Renzo González ISFDN°36 Física III

° Clase 7 - Termodinámica desde "El caballo esférico" °

♦ Física Biológica y Laboratorio

♦ Alumno: González Renzo

♦ Profesora: Aspiroz Isabel

♦ ISFDN°36

♦ Año:2021
Renzo González ISFDN°36 Física III

Capítulos 3, 4 y 5

 Escribí una síntesis de cada parte de estos capítulos donde la aplicación del concepto
físico a la biología sea más evidente.
 Realizar un cuadro resumen que unifique los tres capítulos.

Introducción (basada en el principio del cap. 3)

Unas de las características intrínsecas al ser humanos es la de la curiosidad, es decir, el hombre
tiene la necesidad de conocer todo lo que le sea posible (al ser el humano un ser finito, le es
imposible comprender la totalidad de su entorno). Al momento de llegar a esas respuestas tan
ansiadas, el humano hace uso de diversos campos de conocimiento, estos campos de
conocimiento o incluso investigación son popularmente conocidos como ciencias.
Al llevar a cabo estas investigaciones el hombre da con conceptos. En este caso vamos a
ahondar en conceptos de la física que tienen relación con el campo de la biología.

Capítulo 3:
Economía de la energía: La Termodinámica.
La conservación de energía es uno de los conceptos básicos de la física y también se aplica a
los seres vivientes. En la física se desarrolla una rama que estudia la contabilidad de los
intercambios de energía realizados por sistemas en interacción y es llamada “termodinámica”.
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La física inventó el concepto de energía, a partir de una generalización de observaciones

inicialmente referidas a fenómenos relativamente simples: la dinámica de cuerpos
macroscópicos. Por así decirlo, se creó una especie de “moneda” con la que se podían
contabilizar ganancias y pérdidas en lo que a conceptos dinámicos refiere (la energía potencial de
un cuerpo de masa determinada, una altura determinada en un campo gravitatorio también
definido, la energía cinética que podría alcanzar ese cuerpo cayendo a una altura menor, etc.).
Al extrapolar este concepto a través de la equivalencia postulada por Joule, se introdujo el
concepto de “equilibrio térmico”, gracias a esto se logró definir empíricamente el concepto de
temperatura. Es gracias a la invención de estos conceptos (calor y temperatura) que se pudo
elaborar un esquema formal, la termodinámica.
El primero que sugirió la equivalencia entre calor y trabajo mecánico como formas de energía fue
Julius Mayer (1814-1878), un médico a bordo de naves holandesas, que podría ser considerado
como el primer biofísico. durante sus viajes hizo estudios sobre los cambios sobre la fisiología
humana, respecto de lo que era habitual en latitudes templadas, y esto llevo a realizar
especulaciones sobre las relaciones entre trabajo, calor y los procesos fisiológicos en el
organismo.

Energía interna o térmica: Energía cinética total asociada a los movimientos de los átomos
constitutivos se llama energía interna o, también, energía térmica. Por tanto, sea transfiriendo
calor o realizando trabajo, se incrementa la energía interna del sistema.
Cambios de fase: se producen a temperaturas definidas, que a menudo llevan asociados
intercambios de energía característicos llamados calores latentes (La transformación del agua
de estado líquido a solido requiere un calor latente de 80 cal/gr y de líquido a sólido 540 cal/gr).
Esto tiene aplicaciones interesantes. Por ejemplo, en climas donde hay heladas es un recurso
habitual colocar dentro de los invernaderos grandes tachos con agua, que cumplen la función de
moderar la temperatura, ya que mientras no se termina de congelar toda la masa de agua
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presente la misma se estabiliza a 0 C. Análogamente, para transportar frutas y verduras y evitar

los daños por congelamiento, se las puede colocar en bolsas de plástico cerradas, intercaladas
con otras llenas de papel de diario empapado en agua. Al bajar la temperatura, de nuevo los
comestibles se mantienen estables a 0 C mientras no se haya congelado la totalidad del agua.
(Las células vegetales sufren daños por debajo de -2 grados C).

