equilibrio (Un sistema en
equilibrio es un sistema muerto) Se ha podido
comprobar que en muchos sistemas aparecen
estructuras espontáneas cuando están suficientemente
alejados del equilibrio, estructuras que se mantienen
mientras se suministra al sistema una potencia suficiente
para mantenerlo lejos del equilibrio. Si se deja de
alimentar al sistema con cantidad suficiente de energía, la
estructura desaparece.
41Profesor Daniel Fernández Palma
Este tipo de estructuras se denominan estructuras
disipativas, ya que se necesita disipar energía para
mantenerlas. Esto permite afirmar que no solo la Física y
la Biología son compatibles, sino que la termodinámica
puede proporcionar una explicación, en ciertos casos, a los
fenómenos de estructuración tan frecuentes en los seres
vivos que se hallan permanentemente fuera del equilibrio.
Usar el siguiente enlace para termorregulacion
42Profesor Daniel Fernández Palma
Medunab termorregulacion 
https://revistas.unab.edu.co/index.php/medunab/article/view/3714/3219
F I N
43Profesor Daniel Fernández Palma