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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA SEDE CHOTA BIOFISICA =================================================================================================== ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Mg. Lic. Fís. Elmer Walmer Vásquez Bustamante CALOR Y TEMPERATURA A menudo se piensa que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes. El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. En los sólidos sus partículas vibran continuamente alrededor de su posición de equilibrio; en los líquidos se mueven con libertad, aunque confinadas a un determinado volumen; en los gases se mueven con libertad, ocupando todo el espacio disponible. Llamaremos energía térmica a la suma de las energías de todas las partículas que componen un cuerpo. Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más alta que la otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la misma temperatura. Así, la temperatura es el valor medio de la energía cinética de estas partículas. La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía, la cual es ganada o perdida en estos procesos. Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es positiva). La cantidad de calor (cedida uno al otro) puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada

Caloy y temperatura a b-c

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CALOR Y TEMPERATURA

A menudo se piensa que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es

el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras

temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad

de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño,

del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la

misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más

agua y por lo tanto más energía térmica total.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor,

la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más

altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor

energía. En los sólidos sus partículas vibran continuamente alrededor de su posición de

equilibrio; en los líquidos se mueven con libertad, aunque confinadas a un determinado

volumen; en los gases se mueven con libertad, ocupando todo el espacio disponible.

Llamaremos energía térmica a la suma de las energías de todas las partículas que

componen un cuerpo.

Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto,

no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en

cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más alta que la otra,

habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los

dos objetos alcancen la misma temperatura. Así, la temperatura es el valor medio de la

energía cinética de estas partículas.

La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es

energía, la cual es ganada o perdida en estos procesos.

Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura

final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha

habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su

variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la

inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es positiva). La cantidad de

calor (cedida uno al otro) puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada

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mediante la letra Q. Las unidades para medir el calor son la caloría, kilo caloría (1000 cal),

etc.

ESCALAS DE TEMPERATURA

CONCEPTO DE TEMPERATURA

Es una magnitud física escalar que mide el grado de agitación molecular de un

cuerpo. En un objeto caliente las partículas se mueven más rápidamente por que ellas tienen

mayor energía cinética molecular.

EL TERMÓMETRO.- Es aquel instrumento que sirve para medir la temperatura

mostrando la expansión y la contracción de un líquido como el mercurio o alcohol teñido

que se encuentra en un tubo de vidrio provisto de una escala.

Los diferentes termómetros que existen se basaron en ideas con apariencia distinta,

al usar diferentes puntos de partida en sus mediciones, pero como todos miden agitación

térmica de las moléculas, lo único que cambia es la escala empleada por cada uno de sus

inventores.

Escala Térmica:

Las escalas térmicas o escalas de temperatura más importantes son la Fahrenheit, la

Celsius y la kelvin (o absoluta). Cada escala considera dos puntos de referencia, uno superior

y el otro inferior, y un número de divisiones entre las referencias señaladas.

Escala Fahrenheit: En 1714 Daniel Gabriel Fahrenheit creó el primer termómetro de

mercurio, al que le registra la escala Fahrenheit y que actualmente es utilizado en los

países de habla inglesa.

Esta escala tiene como referencia inferior el punto de fusión de una mezcla de sales de

hielo (32 °F) y como referencia superior el punto de ebullición del agua (212 ºF)

Si te calientas en una fría noche de invierno estas incrementando la

energía cinética molecular de tu cuerpo.

¡OH! La temperatura no depende del

número de partículas de un cuerpo

es decir no depende de la masa, en

cambio, la energía térmica sí.

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Escala Celsius: Fue creada en 1742 por Andrés Celsius, es la más utilizada en el mundo,

su referencia inferior está basada en el punto de fusión del hielo (0 ºC) y la superior en el

punto de ebullición del agua (100 ºC). Entre estas dos referencias existen 100 divisiones.

Para convertir de grado centígrado a Fahrenheit o viceversa, se utiliza esta fórmula:

𝐹 = 9

5. 𝐶 + 32

Escala Kelvin: Fue creada en 1848 por William Thomson, Lord Kelvin. Ésta escala es la

que se usa en la ciencia y está basada en los principios de la Termodinámica, en los que

se predice la existencia de una temperatura mínima, en la cual las partículas de un sistema

carecen de energía térmica. La temperatura en la cual las partículas carecen de

movimiento se conocen como Cero Absoluto (0 K).

𝐾 = 𝐶 + 273

Si queremos realizar las conversiones de una escala a otra debemos tener presente en

el punto triple, punto en que el agua se congela en las tres escalas.

CERO ABSOLUTO.- Es el estado hipotético en el que las moléculas de un cuerpo dejan

de vibrar. En la práctica la temperatura más baja que se ha conseguido es de 10-6 K

Realizando los cálculos de proporcionalidad se llega a la siguiente ecuación:

°𝐶 − 0

5=

𝐾 − 273

5=

°𝐹 − 32

9=

𝑅 − 492

9

Para las variaciones de temperaturas, utilizaremos la siguiente ecuación:

∆°𝐶

5=

∆𝐾

5=

∆°𝐹

9=

∆𝑅

9

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CONCEPTOS CLAVES

Calor: energía transferida entre dos cuerpos o sistemas, se puede asociar al movimiento

de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. Se simboliza como Q

y su unidad de medida en SI es Joule. Esto hace necesario distinguir entre el concepto de

temperatura y cantidad de calor. Es natural suponer de que el cuerpo que produjo el mayor

aumento de temperatura es el que "tenía" mayor cantidad de calor. La unidad clásica para

medir la cantidad de calor es la caloría. Como esta es una unidad no muy grande, se

emplea a menudo la kilocaloría. Esta se define como:

La unidad de calor es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de la

unidad de masa de agua en 1ºC en torno a los 15ºC

Por ejemplo: 1 kcal es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de

1 kg de agua de 14,5 a 15,5ºC

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de calor es la misma de

energía, es decir el Joule. Se tiene la siguiente equivalencia entre Joules y Calorías:

1 caloría = 4,186 Joule 1 kcal = 4,186 kJ

Trabajo: Fuerza que actúa sobre un objeto para causar un desplazamiento.

Calor específico: Se define como la capacidad calorífica de una sustancia, es decir: la

cantidad de calor necesaria para calentar una unidad de masa o peso elevando su

temperatura en 1ºC. Como su nombre lo indica, es una propiedad específica (particular)

de cada sustancia.

La unidades del calor específico se expresan en cal/g.°C, Kcal/kg.°C y BTU/lb.°F. El

calor específico del cuerpo humano es 0,83 Kcal/kg.°C.

