Termometría
La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.
Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.
A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.
En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.
Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:
La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.
La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.
El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.
Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.
Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.
Escala de la termometria
Escala celsius o centígrada
Termómetro fahrenheit celsius de pared.
El científico sueco andes celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado celsius (°c) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.
Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °c y 0 °c y se leen 100 grados celsius y 0 grados celsius, respectivamente.
Escala fahrenheit
Grado fahrenheit.
En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado fahrenheit (°f), propuesta por gabriel fahrenheit en 1724. La escala fahrenheit difiere de la celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. En la escala fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:
T(°f) = (9/5) * t(°c) + 32 o t(°c) = (5/9) * [t(°f) - 32]
Donde t(°f) representa la temperatura expresada en grados fahrenheit y t(°c) la expresada en grados celsius.
Transmisión del calor
Hay tres formas de transmisión del calor que son:
Conducción.- Se produce el intercambio de calor por contacto directo entre los dos cuerpos, las moléculas transmiten su energía al otro cuerpo hasta que alcanzan el equilibrio.
Convección.- Se produce en los gases y en los líquidos y consiste en que los fluidos más calientes son más ligeros que los fríos por lo que tienden a subir mientras que los fríos bajan formando corrientes de convección.
Radiación.-Es la propagación de la energía térmica sin que exista contacto entre los dos cuerpos. La radiación se produce en el espacio vacío y es como el Sol calienta la tierra.
Leyes de la termodinámica
Principio cero de la termodinámica
Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.
En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro del físico químico y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final.
A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.
Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.
En palabras llanas: "La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma" (conservación de la energía)
La energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. La energía puede almacenarse en varias formas y luego transformarse en otras. A juicio de esta ley, todas las ormas de energía son Intercambiables entre sí.
Es decir que, cualquier forma de energía puede transformarse en otra. Lo único que no ocurrirá, será la creación de nueva energía, o la destrucción de la misma.
• Cuando los organismos oxidan carbohidratos, convierten la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía. En el caso de las reacciones químicas, esto significa que la suma de la energía de los productos de la reacción y la de la energía liberada en la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias que reaccionan.
La principal fuente de energía en el organismo la constituyen los carbohidratos que ingerimos en nuestra alimentación.
La transformación de energía en el organismo, se realiza oxidando esencialmente glucosa en el proceso de respiración, mediante mecanismos moleculares realizados a nivel celular, a temperatura constante y baja.
Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio.
Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Enunciado de Clausius
En palabras de Sears es: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».
Enunciado de Kelvin—Planck
Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad igual de trabajo.
Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma.
Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.
Los seres humanos efectuamos trabajo al caminar, correr, levantar un objeto, etc., para realizarlo requerimos de energía que el organismo obtiene al transformar la energía potencial química de los alimentos. Para las actividades antes mencionadas se asocia el concepto de eficiencia muscular (E), como el cociente del trabajo mecánico realizado y la energía suministrada al cuerpo, a través de los alimentos. Se ha verificado que la eficiencia muscular en el trabajo mecánico es aproximadamente del 20%, (E = 0.2).
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 o leyes de la termodinámica son válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprender los límites de la segunda ley de la termodinámica jugando con las propiedades microscópicas de las partículas que componen un gas.
Entropía es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo
Entalpia es una variación que 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.
Las definiciones de materia y energía son:
Materia, en ciencia, término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia.
En la física clásica, la materia y la energía se consideraban dos conceptos diferentes que estaban detrás de todos los fenómenos físicos.
Los físicos modernos, sin embargo, han demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, con lo que han acabado con la diferenciación clásica entre ambos conceptos. Sin embargo, al tratar numerosos fenómenos —como el movimiento, el comportamiento de líquidos y gases, o el calor— a los científicos les resulta más sencillo y práctico seguir considerando la materia y la energía como entes distintos.
Energía, capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. Se considera una propiedad de los cuerpos que les permite transformar cuerpos. Sin energía, no será posible ningún proceso físico, químico o biológico.
Principio de conservación de la materia – energía
Por muchos años se trabajaron de manera independiente las leyes de la energía y la masa. Se establecía que la energía total de un sistema se mantenía constante, así como el total de la masa. Por ejemplo, la energía podría pasar de cinética a potencial y la masa cambiar de estado. Ambos pueden tener cambios, pero ni la masa ni la energía pueden ser creadas ni destruidas.
Estos conceptos fueron relacionados por la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Esta teoría establece que la masa es una forma de energía, como lo indica la formula E = m•c². En resumen, significa que la materia no es más que una forma de energía, descubrimiento que tuvo (y tiene) unas consecuencias impactantes en el mundo de la Física.
En la naturaleza, el sol, por medio de la fusión de los núcleos de hidrogeno, libera gran cantidad de energía. Estas conversiones de materia en energía y viceversa son a lo que se le conoce como la conservación de la masa - energía.
Hagámonos la pregunta, ¿es posible recorrer el camino inverso y convertir energía en materia?
La respuesta, evidentemente, es que sí. ¿Por qué no? Sólo hay un ‘pequeño’ detalle. Una ínfima cantidad de masa produce una cantidad ingente de energía. Un gramo de materia desintegrada produciría aproximadamente 90 Terajuls . Esto son unos 25 millones de kilovatios-hora. Con esta energía, podríamos hacer lucir una bombilla de 100 vatios durante 285 siglos.
Pero al convertir energía en materia todo funciona al revés. Necesitamos una cantidad de energía espectacular para producir una cantidad de materia pequeñísima. Por ejemplo, un fotón gamma muy energético puede dar lugar a un electrón y un positrón.
Podemos, por tanto, producir partículas subatómicas a partir de energía, pero sólo tiene interés a nivel científico, experimental.
Se supone que toda la materia del Universo se originó a partir de energía, pero evidentemente en unas condiciones imposibles de reproducir sobre la faz de la Tierra. En general, aunque la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma no todas las transformaciones son igual de viables.
