Termodinámica/1ª lei/Traballo, calor e metabolismo

Os seres vivos son sistemas abertos, o que quere dicir que amais da enerxía, eles trocan tamén materia co seu medio ambiente. Eles están sometidos ás mesmas leis físicas -tamén as leis da termodinámica- ca tódolos obxectos no universo. A termodinámica permite de explicar numerosos fenómenos biolóxicos.

Foi verificado experimentalmente que a primeira lei da termodinámica se aplica aos seres vivos colocando o ser vivo nun calorímetro durante algúns días, medindo:

• a natureza e a cantidade de comida absorbida, o contido enerxetico destes alimentos.
• a enerxía de combustión das feces.
• a cantidade de enerxía térmica perdida polo organismo.
• a cantidade de enerxía mecánica fornecida polo organismo. Cantidade que non é preciso considerar, dado que é ridícula, se se mantén o suxeito en repouso absoluto.

Os resultados calculados que serían obtidos colocando un ser humano nun calorímetro, son os seguintes:

1. enerxía de combustión da comida absorbida: 10887 kj.día^-1
2. enerxía de combustán das feces 1025 kj.día^-1
3. calor gastada polo organismo: 10029 kj.día^-1

A conversión:

alimentos$\rightarrow$produtos de combusti\acute {o}n$+$feces

que chamamos metabolismo, acompáñase dunha perda de enerxía para o sistema:

$\Delta E_{metabolismo}\;=\;-10887-(-1025)\;=\;-9862kJ.dia^{-1}$

que é igual á calor gastada polo organismo, 10029 kJ.dia^-1 ( com um erro só de 1.6%)

De modo xeral, a primeira lei aplicada aos seres vivos escríbese:

onde todos os termos son negativos.

Trocas de calor entre o ser humano e o seu medio ambiente

Mesmo na ausencia de exercicios físicos(W=0), unha certa velocidade de metabolismo é necesaria para manter o corpo na súa temperatura. Durante unha actividade física (W<0), a velocidade do metabolismo aumenta. Como o organismo non pode controlar perfectamente a conversión de enerxía, o exercicio físico acompáñase dunha produción maior de enerxía térmica Q, que o corpo debe eliminar. A unha temperatura ambiente de 23°C, a calor producida polo metabolismo pérdese por catro procesos:

• ’‘condución’‘: A condutibilidade térmica do aire é escasa e só o 10% da calor é eliminada por condución. Na auga, a condutividade é moito máis importante; mergullado na auga a 0°C, un ser humano só pode sobrevivir algúns minutos.
• ’‘convección’‘ (3%): a calor é extraída pola substitución constante do aire quente por aire frío en contacto co corpo (nos pulmóns, por exemplo)
• ‘‘‘radiación ‘‘‘ (67%): a calor transpórtase baixo a forma de ondas electromagnéticas (principalmente infravermello).
• ’‘Evaporación’‘ seca ou húmida (20%): a perda de auga por evaporación é a aproximadamente de 30 g por hora.

A unha temperatura ambiente superior a 31°C, a calor corporal elimínase por evaporación. O volume de auga perdido polo corpo pode, nesta condición, atinxir 1 litro por hora. A velocidade de evaporación depende da humidade relativa do aire, é dicir da cantidade de vapor de auga presente na atmosfera. Considerando o valor elevado da enerxía de vaporización (44 kj.mol^-1), a disipación da calor por evaporación pode ser moi eficiente. Así, no aire completamente seco, un ser humano pode sobrevivir a unha temperatura ambiente de 127°C.