Capacidad calorífica: Se define así a la cantidad de calor que se requiere para elevar la

temperatura de la masa de un cuerpo completo en 1º de temperatura (comúnmente es el

grado Centígrado o Celsius)

Capacidad calorífica = m . Ce

Cantidad de calor: Se define como la variación energética que acompaña a un traslado

de calor señalado por la temperatura:

Q = m . Ce . (Tf – Ti)

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donde: Q = Cantidad de calor

m = masa

Ce = Calor específico

Tf = Temperatura final

Ti = Temperatura inicial

La unidades del calor son: caloría (cal), kilocaloría (kcal) y el BTU

Equilibrio Térmico: Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en

equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro.

Si dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, al cabo de cierto

tiempo ellos adquirirán una temperatura de equilibrio, cuyo

valor estará comprendido entre la alta y la baja. Este

comportamiento de la temperatura de los cuerpos es

conocido como “Ley Cero de la Termodinámica”.

𝑇𝐵 ≤ 𝑇𝐸 ≤ 𝑇𝐴

FORMAS DE TRANSFERIR EL CALOR

El calor se transfiere por la diferencia de temperatura entre dos partes adyacentes de

un cuerpo. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos

tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos

predomine sobre los otros dos.

El hecho de que el calor fluya de los cuerpos calientes hacia los más fríos significa

que se está efectuando en todas partes y constantemente transferencia de calor. El cuerpo

humano intercambia calor con el medio ambiente mediante cuatro formas básicas:

conducción, convección, radiación y evaporación.

Conducción: Es el tipo de transferencia de energía térmica donde esta es llevada por las

moléculas en forma de movimiento algunas de ellas, a través de la colisión molecular, se lo

transfieren a otras moléculas de un segundo objeto que se pone en contacto con ellas.

A B

B A

TA TB

TE

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El calor se desplaza desde el extremo

caliente de la barra hacia el extremo

frío

Si un cuerpo de área A está en contacto con otro y presenta una diferencia de

temperatura: ∆𝑇 a lo largo de una longitud L, la tasa de transporte de calor desde el extremo

de alta temperatura hasta el extremo de baja temperatura por conducción, está dada por la

ley de conducción de calor de Fourier:

𝐻 = −𝐾𝐴∆𝑇

𝐿

Dónde: K es la conductividad térmica del material (Watt/m.K). La conductividad térmica

del músculo animal y grasa es de 5.10-5 Kcal/s.m.K.

Convección: Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un fluido (líquido o

un gas) es casi seguro que se producirá un movimiento llamado convección.

L

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Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele

disminuir, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y

más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad

de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra

sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de

acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Si calentamos una cacerola llena de

agua, el líquido más próximo al fondo se

calienta por el calor que se ha transmitido por

conducción a través de la cacerola. Al

expandirse, su densidad disminuye y como

resultado de ello el agua caliente asciende y

parte del fluido más frío baja hacia el fondo,

con lo que se inicia un movimiento de

circulación. El líquido más frío vuelve a

calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte

de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.

La transferencia de calor por convección, solo se produce en líquidos y gases donde

los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y

radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por

convección.

Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de enfriamiento

de Newton, es el siguiente:

Donde h se llama coeficiente de convección, en Watt/ (m2. K), A es la superficie que entrega

calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T,

como se muestra en el esquema de la figura.

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El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la

superficie de área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido

hacia la superficie (TA < T).

Para un hombre desnudo, h = 1,7.10-3 Kcal/s.m2.K

Radiación: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la

convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que

pueden estar separadas por un vacío. La

vibración de los electrones (salto

cuántico) está determinada por la cantidad

de energía absorbida. Esta energía es

liberada en forma de radiación (luz, calor,

rayos x) dependiendo de la energía de

estimulación administrada. El ejemplo

perfecto de este fenómeno es el planeta

Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en

el momento en que entran en contacto con la tierra.

Ejemplo: Dejas tu coche aparcado en la playa un día no muy caluroso, al volver te apoyas

sin querer en el capó del coche y el grito se oye a varios kilómetros de distancia. En este

caso aunque el sol se encuentra a bastante distancia de nuestro coche, su temperatura

absoluta es tan alta que hace que la transferencia por radiación sea muy importante. Aquí

no tiene apenas influencia que el aire ambiente esté caliente ya que si hubiéramos dejado

el coche a la sombra esto no ocurriría.

La tasa con la que se emite energía desde una superficie de área A, una temperatura

T se determina con la ley de Stefan-Boltzmann:

𝐻 = 𝑒𝜎𝐴𝑇4

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Donde: 𝝈 es la constante de Stefan-Boltzmann y su valor es 5,67.10-8 W/m2.K4 ó 1,36.10-11

Kcal/m2.s.K4.

Finalmente, dejamos una imagen que resume perfectamente los tres métodos de

transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

EJERCICIOS DE APLICACIÓN

1. En la escala Celsius la temperatura normal del cuerpo humano es 37 °C ¿A qué

temperatura corresponde en la escala Fahrenheit?

2. ¿Qué temperatura de la escala Celsius corresponde a los 105 °F, una temperatura

peligrosa alta para los seres humanos?

3. Un médico midió la temperatura de una persona y encontró el valor 86. Luego:

( ) La persona está sana

( ) La escala utilizada es la Fahrenheit

( ) La persona está muerta

( ) La escala utilizada es la Celsius

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4. Un termómetro centesimal marca 28°. En un termómetro Fahrenheit dicha temperatura

es:

5. Si dos termómetros graduados en las escalas Fahrenheit y Centígrados respectivamente

señalan el mismo valor, un termómetro graduado en la escala Kelvin marcará:

6. Para medir la temperatura de un enfermo se utiliza un termómetro, el cual marca 104

°F. ¿Cuál es su temperatura en °C?

7. Un termómetro mal calibrado en la escala Fahrenheit, indica 0 en el punto de fusión del

agua. ¿Cuál es la temperatura correcta en °C cuando este termómetro indique 153 °F?

8. Calcula el cambio de temperatura en grados Fahrenheit equivalente a un cambio de

temperatura de 45 °C

9. Un termómetro de mercurio tiene una escala que marca 0°X cuando la temperatura es

de -20 °C, y marca 240 °X para 100 °C ¿Cuántos °X corresponden a la temperatura

humana de 37 °C?

10. ¿A qué temperatura ambiente, lo que marca el termómetro Fahrenheit es un número

mayor en 50 que lo que marca un termómetro centígrado?

