UNIDAD 2
TERMOMETRÍA, CALORIMETRÍA, ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR.
Termometría
El concepto de temperatura es intuitivo y se basa
en la sensación de frío o calor que sentimos al tocar un cuerpo. Sin embargo,
está sensación de frío o calor no es suficiente para caracterizar el estado de
calentamiento de un cuerpo, pues ella depende de varios factores.
Calorimetría
La
calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de
los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina
calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor".
La
calorimetría mide el calor en una reacción química o un cambio de estado usando
un instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo
indirecto calculando el calor que los organismos vivos producen a partir de la
producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos
terrestres), y del consumo de oxígeno.
ΔU =
cambio de energía interna
Energía
La
energía se define como la capacidad de realizar trabajo, de producir
movimiento, de generar cambio. Es inherente a todos los sistemas físicos, y la
vida en todas sus formas, se basa en la conversión, uso, almacenamiento y transferencia
de energía.
La
energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en
las transformaciones que ocurren en la naturaleza.
La
energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto,
transportarlo, deformarlo o calentarlo.
La
energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de
madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.
Trabajo
En mecánica
clásica, el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo
equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo.1 El
trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la
letra (del inglés Works) y se expresa en unidades
de energía, esto es en julios o joule (J) en
el Sistema Internacional de Unidades.
Ya que
por definición el trabajo es un tránsito de energía,2 nunca se
refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza
como ΔW.
Calor
El calor
está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes
cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas
temperaturas, sin embargo, en termodinámica generalmente el término calor
significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre
ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor
temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren
en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se
entibia).
TEMPERATURA Y ESCALAS
TERMOMÉTRICAS.
La
temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio,
frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro. En física, se
define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un
sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.
Para
medir la temperatura existe un instrumento llamado termómetro. Este instrumento
está formado por un capilar muy fino en el interior de un tubo de vidrio, ambos
extremos están cerrados y en uno de ellos se estrecha y el capilar tiene un
bulbo con mercurio, el cual se dilata al más mínimo cambio de temperatura.
Existen
tres escalas termométricas conocidas y estas son:
Escala
Celsius o Centígrada: Es la más usada, toma como
referencia el punto de fusión del agua para indicar la temperatura mínima, es
decir 0 ºC, y considera el punto de ebullición del agua para indicar la
temperatura más alta, o sea 100 ºC. Es una escala que considera valores
negativos para la temperatura, siendo el valor más bajo de -273 ºC.
Escala
Fahrenheit o Anglosajona: Es una escala que tiene
180º de diferencia entre el valor mínima y el máximo del termómetro. También
relaciona los puntos de fusión y ebullición del agua para indicar los valores
de temperatura. El valor mínimo es a los 32 ºF y el máximo a los 212 ºF. Al
igual que la escala Celsius, tiene valores negativos de temperatura.
Escala
Kelvin o Absoluta: Es una escala que no tiene
valores negativos. El punto de fusión del agua en esta escala es a los 273 ºK y
el punto de ebullición es a los 373 ºK y la mínima temperatura es 0º K que para
la escala Centígrada resulta ser a los -273 ºK.
MECANISMOS DE PROPAGACIÓN
DEL CALOR.
Conducción:
La conducción es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura
más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo.
Convección:
La transmisión de calor por convección es un intercambio de calor entre el aire
y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. El transporte
del calor se produce por movimientos naturales debidos a la diferencia de
temperaturas, el aire caliente tiende a subir y el aire frío baja, o bien
mediante mecanismos de convección forzada.
Radiación:
La radiación es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio
se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas
electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio
material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente
por radiación.
ENTALPIA Y LA ENTROPÍA.
Entalpia
Es
una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya
variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por
un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema
intercambia con su entorno.
En
palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la
variación permite expresar la cantidad de calor puesto
en juego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en
un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede
entender como un sistema termodinámico.
Entropía
La
entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo,
permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir
trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema
aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural.
