Tema 2: Bioenergética, apuntes de Biología para Universidad

FISIOLOGÍA 1º Medicina

Grupo 12

TEMA 2: BIOENERGÉTICA

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN
2. SISTEMAS
1. Tipos de sistemas
3. VARIABLES
1. Calor y trabajo
4. EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
5. TRANSFORMACIONES O PROCESOS TERMODINÁMICOS
6. INTERCAMBIO DE ENERGÍA EN UN SISTEMA
1. Energía interna
7. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
1. Principio cero
1. Aplicaciones de la Ley Cero
2. Equilibrio térmico
2. Primer principio de la termodinámica
1. Energía interna, trabajo y calor
2. Explicación de los enunciados del Primer Principio de la Termodinámica
3. Concepto de entalpía
4. Ley de Hess
3. Segundo principio de la termodinámica
1. Concepto de entropía
2. Concepto de energía libre de Gibbs
8. TRANSFERENCIA DE CALOR
1. Conducción
1. Conductividad térmica
2. Convección
3. Radiación
4. Evaporación
5. Conversión
9. TERMOTERAPIA. EFECTOS DEL CALOR

Nota: las partes que están en gris, aparece en el powerpoint pero no lo menciona en clase. 1Grupo 12 FISIOLOGÍA 1º Medicina

INTRODUCCIÓN a la Termodinámica

La termodinámica (del griego termo, que significa "calor" y dynamis, que significa "fuerza") es la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y el trabajo. Es decir, estudia cómo se produce el intercambio de energía en los procesos en forma de calor o de trabajo.

Esta ciencia se desarrolló a finales del siglo XVIII, en la época de la revolución industrial, con la finalidad de intentar mejorar los motores. En ese periodo aún no se había descubierto la estructura atómica de la materia, por lo que este estudio se realizaba desde un punto de vista macroscópico.

Un aspecto característico de la termodinámica es que se basa en una serie de principios (axiomas) o leyes que nos van a permitir deducir y predecir cómo se producen estos procesos de intercambio de energía (los principios de la termodinámica). Esto sirve para estudiar tanto procesos mecánicos como biológicos: si van a ser espontáneos o no, si van a liberar calor, si se necesita un aporte externo de energía etc. Estas leyes nos proporcionan información fundamental a la hora de entender y estudiar las reacciones físico-químicas.

Principios de la termodinámica

• Principio cero: Existencia de estado de equilibrio.
• Primera Ley: Conservación de la energía.
• Segunda Ley: Marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos, degradación de la energía, irreversibilidad, espontaneidad ...

La termodinámica estudia las propiedades colectivas de la materia, se aplica el estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moleculas o atomos:

• Organización de la materia: fases sólida, líquida o gaseosa.
• Repartición de la energía entre las moléculas del sistema: temperatura. Da información de la energía térmica.
• Transfusión de la energía entre un sistema y otro mediante calor y trabajo.
• Qué procesos se producen de forma espontánea en la naturaleza: entropía, entalpía, energía libre y reacciones químicas.
• Relaciones entre todo lo anterior: transferencia de energía en reacciones químicas y en cambios de fase, dependencia de procesos con la temperatura ...

SISTEMAS Termodinámicos

Un concepto muy importante en la termodinámica es el sistema, que se puede definir como una porción del universo (cantidad de materia) limitada por una superficie cerrada. 21º Medicina FISIOLOGÍA Grupo 12

Es una parte del universo: un cuerpo, una célula, la biosfera ... Todo aquello que se encuentre a su alrededor y que le afecta se denomina entorno o medio ambiente. La suma del sistema y del entorno se denomina universo. El sistema interacciona con el entorno y puede intercambiar materia y energía.

universo entorno sistema

En este caso aplicando la termodinámica en los seres humanos, el sistema que estudiamos es el ser humano

Tipos de sistemas

Pueden ser de diferentes tipos en función de si pueden intercambiar energía y materia con el entorno.

1. Sistema abierto: El sistema intercambia materia y energía con el entorno. Ej: el ser humano (come, recibe energía y produce calor) o una copa de vino (se puede llenar de vino o vaciar de vino, y este líquido se puede enfriar o calentar).
2. Sistema cerrado: El sistema intercambia energía, pero no materia con el entorno. Ej: el tetrabrik, la materia no sale ni interacciona con el medio, pero se puede calentar o enfriar.
3. Sistema aislado: El sistema NO intercambia ni materia ni energía con el entorno. Ej: un termo, no hay intercambio de materia y está aislado térmicamente, por ejemplo.
4. Sistema adiabático: El sistema NO intercambia materia (porque está cerrado) ni energía en forma de calor (porque es aislante), pero puede intercambiar energía en forma de trabajo.

Los sistemas se presentan de diferentes formas o estados y están caracterizados por variables termodinámicas.

VARIABLES TERMODINÁMICAS

Las variables termodinámicas (propiedades termodinámicas) son magnitudes (pueden ser químicas, físicas, macroscópicas ... ) que caracterizan el estado de un sistema en equilibrio. Su valor va a depender del estado inicial (A) y final (B) del sistema, no tiene importancia cómo ha ocurrido el proceso de cambio, por lo tanto, no tiene efecto sobre su valor. (No importa cual es el proceso para llegar de A a B, solo importa el resultado del mismo). Es por ello que las variables termodinámicas son funciones de estado. 31º Medicina FISIOLOGÍA Grupo 12

Ej: altura presión, volumen, temperatura, energía interna, entalpía, entropía ... La altura es también una función de estado, ya que tenemos una altura inicial y una altura final, no nos importa el camino seguido. En cambio, la distancia recorrida no es una función de estado, ya que ahí el camino recorrido sí que es crucial.