11. El valor numérico de una propiedad física de una sustancia dada es 1,05 cuando se

encuentra dentro de una vasija con una mezcla de hielo con agua, y 1,77 al encontrarse

en un recipiente con agua en ebullición. ¿Qué temperatura corresponderá al valor

numérico 1,23 de dicha propiedad física, si ésta depende linealmente de la temperatura?

La experiencia se realiza al nivel del mar.

12. ¿Para qué temperatura centígrada será la lectura de un termómetro Fahrenheit

numéricamente igual al doble de la lectura de un termómetro centígrado, si ambos

termómetros se encuentran en el mismo ambiente?

13. En un termómetro de columna de mercurio sólo aparecen dos marcas, las de las

temperaturas de 36°C y 37°C. La longitud de la columna entre estas marcas es de 1 cm,

una persona se pone el termómetro y constata que la columna de mercurio mide 2,8 cm

por encima de la marca de 37°C. Su temperatura en °C es de:

14. Un termómetro está graduado en escala de °C y otro en grados °X, tal que guardan

relación de la figura ¿A qué temperatura ambos termómetros marcarán la misma

temperatura?

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15. Un termómetro con escala arbitraria tiene como punto de fusión del hielo -40° y como

punto de ebullición del agua 160°, cuando en este termómetro se lee 20°, ¿cuánto vale

la temperatura en la escala centígrada?

TERMODINÁMICA

La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos

en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro

por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo

cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de

temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una

diferencia de temperatura.

Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema

se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en

el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran

varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los

sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa

energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinámica, es imprescindible establecer

una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna.

330 °X 100 °C

0 °C

0 °X

30 °X

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TEORÍA CINÉTICA

La teoría cinética fue desarrollada por James Clerk Maxwell (1831-1879) y Ludwig

Boltzmann (1844-1906) los cuales describieron una teoría que explica la manera como se

mueven las moléculas (dinámica molecular). Las moléculas que forman un gas perfecto se

mueven golpeándose unas con otras semejantes a unas bolas de billar y arremetiendo contra

la superficie que contiene el gas. La energía asociada con este movimiento se llama Energía

Cinética y este acercamiento cinético al comportamiento de gas ideal permite hacer una

interpretación del concepto de temperatura a nivel microscópico.

La cantidad de energía cinética que tiene cada molécula es función de su velocidad,

para un gran número de moléculas de un gas (aún a baja presión) se toma un rango de

velocidades en algún instante de tiempo. La magnitud de la velocidad puede variar mucho

(no es de esperarse que dos partículas tengan la misma velocidad). De alguna manera unas

se mueven muy rápido y otras muy lento, Maxwell encontró que pueden ser representadas

como una función estadística de velocidades llamada Distribución Maxwelliana. Las

colisiones de las moléculas con el recipiente elevan la presión del gas. Considerando una

fuerza promedio ejercida por colisión de las moléculas con el recipiente, Boltzmann pudo

calcular una energía cinética promedio de las moléculas que se relaciona directamente a la

presión, y a mayor energía cinética mayor presión. De la Ley de Gay-Lussac se sabe que la

presión es directamente proporcional a la temperatura con lo cual la energía cinética se

relaciona directamente con la temperatura del gas mediante la siguiente expresión:

P = kT (Cuando V es constante)

Donde k es la constante de Boltzmann. La temperatura es una medida de energía del

movimiento térmico y a temperatura cero la energía alcanza un mínimo (el punto de

movimiento cero se alcanza a 0 K). La temperatura es una cantidad que puede ser definida

o en términos de cantidades termodinámicas macroscópicas tales como calor y trabajo o con

igual validez e idénticos resultados, en términos de una cantidad caracterizada por la

distribución de energía de una cantidad de partículas en un sistema.

Entendiendo este concepto de temperatura, es posible explicar cómo el calor (energía

térmica) fluye de un cuerpo a otro.

Leyes de la termodinámica:

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Ley Cero: La ley cero de termodinámica afirma que si dos objetos A y B están por

separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en

equilibrio térmico entre sí. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno

infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio

termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El

llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en

realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado).

Primera Ley: Esta ley establece que, si tenemos un sistema que cambie de un estado

inicial de equilibrio i, a un estado final de equilibrio f, en un forma determinada, tendremos

a Q como el calor absorbido por el sistema y W como el trabajo hecho por el sistema;

después calculamos el valor de Q – W. Ahora, cambiemos el sistema manteniendo, por

supuesto, el mismo estado i para llegar hasta el estado final f, pero en esta ocasión utilizamos

un camino diferente. Repetimos el procedimiento una y otra vez usando diferentes caminos

en cada caso. Nos encontramos que en todos los intentos Q – W mantiene su valor numérico

siempre igual. La explicación se debe a que: aunque la magnitud de Q y W, separadamente,

dependen del camino tomado, Q – W no depende de cómo pasamos de un estado a otro,

sino sólo de ambos estados, el inicial y el final (de equilibrio).

El lector seguramente recordará, por lo visto en mecánica, que cuando un objeto se

mueve de un punto a otro en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho

depende solo de las posiciones de los puntos y no de la trayectoria por la que el cuerpo se

mueve. Podemos concluir que hay una energía potencial, en función de las coordenadas

espaciales del cuerpo, cuya diferencia entre su valor final y su valor inicial es igual al trabajo

hecho al desplazar el cuerpo. En termodinámica se encuentra experimentalmente que,

cuando en un sistema ha cambiado su estado i al f, la cantidad Q – W dependen solo de las

coordenadas iniciales y finales y no del camino tomado entre estos puntos extremos. Se

concluye que hay una función de las coordenadas termodinámicas cuyo valor final menos su

valor inicial es igual al cambio Q – W en el proceso. A esta función le llamamos función de

la energía interna (la que se representa mediante la letra U)

La diferencia entre la energía interna del sistema en el estado f (Uf) y el estado inicial

i (Ui) es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor

determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado i al estado f:

Tenemos entonces que:

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Uf – Ui. = U

Como sucede con la energía potencial, también para que la energía interna, lo que

importa es su cambio. Esta ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, al

aplicarla debemos recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y

que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema. A la función interna U, se puede

ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinámica clásica no ofrece

una explicación para ella, además es una función de estado que cambia en una forma

predecible. La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de

la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos. La energía total de

un sistema de partículas (U), cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se

le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.

El hecho que consideremos que el valor de Q sea positivo cuando el calor entra al

sistema y que W sea positivo cuando la energía sale del sistema como trabajo está

determinado por el estudio de las máquinas térmicas, que provocó inicialmente el estudio de

la termodinámica. Simplemente es una buena forma económica tratar de obtener el máximo

trabajo con una máquina de este tipo, y minimizar el calor que debe proporcionársele a un

costo importante. Estas naturalmente se convierten en cantidades de interés.

