BIOFÍSICA 2 LEYES TERMODINÁMICA

Vista previa del material en texto

1 
 
Lic. Bioq. Yoelys Gómez Rodríguez 
SUMARIO 
Unidad I: Biofísica general. Soluciones. Membrana celular. 
Introducción a la termodinámica de los procesos 
biológicos. 
 Equilibrio termodinámico y Estado Estacionario. El organismo 
humano como sistema abierto en estado estacionario. 
 Primer Principio de la Termodinámica (Ley de la Conservación 
de la energía). 
 2º Principio de la termodinámica. 
 Procesos irreversibles y energía libre (G). Bioenergética. 
 Limitaciones de la Termodinámica y Enzimas. 
 
Bibliografía: 
 Temas de Biofísica. Parisi, Mario (2004). Ed. McGraw-Hill/Interamericana Editores. Cap. 
2. “El hombre como sistema integrado. La organización compartimental.” pp. 25-32 
 Física Médica y Biológica. Biofísica para Ciencias de la Salud. Micó, Guillermo A. (2014). 
Ed. Arandurã. Cap. 1 “Intoducción”; Cap. 12 “Termodinámica y calor corporal” 
 
 2 
Energía (E) 
 Capacidad de un sistema para realizar Trabajo 
(W). 
Algunas formas de energía: 
 Energía térmica (calorífica, calor): 
Energía asociada al mov. Aleatorio de átomos y 
moléculas. Expresión mensurable de la E térmica: 
Temperatura. 
 Energía Química: E. almacenada en las 
estructuras de átomos y moléculas. 
 Energía mecánica: 
1. E. potencial de posición. 
2. E. cinética 
3. E. de presión (fluidos: gases y 
 líquidos). 
4. E. eólica 
 
3 
 
4 
 
5 
Trabajo (W) 
 biológico 
6 
TRANSPORTE ACTIVO 
El hombre como SISTEMA Integrado. 
 Termodinámica: Ciencia que estudia las relaciones entre 
el calor ylas demás formas de energía dentro de un 
determinado sistema y entre el sistema y su entorno. 
 
7 
 
8 
El organismo como SISTEMA termodinámico 
 Sistema: Parte específica del universo separada del resto 
por límites reales o imaginarios. Es lo que nos interesa 
estudiar. 
 Entorno: Es el resto del universo, externo al sistema. 
9 
VARIABLES TERMODINÁMICAS 
Las 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 temperatura 
• 
 
• En termodinámica es muy importante estudiar sus 
propiedades, las cuáles podemos 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 extensivas: son las que dependen de 
la cantidad de sustancia del sistema, y son 
recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una 
propiedad extensiva depende por tanto del 
«tamaño» del sistema. Una propiedad extensiva 
tiene 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 extensiva para el sistema 
completo es la suma de los valores de dicha 
magnitud para cada una de las partes. 
 
• Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la 
masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, 
energía, entropía, entalpía, etc. 
• En general el cociente entre dos magnitudes 
extensivas nos da una magnitud intensiva, por 
ejemplo la división entre masa y volumen nos da la 
densidad. 
 
ESTADO DE UN SISTEMA 
• Un sistema que puede describirse en función de 
coordenadas termodinámicas se llama sistema 
termodinámico y la situación en la que se 
encuentra definido por dichas coordenadas se 
llama estado del sistema. 
Niveles de Organización 
15 
Macromolécula 
Molécula 
El organismo como SISTEMA termodinámico 
Evidencias Termodinámicas Experimentales 
16 
HOMBRE ES CAPAZ DE TRANSFORMAR UN TIPO DE ENERGÍA EN OTRO 
17 
18 
HOMBRE ES CAPAZ DE TRANSFORMAR UN TIPO DE ENERGÍA EN OTRO 
 
19 
HOMBRE ES CAPAZ DE TRANSFORMAR UN TIPO DE ENERGÍA EN OTRO 
20 
HOMBRE ES CAPAZ DE TRANSFORMAR UN TIPO DE ENERGÍA EN OTRO 
21 
1014 de células definen: Compartimiento Intracelular y otro Extracelular 
22 
El hombre como SISTEMA EN ESTADO ESTACIONARIO 
 3 Tipos de sistema: 
S. Abierto: 
Intercambia materia y 
energía (por lo general 
Calor) con el entorno 
 
