Guías de estudio de biofísica para la carrera de Lic. en Nutrición (UNLAM) PDF

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AE Unidad 3-Guías de estudio de biofísica para la carrera de Lic. en Nutrición (UNLAM)...

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AE 3 1. Diferencie calor de temperatura

Calor: Transferencia de energía desde un lugar de mayor temperatura a otro de menor temperatura a fin de alcanzar el equilibrio térmico (hasta igualar las temperaturas). El calor es una forma de energía y se mide en Joules, aunque también se usa con frecuencia la caloría o kilocaloría. Temperatura: La temperatura es una unidad intrínseca del estado térmico de una sustancia, independiente de su tamaño, y se mide en ºC (Celsius), ºF (Fahrenheit), ºK (Kelvin). El calor es energía, mientras que la temperatura es una medida de ella. El calor se puede asimilar a 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, ni del número o del tipo.

2. Determine que es una kilocaloría, calor especifico, calor cedido y calor ganado 1 Kilocaloría (1 Kcal ) Es la energía que hay que entregarle a 1 Kg de agua para que aumente su temperatura en 1 ºC. 1 Kcal = 1000 cal.

1 Kcal = 4186 Joules

Calor cedido y absorbido/ganado (Q) El calor (Q) cedido es la transferencia de energía (en cal o Kcal) entre dos cuerpos a distintas temperaturas. El que se encuentra mayor temperatura cede calor a aquel cuya temperatura es menor. Si Q te da ( + ) el cuerpo recibió calor ( se calentó ). Si Q te da ( - ) el cuerpo entregó calor. ( se enfrió ). El calor siempre se refiere al flujo o tránsito de energía entre un objeto y otro, debido a la diferencia de temperatura. Por eso se habla de calor cedido o de calor absorbido, ya que al agregar o extraer calor o energía de alguna manera, es posible modificar la temperatura de un elemento. Normalmente se llama Q a la cantidad de calor que el objeto más caliente cede. Este valor es proporcional a la masa de dicho objeto. Un cuerpo con gran masa es capaz de ceder más calor que otro de menor masa. Calor específico (Ce) Cantidad de energía (Kcal) que hay que entregarle a 1Kg substancia para que aumente su temperatura en 1 °C. Fórmula: Q = Ce .m (Tf -Ti) Donde: Q: Calor Ce: Calor específico [ce] = calorías

o

g. ºC

Kcal Kg. ºC

m: Masa (en g para las cal y en Kg para las Kcal) Ti: Temperatura inicial Tf: Temperatura final

3. Enumere y explique las formas de transmisión del calor El calor viaja de un lado a otro por tres mecanismos: 1. Conducción: Transmisión de calor que se da por contacto directo entre sus partículas. Sólo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente temperatura, y la dirección de flujo siempre es de la temperatura más alta a la más baja.

2. Convección: Es propia del aire o del agua. La convección es transferencia de calor por movimiento de una masa de fluido de una región del espacio a otra. Por efecto de la variación de su peso debido a un aumento o disminución de temperatura, se establece en ellos una circulación permanente y continua. Ese movimiento del fluido produce, entonces, la transferencia del calor por convección, que se orienta desde los puntos calientes a los fríos. Cuando se aumenta la temperatura de por ejemplo un gas o un líquido, las moléculas se separan por lo que aumenta el volumen y se hace menos denso, es decir menos compacto. Las moléculas con mayor temperatura son menos densas y tienden a ir hacia arriba, mientras que las de menor temperatura al ser más densas tienden a ir hacia abajo. Son ejemplos de calor transmitido por convección, la estufa, la pava. Se utiliza para su determinación un coeficiente Hc que tiene en cuenta la convección y cierta radiación, y se denomina coeficiente de transmitancia .

Q = Hc.A.Δ T °

3. Radiación: Se define entonces la radiación térmica como la transmisión de calor de un cuerpo a otro sin contacto directo, en forma de energía radiante. Entonces un cuerpo caliente transforma una parte de su contenido de calor en energía radiante sobre su superficie, la cual se emite en forma de ondas, que, son absorbidas por otro cuerpo y se manifiesta en forma de calor. Se desprende de ello que para que la energía radiante pueda ser convertida en calor es necesario que sea absorbida por una sustancia. Todos los cuerpos absorben y además emiten energía radiante, dependiendo de la temperatura a que se encuentren y de sus características físicas. Los cuerpos calientes emiten mayor cantidad de calor que los fríos:

El cuerpo negro es un cuerpo ideal que emite y absorbe el máximo el calor por radiación. Por ello cuando un cuerpo está constituido por superficies oscuras, emite y absorbe el calor por radiación en gran proporción (ropa negra). En el cuerpo blanco o brillante, ocurre lo contrario, es decir que no emiten ni absorben el calor (ropa blanca). Su fórmula para el cálculo es:

R = r.A.(T °/100)4.T ° Donde: R: radiación r : constante de radiación A: Área en mts2 T ° : temperatura en grados kelvin

4. Explique la ley de Fourier

Para calcular la cantidad de calor transmitida por contacto se utiliza la Ley Fourier: Establece que el flujo de calor a través de una superficie es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor. Su forma diferencial es:

Q

= K * A * (T1 - T2)

t

Δx

Donde: Q: Flujo de calor (en Kcal/seg o en Joule/seg.) t: Unidad de tiempo K: Coeficiente de conductividad de la materia (distinto para cada substancia) K cal m s °C A: Area en mts2 (T1 - T2): Variación de la T° Δx: Longitud o espesor de la pared en mts 5. Defina flujo de calor, trabajo, energía y equilibrio térmico Q /Flujo de calor (potencia de calor transmitida): El flujo de calor es la medida de la transferencia de energía, que es causado por una diferencia de temperatura y conduce al equilibrio de temperatura entre las sustancias. El flujo de calor siempre se da desde el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura al de menor temperatura. El q va a ser positivo, cuando el sistema absorba calor de sus alrededores y será negativo, cuando libere calor. W /Trabajo: El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. El trabajo es positivo cuando los alrededores hacen trabajo sobre el sistema, es decir cuando recibe energía del exterior y negativo cuando el sistema hace trabajo sobre los alrededores, es decir que gasta energía interna.

E/ Energía: La energía se define como la capacidad de realizar trabajo, de producir movimiento, de generar cambio. Puede presentarse como energía potencial (energía almacenada) o como energía cinética (energía en acción), siendo estas dos formas interconvertíbles, es decir, la energía potencial liberada se convierte en energía cinética, y ésta cuando se acumula se transforma en energía potencial. La energía no puede ser creada ni destruida, sólo transformada de una forma en otra (Primera Ley de la Termodinámica). Equilibrio térmico: Es cuando ambos (sistema y alrededores) alcanzan la misma temperatura. 6. Explique las premisas en las que se sustenta al hombre como sistema termodinámico. Premisa 1: El hombre es un sistema capaz de transformar un tipo de Energía (E) en otra. Premisa 2: La masa corporal de un hombre adulto sano está constituida fundamentalmente de agua. Premisa 3: A pesar de su variedad, cada célula del cuerpo posee una frontera que la limita con el medio que la rodea. Premisa 4: El hombre recibe del medio y maneja en su interior un flujo continuo de información, codificada en diversos tipos de señales Premisa 5: El hombre intercambia con el exterior materia y energía, pero manteniendo en sus parámetros una constancia relativa: el hombre es un sistema abierto en modo estacionario.

7. Defina termodinámica, sistema Termodinámica: Ciencia que estudia las relaciones entre el calor y otras formas de energía, dentro de un determinado sistema, y entre el sistema y su entorno. Es el estudio de los cambios de energía (o transferencias) que acompañan a los procesos físicos o químicos. La información termodinámica permite predecir si una reacción química o proceso físico en particular puede llevarse a cabo en condiciones específicas. a termodinámica se encarga únicamente de los sistemas que se encuentran en equilibrio; es decir, sistemas cuyas variables termodinámicas no varían con el tiempo y estudia el cambio sufrido por las variables del sistema entre dos estados diferentes (inicial y final). Sistema: Parte específica del universo, separada del resto (entorno) por límites reales o imaginarios (frontera). Conjunto de elementos en interacción, estructurados y con finalidad propia. 8. Explique y ejemplifique sistemas abiertos, cerrados y aislados.

Los sistemas pueden ser: Abiertos: Se intercambio materia y energía con los alrededores, por ejemplo: el ser humano, una olla hirviendo destapada. Cerrados: Es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Un sistema cerrado es un sistema físico que no interactúa con otros agentes físicos situados fuera de él y por lo tanto no está conectado casualmente ni relacionado con nada externo a él. Por ejemplo: Una pava Aislados: No hay intercambio de materia ni energía. Por ejemplo: Un termo, o un envase sellado herméticamente.

9. Determine como se vinculan estos conceptos con los intercambios de materia y energía; las paredes que poseen los sistemas si son deformables o no si son, permeables, adiabáticas, etc.

Paredes termodinámicas: Para la descripción de las relaciones existentes entre los sistemas termodinámicos y su entorno, se define el contorno termodinámico como un conjunto de paredes termodinámicas cerradas entre sí de forma que, además de delimitar y confinar al sistema, nos informan sobre los equilibrios que pudiera tener el sistema con el resto del universo. Paredes restrictivas o ligaduras   

Adiabáticas: No permiten el paso de energía térmica (calor). Rígidas: No pueden desplazarse, es decir, no permiten el cambio de volumen del sistema. Impermeables: No permiten el paso de materia.