Por ejemplo, podemos convertir totalmente la energía mecánica en calor, por ejemplo, al frenar un coche pero no podemos transformar totalmente el calor en energía mecánica (esto violaría las leyes de la Termodinámica). En el caso que nos ocupa, aunque los humanos hayamos controlado el proceso de transformación de la materia en energía, el paso inverso es físicamente imposible para nosotros.
Las observaciones del siglo XIX llevaron a la conclusión de que la energía ni se crea ni se destruye, pero si se transforma. Este concepto, es conocido como principio de la conservación de la energía. Cuando las velocidades se aproximan a la de la luz la materia se transforma en energía y viceversa.
Para que la materia se convierta en energía debe unirse con antimateria, la antimateria está formada con antipartículas es decir partículas con cargas opuestas a las partículas normales, al unirse materia y antimateria se convierten en energía, la transformación de la energía en materia cosa que se logró en muy pequeña escala es el proceso inverso la energía se convierte en partícula y antipartícula, la antimateria solo puede crearse en los laboratorios por eso para realizar las transformaciones es muy complicado.
Transformación de materia en energía
La experiencia demuestra que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en la materia va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada. Así, una cantidad de energía concentrada en un sistema material es de mayor calidad que otra igual en magnitud, pero que se halle dispersa.
Aun cuando la cantidad de energía se conserva en un proceso de transformación, su calidad disminuye. Todas las transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales, acaban antes o después en energía térmica; ésta es una forma de energía muy repartida entre los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento es peor. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de sus transformaciones.
Son aquellas en que las sustancias que intervienen presentan cambios en su constitución. Las transformaciones o cambios químicos se denominan reacciones químicas, donde por una redistribución de los átomos, una o varias sustancias (reactivos) se transforman en otra sustancias (producto de la reacción).
COMBUSTION
Es una transformación química en la cual un combustible (gasolina, gas, carbón, alcohol, madera) se combina con el oxígeno. La combustión es una reacción de tipo exotérmica donde se forma una llama que desprende calor al quemar, y luz al arder. La combustión se produce con la sola presencia de oxígeno o con sustancias que lo contengan, como el aire atmosférico. Tras la combustión se originan sustancias gaseosas, entre ellas dióxido de carbono, vapor de agua, monóxido de carbono, nitrógeno y carbono en forma de hollín.
La temperatura de los seres vivos no depende solo de la temperatura ambiente, y hay otros factores actuando. El balance de calor y radiación expresa los intercambios de energía y calor de un organismo con el medio. Por ejemplo, una hoja está sometida a muchos flujos de intercambio: del sol recibe radiación de onda corta, radiación visible y radiación de onda larga. Además, tanto la atmósfera como los cuerpos cercanos emiten radiación infrarroja. La mayor parte de esta radiación acaba transformándose en calor y como consecuencia la hoja adquiere una determinada temperatura y también emite radiación infrarroja.
Cuando se establece una diferencia de temperatura entre la hoja y la atmósfera, estas diferencias tienden a anularse a causa de otras transferencias de calor:
- Calor sensible: la hoja lo intercambia por contacto directo con las moléculas de aire y las moléculas de su superficie.
- Calor latente: va asociado a los cambios de temperatura del agua: se intercambia por evaporación y condensacion
Efectos de la temperatura sobre los seres vivos:
Todos los organismos tienen una temperatura óptima en la que pueden llevar a cabo todas sus actividades
Efectos letales de la temperatura:
A. Los descensos de temperatura pueden producir la muerte, sobre todo cuando esta se sitúa por debajo del punto de congelación del agua: se producen cristales de hielo en el organismo, por lo que desciende el agua disponible y el ser vivo muere por desecación. Además, los cristales de hielo también pueden ejercer un efecto mecánico sobre los tejidos y romperlos.
Adaptaciones para sobrevivir a las bajas temperaturas:
– Resistencia a la desecación: pierden el agua de los tejidos, así esta no se congela. Esto sucede en esporas de resistencia y en las larvas de algunos insectos.
- Reducción del punto de congelación del agua o efecto crioscópico. Muchos insectos, por ejemplo, aumentan las concentraciones de glicerina en sus líquidos internos cuando llega la época de frío.
B. Los aumentos de temperatura tienen un efecto directo sobre el funcionamiento de las proteínas, ya que las enzimas se desnaturalizan a determinadas temperaturas. Y, de forma indirecta, el aumento de temperatura produce la pérdida de agua por transpiración. En medios acuáticos, además, baja la concentración del oxígeno disuelto en ella.
Radiacion termica
Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, pero su intensidad depende 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.
La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.
Un cuerpo negro hace referencia a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja nada. A temperatura ambiente, un objeto de este tipo debería ser perfectamente negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin embargo, si se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a brillar produciendo radiación térmica.
A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.
Los cuerpos calientes emiten una radiación electromagnética cuya distribución de frecuencias sólo depende de su temperatura Y cuánto más caliente está, más alta es la media de las frecuencias emitidas.
De este modo, cuando un objeto está caliente emite frecuencias infrarrojas y se puede ver en la oscuridad con un visor de infrarrojos. Si sube más la temperatura, la radiación se ve claramente, porque a partir de cierta temperatura la radiación emitida empieza a estar en la parte baja de la banda visible, es decir en el rojo.
Por eso cuando un objeto está muy caliente se pone rojo y decimos que está al "rojo vivo".
Y cuando se calienta aún más emite radiación en toda la banda visible, en consecuencia se pone blanco y decimos que está al "rojo blanco".
La radiación emitida absorbe parte del calor del cuerpo y "la radia" al espacio circundante, de tal forma que el calor se trasmite por el espacio y es capaz de calentar otros objetos a distancia aunque no haya ningún medio físico entre ellos.
La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros
Termodinámica en los seres vivos
En el fondo somos química: la vida es la expresión de miles de reacciones químicas que tienen lugar continuamente en el interior de los organismos vivos. Como esas reacciones son propias de los seres vivos se les denomina con más propiedad reacciones bioquímicas.
