Termodinámica/1ª lei/Traballo, calor e metabolismo

En Galilibros, o Wikibooks en galego.
Saltar ata a navegación Saltar á procura

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:

alimentosprodutos de combusti\acute {o}nfeces


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

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:

Metabolismo eue.jpg

onde todos os termos son negativos.

Trocas de calor entre o ser humano e o seu medio ambiente[editar]

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.

1. Ecuacións de estado dos gases: 1.1 Ecuación de estado dos gases perfectos / 1.2. Gases reais / 1.3. Ecuación de estado de Van der Waals / 1.4. Estados correspondentes / 1.5. Outras ecuacións de estado
2. Primeira lei da termodinámica: 2.1. Primeira lei / 2.2. Expresión cuantitativa do traballo de expansión / 2.3. Entalpía / 2.4. Capacidade calorífica / 2.5. Aplicación aos gases perfectos / 2.6. Termoquímica / 2.7. Traballo, calor e metabolismo - Aplicación aos seres vivos
3. Entropía: 3.1. Elementos de termodinámica estatística / 3.2. Segunda lei da termodinámica / 3.3. Variación da entropía durante procesos reversíbeis / 3.4. Evolución térmica espontánea / 3.5. Variación de entropía durante procesos irreversiveis / 3.6. Variación de entropía dos gases perfectos-Ciclo de Carnot
4. Relacións fundamentais da termodinámica: 4.1. As relacións fundamentais / 4.2. Variación da enerxía libre coa temperatura.Relación de Gibbs-Helmhotz / 4.3. Variación isoterma da enerxía co volume.Presión interna / 4.4. Relación entre Cp e Cv / 4.5. Variación de entropía e de enerxía dun gas de Van der Waals / 4.6. Efecto da presión sobre a entalpía / 4.7. Enerxía libre e traballo máximo
5. Equilibrio de fases dun corpo puro: 5.1. Variación da enerxía libre coa temperatura e a presión / 5.2. Presión de vapor / 5.3. Ecuación de Clapeyron / 5.4. Diagrama de fases dun corpo puro