Paredes permisivas o contactos   

Diatérmicas: Permiten el paso de energía térmica. Móviles: Pueden desplazarse. Permeables: Permiten el paso de materia.

10. Explique porque el hombre es un sistema abierto en estado estacionario

El hombre es un sistema abierto en estado estacionario porque es capaz de mantener constante sus propiedades (su temperatura, pH sanguíneo, concentración de iones extracelulares etc); pese a los cambios que se producen por el flujo de materia y/o energía (sus componentes son invariables, aunque su renovación sea constante).

11. Explique la primera ley de termodinámica y como se expresa matemáticamente 1era Ley de la Termodinámica: Ley de conservación de la energía “La energía (E) no se crea ni se destruye, sólo se transforma” Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. Fórmula: ΔE = q + w (El cambio de energía es igual al flujo de calor más el trabajo). Así, el primer principio de termodinámica relaciona magnitudes de proceso (dependientes de este) como son el trabajo y el calor, con una variable de estado (independiente del proceso) tal como lo es la energía interna

Siendo: ΔE: Variación de energía interna (Ef-Ei). Representa toda la E que contiene dicha sustancia (E cinética, de atracción, de repulsión, de enlace, etc). Q: Flujo de calor W: Trabajo El estado térmico de un sistema se define por un conjunto de condiciones: Variables de estado Definen el estado de equilibrio. Una

Variables de proceso Dependen del proceso y no solo de los

característica fundamental de las

estados inicial y final.

variables o funciones de estado es que sus cambios sólo dependen de los estados inicial y final, no dependen de

cómo se han realizado esos cambios. Es decir, que la variación de energía interna del sistema es independiente del proceso que haya sufrido. Incluye a la temperatura (T), presión

Incluye al calor (Q) y al trabajo (w)

(P), el volumen (V). Por ejemplo: Por ejemplo, la energía

Por ejemplo: El calor y el trabajo no

interna ΔE , la entropía y la entalpía,

son funciones de estado, ya que su

la energía de Gibbs, son funciones de

valor depende del tipo de

estado. Por ejemplo: si un litro de

transformación que experimenta un

agua se encuentra a 20º C y varío la

sistema desde su estado inicial a su

temperatura, cambiará el estado del

estado final.

sistema y por lo tanto varía su E interna, pero si después vuelvo a enfriar y llego nuevamente a 20º C, entonces ΔE = 0, porque el estado final e inicial es el mismo.

12. El sistema tiene intercambios con los alrededores, establezca las relaciones relativas a la absorción y liberación del calor, quien realiza el trabajo y cuando el proceso (ΔE) es endergónico y cuando exergónico.

Cuando es:

+

-

q: Flujo de calor

W: trabajo

El sistema absorbe calor de los alrededores.

Los alrededores hacen trabajo sobre el sistema.

El sistema libera calor.

El sistema hace trabajo sobre los alrededores.

ΔE La energía final es mayor a la energía inicial, por lo tanto, es endergónico porque ganó energía. La energía inicial es mayor a la energía final, por lo tanto, es exergónico, porque perdió energía.

13. Determine las características determinantes y la forma de calcular calor sensible y calor latente

¿cómo calculo el q y W?

Para calcular W hay tres procesos: W = - P externa ΔV = - P externa (V2-V1) • Proceso de Expansión: V2 > V1(el volumen final es mayor al volumen inicial), entonces ΔV es (+) y W es (-): el sistema hace trabajo sobre los alrededores. • Proceso de Compresión: V2 < V1 (volumen final es menos al volumen inicial), entonces ΔV es (-) y W es (+): los alrededores hacen trabajo sobre el sistema. • Proceso isocórico: V = cte, entonces ΔV = 0 y W = 0. Por lo tanto, ΔE = q Para calcular el calor (q) hay dos formas:

Calor sensible: Calor que aparece cuando no hay cambio de estado. Por ejemplo, si se caliente agua que inicialmente está a temperatura ambiente 20°C (siendo ese su estado inicial) hasta alcanzar los 50°C (siendo este su estado final), no hay cambio de estado, es decir el agua sigue estando en estado líquido. El sistema sigue estando en el mismo estado, por lo tanto: q = m. Ce.

ΔT Siendo: q: Flujo de calor m: masa (en g o Kg dependiendo de la unidad de energía) Ce: calor específico: Para aumentar en 1° la temperatura del agua debo gastar 1 cal. (cal/g*C) = E (Unidad de energía) /m(masa) * T° (temperatura)

ΔT: Variación de temperatura (Tf – Ti)

Calor latente: Calor que aparece cuando hay un cambio de estado. Por ejemplo, si se calienta agua por encima de los 100°C, cambia su estado de agregación de líquido a gaseoso por evaporación. El sistema cambia de estado, por lo tanto: q = m. ΔHvap Siendo: q: Flujo de calor m: masa de la sustancia que cambia de estado ΔHvap: entalpía de vaporización: es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1g (o 1 mol) de sustancia para producir el pasaje de estado a T cte.

