Eficiencia Mecánica DEL Cuerpo Humano PDF

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO CAMPUS ZACATEPEC DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL ELABORADO POR: M.C. MIGUEL SÁNCHEZ BRITO EFICIENCIA DEL CUERPO HUMANO Todas las funciones corporales, desde pensar hasta levantar pesas, requieren energía. Las numerosas acciones de los músculos pequeños que acompañan a toda actividad silenciosa, desde dormir hasta rascarse la cabeza, finalmente se convierten en energía térmica, al igual que las acciones de los músculos menos visibles del corazón, los pulmones y el tracto digestivo. La tasa a la que el cuerpo utiliza la energía alimentaria para mantener la vida y realizar diferentes actividades se denomina tasa metabólica. La tasa de conversión de energía total de una persona en reposo se denomina tasa metabólica basal (BMR) y se divide entre varios sistemas del cuerpo. La fracción más grande de energía va al hígado y al bazo, y luego viene el cerebro. Aproximadamente el 75% de las calorías quemadas en un día se destinan a estas funciones básicas. El 25% de toda la energía BMR consumida por el cuerpo se utiliza para mantener los potenciales eléctricos en todas las células vivas. (Las células nerviosas usan este potencial eléctrico en impulsos nerviosos). Esta energía bioeléctrica finalmente se convierte principalmente en energía térmica, pero parte se utiliza para impulsar procesos químicos como en los riñones y el hígado, y en la producción de grasa. La BMR es una función de la edad, el sexo, el peso corporal total y la cantidad de masa muscular (que quema más calorías que la grasa corporal). Los deportistas tienen una BMR mayor debido a este último factor. Por supuesto, durante el ejercicio vigoroso, el consumo de energía de los músculos esqueléticos y del corazón aumenta notablemente. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA CALOR (Q) El cuerpo es capaz de almacenar energía potencial química y energía térmica internamente. Recordando que la energía térmica es solo la energía cinética de los átomos y las moléculas, reconocemos que estos dos tipos de energía se almacenan microscópicamente y en el interior del cuerpo. Por lo tanto, a menudo agrupamos estos dos tipos de energía microscópica en la energía interna ( U). Cuando un objeto es más cálido que su entorno, la energía térmica se transferirá del objeto al entorno, pero si el objeto es más frío que su entorno, la energía térmica se transferirá al objeto desde su entorno. La cantidad de energía térmica intercambiada debido a las diferencias de temperatura a menudo se denomina calor ( Q). Cuando el calor se transfiere del cuerpo al medio ambiente lo llamamos calor de escape. CONSERVACIÓN DE ENERGÍA El principio de conservación de la energía establece que la energía no se puede crear ni destruir. Por lo tanto, si el cuerpo realiza un trabajo útil para transferir energía mecánica a su entorno (Wby), o transferir energía térmica al medio ambiente en forma de calor, entonces esa energía debe haber salido de la energía interna del cuerpo. Observamos esto en toda la naturaleza como la Primera Ley de la Termodinámica: ∆U=Q- Wby