S. Cerrado: 
Transfiere energía (p.ej. 
Calor) pero no materia con 
el entorno 
 
S. Aislado: 
No permite transferencia de 
materia ni de energía con el 
entorno. (p.ej.: “termo 
ideal”) 
 23 
Olla cerrada 
herméticamente 
¿Qué tipo de Sistema es el ser humano? 
24 
• Los estados de equilibrio se estudian y definen por 
medio de magnitudes extensivas tales como la 
energía interna , la entropia , el volumen o la 
composición molar del sistema,o por medio de 
magnitudes no-extensivas derivadas de las 
anteriores como la temperatura , presión y el 
potencial químico ; otras magnitudes, tales como la 
imanación , la fuerza electromotriz y las asociadas 
con la mecánica de los medios continuos en 
general también pueden tratarse por medio de la 
termodinámica. 
¿Sistema en Equilibrio Dinámico o 
Estado Estacionario? 
26 
Equilibrio Dinámico 
Estado Estacionario 
27 
Un sistema abierto puede mantenerse en estado estacionario sólo si 
hay gasto de energía. 
El hombre como SISTEMA EN ESTADO ESTACIONARIO 
Propiedades Constantes: 
 Temperatura corporal 
 Balance de Agua 
 Balance de Electrolitos: Na+, K+, Ca2+ 
28 
¿Pueden los seres vivos alcanzar el ESTADO DE 
EQUILIBRIO TERMODINÁMICO? 
29 
LEYES DE LA TERMODINÁMICA 
 
Principio cero de la termodinámica 
• Este principio o ley cero, establece 
que existe una determinada 
propiedad 
denominada temperatura empírica, 
que es común para todos los 
estados de equilibrio 
termodinámico que se encuentren 
en equilibrio mutuo con uno dado. 
 
• En palabras simples: «Si se pone un 
objeto con cierta temperatura en 
contacto con otro a una 
temperatura distinta, ambos 
intercambian calor hasta que sus 
temperaturas se igualan». 
 
• Tiene una gran importancia 
experimental «pues permite 
construir instrumentos que midan la 
temperatura de un sistema» pero no 
resulta tan importante en el marco 
teórico de la termodinámica. 
 
 Ocurre cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen 
en contacto hasta alcanzar una temperatura estable. 
Si dos sistemas se encuentran en 
equilibrio térmico 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 térmico con otro sistema. 
El equilibrio térmico se 
presenta cuando dos cuerpos 
con temperaturas diferentes se 
ponen en contacto, y el que tiene 
mayor temperatura cede energía 
térmica en forma de calor al que 
tiene más baja, hasta que ambos 
alcanzan la misma temperatura. 
Temperatura corporal 
35 
Isotermas 
36 
¿Puede el hombre aprovechar toda 
la energía que consume? 
37 
Primer Principio de la Termodinámica y su 
aplicación en el hombre: 
38 
3 formas de enunciarlo 
1. “la energía no se crea ni se destruye, 
sino que se transforma, permaneciendo 
constante la E total del universo” (todas 
las formas de energía son 
interconvertibles) 
 ∆ U = Q + W 
• U: energía interna del sistema 
• Q: calor 
• W: trabajo realizado por el sistema 
 
2. El trabajo (W) se puede transformar en 
calor (Q) y el calor entrabajo. (Más 
simple) 
 
 
 
3. La Energía Total de un sistema y su 
entorno se mantiene constante 
 
1er Principio de la Termodinámica (conservación de la E) 
 
39 
 1er Principio de la Termodinámica y su aplicación en el organismo humano: 
40 
Energía química incorporada en los alimentos 
CALOR (Q) 
Energía Química 
Almacenada 
 (no utilizada): 
• Glucógeno 
• Triglicéridos 
• ATP 
Productos 
De desecho 
Trabajo 
mecánico 
(W) 
“La energía total de un sistema y su entorno se mantiene constante” 
¿En qué sentido ocurren los procesos? 
2º Principio de la Termodinámica: 
41 
3 formas de enunciarlo 
1. Para que un proceso ocurra 
espontáneamente es preciso que 
aumente la entropía (S) del sistema. 
 