REACCIONES QUÍMICAS
ENDOTÉRMICAS Y EXOTÉRMICAS
Las
reacciones químicas forman parte de nuestro día a día a pesar de que algunas no
podamos percibirlas o entenderlas. Ejemplo de ellas tenemos la fermentación, la
combustión y la corrosión u oxidación de metales. Otras de gran importancia son
las que ocurren en el organismo de todos los seres vivos, con la finalidad de
proveer al cuerpo de energía para luego almacenarla y consumirla. Este tipo de
reacciones son indispensables para la vida.
Reacciones
Exotérmicas
Son
aquellas donde ocurre desprendimiento de energía en forma de calor.
Reacciones Endotérmicas.
Son
aquellas reacciones donde se necesita de calor para que se lleve a cabo, es
decir ocurre una absorción de energía durante todo el proceso.
FENÓMENOS TERMODINÁMICOS,
HOMEOSTÁTICOS DE REGULACIÓN DEL CUERPO HUMANO.
Estos mecanismos de autorregulación, llamados
procesos homeostáticos en los seres vivos ocurren con cambios infinitesimales
en las condiciones del sistema, prácticamente imperceptibles, que gradualmente
buscan devolver al estado de equilibrio o condición de salud. La respuesta
inmediata del organismo es librar anticuerpos que combatan la presencia de la
infección.
La
aplicación de antibióticos sirve para fortalecer el sistema de defensa natural
y acelerar el proceso de destrucción de la enfermedad
TEMPERATURA
La
temperatura corporal depende de las condiciones de temperatura ambiental y de
actividad física, ya que de la energía total liberada durante el metabolismo se
emplea aproximadamente una quinta parte en el trabajo y lo demás se libera en
forma de calor; este calor debe ser disipado para mantener las condiciones de
temperatura adecuadas en el cuerpo humano.
Proceso
mediante el cual un grupo de seres vivos denominados homeotermos mantienen su
temperatura corporal dentro de unos límites, independientemente de la
temperatura ambiental. El proceso consume energía química procedente de los
alimentos ya que estos organismos tienen mecanismos para producir calor en
ambientes fríos o para ceder calor en ambientes cálidos, conocidos en su
conjunto como termorregulación.
RADIACIÓN TÉRMICA O
CALORÍFICA
Se
denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo
debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética,
siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda
considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación
relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm,
abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja
del espectro electromagnético.
EVAPORACIÓN Y SUDOR.
Es
la producción y evaporación de un fluido, que consiste principalmente de agua,
así como una cantidad más pequeña de cloruro de sodio (el componente principal
de la "sal de mesa"), a través de las glándulas sudoríparas de la
piel de los mamíferos
En
los humanos, la sudoración es principalmente un medio de termorregulación,
aunque se haya propuesto que los componentes del sudor del macho pueden actuar
como feromonas.
La evaporación del sudor en la superficie de la piel tiene un
efecto refrescante debido al calor latente de la evaporación del agua. De ahí
que, en ambientes calurosos, o cuando los músculos del individuo se calientan
debido al esfuerzo, se produzca más sudor.
TERMORREGULACIÓN.
La termorregulación, tal como su
nombre lo dice, corresponde a la capacidad de los organismos de regular y
mantener su temperatura corporal, dentro de ciertos rangos bajo los cuales el
organismo puede funcionar, aunque la temperatura ambiental sea muy diferente.
La temperatura corporal normal de los seres humanos, oscila entre los 36,5 y
los 37,2 °C, con variaciones que dependen de la actividad física o de la
condición fisiológica que el organismo presente.
Es
de vital importancia, mantener la temperatura corporal de un organismo estable,
ya que, una temperatura corporal interna muy alta, podría inactivar las
proteínas del cuerpo, e inclusive podría modificar su estructura, provocando
una desnaturalización de las mismas, inhibiendo su funcionamiento. Mientras
que, una temperatura demasiado baja puede provocar arritmias, inactivar las
proteínas y causar la muerte.
PROCESO DE ALIMENTACIÓN.
Las funciones de nutrición sirven para incorporar a nuestro cuerpo sustancias llamadas alimentos, de las que sacamos la energía necesaria para nuestra actividad diaria y los materiales adecuados para crecer y mantener nuestro cuerpo.
