Raquel Román David Roca Martín RamírezLa termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones entre el calor y el resto de las formas de energía. En otras palabras, es la ciencia que estudia la transformación de la energía. Equilibrio térmico , calor y cambio de temperatura • Toda sustancia por encima de los 0 kelvin emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. • El calor es el proceso que permite la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. • La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección. excepto durante el choque. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales. es decir todas las moléculas son idénticas.Principios de la teoría cinética molecular Los principios fundamentales de la teoría cinética son los siguientes: • El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con sus dimensiones. • El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase. . • Las moléculas realizan choques elásticos entre sí. pero con una velocidad promedio que no cambia con el tiempo. con diferentes velocidades cada una. por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque. • El gas es considerado puro. por lo tanto se conserva tanto el momento lineal como la energía cinética de las moléculas. pero individualmente se mueven en forma aleatoria. • Las moléculas obedecen las leyes de Newton. Se considera que las fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance. • Las fuerzas entre moléculas son despreciables. de sus energías de rotación. La capacidad calorífica y calor específico 2. La conductividad térmica 4.Energía interna(u) • La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La dilatación térmica 3. además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio. electromagnético y nuclear. • Propiedades Térmicas: 1. traslación y vibración. La refractariedad (Resistencia Térmica) . • La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen. . Q es el calor y T la variación de temperatura. sin cambio de estado.La capacidad calorífica y calor específico • CAPACIDAD CALORÍFICA: La Capacidad Calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Es decir. sirve para determinar el calor específico de un cuerpo. de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa. Está dada por la ecuación: C = Q/T [J/K] Donde C es la capacidad calorífica. • CALOR ESPECÍFICO: O capacidad calorífica específica. • Calorímetro: Es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Superficial: 3.La dilatación térmica • Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud. Lineal: 2. volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. Hay 3 tipos: 1. Volumétrica: . que se denominan por ello aislantes térmicos. y muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio.La conductividad térmica • La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. Unidades en el sistema internacional: W/m K 1 W/m K=0. es baja en polímeros. • La conductividad térmica es elevada en metales y en general en cuerpos continuos.86 Kcal/m h ºC . . • Es inversamente proporcional a la conductividad térmica y aumenta con el espesor de material.La Refractariedad (Resistencia Térmica) • La resistencia térmica (R) es la capacidad de un material para resistir el paso de flujo de calor.163 m2 h ºC/ Kcal. Unidades en el sistema internacional: m2 K/W 1 m2 K/W=1. También podemos definirla como la oposición al paso del calor que presenta una capa de cierto espesor (e) de un material aislante. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación: t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 ó t(°C) = (5/9) * [t(°F) . Los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua.Escalas Térmicas • Escala Celsius o centígrada: Propuesta por el científico sueco Anders Celsius (1701-1744). aunque existe una marcada tendencia a la unificación de sistemas en la escala Celsius. • Escala Fahrenheit: Propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. con lo cual fijó el valor del grado Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212.32] • Su utilización se circunscribe a los países anglosajones y a Japón. . 273. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.67] . pero el cero de la escala se fija en el .15 T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459. T(R) = t(°F) + 459.459. La relación con la escala Celsius viene dada por la ecuación: T(K) = t(°C) + 273.15 ó t(°C) = T(K) . Este punto es llamado cero absoluto de temperaturas .459. Es la escala escogida por el S.I.67 T(R) = (9/5) * [t(°C) + 273.67] ó t(°F) = (9/5) * T(K) .491. en honor a sir Lord Kelvin.67 ó t(°F) = T(R) .Escalas Térmicas • Escala Kelvin o absoluta: En ámbito científico se usa la llamada escala "absoluta" o Kelvin.67 °F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.67 • Escala Rankine: Se denomina Rankine (R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto.273. La escala Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius.15 °C. por lo que carece de valores negativos.16] ó t(°C) = (5/9) * [T(R) . Escalas Térmicas . Temperatura y Energía Cinética • A nivel microscópico la energía cinética promedio de las moléculas de un gas define su temperatura. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin. De acuerdo con la ley de Maxwell-Boltzmann para un gas ideal clásico la relación entre la temperatura (T) de un gas y su energía cinética media es: • Energía interna de un gas ideal: Para el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura. La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión: • Donde n es el número de moles y Cv la capacidad calorífica molar a volumen constante. . que depende sólo de la temperatura. por lo que la energía interna es sólo energía cinética. Este hecho se conoce como la ley de Joule. Comportamiento anómalo del agua • Cuando el agua cambia de estado líquido al sólido se comporta en forma inusual: en vez de contraerse o reducir su volumen. las moléculas de agua se organizan en el espacio. .9999 g/cm3 y la del hielo de 0. como el resto de los líquidos. se expande. es decir. conformando una estructura molecular abierta.92 g/cm3. un centímetro cúbico de hielo pesa 0.92 gramos. un 8% menos que un centímetro cúbico de agua que pesaría prácticamente 1 gramo. • A 0º C la densidad del agua líquida es de 0. y por lo tanto flote en el agua. • Esto determina que el hielo sea menos denso que el agua líquida. es decir. que está limitado por una superficie. Ponemos unos ejemplos: • Un sistema abierto: Existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores. Por ejemplo. ya que la variación de energía es cero Medio externo: Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. un coche. el aire. . es por ejemplo.Sistema y Ambiente Un sistema es como un conjunto de materia. entonces el medio está formado por el mechero. etc. consideremos un sistema formado por la taza y el agua. real o imaginaria. sólo se puede dar un intercambio de energía. Un termo lleno de comida caliente es una aproximación. • Un sistema cerrado: No existe un intercambio de masa con el medio. que le pone el observador. un reloj de cuerda. • Un sistema aislado: No existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores. El universo es un sistema aislado. Desde el punto de vista de la termodinámica. se denomina así a la evolución de determinadas magnitudes propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico. De una manera menos abstracta. pero sin cambiar su temperatura. debidos a la desestabilización del sistema. . un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema.Procesos Termodinámicos • En física. desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales. • • Contacto térmico: Se dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro. Foco térmico: Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor. estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final. Variables termodinámicas: . . Fue formulado por primera vez por Ralph H. denominada temperatura empírica .Leyes de la Termodinámica • El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. pero no lo es tanto para la propia estructura de la teoría termodinámica. pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema. • El principio establece que existe una determinada propiedad. • Constituye una gran importancia experimental. que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Fowler. Leyes de la Termodinámica • Primera Ley: También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica. en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro. en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia. • Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. la energía interna del sistema cambiará. • Se resume en: “La energía no se crea ni se destruye. sólo se transforma” . . • Adiabático: proceso en el que no hay intercambio de calor con su entorno. • Isentrópico: proceso a entropía constante. • Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante.Procesos Termodinámicos Básicos Tipos de procesos • Isotérmico: proceso a temperatura constante. • Diatermo: Proceso en el que hay intercambio de calor con su entorno. • Isentálpico: proceso a entalpía constante. • Isobárico: proceso a presión constante. quien encontró la manera de expresar matemáticamente este concepto.Leyes de la Termodinámica • La segunda ley de la termodinámica.” • La Entropía: (simbolizada como S) Es una magnitud física que permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. • Es el grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. y Ludwig Boltzmann. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre en 1850. . expresa que: “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo. desde el punto de vista de la probabilidad. y la realización de una cantidad igual de trabajo . y lo convierta íntegramente en trabajo. • Enunciado de Kelvin: No existe ningún dispositivo que. • Enunciado de Kelvin—Planck: Es imposible construir una máquina térmica que. operando por ciclos.Segunda ley de la Termodinámica • Enunciado de Clausius: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada». operando en un ciclo. no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito. absorba calor de una única fuente. . la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción química. en general. transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. . que se encarga del estudio de los procesos de absorción. Un objetivo general de la Bioenergética.La bioenergética es la parte de la biología muy relacionada con la física. es predecir si ciertos procesos son posibles o no. Metabolismo • Es el conjunto de cambio de sustancias y transformaciones de energía que tiene lugar en los seres vivos. • Tiene 2 Fases: • • Anabolismo: Consiste en la síntesis de componentes celulares a partir de precursores de baja masa molecular. • Es el conjunto de transformaciones que experimenta la materia externa desde su absorción o adición al citoplasma. hasta su eliminación del mismo. Catabolismo: consiste en la transformación de biomoléculas complejas en moléculas sencillas y en el almacenamiento adecuado de la energía química desprendida en forma de enlaces de fosfato y de moléculas de adenosín trifosfato. . • Sirve para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea tomando en cuenta sólo las variables del sistema. Se define como: • Para un proceso a temperatura y presión constante: .Energía (libre) de Gibbs • O entalpía libre es un potencial