Capítulo 4:
Las cosas que no ocurren: El segundo principio de la termodinámica.
Postulado de Clausius:
“Es imposible realizar una máquina que, trabajando cíclicamente, tenga como único efecto la
transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente."
En otras palabras, La conducción del calor es un proceso irreversible.
Postulado de Kelvin:
"Es imposible diseñar una máquina que, trabajando cíclicamente, produzca como único efecto la
extracción de una cantidad dada de calor de un sistema y su transformación en una cantidad
equivalente de trabajo."
En otras palabras, El calor no se transforma espontáneamente en trabajo, La fricción interna es
un proceso irreversible.
Generalmente en la industria, la fuente fría es la atmosfera o bien un rio o lago, al retornar esas
aguas a su fuente inicial, vuelven con una elevada temperatura, o lo que se conoce como
Contaminación térmica
Contaminación térmica: El avance de la industrialización en ciertas zonas geográficas puede
causar una elevación local apreciable en las temperaturas de los cuerpos de agua (lagos, ríos o
zonas costeras de los mares) lo que tiene a menudo consecuencias nocivas para las especies
biológicas.
Existen dos efectos predominantes: la disminución de la cantidad de oxígeno disuelto y el
aumento de la velocidad de las reacciones químicas.
Estos dos efectos se refuerzan recíprocamente ya que el segundo implica generalmente una
mayor demanda de O2, Así han desaparecido varias especies de peces. A estos efectos se
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suma la progresiva sustitución de variedades vegetales comestibles por otras que no lo son, o
que incluso son tóxicas, haciendo estragos en las cadenas alimentarias.

Energía libre y trabajo máximo: La energía libre del sistema mide o cuantifica la capacidad del
sistema de realizar trabajo. Un sistema estable puede transformarse en otro inestables, sea
entregándole trabajo o transfiriéndole energía (ej. química o térmica) de otro sistema. Los
procesos metabólicos de los alimentos necesarios para la vida dependen de la posibilidad de
transformar sistemas estables y, por lo tanto, inutilizables (hidrocarburos), en sistemas
inestables para aprovechar la energía química en ellos almacenada.

Capitulo 5
Balance de energía en los seres vivos.
Metabolismo
La energía disponible para la vida de los animales proviene de los alimentos consumidos. La
conservación de energía se expresa entonces:
U=Q +W
El cambio de energía almacenada (alimentos, reserva) es iguala al calor perdido, más el
trabajo realizado. (Primera ley de la termodinámica).
También se puede expresar para un intervalo de tiempo corto (un balance
de energías transferidas por unidad de tiempo, potencia).
La energía en el organismo se obtiene por oxidación de los alimentos y de
las reservas acumuladas en las células del organismo. El consumo de energía se mide en
kilocalorías o en Joule (1 Kcal= 4184 Joule). Esencialmente lo que ocurre es que en las
reacciones se rompen ligaduras químicas de mayor energía que las que se establecen en los
productos de reacción. La diferencia de energía se utiliza para realizar trabajo o se convierte en
calor.
Sólo una fracción de la energía producida por metabolismo de los alimentos se aprovecha en
trabajo útil. La mayor parte se transforma en calor, manteniendo la temperatura estable, en el
caso de los organismos de sangre caliente, y transfiriendo el resto al medio circundante, sea por
radiación o por evaporación.
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Los valores de la energía producida por oxidación de distintas sustancias son diferentes, pero
por lo general se producen 4 kcal por 1 gramo de carbohidratos, entre 2,5 y 4 kcal por gramo de
proteínas y entre 7 y 10 kcal por gramo de grasas de distinto origen.
La energía liberada en la oxidación de distintos alimentos es de unas 5 kcal por cada litro de
oxígeno consumido.

En condiciones de reposo (tasa metabólica basal), un adulto promedio necesita unas 80-90
kcal/hora (potencia) de energía a partir de la oxidación de los alimentos, lo que equivale a una
potencia de unos 105 watts, para mantener las funciones básicas (temperatura entre 36 y 37°C,
respiración, circulación sanguínea, actividad cerebral). Los valores pueden diferir, dependiendo el
peso del individuo, condiciones externas de la temperatura, edad. El cuerpo tiene una gran
eficiencia, solo un 5 o 10% de los alimentos pueden ser liberados en forma de orina o heces,
debido a combustión incompleta.

Respiración.
A pesar de que el volumen de los pulmones en un adulto es del orden de los 6 litros, en cada
inspiración sólo ingresa alrededor de 0,5 L de aire fresco (en reposo), del cual la proporción de
oxígeno es de un 20%. Luego, el volumen de O, correspondiente es de 0,1 L.
A su vez, las mediciones indican que de esta cantidad sólo un 22 a 25% es aprovechado por el
organismo. En reposo, el ritmo respiratorio está en aproximadamente 11 inspiraciones por
minuto, con lo cual podemos esperar una liberación de energía por reacciones de oxidación,
dichas reacciones arrojarían un valor de 72,6 kcal/hora.