A su vez, las principales funciones de la nutrición son: la digestión, la absorción, la circulación, la respiración y el metabolismo. También se considera como función de nutrición la realizada por las secreciones de las glándulas.
-DIGESTION:
Mediante la digestión, una vez que buena parte de los alimentos que ingerimos
han sido debidamente transformados por los juegos digestivos se convierten en
sustancias fácilmente asimilables para nuestros tejidos.
ABSORCION: Tiene por objeto incorporar a la sangre las sustancias asimilables que contenían los alimentos, y que los jugos estomacales e intestinales han hecho absorbibles. Se realiza principalmente por los vasos quilíferos de los intestinos; pero, también, hay que mencionar la absorción cutánea, es decir, por la piel, cuyos poros, se encargan de la absorción de los líquidos o gases en contacto con ella.
También, existe la absorción pulmonar, dado que los pulmones realizan una muy importante absorción, al incorporar a la sangre oxígeno del aire, al tiempo que también cumple la función de eliminar de la misma el anhídrido carbónico.
ESTRATEGIAS METABÓLICAS DE
LOS SERES VIVOS.
Existen dos principios importantes en el metabolismo; El
metabolismo puede dividirse en tres categorías principales:
- Catabolismo: Procesos
relacionados con la degradación de las sustancias complejas.
- Anabolismo: Procesos
relativos fundamentalmente a la síntesis de moléculas orgánicas complejas.
- Anfibolicas: Doble función
(catabólica y anabólica).
La estrategia básica del metabolismo es formar ATP, poder
reductor y precursores para la biosíntesis. Revisemos brevemente estos temas
centrales:
El ATP es la unidad biológica universal de energía. El
elevado potencial para transferir grupos fosforilos capacita al ATP para ser
utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo,
amplificación de señales y biosíntesis.
NUTRIENTES PRINCIPALES.
CLASIFICACIÓN
Principales
nutrientes:
Nutriente
es un producto químico procedente del exterior de la célula y que ésta necesita
para realizar sus funciones vitales. Éste es tomado por la célula y
transformado en constituyente celular a través de un proceso metabólico de
biosíntesis llamado anabolismo o bien es degradado para la obtención de otras
moléculas y de energía.
Los
seres vivos que no tienen capacidad fotosintética, como los animales, los
hongos y muchos protoctistas, se alimentan de plantas y de otros animales, ya
sea vivos o en descomposición.
Para estos seres, los nutrimentos son los
compuestos orgánicos e inorgánicos contenidos en los alimentos y que, de
acuerdo con su naturaleza química, se clasifican en los siguientes tipos de
sustancias: Proteínas, Glúcidos, Lípidos, Vitaminas, Sales minerales.
SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS: FUERZA Y ENERGÍA.
Energía y fuerza son conceptos muy
relacionados, aunque son distintos entre sí.
Básicamente, la energía está presente en todos
los cuerpos (si el cuerpo está en reposo posee energía potencial y si
está en movimiento la energía potencial se ha transformado en energía
cinética). La fuerza es una acción que solo se puede
expresar cuando hay interacción entre dos cuerpos. Fuerza aplicada de
un cuerpo al otro transforma la energía potencial en cinética
Energía es
la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la energía a su
vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química,
energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser
además potenciales o cinéticos. La energía potencial es la que posee una
sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía
cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.
Fuerza es
la interacción entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en
el estado (reposo o movimiento) de ellos.”
Las leyes que rigen el comportamiento de las fuerzas las
enunció Newton y hoy se conocen como Las tres leyes de
Newton y conforman los Principios de la Dinámica.
LEYES DE NEWTON.
Primera
ley de Newton
La
primera ley de Newton establece que si la resultante de las fuerzas ejercidas
sobre un cuerpo es nula, el cuerpo permanecerá en reposo si estaba en reposo
inicialmente, o se mantendrá en movimiento rectilíneo uniforme si estaba
inicialmente en movimiento.
