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Biotermodinámica:
Estudia las relaciones de intercambio/transformación de energía en calor y trabajo y las relaciones entre las propiedades físicas de las entidades afectadas (sistemas).
Las leyes de la termodinámica se deducen de forma experimental, entendemos por ciencia experimental a aquella que se basa en principios o postulados no demostrables matemáticamente (experiencia).
En el campo de la biología, el proceso biotermodinámico más representativo es la hidrólisis del ATP en ADP, proceso del cual se desprende energía. Esta energía es utilizada por el cuerpo para multitud de procesos, como en la respiración, contracción muscular, secreción de hormonas, circulación, transmisión nerviosa…
Temperatura: el concepto de temperatura que tenemos asumido en la vida cotidiana es la simple diferencia macroscópica entre dos cuerpos a distinta temperatura, por lo cual se asocia que algo está a mayor temperatura cuanto más caliente lo notamos. Esta definición está más relacionada con la sensación térmica que con la temperatura en sí.
En un concepto más correcto en el ámbito científico, decimos que la temperatura es una característica microscópica de un cuerpo por la cual sus partículas tienen mayor energía cinética, que se manifiesta a nivel macroscópico.
Entendemos por sistema térmico a cierta porción del universo que se separa por una pared (real o imaginaria) en la cual estudiamos los procesos de intercambio termodinámico.
Cada una de las distintas situaciones en las que podemos encontrar un sistema térmico se denomina estado que se puede definir microscópica o macroscópicamente:
- Microscópicamente (teoría cinética): especificando el estado dinámico de cada una de las partículas que lo forma (hay 6 variables, 3 de posición y 3 de velocidad).
- Macroscópicamente (termodinámica): especificando un conjunto de variables que se corresponden con características generales del sistema en conjunto (volumen, presión, masa…)
El conjunto de estados intermedios entre el estado inicial y el final se denomina camino.
Cuando un sistema intercambia energía con el entorno modificando el estado en el que se encuentra se denomina interacción termodinámica.
Las magnitudes físicas macroscópicas que caracterizan a un sistema termodinámico se
conocen como variables termodinámicas y se clasifican en:
- Extensivas: dependen del número de individualidades del sistema (suelen depender de la masa o de la extensión del sistema).
- (^) Intensivas: permanecen inalterables aunque dividamos el sistema.
Cuando las variables de estado varían en el tiempo hablamos de proceso termodinámico que pueden ser reversibles o irreversibles (dependiendo de si es posible el proceso inverso):
Cuando las variables termodinámicas permanecen inalteradas hablamos de un estado estacionario. Un estado estacionario NO es aquel que se da en sistemas aislados, que son aquellos que no pueden intercambiar ni materia ni energía con el medio (estos están en estado de equilibrio).
Principio 0 de la termodinámica: Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas entran en contacto existe un flujo de energía por el cual las temperaturas de los cuerpos entran en equilibrio. Esta ley es la que recoge los procesos de dilatación y contracción debidos a cambios de temperatura (problemas).
Los gases se rigen por otros principios de dilatación (imagen).
A partir de estas leyes podemos dar una definición teórica de lo que es un gas ideal que es aquel en el que, a presión muy baja y alejado de su punto de condensación, no ocupa volumen.
En términos moleculares estos gases cumplen que:
Calor: se entiende por el intercambio de energía que proviene de una diferencia de la temperatura entre dos cuerpos o sistemas. Por tanto no tiene sentido decir que el calor es una cualidad de un cuerpo, solo tiene sentido como intercambio de energía.
metabolismo en reposo (consumo energético del cuerpo en estado de reposo, tumbado pero no dormido y con un ayuno de unas 10 horas) y tasa de metabolismo basal (consumo energético del cuerpo en estado de reposo y dormido). Ambas son tasas difíciles de medir.
Haciendo una estimación más realista del gasto energético, definimos el término tasa metabólica de campo como el gasto energético promedio por unidad de tiempo que se efectúa en un día de actividad normal.
Llamamos efectividad al trabajo útil realizado en relación con la energía total consumida.
Segundo principio de la termodinámica: El primer principio de la termodinámica solo nos habla de que el intercambio calorífico, a condiciones adiabáticas, sigue una serie de leyes que se resumen en “ Qabs=-Qced ”, no nos informa del sentido en el que esto se produce, es decir, si ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura sabemos que el paso de energía va del que tiene mayor energía al que tiene menos. Sin embargo el paso opuesto también es posible según el primer principio (no incumple ninguna condición) pero este no sucede de forma espontánea.
El segundo principio de la termodinámica hace hincapié en la “dirección” de los procesos termodinámicos y de la calidad energética. Introduce así un nuevo concepto de entropía que podría definirse como una función de estado que nos permite cuantificar la tendencia al equilibrio (o mejor dicho, desequilibrio) de los sistemas.
Máquina térmica: trata de convertir el máximo calor posible en trabajo. Cuando un sistema puede cambiar energía con su entorno sin que se aprecie un cambio de temperatura nos referimos a un foco térmico.
Según lo visto hasta ahora, teóricamente es imposible construir máquinas que tengan como única finalidad el trasvase cíclico y constante de calor de un foco frío a uno caliente (enunciado de Clausius) o que sea capaz de convertir íntegramente el calor que se transmite de un foco a otro en trabajo (enunciado de Planck-Kelvin). La máquina térmica que obtiene un mayor rendimiento entre dos temperaturas diferentes para transformar el calor en trabajo es la máquina de Carnot, que no es más que aplicar el 1º principio de la termodinámica a las distintas condiciones en las que nos encontramos los sistemas térmicos.
No todos los procesos irreversibles son máquinas térmicas, no obstante todos tienen algo en común: el sistema más el medio tienden hacia un estado más desordenado. De ahí el enunciado del 2º principio de la termodinámica: “ en sistemas aislados, la entropía nunca decrece ” (aplicaciones prácticas en los ejercicios)
Tercer principio de la termodinámica: es imposible alcanzar una temperatura igual al 0 absoluto con un número finito de procesos físicos. Se puede enunciar también en que cualquier proceso físico que se acerque al 0 absoluto tiende a pararse, porque su entropía tiende hacia un valor mínimo y constante.