Hay que recordar que una reacción consta de uno o varios reactivos que se combinan para transformarse en uno o varios productos. La Química nos dice que las reacciones pueden ser de dos tipos. Por una parte, las que se producen espontáneamente, es decir, aquellas en las que los reactivos dan lugar a unos determinados productos de forma espontánea. Por otra parte, están aquellas que nos son espontáneas. Casualmente, las más importantes reacciones bioquímicas, esenciales para la vida, no son espontáneas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas.
Las reacciones pueden ser de dos tipos:
Las que se producen espontáneamente: Aquellas en las que los reactivos dan lugar a unos determinados productos de forma espontánea.
Las que nos son espontáneas: Las más importantes reacciones bioquímicas, esenciales para la vida
Reacción Espontanea
Es cuando el incremento de su energía libre estándar es negativo
Pasa de poseer unos reactivos altamente energéticos a unos productos de menor poder energético y los reactivos han perdido una energía que ha sido transferida a otro sistema: de ahí el valor negativo de su energía libre.
Es cuando el incremento de energía libre es positivo. Ejemplo: La síntesis de proteínas.
Es la energía disponible para realizar trabajo, es decir que es útil para producir cambios
La energía libre o energía libre de Gibbs se representa por el símbolo G.: El incremento de energía libre se representa por ∆G y se mide en julios (J) o kilojulios (kj). Más concretamente en kj/mol.
Los alimentos, en su mayoría formados por moléculas complejas, se transforman o degradan en otras más sencillas y pequeñas, condición de importancia para su absorción.
Ingestión
Proceso de incorporación de alimentos a través de la boca
Digestión
Serie de procesos que ocurre en diversos órganos del sistema digestivo y que transforman los alimentos
Transformación física
Fragmenta los alimentos en porciones más pequeñas a través de la masticación en la boca y de los movimientos peristálticos a lo largo del tubo digestivo
Transformación química
En la boca, estómago e intestino delgado las enzimas digestivas desdoblan el alimento transformándolo en moléculas más sencillas.
Absorción
Los nutrientes representados por moléculas sencillas pasan del sistema digestivo a la sangre para ser distribuidos a todo el cuerpo
Agestiones
Es el proceso a través del cual se expulsan los desechos de la digestión como materia fecal hacia el exterior
Forma ATP, puede ser 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 fosforillos capacita al ATP para ser utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis.
El ATP se genera en la oxidación de moléculas combustibles, como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos
Es la capacidad del cuerpo para regular su temperatura, dentro de ciertos rangos, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente. Los animales homeotermos tienen capacidad para regular su propia temperatura.
La temperatura corporal normal -tomada oralmente- oscila entre 36,5 y 37,5 °C en el adulto saludable
Transformación de la materia en energía
Las definiciones de materia y energía son:
Materia, en ciencia, término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia.
En la física clásica, la materia y la energía se consideraban dos conceptos diferentes que estaban detrás de todos los fenómenos físicos.
Los físicos modernos, sin embargo, han demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, con lo que han acabado con la diferenciación clásica entre ambos conceptos. Sin embargo, al tratar numerosos fenómenos —como el movimiento, el comportamiento de líquidos y gases, o el calor— a los científicos les resulta más sencillo y práctico seguir considerando la materia y la energía como entes distintos.
Energía, capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. Se considera una propiedad de los cuerpos que les permite transformar cuerpos. Sin energía, no será posible ningún proceso físico, químico o biológico.
PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA MATERIA – ENERGIA
Por muchos años se trabajaron de manera independiente las leyes de la energía y la masa. Se establecía que la energía total de un sistema se mantenía constante, así como el total de la masa. Por ejemplo, la energía podría pasar de cinética a potencial y la masa cambiar de estado. Ambos pueden tener cambios, pero ni la masa ni la energía pueden ser creadas ni destruidas.
Estos conceptos fueron relacionados por la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Esta teoría establece que la masa es una forma de energía, como lo indica la formula E = m•c². En resumen, significa que la materia no es más que una forma de energía, descubrimiento que tuvo (y tiene) unas consecuencias impactantes en el mundo de la Física.
En la naturaleza, el sol, por medio de la fusión de los núcleos de hidrogeno, libera gran cantidad de energía. Estas conversiones de materia en energía y viceversa son a lo que se le conoce como la conservación de la masa - energía.
Hagámonos la pregunta, ¿es posible recorrer el camino inverso y convertir energía en materia?
La respuesta, evidentemente, es que sí. ¿Por qué no? Sólo hay un ‘pequeño’ detalle. Una ínfima cantidad de masa produce una cantidad ingente de energía. Un gramo de materia desintegrada produciría aproximadamente 90 Terajuls . Esto son unos 25 millones de kilovatios-hora. Con esta energía, podríamos hacer lucir una bombilla de 100 vatios durante 285 siglos.Pero al convertir energía en materia todo funciona al revés. Necesitamos una cantidad de energía espectacular para producir una cantidad de materia pequeñísima. Por ejemplo, un fotón gamma muy energético puede dar lugar a un electrón y un positrón.
Podemos, por tanto, producir partículas subatómicas a partir de energía, pero sólo tiene interés a nivel científico, experimental.
Se supone que toda la materia del Universo se originó a partir de energía, pero evidentemente en unas condiciones imposibles de reproducir sobre la faz de la Tierra. En general, aunque la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma no todas las transformaciones son igual de viables.
Por ejemplo, podemos convertir totalmente la energía mecánica en calor, por ejemplo, al frenar un coche pero no podemos transformar totalmente el calor en energía mecánica (esto violaría las leyes de la Termodinámica). En el caso que nos ocupa, aunque los humanos hayamos controlado el proceso de transformación de la materia en energía, el paso inverso es físicamente imposible para nosotros.