Transformaciones: La energía interna U del sistema depende únicamente del estado del

sistema, en un gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferencia

de calor o el trabajo mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para

ir del estado inicial al final.

Isócora o a volumen constante

No hay variación de volumen del gas, luego

W = 0

Q = ncV (TB-TA)

Donde cV es el calor específico a volumen constante

U = Q – W

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Isóbara o a presión constante

W = p (vB-vA)

Q = ncP(TB-TA)

Donde cP es el calor específico a presión constante

Isotérmico

Es un proceso en el cual la temperatura se mantiene constante la curva AB corresponde a un

proceso isotérmico, para el cual U = 0 y T=0

Adiabático

Es un proceso en el que no se permite que fluya

calor, ni hacia el sistema ni desde el: Q = 0. Esto

se puede dar si el sistema está muy bien aislado,

o si el proceso sucede con tanta rapidez que el

calor, que fluye con lentitud, no tiene tiempo de

salir o de entrar. La expansión de los ases en un

motor de combustión interna es un ejemplo de un

proceso que se puede considerar casi como adiabático. La expansión adiabática lenta de un

gas ideal sigue una curva como el de la imagen puesto que Q = 0, de acuerdo con la primera

ley de la termodinámica, tenemos que U = - W. Es decir, la energía interna disminuye y,

por tanto, también la temperatura. Esto se ve en la imagen, en la cual el producto P x V (=

nRT) es menor en el punto C que en punto B (la curva AB corresponde a un proceso

isotérmico, para el cual U = 0 y T=0). En una compresión adiabática se lleva a cabo un

trabajo sobre el gas, por lo que la energía interna aumenta, al igual que la temperatura. En

un motor diesel el aire se comprime adiabáticamente con rapidez, en un factor de 15 o más;

la temperatura aumenta tanto que cuando se inyecta combustible, la mezcla se enciende en

forma espontánea.

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Segunda ley: De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede

incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Pero existe

una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la

primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero

en la práctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar

los alrededores. La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la

naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley,

solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos

procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en

un orden gobernado por la segunda ley.

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre

sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua

requiere alguna influencia externa.

3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso

inverso nunca ocurre.

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren

naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal

opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza

unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo. La

segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes,

tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más

importante es en relación con la eficiencia limitada de las máquinas térmicas. Expresada en

forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de

convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía

Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que

tiene dos enunciados equivalentes:

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 y la

realización de una cantidad igual de trabajo.

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Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la

transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de

energía por trabajo.

Máquina térmica.

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles

de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina

térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico

durante el cual

1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura,

2) la máquina realiza un trabajo y

3) libera calor a una fuente a temperatura más baja.

Por ejemplo, en un motor de gasolina,

1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta

temperatura,

2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y

3) la energía de desecho sale por el tubo de escape.

En la operación de cualquier máquina térmica, se extrae una cierta cantidad de calor de una

fuente a alta temperatura, se hace algún trabajo mecánico y se libera otra cantidad de calor a

una fuente a temperatura más baja. Resulta útil representar en forma esquemática una

máquina térmica como se muestra en la figura. La máquina, representada con verde en el

centro del diagrama, absorbe cierta cantidad de calor QA (el subíndice A se refiere a alta

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temperatura) tomado de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor

QB (el subíndice B se a baja temperatura) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que

la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la

misma, por lo que la variación de energía interna es cero, es decir ΔU = 0. Entonces, de la

primera ley de la termodinámica se tiene que “el trabajo neto W realizado por la máquina es

igual al calor neto que fluye hacia la misma”. El calor neto es Qneto = QA - QB, por lo tanto

el trabajo es:

W = QA - QB

donde QA y QB se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el

trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que

representa a tal proceso en el diagrama PV.

Como ejemplo de un proceso cíclico, considérese la operación de una máquina de vapor en

la cual la sustancia de trabajo es el agua. El agua se lleva a través de un ciclo en el que

primero se convierte a vapor en una caldera y después de expande contra un pistón. Después

que el vapor se condensa con agua fría, se regresa a la caldera y el proceso se repite.

La eficiencia de una máquina térmica es:

e = 1 – QB/ QA W = Trabajo que se obtiene del motor

QA = Combustible

QB = Calor que se libera a baja temperatura

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Ciclo de Carnot:

Esta máquina se creó con el fin de aumentar la eficiencia de las máquinas térmicas,

desarrollando esta máquina ideal llamada Máquina de Carnot. Ésta es imposible de realizar

realmente puesto que se contrapone con la segunda ley de la termodinámica.

Se considera que cada uno de los procesos de adición y salida del calor; y de expansión o

compresión del gas se llevaba a cabo en forma reversible. Es decir, cada uno de los procesos

(digamos durante la expansión de los gases contra un pistón) tenía lugar tan lentamente que

se podían considerar como una serie de estados de equilibrio, y el proceso total podía

invertirse sin cambiar la magnitud del trabajo efectuado o del calor intercambiado. Un

proceso real, en cambio, tendría lugar con mucha mayor rapidez; se presentaría turbulencias

en el gas, fricción, etc. Debido a estos factores no se puede invertir un proceso real; la

turbulencia sería distinta y el calor perdido como fricción no se revertiría. Por lo anterior, a

los procesos reales se les llama irreversibles.

Tercera Ley: Se denomina Teorema de Nernst. Afirma que la entropía de un sistema

dado en el cero absoluto tiene un valor constante. Esto es así porque un sistema en el

cero absoluto existe en su estado fundamental, así que su entropía está determinada solo

por la degeneración de su estado fundamental.

En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura en el cero

absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia

absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la

entropía absoluta.

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Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una

estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst

es cero (dado que el ln (1)=0). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales

reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio

por defecto. Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección

completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a

aumentar dado que ningún proceso real es reversible.

Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de un material.

Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida de que

la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los

momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.

Entalpía

El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe

distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la

entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.

Entalpía termodinámica: La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también

llamada contenido de calor, y calculada en julios en el sistema internacional de unidades

o también en kcal o, si no, dentro del sistema anglo: "BTU"), es una variable de estado,

(lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final) que se define como

la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen

y su presión.

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía

interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida

experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado

a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho

proceso.

La entalpía se define mediante la siguiente fórmula:

Donde:

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H es la entalpía (en julios).

U es la energía interna (en julios).

p es la presión del sistema (en pascales).

V es el volumen del sistema (en metros cúbicos).