2. Todo el trabajo (W) se puede 
transformar en calor (Q), no todo el 
calor se puede transformar en trabajo. 
 
 
3. El calor (Q) que se produce al ocurrir un 
proceso no puede transformarse 
nuevamente en otra forma de E, ya que 
se disipa al medio y no vuelve 
espontáneamente al sistema 
Entropía (S): 
 grado de desorden de un sistema 
 
42 
43 
44 
¿Contradice el 2º Principio de la 
Termodinámica al 1er Principio? 
45 
2º Principio de la Termodinámica implica cierto 
grado de irreversibilidad en los procesos: 
 
En el organismo humano, esta irreversibilidad 
hace necesario proveer energía química 
procedente de los alimentos, es decir: 
• 2º principio de la Termodinámica establece 
la necesidad de alimentarnos, pero 
• 1er principio de la Termodinámica rige la 
utilización de la energía 
Tercer principio de la termodinámica 
 
• Algunas fuentes se refieren incorrectamente al 
postulado de Nernst como "La tercera de las leyes 
de la termodinámica". Es importante reconocer 
que no es una noción exigida 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. 
 
• La mayor parte de la termodinámica no requiere la 
utilización de este postulado. El postulado de 
Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther 
Nernst, afirma que es imposible alcanzar una 
temperatura igual al cero absoluto mediante un 
número finito de procesos físicos. 
• Puede formularse también como que “a medida 
que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, 
su entropía tiende a un valor constante específico”. 
La entropía de los sólidos cristalinos puros puede 
considerarse cero bajo 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. 
Tercer principio de la termodinámica 
 
• Algunas fuentes se refieren incorrectamente al 
postulado de Nernst como "La tercera de las leyes 
de la termodinámica". Es importante reconocer 
que no es una noción exigida 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. 
 
• La mayor parte de la termodinámica no requiere la 
utilización de este postulado. El postulado de 
Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther 
Nernst, afirma que es imposible alcanzar una 
temperatura igual al cero absoluto mediante un 
número finito de procesos físicos. 
• Puede formularse también como que “a medida 
que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, 
su entropía tiende a un valor constante específico”. 
La entropía de los sólidos cristalinos puros puede 
considerarse cero bajo 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. 
SISTEMA 
• Se puede definir un sistema como un conjunto de 
materia, que está limitado por unas paredes, reales 
o imaginarias, impuestas por el observador. 
• Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que 
se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si 
no hay intercambio de materia y energía, 
dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar 
un sistema estrictamente aislado es, por lo que 
sabemos, imposible, pero podemos hacer 
aproximaciones. 
• Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el 
nombre de abierto. 
Ponemos unos ejemplos: 
• Un sistema abierto: se da cuando existe un intercambio 
de masa y de energía con los alrededores; es por 
ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él 
desprende diferentes gases y calor. 
• Un sistema cerrado: se da cuando no existe un 
intercambio de masa con el medio circundante, solo se 
puede dar un intercambio de energía; un reloj de 
cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo 
precisa un aporte de energía que emplea para medir el 
tiempo. 
 
 
• Un sistema aislado: se da cuando no existe el 
intercambio ni de masa y energía con los 
alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos 
interactuar con él? Sin embargo 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 él. El 
universo es un sistema aislado, ya que la variación 
de energía es cero 
 
MEDIO EXTERNO 
• Se llama medio externo o ambiente a todo aquello 
que no está en el sistema pero que puede influir en 
él. Por ejemplo, consideremos una taza con agua, 
que está siendo calentada por un mechero. 
Consideremos un sistema formado por la taza y el 
agua, entonces el medio está formado por el 
mechero, el aire, etc. 
VARIABLES TERMODINÁMICAS 
Las 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 temperatura 
• 
 
• En termodinámica es muy importante estudiar sus 
propiedades, las cuáles podemos 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 extensivas: son las que dependen de 
la cantidad de sustancia del sistema, y son 
recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una 
propiedad extensiva depende por tanto del 
«tamaño» del sistema. Una propiedad extensiva 
tiene 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 extensiva para el sistema 
completo es la suma de los valores de dicha 
magnitud para cada una de las partes. 
 
• Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la 
masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, 
energía, entropía, entalpía, etc. 
• En general el cociente entre dos magnitudes 
extensivas nos da una magnitud intensiva, por 
ejemplo la división entre masa y volumen nos da la 
densidad. 
 
ESTADO DE UN SISTEMA 
• Un sistema que puede describirse en función de 
coordenadas termodinámicas se llama sistema 
termodinámico y la situación en la que se 
encuentra definido por dichas coordenadas se 
llama estado del sistema. 
EQUILIBRIO TÉRMICO 
• Un estado en el cual dos coordenadastermodinámicas independientes X e Y permanecen 
constantes mientras no se modifican las 
condiciones externas se dice que se encuentra en 
equilibrio térmico. 
• Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico 
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 térmico con 
otro sistema. 
 