MOTORES DE CALOR Su cuerpo utiliza la energía potencial química almacenada internamente para realizar un trabajo, y ese proceso también genera energía térmica, que libera como calor de escape. Los motores de combustión interna que impulsan la mayoría de los automóviles operan de manera similar al convertir la energía potencial química en el combustible en energía térmica a través de la combustión, luego convierten parte de la energía térmica en trabajo útil y vierten algo en el calor del escape. Su cuerpo es capaz de liberar la energía potencial química en sus alimentos sin combustión, lo cual es bueno, porque usted no es capaz de utilizar la energía térmica de su energía interna para trabajar. Las máquinas que pueden utilizar energía térmica para realizar un trabajo, como un motor de combustión, se conocen como motores térmicos. Los motores térmicos todavía se rigen por la Primera Ley de la Termodinámica, por lo que cualquier calor de escape debe haber sido energía térmica que no se utilizó para realizar el trabajo. La entrada de energía térmica que se puede utilizar para hacer trabajo en lugar de desperdiciarse como calor de escape determina la eficiencia del motor térmico. EFICIENCIA CORPORAL La eficiencia del cuerpo humano para convertir la energía potencial química en trabajo útil se conoce como eficiencia mecánica del cuerpo. A menudo calculamos la eficiencia mecánica del cuerpo, como un porcentaje: Ebody= (Wby / energía potencial química usada) *100 La eficiencia mecánica del cuerpo es limitada porque la energía utilizada para los procesos metabólicos no se puede utilizar para realizar un trabajo útil. La energía térmica adicional generada durante las reacciones químicas que impulsan las contracciones musculares junto con la fricción en las articulaciones y otros tejidos reduce aún más la eficiencia de los seres humanos. Por desgracia, nuestros cuerpos no son 100% eficientes en convertir la energía de los alimentos en producción mecánica. Pero con una eficiencia de aproximadamente el 25%, somos sorprendentemente buenos teniendo en cuenta que la mayoría de los automóviles tienen alrededor del 20%. CALORIAS ALIMENTARIAS Por razones históricas, a menudo medimos la energía térmica y el calor en unidades de calorías (cal) en lugar de julios. Hay 4,184 Joules por caloría. Medimos la energía potencial química almacenada en los alimentos con unidades de 1000 calorías, o kilocalorías (kcal) y, a veces, escribimos kilocalorías como Calorías (Cal) con C mayúscula en lugar de c minúscula, así, cuando en un alimento se señalan 250 Cal, en realidad ese producto cuenta con 250,000 calorías. A menudo hablamos de “quemar” calorías para adelgazar, pero ¿qué significa eso científicamente? Primero, realmente nos referimos a perder masa porque esa es la medida de cuántas cosas hay en nuestros cuerpos y el peso depende de dónde te encuentres (es diferente en la luna). En segundo lugar, nuestros cuerpos no pueden simplemente intercambiar masa y energía, no son la misma

cantidad física y ni siquiera tienen las mismas unidades. Entonces, ¿cómo perdemos masa con el ejercicio? En realidad, no eliminamos los átomos y las moléculas que forman los tejidos corporales como la grasa al "quemarlos". En cambio, descomponemos las moléculas de grasa en moléculas más pequeñas y luego rompemos los enlaces dentro de esas moléculas para liberar energía potencial química, que eventualmente convertimos en trabajo y extrae calor. Los átomos y moléculas más pequeñas que resultan de romper los enlaces se combinan para formar dióxido de carbono y vapor de agua (CO2 y H2O) y los exhalamos. También excretamos un poco como H2O en el sudor y la orina. El proceso es similar a quemar madera en una fogata: al final, tienes mucha menos masa de ceniza que la madera original. ¿A dónde fue el resto de la masa? En el aire como CO2 y H2O. Lo mismo ocurre con el combustible quemado por su automóvil. El hecho realmente sorprendente es que su cuerpo completa este proceso químico sin las temperaturas excesivas asociadas con la quema de madera o combustible, lo que dañaría sus tejidos. El truco del cuerpo consiste en utilizar enzimas, que son moléculas altamente especializadas que actúan como catalizadores para mejorar la velocidad y la eficiencia de las reacciones químicas. EFICIENCIA GENERAL Similar a la eficiencia del cuerpo, la eficiencia de cualquier proceso energético se puede describir como la cantidad de energía convertida de la forma de entrada a la forma deseada dividida por la cantidad de entrada original. El siguiente cuadro describe las eficiencias de varios sistemas para convertir energía en diversas formas. El cuadro no tiene en cuenta el costo, el riesgo de peligro o el impacto ambiental asociado con el combustible, la construcción, el mantenimiento y los subproductos necesarios de cada sistema. Sistema Cuerpo Humano Motor de un automóvil Plantas de energía de turbina de vapor de carbón / petróleo / gas Centrales eléctricas de ciclo combinado a gas Biomasa / Biogás Nuclear Planta de Energía SolarFotovoltaica Planta de energía termo solar Centrales hidroeléctricas y mareomotrices

Forma de energía de entrada

Forma de salida deseada

Eficiencia máxima (%)

Potencial químico Potencial químico

Mecánica Mecánica

25 25

Potencial químico

Eléctrica

47

Potencial químico

Eléctrica

58

Cinética Cinética

Eléctrica Eléctrica

40 36

Luz solar (electromagnética)

Eléctrica

15

Luz solar (electromagnética)

Eléctrica

23

Potencial gravitacional

Eléctrica

90...