TERMOMETRÍA

El médico alemán Karl Wunderlich (1858) descubrió que una de las características más

importantes del estado de salud era la conservación de una temperatura corporal constante;

una elevación de la misma siempre se acompaña de malestar y es un signo inequívoco de

alerta. Más adelante el médico británico Thomas Allbutt inventó lo que ahora se llama

termómetro clínico; éste se diferencia de los otros porque presenta un estrechamiento que

impide que la columna de mercurio descienda, facilitando así la lectura de la temperatura

corporal.

Existen tres tipos de termómetro clínicos: Oral, axilar y rectal. El oral se caracteriza porque

su vástago o bulbo de mercurio es largo, la igual que en el axilar, mientras que en rectal tiene

un vástago o reservorio de mercurio de forma esférica. De los tres, los que tienen vigencia

son los termómetros oral y rectal, el axilar quedó en desuso, ya que era muy frágil e

incómodo, tenía la apariencia d una letra “L”.

Para los valores normales de la temperatura corporal, se presentan los datos más utilizados:

Temperatura oral: 36,7°C a 37°C

Temperatura axilar: 36,1° a 36,5°C

Temperatura rectal: 37,3° a 37,6°C

TERMORREGULACIÓN

Un organismo vivo como el ser humano es considerado como un sistema termodinámico

abierto en estado aproximadamente estacionario. Esto significa que existe transferencia de

energía y de materia hacia el medio que nos rodea, pero que a pesar de ello, la temperatura

se mantiene constante.

Esto implica que la cantidad de calor que se produce en nuestro cuerpo (termogénesis) se

iguala con la cantidad de calor que se pierde (termólisis). Sin embargo, la homeotermia se

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establece de manera adecuada y completa sólo en las regiones profundas del cuerpo (núcleo

central). Ésta región constituye alrededor de 80% de la masa corporal.

El resto del organismo, llamado muchas veces corteza, se comporta poiquilotérmicamente

(su temperatura varía con el ambiente).

Debido que la mayor parte de los órganos del núcleo central poseen una concentración

semejante y abundante agua, la capacidad calorífica apenas se modifica; esto determina la

condición necesaria para que la temperatura se mantenga constante; es decir, que el

equilibrio de intercambios sea nulo; lográndose que la cantidad de calor producida (P) resulte

igual a la cantidad perdida por radiación (R), convección (C), evaporación (E) y también por

conducción (K), es decir:

P = R + C + E + K

Así el estudio de la termorregulación obliga considerar:

- La producción de calor (P)

- El transporte del calor desde el núcleo hacia la superficie

- Las pérdidas de calor en la superficie corporal (R + C + E + K)

Producción de calor

a) Metabolismo Basal:

Es la cantidad de calor que produce el sujeto por metro cuadrado de superficie corporal

y por hora, hallándose despierto, en ayunas desde 12 horas anteriores, en reposo físico

y mental y en un ambiente de temperatura agradable.

CUADRO: Masa corporal relativa y tasa de producción de calor para cada una de las

partes del organismo en reposo y en el ejercicio.

El calor se produce

primariamente en las partes

anatómicas del organismo que

hemos denominado central o

nuclear, a pesar de que esta

parte sólo representa un tercio

de la masa corporal total.

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b) Aumento de la actividad muscular:

En la porción dorso medial de la parte posterior del hipotálamo, cerca del tercer

ventrículo, se encuentra un área llamada centro motor primario para los escalofríos.

Normalmente se encuentra inhibida por señales provenientes del centro del calor, pero

se excita cuando le llegan señales frías desde la piel y médula espinal.

Este centro se activa cuando la temperatura corporal disminuye incluso una fracción de

grado por debajo del nivel crítico; a continuación transmite señales productoras de

escalofríos que pasan por haces bilaterales hacia el tallo cerebral, se transmiten desde

allí hacia las columnas laterales de la médula espinal y llegan hasta las neuronas motoras

anteriores.

Estas señales no son rítmicas ni producen sacudidas musculares reales, más bien

incrementan el tono de los músculos esqueléticos de todo el cuerpo. Cuando el tono se

eleva por arriba de cierto nivel crítico, empiezan los escalofríos, los que son resultado

de oscilaciones de retroalimentación del mecanismo reflejo de estiramiento del huso

muscular.

c) Efecto de las catecolaminas (adrenalina y noradrenalina):

La estimulación simpática, o de la adrenalina y noradrenalina, incrementan de inmediato

el metabolismo celular. Este efecto denominado termogénesis química, se debe a la

capacidad de la adrenalina y noradrenalina de desacoplar la fosforilación oxidativa, con

lo cual se hace necesaria una mayor oxidación de los alimentos, para obtener los

compuestos de fosfato de alta energía, requeridos por la función normal del organismo.

El grado de termogénesis química que tiene lugar en un animal, es casi directamente

proporcional a la cantidad de grasa parda que existe en sus tejidos. Es un tipo de grasa

que contiene gran cantidad de mitocondrias en sus células, y éstas cuentan con

inervación simpática poderosa.

En el ser humano adulto, que casi no tiene grasa parda, es raro que la termogénesis

química aumente la producción de calor en más de un 10 a 15 %. Sin embargo, en

lactantes, que si tienen una pequeña cantidad de grasa parda en el espacio interescapular,

la termogénesis puede aumentar la producción de calor hasta en un 100 %. Lo que quizá

es un factor muy importante para conservar la temperatura corporal normal del recién

nacido.

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d) Efecto de las hormonas tiroideas (tiroxina):

El enfriamiento del área preóptica del hipotálamo, también aumenta la producción de la

hormona neurosecretora, factor liberador de tirotropina por el hipotálamo, que siguiendo

los vasos portales llega hasta la adenohipófisis, estimulando la secreción de tirotropina.

La tirotropina estimula la liberación de tiroxina por la glándula tiroides, que a su vez

incrementa el metabolismo celular de todo el cuerpo. El mecanismo tiroideo no ocurre

de inmediato, sino que requiere de varias semanas.

La exposición de los animales a frío extremo durante varias semanas, puede hacer que

su tiroides aumente de volumen hasta 20-40 %. Sin embargo, el hombre rara vez se

expone al mismo grado de frío y no se sabe cuál sea la importancia cuantitativa del

método tiroideo de adaptación al frío en la especie humana.

Mediciones realizadas en personal militar residente durante varios meses en el Ártico,

desarrolla un aumento de intensidad del metabolismo; los esquimales también presentan

valores de metabolismo muy altos. Por tanto, el efecto estimulante continuo del frío para

el tiroides, puede explicar la mayor incidencia de bocio tiroideo tóxico, en personas que

viven en climas fríos que en personas que viven en climas calientes.