Además de las funciones de estado, hay otras variables cuyos valores dependen de cómo se ha producido la transformación. Como no son funciones de estado, su valor sí depende de cómo ha sido el cambio del estado inicial al estado final.

Calor y trabajo

El calor y el trabajo no son funciones de estado/termodinámicas, ya que su valor depende del tipo de transformación que experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final. (depende de cómo se produce la transformación). Son fundamentalmente formas de transferencia de energía. La unidad derivada del SI utilizada para medir energía, trabajo y calor es el julio (J), también se puede utilizar la caloría. En un sistema mecánico la forma de transferencia de energía es el trabajo (W).

W= fuerza x distancia

En un sistema no mecánico existe otra forma de transferencia de energía: el calor (Q). Cuando un sistema y su entorno tienen temperaturas distintas, la energía se transfiere en forma de calor.

Por ejemplo: un recipiente se encuentra a unos determinados valores de presión, volumen, temperatura, etc. Estas variables representan las funciones del estado. Si estas variables se modifican, el sistema cambia y se producen variaciones de energía en forma de calor o trabajo.

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

Las variables termodinámicas son magnitudes que se emplean para describir el estado de equilibrio de un Sistema Termodinámico. Dependiendo del sistema que se quiere estudiar, se pueden elegir distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo.

Podemos decir que un sistema se encuentra en equilibrio termodinamico cuando las variables termodinamicas son CONSTANTES en el tiempo e iguales en todas las partículas o puntos que conforman el sistema.

Temperatura (t) 11111111111 Volumen (V) Presión (p) Masa (m) 4Grupo 12 FISIOLOGÍA 1º Medicina

En el caso de un gas encerrado en un recipiente, las variables son masa, volumen, presión y temperatura. Todas estas van a representar el estado de equilibrio de este sistema.

Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas están relacionadas mediante una ecuación denominada ECUACIÓN DE ESTADO.

f (p, v, t) = 0

Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar al mismo tiempo en equilibrio térmico y mecánico.

• Equilibrio térmico: La temperatura del sistema es la misma que la del entorno.
• Equilibrio mecánico: La presión del sistema es la misma que la del entorno.

TRANSFORMACIONES O PROCESOS TERMODINÁMICOS

Cuando ocurre un cambio en alguna de las variables termodinámicas de un sistema se produce una transformación o proceso termodinámico. Durante ese proceso el sistema intercambia energía con el entorno (en forma de calor o de trabajo). Un proceso termodinámico puede ser de dos tipos diferentes:

• Reversible: Proceso que puede ser invertido una vez ha tenido lugar sin causar cambios en el sistema ni en sus alrededores. Ej. Inflar un globo.
• Irreversible: Proceso no reversible. Los estados intermedios de la transformación no son de equilibrio. Ej .: Hinchar un globo y pincharlo con una aguja, tras explotar el globo ya no puede volver a su estado inicial.

INTERCAMBIO DE ENERGÍA EN UN SISTEMA TERMODINÁMICO

La termodinámica estudia las transformaciones energéticas que experimenta un sistema. A continuación, vamos a analizar los dos tipos de energía que entran en juego cuando un sistema experimenta una transformación y cuál es la relación que existe entre ellos.

En primer lugar, debemos diferenciar la energía que un sistema puede acumular y la energía que se transfiere a un sistema cuando experimenta una transformación. La primera es la energía interna. Esta es una propiedad del sistema y, por lo tanto, una función de estado. La energía que se transfiere, es la energía que se intercambia en forma de calor o trabajo. Estos dos conceptos son propiedades de la energía que ha sido suministrada al sistema a lo largo de la transformación y por ello, dependen de dicha energía. Por lo tanto, no son una variable termodinámica o función de estado. 51º Medicina FISIOLOGÍA Grupo 12

Energía interna (U)

En termodinámica, la energía interna es la energía total que contiene un sistema termodinámico (la suma de la energía de todas las partículas que conforman el sistema). Es una función de estado. La unidad de medida de la energía interna (U), es el julio (J).

La energía interna tiene dos componentes:

• La energía cinética interna es la suma de las energías cinéticas de cada partícula de un sistema respecto a su centro de masas. Esta energía es causada por el movimiento de las partículas del sistema (traslaciones, rotaciones y vibraciones).
• La energía potencial interna es la energía potencial asociada a cada una de las interacciones de las partículas. Está asociada a los constituyentes estáticos de la materia, la energía electrostática de los átomos dentro de las moléculas o cristales, y la energía estática de los enlaces químicos.

La suma de estos dos componentes corresponderá a la energía interna total del sistema. Si el sistema se transforma adquiere otra energía interna (esta puede cambiar).

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

Principio cero

Existencia de estados de equilibrio.

El principio cero, conocido con el nombre de la ley del equilibrio térmico, afirma que: "Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí". En otras palabras: Si el cuerpo A y el cuerpo B están separados por un aislante y el cuerpo C está en equilibrio con los cuerpos A y B, entonces A y B estarán en equilibrio térmico entre sí.

conductor térmico C A B İsici 1 aislante térmico Ley cero de la termodinámica

Según la ley cero de la termodinámica aunque el cuerpo A y B no están en contacto térmico directo, se encuentran en equilibrio térmico gracias al cuerpo C.

El principio cero de la termodinámica es una ley para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. Fue formulado por primera vez en 1931 por Ralph H. Fowler. Esta ley permitió definir la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. 6