Así, para que un cuerpo salga de su estado de
reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, es necesario que una fuerza actúe
sobre él.
La
primera ley de Newton es llamada también “ley de la inercia” o “principio de la inercia”. La
inercia es la tendencia de los cuerpos de permanecer en reposo o en movimiento
rectilíneo uniforme.
Ejemplo
Pensemos
en un conductor que lleva un carro a una determinada velocidad, se atraviesa un
perro delante del carro y el conductor frena rápidamente. En esta situación los
pasajeros continúan el movimiento y son lanzados hacia adelante.
Segunda
ley de Newton
La
segunda ley de Newton es el principio fundamental de la mecánica y establece
que la intensidad de la resultante de las fuerzas ejercidas en un
cuerpo es directamente proporcional al producto de la aceleración que adquiere
por la masa del cuerpo:
Donde F es
el resultante de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo; m, la masa
del cuerpo; a, la aceleración del cuerpo.
En
el sistema internacional las unidades de medida son:
Para
F (fuerza): newtons (N).
Para m (masa): kilogramos (kg).
Para a (aceleración): metros por segundo al cuadrado (m/s2).
Para m (masa): kilogramos (kg).
Para a (aceleración): metros por segundo al cuadrado (m/s2).
Es
importante resaltar que la fuerza es un vector, es decir, posee módulo,
dirección y sentido. Por lo tanto, cuando varias fuerzas actúan sobre un
cuerpo, ellas se suman vectorialmente y el resultado es la fuerza resultante.
La
flecha sobre las letras en la fórmula representa que la fuerza y la aceleración
son vectores y que la dirección y el sentido de la aceleración serán los mismos
de la fuerza resultante.
Ejemplo
Un
carrito de mercado es más fácil de mover si está vacío, esto es, requiere menos
fuerza para moverlo porque tiene menos masa. En cambio, si está lleno, cuesta
más moverlo.
Tercera
ley de Newton
La
tercera ley de Newton es llamada ley de acción y reacción, en la
cual a toda fuerza de acción le corresponde una fuerza de reacción.
De
esta manera, las fuerzas de acción y reacción, que actúan en pares, no se
equilibran, una vez que están aplicadas en cuerpos diferentes. Recordando que
esas fuerzas presentan la misma magnitud y dirección pero en sentido opuesto.
Ejemplo
Una
forma de ejemplificar la tercera ley de Newton podría ser la siguiente: hay dos
patinadores, parados uno frente al otro. Si uno de ellos empuja al otro, ambos se
moverán en sentidos opuestos.
RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE
LOS MÚSCULOS Y HUESOS
Músculos
Los
músculos poseen una mayor capacidad elástica. Cuando flexionamos una
articulación, los músculos opuestos a los que actúan se estiran y gracias a
esta capacidad elástica conservan la energía que luego se emplea en la
extensión de la articulación, ahorrando a la persona un importante gasto
energético.
El
hueso se compone de una matriz celular y una matriz mineral compuesta en su
mayoría por hidroxiapatita de calcio, la matriz celular es la más importante
pues de ella depende el correcto funcionamiento del hueso, y se compone de 3
tipos de células:
•Osteoblasto
•Osteocito
•Osteoclasto
•Osteocito
•Osteoclasto
El
hueso es un tejido firme, duro y resistente que forma parte del endoesqueleto
de los vertebrados. Está compuesto por dos tipos de tejidos: El óseo y el
cartilaginoso. Hay 206 huesos en el cuerpo humano. Los huesos poseen una
cubierta superficial de tejido conectivo fibroso llamado periostio y en sus
superficies articulares están cubiertos por tejido conectivo cartilaginoso. El
hueso también cuenta con vasos y nervios que, respectivamente irrigan e inervan
su estructura.
La
resistencia de los huesos:
La función de soporte es muy obvia en las piernas: los músculos se ligan a los huesos por tendones y ligamentos y el sistema de huesos y músculos soporta el cuerpo entero. La estructura de soporte puede verse afectada con la edad y la presencia de ciertas enfermedades.