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Transporte del calor desde el núcleo hacia la superficie

Se da por dos mecanismos:

a) La conducción física, de escasa importancia debido a la poca conducción fisiotérmica

de los diferentes tejidos del cuerpo, en especial del adiposo (calor específico 3,21

kJ/kg/°C)

b) La convección circulatoria (convección forzada), el más importante, puesto que la

sangre al presentar gran cantidad de agua se convierte en la sustancia con mayor calor

específico ene l organismo (3,8 kJ/kg/°C)

Si se toma en cuenta que la dirección de la sangre arterial va desde el núcleo central

y luego se dirige y enfría a nivel de los plexos venosos cutáneos; se concluye que

este mecanismo permite al cuerpo cierta adaptación sobre el transporte de calor.

Simplemente tiene que manejar el flujo sanguíneo cutáneo; por lo tanto cuando se

debe perder calor y la piel adquiere un color rosado, favoreciendo el transporte de

calor y su posterior pérdida al exterior del cuerpo. En cambio cuando debemos

ahorrar existirá vasoconstricción, disminuyendo la llegada de la sangre

transportadora de calor hacia la piel y evitando la pérdida del mismo.

Hay que admitir que la temperatura de la sangre arterial cede algo de calor durante

su trayecto, y llega ya fría a la superficie; en tanto que la sangre venosa se caliente

antes de alcanzar la profundidad. Esto se denomina en física un sistema de

intercambio a contracorriente; por lo tanto, cuanto mayor sea la trayectoria del

mecanismo, mayor será la el enfriamiento alcanzado; así el efecto máximo se

verificará en las extremidades (pies y manos).

Perdida de calor en la superficie corporal (R + C+ E + K)

Una vez producido el calor, éste es transferido y repartido a los distintos órganos y sistemas.

Este proceso se realiza por los mecanismos de conducción, convección y por el mecanismo

de intercambio de calor por contracorriente

a) Radiación:

Es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas y constituye la forma más

importante de pérdida de calor en el cuerpo humano, alcanzando un total de 60 %. Esta

forma de pérdida no se puede controlar ya que depende de la emisión de rayos

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infrarrojos. Se puede ganar o perder calor dependiendo de que la piel se encuentre más

fría o más caliente que los objetos del entorno.

b) Evaporación:

Este proceso se basa en el hecho de que la transformación de cualquier líquido en vapor,

sin cambiar su temperatura, requiere calor. Para que se evapore 1 g de sudor de la

superficie de la piel se requieren aproximadamente 0.58 Kcal, las cuales se obtienen de

la piel. La evaporación se realiza gracias al sudor y puede ser de dos formas, una

imperceptible, insensible y constante denominada perspiración y otra más significativa

y ostensible llamada sudoración. Constituye en condiciones normales un 22 % del total

de calor que se pierde.

De este modo, la evaporación del sudor es un mecanismo por medio del cual se enfría

la piel y consecuentemente el organismo. En contraste con los mecanismos de calor

antes descritos, este último sólo puede provocar pérdida de calor.

c) Convección:

Ocurre cuando el calor de nuestro cuerpo es trasladado o retirado por un fluido que

puede ser el aire o el agua (por ejemplo cuando estamos frente a un ventilador). Por

convección del aire se pierde aproximadamente el 15 % del calor corporal. Al igual que

el anterior, se puede ganar o perder calor.

d) Conducción:

Es la transferencia de calor molécula a molécula, en sólidos, líquido o gases. Es un

mecanismo dependiente de la conductividad de la sustancia y de las diferencias de

temperatura entre los puntos de contacto. Es un mecanismo poco importante para el

organismo ya que por el enorme poder aislante de la grasa corporal, solamente perdemos

por esta forma un 3 % del calor corporal. Este es un mecanismo mediante el cual se

pierde o se gana calor.

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Respuestas reguladoras

Termoreceptores:

En el tejido SCT encontramos receptores para el calor y el frío. Los receptores para el frío

son más abundantes, 10 veces más que los de calor.

- Se desencadenan efectos reflejos inmediatos. Producción de escalofríos, inhibición del

proceso de sudación, promoción de la vasoconstricción cutánea.

- Receptores profundos en médula espinal, vísceras abdominales, alrededor de grandes

venas y en el área preóptica del hipotálamo Identifican sobre todo frío y no calor.

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INTEGRACIÓN CENTRAL

HIPOTÁLAMO ANTERIOR: Núcleos preópticos y anterior, contienen gran número de

neuronas sensibles al calor. Son los lugares de partida de las órdenes reguladoras de la

termólisis (se oponen al calentamiento):

- Vasodilatación: Inhibición de los centros simpáticos del hipotálamo posterior que

producen vasoconstricción.

- Sudoración: Por impulsos transmitidos por vías neurovegetativas hacia la médula, y de

ahí siguiendo las vías simpáticas, a la piel de todo el cuerpo, estimulando las glándulas

sudoríparas que tienen inervación colinérgica y también adrenérgica.

- Disminución de la producción de energía: Se inhiben en forma enérgica los mecanismos

de producción excesiva de calor como escalofríos y termogénesis química.

HIPOTÁLAMO POSTERIOR: Es responsable de las órdenes para la termogénesis (se

oponen al enfriamiento):

- Vasoconstricción cutánea: por estimulación de los centros simpáticos hipotalámicos.

- Piloerección: Significa que el pelo se endereza desde su base, por estimulación

simpática del músculo del folículo piloso y permite aprisionar una gruesa capa de “aire

aislante”.

- Aumento de la producción de calor: Tiritar, excitación simpática y elevación de la

tiroxina.

Trastornos de la termorregulación

Fiebre:

Es la alteración más común de la temperatura; se establece cuando existe una modificación

en el nivel de referencia natural (punto de ajuste) que se establece en el hipotálamo. Durante

un episodio febril, el sistema regulador térmico funcionan pero, se ha cambiado el punto de

referencia. En lugar de 37ºC la regulación se produce en torno a un valor mas elevado; por

ejemplo del orden de los 38 ºC – 39ºC.

a) Fase de escalofríos: Por consiguiente el inicio del acceso febril está marcado por las

reacciones termorreguladoras características de la lucha contra el frío: escalofríos,

tiritones, vasoconstricción cutánea por esta razón a esta fase se le conoce como la de

"escalofríos". Debe usted entender que el organismo se comporta "como si tuviera frío"

por qué así lo indica el hipotálamo que tiene su punto de ajuste muy elevado.