Las observaciones del siglo XIX llevaron a la conclusión de que la energía ni se crea ni se destruye, pero si se transforma. Este concepto, es conocido como principio de la conservación de la energía. Cuando las velocidades se aproximan a la de la luz la materia se transforma en energía y viceversa
TRANSFORMACION DE MATERIA EN ENERGIA
La experiencia demuestra que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en la materia va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada. Así, una cantidad de energía concentrada en un sistema material es de mayor calidad que otra igual en magnitud, pero que se halle dispersa.
Aun cuando la cantidad de energía se conserva en un proceso de transformación, su calidad disminuye. Todas las transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales, acaban antes o después en energía térmica; ésta es una forma de energía muy repartida entre los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento es peor. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de sus transformaciones
TRANSFORMACIONES QUIMICAS
Son aquellas en que las sustancias que intervienen presentan cambios en su constitución. Las transformaciones o cambios químicos se denominan reacciones químicas, donde por una redistribución de los átomos, una o varias sustancias (reactivos) se transforman en otra sustancias (producto de la reacción)
COMBUSTION
Es una transformación química en la cual un combustible (gasolina, gas, carbón, alcohol, madera) se combina con el oxígeno. La combustión es una reacción de tipo exotérmica donde se forma una llama que desprende calor al quemar, y luz al arder. La combustión se produce con la sola presencia de oxígeno o con sustancias que lo contengan, como el aire atmosférico. Tras la combustión se originan sustancias gaseosas, entre ellas dióxido de carbono, vapor de agua, monóxido de carbono, nitrógeno y carbono en forma de hollín.
Codificación de la Energía
Mecánica clásica
En física clásica, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía química según la composición química.
Mecánica relativista
En teoría de la relatividad el principio de conservación de la energía se cumple, aunque debe redefinirse la medida de la energía para incorporar la energía asociada a la masa, ya que en mecánica relativista, si se considerara la energía definida al modo de la mecánica clásica entonces resultaría una cantidad que no conserva constante. Así pues, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, poseen una energía adicional equivalente a , y si se considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de formas de energía).
En mecánica cuántica el resultado de la medida de una magnitud en el caso general no da un resultado determinista, por lo que sólo puede hablarse del valor de la energía de una medida no de la energía del sistema. El valor de la energía en general es una variable aleatoria, aunque su distribución si puede ser calculada, si bien no el resultado particular de una medida. En mecánica cuántica el valor esperado de la energía de un sistema estacionario se mantiene constante. Sin embargo, existen estados que no son propios del hamiltoniano para los cuales la energía esperada del estado fluctúa, por lo que no es constante. La varianza de la energía medida además puede depender del intervalo de tiempo, de acuerdo con el principio de indeterminación de Heisenberg.
Energía en diversos tipos de sistemas físicos
La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva. Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa, composición química, y otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.
Física clásica
En la mecánica se encuentran:
Energía mecánica, que es la combinación o suma de los siguientes tipos:
Energía cinética: relativa al movimiento.
Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo, está la energía potencial gravitatoria y la energía potencial elástica (o energía de deformación, llamada así debido a las deformaciones elásticas). Una onda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico.
En electromagnetismo se tiene a la:
Energía electromagnética, que se compone de:
Energía radiante: la energía que poseen las ondas electromagnéticas.
Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.
Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos.
En la termodinámica están:
Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema.
Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor.
Potencial termodinámico, la energía relacionada con las variables de estado.
Física relativista
En la relatividad están:
Energía en reposo, que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E=mc2, que establece la equivalencia entre masa y energía.
Energía de desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración.
Física cuántica
En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:
Energía del vacío: un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia.
Química
En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente:
Energía de ionización, una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo.
Energía de enlace, es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica.
Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase Ruta metabólica).
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón, impactan con los electrones de un metal arrancando sus átomos. El electrón se mueve durante el proceso, dado origen a una corriente eléctrica. Este fenómeno es aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía lumínica del sol transformándola en electricidad.
Albert Einstein publicó en 1905 varios artículos entre los cuales uno trataba del efecto fotoeléctrico y por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1922. Mucho antes, en 1900, Max Plank había explicado el fenómeno de la radiación del cuerpo negro sugiriendo que la energía estaba cuantizada, pero Einstein llegó aún más lejos explicando -de acuerdo a los cuantos de Plank- que no solo la energía sino también la materia son discontínuas.
Cuantificación de la Energía
Electricidad producida por el efecto fotoeléctrico
Sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo éstos portadores de cargas eléctricas negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente eléctrica. La corriente es igual al número de cargas en movimiento entre un intervalo de tiempo.
I = d(Q)/dt
I: Es la corriente electrica
Q: Es la carga eléctrica que atraviesa el área transversal de un conductor.
D/dt: Es un operador que indica la variación de cargas eléctricas respecto del tiempo.
Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz a una sola frecuencia, digamos la luz solar, se produce electricidad en su interior de esta manera: la luz cuando viaja se comporta como una onda, pero al intercambiar su energía con cualquier objeto lo hace como una partícula que es llamada fotón. Cuando el fotón choca con un electrón de un átomo de la lámina metálica, desaparece y cede toda su energía al electrón, expulsándolo hacia otro átomo. Esta expulsión electrónica es precisamente la corriente eléctrica.
Como el fotón desaparece durante la colisión, se hace fácil comprender que la energía de movimiento absorbida por el electrón depende de un solo fotón. Esto nos indica que la electricidad resultante no depende de la intensidad de la luz, sino más bien de la energía que porta el fotón.
E = hf
'E' Es la energía que porta el fotón; 'h' es la constante de Planck, y 'F' es la frecuencia del fotón de luz.
Tomando en cuenta que la lámina metálica contiene una cantidad enorme de átomos, debe contener una cantidad mayor de electrones y como la frecuencia de la onda lumínica es la misma, su intensidad será la misma; así cada electrón expulsado absorve la misma cantidad de energía.