La combustión se produce en todas las células del cuerpo, de esta se libera energía que puede
utilizarse, por ejemplo, para la contracción muscular. Siempre queda algo de energía que,
mayormente, se disipa a través de la piel y dependerá de la superficie externa. Otra parte se
disipa a través de la respiración y evaporación del agua de los pulmones.
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En general, entre los mamíferos la producción de calor por unidad de superficie, desde el ratón
al elefante, es aproximadamente la misma, de unos 1700 kcal/m² por día.
El metabolismo basal es proporcional a los distintos tamaños y masas.
El ritmo metabólico de los distintos órganos es diferente, es alto para el cerebro y la corteza
renal, y bajo para los pulmones.
El colibrí por ejemplo tiene una gran relación superficie/volumen, metaboliza a una velocidad
impresionante, en cambio sí un elefante metabolizara a una tasa similar, no tendría manera de
disipar el calor generado.
Esta variación del ritmo metabólico se refleja también en los hábitos alimentarios. Mientras que
el elefante consume diariamente una fracción pequeña de su masa en vegetales, la musaraña, un
pequeño mamífero insectívoro con una masa de entre 5 y 10 gramos, consume hasta dos tercios
de ese valor por día en alimentos; el colibrí necesita alimentarse casi constantemente y durante la
noche entra en un estado de se mihibernación para poder sobrevivir.
(Dato agregado por Renzo: los pandas se alimentan de bambú, la curiosidad está en que su
estómago no está preparado para una dieta basada en vegetales, el bambú supone un consumo
muy bajo de nutrientes y un porcentaje alto de celulosa. Este tipo de alimentación tiene como
consecuencia que los pandas tengas que consumir muchos más kilos de alimento que “los que
deberían”).

Mecanismos de transferencia de calor en animales: Los principales procesos de regulación

homeostática en los animales de sangre caliente son la Radiación, Convección y Evaporación
de agua (transpiración) en la superficie o en los pulmones.
El termostato o regulador del organismo es el hipotálamo, que, al aumentar la temperatura del
cuerpo, envía señales que producen la vasodilatación periférica y la transpiración, y si la
temperatura baja, manda señales de vasoconstricción periférica, el retorno venoso se hace por
vías internas, para conservar el calor, y el tiritar, aumenta la temperatura de los músculos.
El efecto invernadero: La atmosfera es transparente a la radiación solar en todo su espectro de
frecuencia infrarrojo, visible y ultravioleta. Esa distribución espectral de la luz solar significa
que las frecuencias representan distintos porcentajes de la energía total emitida, la Tierra
también emite y tiene una distribución espectral característica de energía irradiada.
El efecto invernadero tiene como principal función, mantener una temperatura global promedio,
fundamental para la vida. El aumento de las concentraciones de los gases de efecto invernadero
provoca, un aumento en la temperatura promedio, generando cambios en nuestro ecosistema.
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El calentamiento progresivo conduce a otros efectos en cascada: daños a la producción agrícola

ganadera por sequías, erosión de zonas fértiles, daños forestales por la muerte de especies
arbóreas y arbustivas e inundaciones de extensas zonas costeras por elevación del nivel de las
aguas marinas debida al retroceso de hielos polares y glaciales. Ejemplos de medidas inmediatas
para detener estos procesos pueden ser: La reducción del orden del 50% en el uso de
combustibles fósiles; El cese total de la destrucción de bosques; Un amplio programa de
reforestación; Entre otros.

La convección en los mares y cielos australes: Existe una gran maquina térmica que trabaja
entre la atmosfera y el océano.
El efecto de la radiación solar en los trópicos implica varios fenómenos. Por un lado, la alta tasa
de evaporación aumenta la salinidad de las aguas superficiales. Estas aguas más densas y
relativamente más calientes, tienden a hundirse, y hay además una difusión directa del calor
por conducción hacia el fondo. De esta manera se inicia una corriente profunda de agua salina y
templada hacia el océano Austral. Al llegar a la Antártida, esta gran masa de agua asciende a la
superficie, se enfría y aumenta su densidad: vuelve a hundirse y comienza a desplazarse hacia el
norte llegando más allá del ecuador. En este proceso se va mezclando progresivamente con
capas más superficiales, para comenzar un nuevo ciclo.
Todo este proceso de agitación implica no solo intercambio térmico sino también de gases
disueltos en la atmosfera, es decir, ventilación, oxigenación y regulación de la concentración de
CO2 en el agua y la atmosfera.
Lluvia ácida: La atmosfera funciona como un gran caldero donde se realizan reacciones
químicas fundamentales para la vida en la tierra. El oxígeno, dióxido de carbono y compuestos
de azufre y nitrógeno, desprendidos por organismos terrestres y acuáticos, pasan a la atmosfera
y luego retornan al suelo, agua y organismos para comenzar un nuevo ciclo.
La emisión de gases industriales, de desechos contaminantes, productos de combustión y
transferencia térmica están provocando desequilibrios, que están provocando que se produzcan
precipitaciones con contenidos apreciables de ácido nítrico y sulfúrico, producidos en la
atmósfera a partir de los óxidos de esos elementos a través de una cascada de reacciones
químicas.
Las consecuencias de la lluvia ácida incluyen la acidificación de los cuerpos lacustres y de la
capa freática, alteración del equilibrio ecológico de especies acuáticas, daños a bosques de
coníferas, corrosión de estructuras y deterioro de las aguas en litorales marítimos.
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El agujero de ozono: El ozono (O3) está presente en la atmósfera en una concentración de