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b) Fase de estabilidad térmica: Posteriormente la, persona llega a producir calor hasta

llegar a una homeostasis térmica con el nuevo valor del punto de ajuste es decir nuestro

cuerpo llega a tener 39°C de temperatura y el hipotálamo "ve" cumplidas sus órdenes.

Esta es 1a fase de estabilidad térmica, pero con valores elevados de temperatura

corporal. Obviamente altera algunas funciones celulares.

c) Fase de crisis: Finalmente, se logra recuperar el valor normal del punto de ajuste;

espontáneamente o por la ingesta de algún medicamento (un antipirético por ejemplo),

esto hace que el organismo reaccione tratando de perder el calor acumulado hasta

conseguir nuevamente la homeostasis térmica. Por lo tanto el cuerpo suda y se produce

vasodilatación, a esto se denomina periodo de "crisis".

La modificación en el valor del punto de ajuste térmico, se produce por la presencia de una

gran variedad de estímulos exógenos que incluyen a bacterias y sus toxinas, hongos, virus,

espiroquetas, reacciones inmunes, hormonas (progesterona), fármacos, etc. A estas

sustancias se denominan “pirógenos exógenos” y se postula que actúan por medio de una

sustancia intermediaria llamada “pirógeno endógeno” (PE), o citoquinas endógenas, la más

importante es la interleuquina (IL) -1 que es un producto de los monocitos y macrófagos

(tipos de glóbulos blancos). Esta sustancia PE/IL-1 indica muchas de las llamadas respuestas

de la fase aguda de la inflamación que se caracteriza entre otras cosas por fiebre.

El blanco de la PE/IL-1, además de los centros reguladores de la temperatura en el

hipotálamo anterior, son los linfocitos B y T, las células mieloides de la médula ósea roja,

los neutrófilos maduros (otro tipo de glóbulos blancos) los fibroblastos, el músculo estriado,

los hepatocitos (células del hígado) y las neuronas cerebrales responsables de la ondas lentas

del sueño. Se sabe que en el hipotálamo la PE/IL-1 actúa induciendo la síntesis de

prostaglandinas (Pg) de la serie E (PgE - 1) y esta a su vez promoviendo el Amp-cíclico

(sustancia que activa funciones celulares). Las acciones antipiréticas de la y de los otros

Antiinflamatorios NO esteroideos (AINES) que actúan como antipiréticos pueden atribuirse

a la acción de bloqueo sobre la ciclo Oxigenasa, que es la enzima que produce las

prostaglandinas.

Gasto energético

Es la relación entre el consumo de energía y la energía que el organismo necesita. Para

mantener el equilibrio, la energía consumida debe de ser igual a la utilizada, o sea que las

necesidades energéticas diarias han de ser igual al gasto energético total diario. Si

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consumimos más energía de la necesaria se engorda y si consumimos por debajo de las

necesidades se adelgaza. El organismo no es una excepción al primer principio de la

Termodinámica.

Energía de los alimentos

El contenido total de energía de un alimento es la cantidad de energía liberada cuando el

alimento se quema por completo al aire hasta dar CO2 y H2O, es decir, es el calor de la

combustión. La energía total es igual a la suma de la energía digerible y la no digerible.

Cadena energética alimentaria

La energía digerible es la cantidad de energía que puede ser absorbida de los alimentos y,

habitualmente, supone el 95% de la dieta occidental media.

Energía alimentaria total

100%

Energía no digerible alrededor del 1-9%

Excretada por heces

Energía digerible alrededor del 95%

Pérdidas por orina y sudor en pequeñas

cantidadesEnergía

metabolizable

50% perdido en forma de calor

25% perdido en forma de calor

5 – 10% Efecto térmico de los

alimentos

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La energía no digerible es la energía en alimentos como, por ejemplo, la calurosa, que no

podemos descomponer y que se pierde por las heces.

La energía metabolizable es la energía disponible para ser usada por el organismo; tiene tres

destinos:

- El 50% se pierde en forma de calor.

- El 5 – 10% de la energía se emplea en la digestión, absorción y transporte de los

alimentos. Esto se conoce como efecto térmico del alimento, termogénesis inducida por

la dieta o termogénesis posprandial (todo significa lo mismo).

- Sólo el 25 – 40% de la energía es atrapada como ATP, es decir, el organismo sólo tiene

una eficiencia del 25 – 40%

Así, el proceso de la Termogénesis, es la energía que se requiere para digerir, absorber y

metabolizar los nutrientes. El consumo de carbohidratos o grasas aumenta la tasa metabólica

cerca del 5% de calorías totales consumidas. Si la ingesta consta de proteínas de forma

exclusiva la tasa metabólica aumenta cerca del 25%. Sin embargo, estos efectos disminuyen

cuando los alimentos se mezclan en cada comida. Por lo general, el gasto por termogénesis

se calcula en un 10% del gasto energético total.

Requerimientos de energía

El cuerpo humano gasta la energía a través de varias maneras: en la forma de gasto energético

de reposo (GER) o metabolismo basal, actividad voluntaria (física) y el efecto térmico de

los alimentos (ETA). Excepto en sujetos extremadamente activos, el GER constituye la

mayor porción del gasto energético total (GET). La contribución de la actividad física varía

mucho entre los individuos.

El metabolismo basal: Es el valor mínimo de energía necesaria para que la célula

subsista. Esta energía mínima es utilizada por la célula en las reacciones químicas

intracelulares necesarias para la realización de funciones metabólicas esenciales, como

es el caso de la respiración, la circulación de la sangre, etc., es decir, es la energía que

se gasta sin hacer nada. En el organismo el metabolismo basal depende de varios

factores, como sexo, talla, peso, edad, etc. Como claro ejemplo del metabolismo basal

está el caso del coma. La persona "en coma", está inactiva, pero tiene un gasto mínimo

de calorías, razón por la que hay que seguir alimentando al organismo.

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Este disminuye con la edad y con la pérdida de masa corporal. El ejercicio aeróbico y un

aumento de la masa muscular pueden incrementar esta tasa. Al gasto general de energía

también pueden afectarle las enfermedades, los alimentos y bebidas consumidas, la

temperatura del entorno y los niveles de estrés. Para medir el metabolismo basal, la persona

debe estar en completo reposo pero despierta. Una medida precisa requiere que el sistema

nervioso simpático de la persona no esté estimulado, por ejemplo, después de haber

permanecido en reposo total en un lugar con una temperatura agradable (20 ºC) y de haber

estado en ayunas 12 ó más horas.