Cantidad mínima de energía para expulsar un electrón
Si '&' es la cantidad mínima de energía que necesita el fotón para expulsar un electrón del átomo, entonces la máxima cantidad de energía que necesita el electrón para abandonar su átomo y salir hacia otro, está dada por la ecuación:
E = hf-&
En este caso 'E' será la energía necesaria para producir la corriente eléctrica y '&' será el trabajo que realiza el fotón
TEMPERATURA DE LOS SERES VIVOS
La temperatura de los seres vivos no depende solo de la temperatura ambiente, y hay otros factores actuando. El balance de calor y radiación expresa los intercambios de energía y calor de un organismo con el medio. Por ejemplo, una hoja está sometida a muchos flujos de intercambio: del sol recibe radiación de onda corta, radiación visible y radiación de onda larga. Además, tanto la atmósfera como los cuerpos cercanos emiten radiación infrarroja. La mayor parte de esta radiación acaba transformándose en calor y como consecuencia la hoja adquiere una determinada temperatura y también emite radiación infrarroja.
Cuando se establece una diferencia de temperatura entre la hoja y la atmósfera, estas diferencias tienden a anularse a causa de otras transferencias de calor:
- Calor sensible: la hoja lo intercambia por contacto directo con las moléculas de aire y las moléculas de su superficie.
- Calor latente: va asociado a los cambios de temperatura del agua: se intercambia por evaporación y condensación.
Efectos de la temperatura sobre los seres vivos:
Todos los organismos tienen una temperatura óptima en la que pueden llevar a cabo todas sus actividades. La temperatura de torpeza es aquella en la que la actividad del organismo en cuestión se resiente. La temperatura efectiva es aquella en la que todavía es capaz de desarrollar su actividad para completar el ciclo de vida. Y la temperatura letal es aquella que provoca la muerte del organismo. Por la amplitud de esta curva de tolerancia a los cambios en la temperatura interna, los seres vivos se clasifican en euritermos (más amplitud) y estenotermos (menor rango de tolerancia).
Efectos letales de la temperatura:
A. Los descensos de temperatura pueden producir la muerte, sobre todo cuando esta se sitúa por debajo del punto de congelación del agua: se producen cristales de hielo en el organismo, por lo que desciende el agua disponible y el ser vivo muere por desecación. Además, los cristales de hielo también pueden ejercer un efecto mecánico sobre los tejidos y romperlos.
Adaptaciones para sobrevivir a las bajas temperaturas:
– Resistencia a la desecación: pierden el agua de los tejidos, así esta no se congela. Esto sucede en esporas de resistencia y en las larvas de algunos insectos.
- Reducción del punto de congelación del agua o efecto crioscópico. Muchos insectos, por ejemplo, aumentan las concentraciones de glicerina en sus líquidos internos cuando llega la época de frío.
B. Los aumentos de temperatura tienen un efecto directo sobre el funcionamiento de las proteínas, ya que las enzimas se desnaturalizan a determinadas temperaturas. Y, de forma indirecta, el aumento de temperatura produce la pérdida de agua por transpiración. En medios acuáticos, además, baja la concentración del oxígeno disuelto en ella.
Relaciones entre el tamaño corporal y la temperatura:
Los animales varían de tamaño según estas reglas térmicas:
- Regla de Jordan: cuando se cría un pez en condiciones experimentales, el número de vértebras del adulto depende de la temperatura y es tanto menor cuanto mayor sea la temperatura a la que se ha criado al pez.
- Regla de Bergmann: para un determinado grupo taxonómico de organismos homeotermos, las formas de mayor tamaño estarán siempre en los climas más fríos. Esto se debe a que los individuos de mayor tamaño tienen menor proporción superficie/volumen y por lo tanto se pierde menos calor, ya que las pérdidas de calor son proporcionales a la superficie.
Efecto de la temperatura sobre las áreas de distribución de los organismos:
El área de distribución de muchas especies depende de la temperatura. A veces esta relación es difícil de observar, porque a veces no depende de la temperatura media sino de una temperatura concreta en una época determinada del año. Por ejemplo, la distribución del acebo (Ilex aquifolium) en Europa está limitada a zonas en las que las temperaturas máximas diarias sean siempre superiores a cero grados. La planta Rubia peregrina se encuentra en zonas en las que la temperatura media del mes de enero sea superior a 4,5 grados, ya que en esa época forman yemas que mueren por debajo de esa temperatura.
Generalmente, las especies animales bajan más en latitud en Europa que en América, ya que, para una misma latitud, las temperaturas promedio son más altas en Europa
Radiación térmica
Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, pero su intensidad depende 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.
La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.
Un cuerpo negro hace referencia a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja nada. A temperatura ambiente, un objeto de este tipo debería ser perfectamente negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin embargo, si se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a brillar produciendo radiación térmica.
Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y laley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).
A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.
Los cuerpos calientes emiten una radiación electromagnética cuya distribución de frecuencias sólo depende de su temperatura Y cuánto más caliente está, más alta es la media de las frecuencias emitidas.
De este modo, cuando un objeto está caliente emite frecuencias infrarrojas y se puede ver en la oscuridad con un visor de infrarrojos. Si sube más la temperatura, la radiación se ve claramente, porque a partir de cierta temperatura la radiación emitida empieza a estar en la parte baja de la banda visible, es decir en el rojo.
Por eso cuando un objeto está muy caliente se pone rojo y decimos que está al "rojo vivo".
Y cuando se calienta aún más emite radiación en toda la banda visible, en consecuencia se pone blanco y decimos que está al "rojo blanco".
La radiación emitida absorbe parte del calor del cuerpo y "la radia" al espacio circundante, de tal forma que el calor se trasmite por el espacio y es capaz de calentar otros objetos a distancia aunque no haya ningún medio físico entre ellos.
La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros
Termodinámica en los Seres Vivos
En el fondo somos química: la vida es la expresión de miles de reacciones químicas que tienen lugar continuamente en el interior de los organismos vivos. Como esas reacciones son propias de los seres vivos se les denomina con más propiedad reacciones bioquímicas.