14. Vincule calor latente con la transpiración del cuerpo humano

Calor latente de vaporización del agua (relacionado con la transpiración del cuerpo humano): ΔHvap H2O = 540 cal/g

Las distintas actividades que realizamos generan distintos gastos calóricos: Actividad Dormir Permanecer sentado Actividad ligera: comer, quehaceres domésticos Trabajo moderado: caminar, jugar al tenis Correr a 15 Km/h Ciclismo (carrera)

Metabolismo 60 kcal/h 100 kcal/h 200 kcal/h 400 kcal/h 1000 kcal/h 1100 kcal/h

15. Defina la segunda ley de la termodinámica. 2da Ley de la termodinámica: Ley de cambio espontáneo “La segunda ley dice: “en los cambios espontáneos el universo tiende hacia el estado de mayor desorden”. La segunda ley de la termodinámica sostiene que todos los procesos que ocurren en el universo se realizan de manera que siempre aumenta el desorden, y por tanto la entropía. Esta segunda ley de la termodinámica podría parecer contradictoria con la existencia de los organismos vivos porque estos están altamente organizados. Y por eso viene el dilema de si con su existencia están contraviniendo ese principio de la termodinámica. Pero la respuesta es que no, no existe ninguna contradicción. Y la explicación está en que todos los organismos vivos, ya sean bacterias, plantas o animales, extraen energía de sus alrededores, por ejemplo, obtienen energía de la combustión de materia orgánica, para aumentar y mantener su compleja organización. Por esta razón en los seres vivos disminuye la entropía, pero ese orden de sus componentes, esa disminución de la entropía se mantiene aumentando la entropía a su alrededor. Así que, en resumen: todas las formas de vida, más los productos de desecho de sus metabolismos, tienen un aumento neto de la entropía. Más aun, para sostener la vida hay que aportar energía dentro del ser vivo. Si se deja de hacerlo, el organismo muere pronto y tiende siempre hacia la destrucción del orden que tenía, es decir hacia el desorden o aumento de entropía.

16. Conceptualice las características que corresponden a la entalpía y a la entropía. Los dos factores que determinan si una reacción es o no espontánea son:

La entalpía (H): calor liberado o absorbido por el sistema. Puntualmente en las reacciones químicas lo denominamos entalpía de reacción y se define de la siguiente manera:

ΔHor = Σ (n. ΔH°fprod) – Σ (n. ΔH°frvos) Donde:

ΔH°fprod: Entalpia de formación de los productos ΔH°frvos: Entalpia de formación de los reactivos n: moles

El ΔH f de una sustancia es la cantidad de calor que se absorbe o se desprende al formarse 1 mol de sustancia compuesta a partir de las sustancias puras simples correspondientes. Por lo tanto, para toda sustancia pura simple el ΔH°f = 0 Existen tablas donde se indica el ΔH°f de sustancias (°: significa que se encuentra en condiciones estándar: 25º C y 1atm de presión) Cuando ΔHr > 0, el proceso es endotérmico, por lo tanto, ΔH prod > ΔH rvos Cuando ΔHr < 0, el proceso es exotérmico, por lo tanto, ΔH prod < ΔH rvos

La entropía (S): mide el estado de desorden del sistema. A mayor desorden, mayor entropía. Son las variaciones en el desorden que se producen en un proceso. Puntualmente en las reacciones químicas lo denominamos entropía de reacción y se define de la siguiente manera:

ΔSor = Σ (n. S°prod) –

Σ (n. S°rvos)

Los valores S° se tabulan en unidades de J/(mol.K). Por lo tanto, ΔS°r posee la unidad J/K En general: S sólidos < S líquidos < S gaseosos

17. ¿Qué es la energía libre o energía de Gibbs? La energía liberada como calor (Q) no vuelve espontáneamente al sistema, se disipa en el ambiente (Energía libre, G). El criterio ΔG es aplicable tanto procesos físicos (compresión o expansión de gases, difusión de iones, caída de cuerpos, etc), como químicos (reacciones). Energía libre o Energía de Gibbs (ΔG): Es una función de estado y determina si un proceso es no espontáneo. Esta función depende de ΔH y ΔS. A temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs se define como ΔG = ΔH – T. ΔS

Donde: H: Entalpía T: temperatura se expresa en la escala de Kelvin (K), ya que esta es una escala absoluta donde no existen valores negativos. S: Entropía Cuando ΔG es negativo, un proceso ocurrirá de manera espontánea, y se lo conoce como exergónico. Cuando el sistema está en equilibrio: ΔG = ...