El metabolismo basal diario se puede calcular de manera aproximada de la siguiente forma:

Hombre: 66,473 + (13,751 x masa (kg)) + (5,0033 x estatura (cm)) - (6,55 x edad

(años));

Mujer: 665,51 + (9,463 x masa (kg)) + (4,8496 x estatura (cm)) - (4,6756 x edad (años))

¿De qué depende?

De la masa celular activa, es decir, del número y tamaño de células activas que tiene un

organismo. La masa celular activa varía de una persona a otra según:

Tamaño y composición corporal

Edad

Situación de crecimiento, embarazo o lactancia

¿En qué lo ocupamos?

La energía que se emplea en el metabolismo basal está destinada a:

Metabolismo celular (50%)

Síntesis de moléculas, sobre todo de proteínas (40%)

Trabajo mecánico interno (movimiento de los músculos respiratorios, contracción del

corazón) (10%)

Efecto térmico de los alimentos: Es la energía que se necesita para la digestión y

absorción de los alimentos y equivale al 5 – 10% del gasto energético.

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Actividad física: La cantidad de energía consumida depende de la intensidad y duración

del ejercicio. Puede medirse la actividad física (AF), expresándola como un múltiplo

del MB (siendo MB = 1). El cambio de temperatura en el ambiente también puede

afectar los requerimientos de energía, pero el efecto es muy pequeño a no ser que la

temperatura sea extremadamente cálida o fría.

La contribución de la actividad física al Gasto energético total es muy variable, pudiendo ir

desde un 10% hasta un 50% (atleta). Este gasto varía considerablemente dependiendo del

tamaño corporal, de la masa muscular magra y de los hábitos individuales de movimiento.

Los patrones de actividad física varían con la edad, los niños por lo general son más activos

que los ancianos. Es la parte más variable del gasto energético diario e incluye a la actividad

física espontánea (ej. movimiento de las manos al hablar, corrección de la postura mientras

se permanece sentado, gestos de la cara, etc) como la voluntaria (trabajo, deporte, etc).

Aplicaciones de la medición, calor y frío en medicina:

1) La termometría es la parte de la física que se encarga de la medida de la temperatura,

mientras que la termografía es la parte de la medicina que se encarga de hacer un registro

gráfico de la temperatura del cuerpo humano que puede usarse en el diagnóstico.

Un termistor es, una resistencia cuyo valor varía de acuerdo con la temperatura; es

tan sensible que con él pueden medirse cambios de temperatura de hasta 0.01°C. En

general, en la práctica médica los termistores son colocados en la nariz de los

pacientes para registrar la temperatura del aire que entra y compararla con la del que

sale; al aparato completo se le conoce como neumógrafo. En los niños de pocos días

de nacidos que presentan problemas respiratorios es necesario tener el registro

permanente de esta función, ya que se puede presentar un problema de apnea y causar

la muerte.

Las medidas de la temperatura de las diferentes partes del cuerpo humano indican que ésta

varía prácticamente de punto a punto, dependiendo de múltiples factores tanto externos al

cuerpo como internos; el flujo sanguíneo cerca de la piel es el factor dominante.

El mapa de la temperatura corporal se conoce como termograma. Y se usa en

diagnósticos de cáncer principalmente, ya que éste se caracteriza porque sus células

se encuentran a temperaturas relativamente altas respecto a las restantes; la

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temperatura en la piel, sobre un tumor (que puede ser interno), es 1°C arriba del

promedio.

La termografía también se usa frecuentemente en el estudio de la circulación de la sangre,

principalmente en la cabeza, ya que diferencias en la temperatura entre los lados derecho e

izquierdo son indicativas de problemas circulatorios.

2) El calor y el frío han sido usados para fines médicos durante siglos. Se recomienda el

uso del calor para algunas enfermedades (baños de aceite caliente o en aguas termales),

mientras que para otras enfermedades se recomendaba la aplicación de sustancias frías.

Los beneficios terapéuticos del calor son conocidos hace siglos: los baños de agua caliente

son muy relajantes, el calentar una cierta área del cuerpo provoca una aceleración en el

metabolismo, produciendo vasodilatación e incremento en el flujo sanguíneo, lo que resulta

benéfico para piel dañada.

La transferencia de calor por conducción es aplicada en medicina a superficies en forma

local; por ejemplo, la aplicación de plasmas de parafina caliente: la circulación sanguínea

distribuye el calor que penetra en la piel en esta zona, y se usa en el tratamiento de neuritis,

artritis, contusiones, sinusitis y otras enfermedades.

Un líquido o un gas en contacto con una fuente de calor, transportan el calor por convección

ya que las capas calientes del fluido tienden a subir provocando que las capas frías bajen y

tengan contacto con la fuente de calor. Para que la convección se lleve a cabo es necesaria

la presencia de materia, a diferencia de la radiación, que se realiza aun en ausencia de

materia.

Criogenia es la ciencia y la técnica de producir muy bajas temperaturas. La historia de la

criogenia data de 1840 en que se usó el frío (hielo) para el tratamiento de la malaria. Uno de

los problemas más difíciles de resolver fue el de guardar los líquidos a estas temperaturas,

ya que por convección o por radiación aumentaban fácilmente su temperatura. Este problema

fue resuelto por James Dewar en 1892 y el dispositivo inventado por él ahora lleva su

nombre: dewar. Un dewar está hecho de vidrio plateado o de acero delgado para minimizar

las pérdidas por conducción y por radiación, con vacío entre sus paredes para evitar las

pérdidas de energía por convección.

Los problemas que involucra la transferencia de fluidos criogénicos son similares a los de

su almacenamiento. Las líneas de transferencia de estos fluidos están construidas

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similarmente a los dewars. En medicina se usan las bajas temperaturas para la preservación

de sangre, esperma, tejidos, etcétera. De hecho, el frío retarda todos los procesos; puede

decirse que provoca un estado de animación retardada o suspendida si la temperatura es muy

baja.

Cuando los métodos criogénicos se usan para destruir células, se habla de la criocirugía; ésta

tiene varias ventajas: hay poco sangrado en el área destruida, el volumen del tejido destruido

se puede controlar por la temperatura de la cánula crioquirúrgica, hay poca sensación de

dolor porque las bajas temperaturas insensibilizan las terminales nerviosas. Una de las

primeras aplicaciones de la criocirugía fue en el tratamiento del mal de Parkinson, el cual

provoca temblores incontrolables en brazos y piernas. Es posible detener los temblores

destruyendo quirúrgicamente la parte del tálamo cerebral que controla estos impulsos.

En la cirugía de cataratas y la reparación de retinas dañadas, se empieza a usar mucho la

criogenia. Sin lugar a dudas tiene gran cantidad de aplicaciones, que están siendo

desarrolladas actualmente.