Hay que recordar que una reacción consta de uno o varios reactivos que se combinan para transformarse en uno o varios productos. La Química nos dice que las reacciones pueden ser de dos tipos. Por una parte, las que se producen espontáneamente, es decir, aquellas en las que los reactivos dan lugar a unos determinados productos de forma espontánea. Por otra parte, están aquellas que nos son espontáneas. Casualmente, las más importantes reacciones bioquímicas, esenciales para la vida, no son espontáneas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas.
Las que se producen espontáneamente: Aquellas en las que los reactivos dan lugar a unos determinados productos de forma espontánea.
Las que nos son espontáneas: Las más importantes reacciones bioquímicas, esenciales para la vida
REACCIÓN ESPONTÁNEA
Es cuando el incremento de su energía libre estándar es negativo
Pasa de poseer unos reactivos altamente energéticos a unos productos de menor poder energético y los reactivos han perdido una energía que ha sido transferida a otro sistema: de ahí el valor negativo de su energía libre.
REACCIONES NO ESPONTÁNEAS
Es cuando el incremento de energía libre es positivo. Ejemplo: La síntesis de proteínas.
ENERGÍA LIBRE
Es la energía disponible para realizar trabajo, es decir que es útil para producir cambios
La energía libre o energía libre de Gibbs se representa por el símbolo G.: El incremento de energía libre se representa por ∆G y se mide en julios (J) o kilojulios (kj). Más concretamente en kj/mol.
PROCESO DE LA ALIMENTACIÓN
Procesos que transforman los alimentos
Los alimentos, en su mayoría formados por moléculas complejas, se transforman o degradan en otras más sencillas y pequeñas, condición de importancia para su absorción.
INGESTIÓN
Proceso de incorporación de alimentos a través de la boca
DIGESTIÓN
Serie de procesos que ocurre en diversos órganos del sistema digestivo y que transforman los alimentos
TRANSFORMACIÓN FÍSICA
Fragmenta los alimentos en porciones más pequeñas a través de la masticación en la boca y de los movimientos peristálticos a lo largo del tubo digestivo
TRANSFORMACIÓN QUÍMICA
En la boca, estómago e intestino delgado las enzimas digestivas desdoblan el alimento transformándolo en moléculas más sencillas.
ABSORCIÓN
Los nutrientes representados por moléculas sencillas pasan del sistema digestivo a la sangre para ser distribuidos a todo el cuerpo
AGESTIONES
Es el proceso a través del cual se expulsan los desechos de la digestión como materia fecal hacia el exterior
ESTRATEGIA DEL METABOLISMO
Forma ATP, puede ser 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 fosforillos capacita al ATP para ser utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis.
El ATP se genera en la oxidación de moléculas combustibles, como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos
TERMORREGULACIÓN
Es la capacidad del cuerpo para regular su temperatura, dentro de ciertos rangos, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente. Los animales homeotermos tienen capacidad para regular su propia temperatura.
La temperatura corporal normal -tomada oralmente- oscila entre 36,5 y 37,5 °C en el adulto saludable
PRINCIPALES NUTRIENTES
HIDRATOS DE CARBONO
Los Hidratos de Carbono aportan la energía necesaria diariamente para las diferentes funciones del organismo.
• H de C Simples o de absorción rápida
Monosacáridos
- glucosa (uvas y cebolla)
- fructosa (azúcar de los frutos y miel)
- galactosa (leche)
Disacáridos
- sacarosa (azúcar común)
- maltosa
- lactosa (leche y derivados lácteos)
Los lácteos y la fruta, aportan vitaminas, minerales y fibra. Los Hidratos de Carbono simples que debemos evitar son aquellos que no aportan más nutrientes que el propio azúcar, son los llamados productos refinados.
•HC Complejos (polisacáridos)
Almidón
Cereales (trigo, arroz, cebada, centeno)
Legumbres
Patata
FIBRA
Es una sustancia no digerible y a calórica. Se encuentra en las paredes de las células vegetales: frutas, verduras y hortalizas, cereales integrales, legumbres, variando su composición y contenido en función del vegetal.
Solubles (disminuyen el colesterol sérico, aumentando la utilización de éste para la síntesis e ácidos biliares)
Insoluble (aumentan la motilidad intestinal, aumentan el volumen fecal)
PROTEÍNAS
Son macromoléculas constituidas a partir de aminoácidos.
Son junto a las grasas y los azúcares simples, nutrientes que se consumen en exceso en los países desarrollados, por lo tanto la recomendación general es reducir su consumo.
Proteínas animales (carnes, pescados y huevos)
Son ricas en aminoácidos esenciales. La ingesta de proteínas animales suele estar relacionado con un mayor consumo de grasas saturadas y colesterol.
Proteínas vegetales (legumbres, cereales)
Se caracterizan por ser pobres en grasas saturadas y colesterol. Las proteínas de origen vegetal suelen ser incompletas, ya que tanto las legumbres como los cereales son deficientes en algún aminoácido.
GRASAS
La cantidad y calidad de la grasa consumida afecta decisivamente a nuestro organismo
MONOINSATURADOS
Es el ácido Oleico, componente abundante en el aceite de oliva
SATURADOS
Se caracterizan porque no presentan dobles enlaces en su estructura
POLIINSATURADOS
Es el ácido linoleico (girasol, maíz, germen de trigo, pepita de uva, cacahuetes...)
ÁCIDOS GRASOS POLIINSATURADOS omega3
Disminuyendo por tanto la probabilidad de formación de trombo o coágulos
ÁCIDOS GRASOS TRANS
Son resultado de la hidrogenación de los aceites vegetales para formar productos más sólidos
COLESTEROL
Presenta de lipoproteínas transportadoras HDL (alta densidad) y LDL (baja densidad)
VITAMINAS
VITAMINAS LIPOSOLUBLES
VITAMINA A
Interviene en el mecanismo de visión, huesos y dientes y desarrollo nervioso.
VITAMINA D
Participa en el metabolismo huesos, homeostasis calcio
VITAMINA K
Coagulación de la sangre, interviene en el mecanismo de mineralización ósea.