Debido a que los huesos forman un soporte constituido por uniones de secciones rígidas, como se ve en la figura 2, puede llevarse a cabo la locomoción; si se tratara de una sola pieza rígida no habría posibilidad de movimiento. Es por esto que las articulaciones entre los huesos desempeñan un papel muy importante.
La función de soporte es muy obvia en las piernas: los músculos se ligan a los huesos por tendones y ligamentos y el sistema de huesos y músculos soporta el cuerpo entero. La estructura de soporte puede verse afectada con la edad y la presencia de ciertas enfermedades.
Debido a que los huesos forman un soporte constituido por uniones de secciones rígidas, como se ve en la figura 2, puede llevarse a cabo la locomoción; si se tratara de una sola pieza rígida no habría posibilidad de movimiento. Es por esto que las articulaciones entre los huesos desempeñan un papel muy importante.
CONTRACCIÓN MUSCULAR.
La contracción muscular es la acción y efecto de
contraer o contraerse. Los músculos son órganos formados por fibras
contráctiles conocidas como fibras musculares que pueden estar
vinculados al esqueleto o formar parte de la estructura de otros órganos o
aparatos.
Una contracción muscular es un proceso
fisiológico desarrollado por los músculos cuando, según la tensión, se
estiran o se acortan. Este proceso está controlado por el sistema nervioso
central y permite producir fuerza motora.
BIOMECÁNICA DE LA MARCHA.
La
marcha humana
La marcha es
un proceso de locomoción en el que el nuestro cuerpo estando de pie, se
desplaza de un lugar a otro, siendo su peso soportado de forma alternante
por ambos miembros inferiores.
Mientras
el cuerpo se desplaza sobre la pierna de soporte, la otra pierna se balancea
hacia delante como preparación para el siguiente apoyo. Uno de los pies se
encuentra siempre en el suelo y, en el período de transferencia de peso del
cuerpo de la pierna retrasada a la adelantada, existe un breve intervalo de
tiempo durante el cual ambos pies descansan sobre el suelo.
En
este artículo analizaremos la biomecánica de las dos fases de la marcha.
Biomecánica
de la fase de apoyo de la marcha
La
fase de apoyo comienza cuando el talón contacta con el suelo y termina con el
despegue de los dedos. Esta fase de apoyo influye
de la siguiente manera en las distintas partes del cuerpo:
1.
Columna vertebral y pelvis: Rotación de la pelvis
hacia el mismo lado del apoyo y la columna hacia el lado contrario, Inclinación
lateral de la pierna de apoyo.
2.
Cadera: Los movimientos que se producen son la
reducción de la rotación externa, después de una inclinación interna, impide la
aducción del muslo y descenso de la pelvis hacia el lado contrario. Los
músculos que actúan durante la primera parte de la fase de apoyo son los tres
glúteos que se contraen con intensidad moderada, pero en la parte media
disminuyen las contracciones del glúteo mayor y del medio. En la última parte
de esta fase se contraen los abductores.
3.
Rodilla: Los movimientos que se producen son
ligera flexión durante el contacto, que continúa hacia la fase media, seguida
por la extensión hasta que el talón despega cuando se flexiona la rodilla para
comenzar con el impulso. La
flexión baja la trayectoria vertical del centro de gravedad del cuerpo,
incrementándose la eficacia de la marcha. La musculatura actuante son los
extensores del cuádriceps que se contraen moderadamente en la primera parte de
la fase de apoyo, siguiendo una relajación gradual. Cuando la pierna llega a la
posición vertical la rodilla aparentemente se cierra y produce una contracción
de los extensores. Los isquiotibiales se activan al final de la fase de apoyo.
4.
Tobillo y pie: Los movimientos producidos
en esta fase son la ligera flexión plantar seguida de una ligera flexión
dorsal. Por ello los músculos que actúan son el tibial anterior en la primera
fase de apoyo, y el extensor largo de los dedos y del dedo gordo que alcanzan
su contracción máxima cerca del momento de la transición de la fase de impulso
y apoyo. Sin embargo, la fuerza relativa de estos músculos está influenciada
por la forma de caminar cada sujeto.
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