• El equilibrio térmico se presenta cuando dos 
cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en 
contacto, y el que tiene mayor temperatura cede 
energía térmica en forma de calor al que tiene más 
baja, hasta que ambos alcanzan la misma 
temperatura. 
PROCESOS TERMODINÁMICOS 
• Se dice que un sistema pasa por un proceso 
termodinámico, o transformación termodinámica, 
cuando al menos una de las coordenadas 
termodinámicas no cambia. Los procesos más 
importantes son: 
• Procesos isotérmicos: son procesos en los que la 
temperatura no cambia. 
• Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la 
presión no varía. 
 
 
 
 
• Procesos isócoros: son procesos en los que el 
volumen permanece constante. 
• Procesos adiabáticos: son procesos en los que no 
hay transferencia de calor alguna. 
 
 
 
• Procesos diatérmicos: son procesos que dejan 
pasar el calor fácilmente. 
• Procesos isoentrópicos: procesos adiabáticos y 
reversibles. Procesos en los que la entropía no varía. 
 
• Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan 
agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso 
adiabático, ya que el agua caliente se empezará 
a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo 
se empezará a derretir hasta que ambos estén en 
equilibrio térmico, sin embargo no hubo 
transferencia de calor del exterior del termo al 
interior por lo que se trata de un proceso 
adiabático. 
Procesos Irreversibles y Energía Libre 
70 
Bioenergética 
71 
Bioenergética 
72 
Procesos espontáneos y no espontáneos 
73 
Limitación de la Termodinámica y Enzimas… 
75 
Limitación de la Termodinámica 
y Enzimas… 
76 
Preguntas de Autoevaluación 
1. Define: Termodinámica, sistema termodinámico, entorno del 
sistema termodinámico, energía, trabajo (W). 
2. ¿Cuáles son los 3 tipos de sistemas termodinámicos? 
Fundamente su respuesta mediante las definiciones y ejemplos 
3. Cita 3 tipos de energía. 
4. Cita 3 formas de trabajo biológico. 
5. Cita 3 sistemas biológicos y sus límites. 
6. Comenta con 3 ejemplos en el organismo humano cómo se 
transforma (transduce) diferentes tipos de energía. 
77 
Preguntas de Autoevaluación 
1. Define: Equilibrio dinámico, estado estacionario, bioenergética, 
energía libre (∆G), proceso irreversible, proceso reversible, 
enzimas. 
2. ¿Cuáles son los 3 tipos de sistemas termodinámicos? 
Fundamente su respuesta mediante las definiciones y ejemplos 
3. ¿Qué tipo de sistema termodinámico es el ser humano? Explica 
mediante las definiciones y ejemplos. 
4. ¿El organismo humano vivo está en equilibrio dinámico o en 
estado estacionario? Argumente sus respuesta. 
5. ¿Puede el sistema termodinámico organismo humano alcanzar 
el estado de equilibrio? ¿En qué momento? Explique. 
6. Cita 6 propiedades (parámetros) que el sistema “hombre” 
mantiene relativamente constantes. 
 78 
Preguntas de Autoevaluación 
7. ¿Cómo puede un sistema abierto mantener constantes sus 
propiedades? ¿Ocurre en el sistema “hombre”? Explica. 
8. Cita los 3 Principios de la Termodinámica y la posible aplicación 
en los procesos biológicos del sistema organismo humano del 
Primer y Segundo Principios. 
9. Cita 4 ejemplos de trabajo (W) biológico. 
10. Comenta las 5 evidencias experimentales que permiten definir al 
organismo humano como un sistema termodinámico. 
11. ¿Cuáles son los dos grandes compartimientos dentro del 
organismo humano? ¿Qué es lo que los separa ? 
12. ¿Qué es el “acoplamiento termodinámico” entre dos procesos? 
13. ¿Qué limitación tiene la Termodinámica en el estudio de los 
procesos biológicos? 
14. Comenta las funciones de las enzimas. 79 
Preguntas de Autoevaluación 
7. ¿Cuál es el “criterio de espontaneidad” de un proceso? 
8. ¿Qué significa que un proceso sea “endergónico” o “exergónico”? 
80 
GRACIAS ! 
 
82 
 
83 
 
84