VITAMINA E
Antioxidante de las membranas, anticoagulante, antagonista de la Vitamina K, interviene en los sistemas muscular, vascular, reproductivo y nervioso central.
VITAMINAS HIDROSOLUBLES
• Tiamina (Vitamina B 1): cereales integrales, levadura, carne y nueces.
• Riboflavina (Vitamina B 2): huevo, leche, carne (hígado), verduras.
• Niacina (Vitamina B 3): cereales, verduras, hígado y carne.
• Ácido pantoténico (vit. B 5): alimentos de origen animal, cereales enteros y legumbres.
• Vitamina B 6 (Piridoxamina): vísceras, huevo, maíz, arroz, verduras.
• Biotina (vitamina B 8): yema de huevo, arroz, soja, vísceras.
• Ácido Fólico: vegetales de hoja verde, hígado.
• Vitamina B 12 (cobalamina, cianocobalamina): vísceras, huevo, leche, pescado.
• Vitamina C: cítricos, patatas y verduras.
MINERALES
Compuestos inorgánicos con funciones relevantes en los diferentes mecanismos del organismo
Calcio
Formación de huesos y dietes fuertes, contracción muscular, ritmo cardiaco, irritabilidad nerviosa.
Fósforo
Está presente en el cuerpo humano en un 80% en esqueleto y dietes y en un 20% en liquido extracelular y célulaspotasio
Principal ion intracelular
Sodio
Principal ion extracelular junto al Cl
Cloro
Principal ion extracelular junto al sodio
Magnesio
Necesario para múltiples reacciones bioquímicas del cuerpo; ayuda a la contracción muscular; transmisión de impulsos nerviosos; sistema cardiaco; metabolismo de la energía y síntesis de proteínas
Azufre
Forma parte de algunos aminoácidos, de la queratina de la piel, uñas y pelo
OTROS MINERALES DE IMPORTANCIA
Hierro
Transporte de oxígeno; participa en los mecanismos de obtención de energía (ADP-ATP).
Yodo
Componente esencial de las hormonas tiroideas
Flúor
Está presente en los huesos (fluoropatita) y en los dientes en menor proporción.
• Conserva la dureza del esmalte de los dientes.
• Contribuye a mantener la matriz mineral ósea
Existen otros minerales de menor importancia tales como: cinc, cobre, selenio, cromo, manganeso, molibdeno.
Las leyes de Newton
Primera ley de Newton o ley de la inercia
La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que:
Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.
Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva, algo novedoso respecto de concepciones anteriores que entendían que el movimiento o la detención de un cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía sobre ellos una fuerza, pero nunca entendiendo como está a la fricción.
En consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra forma; un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta.
La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.
En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, por ejemplo, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial. Lo anterior porque a pesar que la Tierra cuenta con una aceleración traslacional y rotacional estas son del orden de 0.01 m/s^2 y en consecuencia podemos considerar que un sistema de referencia de un observador dentro de la superficie terrestre es un sistema de referencia inercial.
Primera ley de Newton aplicada a la Biofísica.
Aplicaremos la primera Ley de Newton del movimiento que indica que (caso particular) para que un objeto permanezca en reposo, o sea, esté en equilibrio, es necesario que la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él sea cero. Esto es solo una condición necesaria.
Segunda Ley de Newton o ley de la Fuerza
Newton fue el primero que descubrió la relación entre los tres conceptos fundamentales de física: aceleración, fuerza y masa. Propuso una de las más importantes leyes de la naturaleza, su segunda ley del movimiento.
La segunda ley de Newton del movimiento dice que la aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, e inversamente proporcional a su masa:
∑F = ma
La segunda ley de Newton es una de las leyes más importantes y fundamentales de la física clásica. La fuerza, que es un vector, se puede considerar como un empuje o tirón; o bien, de acuerdo con la segunda ley de Newton, puede definirse como una acción capaz de producir una aceleración. La fuerza neta sobre un objeto es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él.
Conceptos clave
· Masa: cantidad de materia en un objeto. Es también la medida de la inercia u oposición que muestra un objeto en respuesta a algún esfuerzo para ponerlo en movimiento, detenerlo o cambiar de cualquier forma su estado de movimiento.
· Peso: fuerza sobre un objeto debido a la gravedad.
· Fricción: Fuerza de resistencia que se opone al movimiento o a intentos de movimiento de un objeto, en relación con otro con el que está en contacto, o a través de un fluido.
· Fuerza: Influencia que puede causar aceleración en un objeto; se mide en Newton (o en libras en el sistema inglés).
Segunda Ley Aplicada a la Biofísica
Las tres leyes de Newton del movimiento son las leyes clásicas y básicas para describir el movimiento.
La dinámica del movimiento del cuerpo humano involucra unidades importantes constituido por las masas de los segmentos que giran en torno de los ejes articulares.
Por ejemplo un atleta al trotar, en él se están aplicando fuerzas externas como: la gravedad que ejerce la tierra, la resistencia que ejerce el aire y la fuerza que ejerce el suelo
“Al superponer un modelo simplificado sobre el pie real se observa como al iniciar el movimiento, el eje vertical rota hasta alcanzar un ángulo máximo (este ángulo depende de la velocidad y otros factores). En ese momento el eje horizontal inicia su rotación, inclinándose hacia adelante mientras el punto de rotación común se eleva impulsando todo el pie y la pierna hacia arriba y hacia delante”.
Una persona enyesada se fatiga más debido a que, según la primera ley de Newton, todo cuerpo tiende a mantenerse en su estado de reposo, por lo que para sacarlo hay que ejercer una fuerza, que en este caso es extra a la fuerza que comúnmente se ejerce para mover una pierna. Y a partir de la segunda ley de Newton podemos decir que la persona tiene que ejercer una fuerza de la misma magnitud que el peso del yeso pero en distinto sentido.