menos de una parte por millón. A pesar de su escasez, absorbe la mayoría de los rayos
ultravioleta de la radiación solar que incide sobre la superficie de la Tierra.
Esta radiación es capaz de producir efectos destructivos importantes en las moléculas
biológicas y tejidos vivientes, desde ruptura del ADN hasta incrementos en la incidencia de
cánceres de piel, lesiones en los ojos y deficiencias inmunológicas. Otros efectos no menos
catastróficos conciernen a ecosistemas acuáticos y daños sobre los cultivos.
¿En qué se basan los métodos para determinar el espesor de la capa de ozono?
Básicamente lo que se hace es medir la radiación que llega a la Tierra en un cierto rango de
frecuencias a intervalos regulares de tiempo durante un cierto período. Algunas de esas
frecuencias son absorbidas selectivamente por las moléculas de ozono. En consecuencia, un
aumento relativo en la intensidad de esas frecuencias respecto de las que no son absorbidas
indica una disminución del número de moléculas que absorben, y conversamente, un aumento
corresponde a una reformación o engrosamiento de la capa absorbente.

♦ Realizar un cuadro resumen que unifique los tres capítulos.

Término. Concepto. Relación con la Capítulo.

Biología.
La energía no El cuerpo humano es un
Conservación de puede ser sistema abierto, ya que Capítulo III.
energía. creada ni incorpora energía a
destruida, sólo través de los alimentos,
se transforma procesa o transforma la
de una forma en energía aportada por
otra. ellos y la intercambia con
el medio exterior
mediante, por ejemplo, el
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trabajo.

Capacidad que Cuando ingerimos

Energía. tiene la materia alimentos estamos Todos los
de producir reponiendo nuestras capítulos.
trabajo en forma reservas de materia
de movimiento, orgánica con que
luz, calor, etc. alimentar nuestro
metabolismo (Energía
bioquímica).

Energía cinética Un ser vivo que está

Energía interna o total asociada a transfiriendo calor o Capítulo III.
térmica. los movimientos realizando trabajo, está
de los átomos incrementando la energía
constitutivos se interna de su “sistema”.
llama energía
interna o,
también,
energía térmica.

Fenómeno La vaporización de la
Cambios de fase. térmico que una transpiración generada Capítulo III.
sustancia sufre por nuestras glándulas.
al alterar su
estado físico.

proceso físico Nuestro cuerpo emana

Transferencia de calor. de propagación constantemente calor que Capítulo IV.
del calor en es recibido por otros
distintos medios objetos o incluso el
(existen medio.
distintos tipos).

elevación local el aumento de la

Contaminación térmica. apreciable en temperatura de ríos y Capítulo IV.
las lagos.
temperaturas de
los cuerpos de
agua.

Conjunto de los Un ser vivo

Metabolismo. cambios alimentándose. Capítulos IV y V
químicos y
biológicos que
se producen
continuamente
en las células
vivas de un
organismo.

Cantidad de Un ser humano

Trabajo. fuerza caminando. Capítulos III y V
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multiplicada por
la distancia que
recorre dicha
fuerza. Esta
puede ser
aplicada a un
cuerpo para
moverlo.

Función Cuando respiramos, el

Respiración. biológica de los capítulo comenta, entre Capítulo V
seres vivos por otras cuestiones, la
la que absorben cantidad de oxígeno
oxígeno, requerido por el
disuelto en aire organismo.
o agua, y
expulsan
dióxido de
carbono para
mantener sus
funciones
vitales.

Proceso por el Cuando nos alimentamos

Digestión. cual un alimento con el fin de llevar a cabo Capítulo V
es el proceso de
transformado, metabolismo.
en el aparato
digestivo, en
una sustancia
que el
organismo
asimila.

Fenómeno Un ejemplo es nuestro

Efecto invernadero. natural que planeta. Capítulo V
retiene parte de
la radiación
térmica emitida
por la superficie
terrestre tras
ser calentada
por el sol,
manteniendo
así, la
temperatura del
planeta a un
nivel adecuado
para el
desarrollo de la
vida.

tipo de la lluvia ácida formada

Lluvia ácida. precipitación por la actividad petrolera, Capítulo V
que se produce en el 3estado mejicano
cuando la de Tabasco.
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humedad del
viento se une
con el dióxido
de azufre, óxido
de nitrógeno,
etc.

zona de la Nuestro propio planeta.

Agujero en la capa de atmósfera Capítulo V
ozono. terrestre donde
se producen
reducciones
anormales de la
capa de ozono.