Tenemos por ejemplo que el eje en el hombro se encuentra dentro de la cabeza humeral, por lo que la cabeza humeral se mueve hacia abajo al elevarse el brazo y el eje en la cadera se encuentra dentro de la cabeza femoral (los ejes de rotación, no están localizados en las uniones de los huesos). Los ejes del codo como las de la rodilla son proximales a las superficies articulares respectivas y, en las articulaciones radiocarpiana y tibiotarsiana, los ejes son distales a la articulación
Tercera ley o Principio de acción-reacción
Este principio presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su formulación original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el espacio de modo instantáneo sino que lo hacen a velocidad finita “c”.
Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.
Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.
Newton expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad y dirección, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y opuestas en sentido.
La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice esencialmente que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
Es importante observar que este principio de acción y reacción relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo demás, cada una de esas fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores leyes, ésta permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y del momento angular.
Esta ley es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.
Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tengan el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre sí, puesto que actúan sobre cuerpos distintos
Leyes de newton aplicadas a la Medicina
Músculos y tendones
Las Leyes de Newton se pueden usar para estudiar las fuerzas en los músculos y huesos. Un músculo está pegado a, por lo menos, dos huesos mediante tendones: por ejemplo, en el brazo, el bíceps está conectado al tríceps mediante un tendón. En una coyuntura, dos o más huesos está conectados flexiblemente: por ejemplo, el codo, la rodilla y la cadera. Un halado es ejercido por un músculo cuando las fibras se contraen bajo la estimulación de un nervio. El esqueleto humano es un artefacto muy sofisticado que transmite fuerzas hacia y desde varias partes del cuerpo. Son los músculos los que mueven las partes del esqueleto y generan las fuerzas que usan energía química y eventualmente realizan trabajo.
Los músculos generan fuerzas al contraerse después de haber sido estimulados eléctricamente. Los tendones experimentan una tensión neta después de una serie de estas contracciones estimuladas eléctricamente. La función importante de los tendones es conectar los músculos a las extremidades y los músculos tratan de acortar la distancia entre los puntos de contacto de estos tendones pero no los puede separar. Esto significa que se necesita un par de músculos para operar una extremidad: por ejemplo, cuando se dobla la rodilla, los “hamstring muscles” (músculos isquiotibiales) se acorta y para enderezarla, los “quadriceps muscles” son los que se acortan.
Otros tipos de músculos llamados esfínteres pueden unirse y formar un estrechamiento de una abertura cuando se contraen: por ejemplo, el esfínter en el esófago bajo y otro en el ojo.
Varios músculos actúan simultáneamente en el hombro para producir la fuerza total ejercida sobre el brazo.
Cuando una persona está parada interacciona directamente con el piso y ejerce sobre el mismo una fuerza igual a su peso. De acuerdo a la Tercera Ley de Newton, el piso ejerce una fuerza hacia arriba sobre la persona igual en magnitud a su propio peso.
El pie está sujeto a tres fuerzas mientras está corriendo:
1. La fuerza que el piso ejerce hacia arriba sobre el pie (el peso de la persona)
2. La fuerza del tendón de Aquiles sobre el pie
3. La fuerza de los huesos de la pierna actuando hacia abajo sobre el pie
Masticación
En el proceso de masticar, un grupo de músculos controlan la posición y el movimiento de la maxila y de la mandíbula. Las fuerzas que se generan surgen de dos grupos de músculos que se conocen como el “masseter muscle” y el “temporal muscle”: el primero baja la mandíbula (abre la boca) y el segundo asiste al primero en subir la mandíbula (cierra la boca). Las fuerzas generadas por estos dos músculos también se pueden representar en un diagrama de cuerpo libre.
Tratamiento de huesos rotos (sistemas de tracción)
· Para tratar huesos rotos se utiliza un sistema de poleas y cuerdas para mantener estacionaria la parte afectada del cuerpo.
· Para tratar un daño a la cabeza, se utiliza un sistema similar al mencionado anteriormente en donde, por lo general, la fuerza actuando sobre la cabeza va a ser un múltiplo íntegro de la tensión aplicada a la cuerda. Este múltiplo íntegro es igual, por lo general, al número de segmentos efectivos de cuerda utilizado en el montaje. Por ejemplo, si se requiere una fuerza neta hacia arriba de 6 lbs sobre la cabeza, y se van a usar tres segmentos efectivos de cuerda, el peso de la masa colgante en el extremo de la cuerda debe ser de 2 lbs.
· Para tratar fracturas a la espina dorsal, es necesario estirar la misma a lo largo de su longitud para que las vértebras sanen. Para lograr esto, se acuesta al paciente horizontalmente sobre una camilla, se le coloca un cabestro con una cuerda directamente a la cabeza, se pasa la cuerda horizontal sobre una polea y se le añade un peso colgante al extremo colgante de la cuerda. El peso colgante es igual a la tensión de dicha cuerda y, a la misma vez, es igual a la fuerza aplicada a la espina dorsal ya que la cuerda transmite dicha fuerza desde donde es aplicada hasta el punto de contacto con la cabeza. La fricción entre el paciente y la camilla evita que el paciente se deslice sobre la misma.
Cualquier sistema de tracción puede ser analizado teniendo en cuenta dos aspectos importantes:
1. La fuerza aplicada es en la dirección de la cuerda en el punto en donde ésta está conectada al paciente
2. La fuerza es igual al peso colgando de la cuerda.
Si varias fuerzas actúan en un mismo punto, el método gráfico de suma vectorial o el método analítico de suma vectorial pueden ser utilizados para analizar el sistema.
Cuando el hueso de la cadera o el fémur se fractura hay una tendencia de que los músculos principales de la pierna se halen y desalineen los dos segmentos del hueso roto en el punto de fractura. Para prevenir esto, se utiliza un sistema de tracción con cuerdas y poleas en el cual parte del cuerpo es colocado bajo tensión para corregir el alineamiento de las dos estructuras adyacentes o para mantenerlas en posición. La fuerza neta sobre esa parte del cuerpo será igual a la suma vectorial de todas las fuerzas transmitidas a lo largo de las cuerdas que componen el sistema de tracción.
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