termodinámico. que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes). una función de estado extensiva con unidades de energía. es decir. Un segundo significado fue dado por el sacerdote jesuita. una araña pone huevos. . Por un lado es el proceso de los seres vivos que produce otros seres vivos. Ejemplo. científico y filósofo francés Pierre Teilhard de Chardin para significar de por sí el origen de la vida.La biogénesis tiene dos significados. lo cual produce más arañas. mientras que el cerrado permaneció en su estado inicial. . • Pasado un tiempo observó que ninguno de los caldos presentaba señal alguna de la presencia de algún microrganismo y cortó el tubo de uno de los matraces. Louis Pasteur realizó una serie de experimentos que probaron definitivamente que también los microbios se originaban a partir de otros microrganismos. En cada uno de ellos metió cantidades iguales de caldo nutritivo y los hizo hervir para poder eliminar los posibles microrganismos presentes. El matraz abierto tardó poco en descomponerse.Louis Pasteur (1822-1895) • En la segunda mitad del siglo XIX. Pasteur demostró así que los microrganismos tampoco provenían de la generación espontánea. • Utilizó dos frascos de cuello de cisne. Todos los organismos visibles surgen sólo de gérmenes del mismo tipo y nunca de materia inorgánica. Si la vida alguna vez se originó de materia inorgánica. tuvo que aparecer en la forma de una célula organizada. .Teoría de la Biogénesis • Postulada por Francesco Redi. ya que la investigación científica ha establecido a la célula como la unidad más simple y pequeña de vida independiente visible. • Postulados de la Teoría • • • La biogénesis es aquella teoría en la que la vida solamente se origina de una vida preexistente. Spallanzani (1769) y finalmente. la idea de que la vida se estaba originando continuamente a partir de esos restos de materia orgánica se estableció como lugar común en la ciencia. de manera espontánea a partir de la materia inorgánica. La observación superficial indicaba que surgían gusanos del fango. Louis Pasteur (siglo XIX) quienes refutaron y dieron fin a la teoría de la generación espontánea. moscas de la carne podrida. Así. etc. organismos de los lugares húmedos. . Fueron Francesco Redi (1668). La generación espontánea antiguamente era una creencia profundamente arraigada descrita por Aristóteles.Teoría de la Generación Espontánea Es una antigua teoría biológica de abiogénesis que defiende que podía surgir vida compleja. Mutaciones en el ADN mitocondrial producen múltiples enfermedades .La mitocondria es un orgánulo de gran tamaño cuya función principal es la respiración celular aeróbica. Sólo se encuentra en células eucariotas. que presenta un sistema genético propio. junto con cloroplastos de células vegetales. Es el único orgánulo. no nucleadas) a las células eucariotas (células nucleadas constituyentes de todos los pluricelulares) mediante incorporaciones simbiogenéticas.Teoría de la Endosimbiosis • La teoría endosimbiótica describe el paso de las células procariotas (bacterias o arqueas. • Fue propuesta por Lynn Margulis (segunda mitad del siglo XX). . Los animales y hongos somos el resultado de esta segunda incorporación. • Segunda incorporación simbiogenética: Este nuevo organismo todavía era anaeróbico. Estos nuevos pluricelulares.Teoría de la Endosimbiosis • Primera incorporación simbiogenética: Una bacteria consumidora de azufre (arquea fermentadora o termoacidófila). plantas y hongos sería el resultado de la unión de estas dos bacterias. posibilitando su éxito en un medio rico en oxígeno. El resultado sería el primer eucarionte (unicelular eucariota) y ancestro único de todos los pluricelulares. con su éxito. • Tercera incorporación simbiogenética: Esta tercera incorporación originó el Reino vegetal. . El núcleoplasma de la células de animales. Una nueva incorporación dotaría a este primigenio eucarionte de la capacidad para metabolizar oxigeno. Este nuevo endosombionte. contribuyeron y contribuyen al éxito de animales y hongos. las plantas. se convertiría en las actuales mitocondrias y peroxisomas presentes en las células eucariotas de los pluricelulares. se habría fusionado con una bacteria nadadora (espiroqueta). Estructura . ahí se lleva a cabo el metabolismo oxidativo de los eucariontes: actividades de piruvato deshidrogenasa. enzimas del ciclo del ácido cítrico. beta-oxidación de ácidos grasos) y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa. que es dependiente de la cadena transportadora de electrones. se le considera la central energética de las células. el ATP producido en la mitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP sintetizado por la célula.Función Biológica • A la mitocondria. oxidación de los ácidos grasos y las enzimas y proteínas redox que llevan a cabo el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. • La principal función de las mitocondrias es la oxidación de metabolitos (ciclo de Krebs. . 000 y 60. • Luego de estudios se dio lugar a la TEORÍA DEL ORIGEN COMÚN. el espermatozoide no aporta un ADN mitocondrial y aunque lo hiciese. que dice que los humanos modernos se originaron en África hace 200.000 años.ADN Mitocondrial y Homo Sapiens • El ADN mitocondrial es independiente del ADN nuclear. también tuvieron su origen común africano. • Es hereditario únicamente por la madre. comenzando a emigrar de ese continente desde hace 100. este es degradado. • Gracias a este ADN es casi posible predeterminar el origen del hombre.000250. Luego los remplazó el Homo Sapiens. Las especies que habitaban ya fuera de África (Homo erectus y Neanderthal). seguramente del Homo ergaster. ya que al ser independiente del ADN nuclear. .000 años.
Report "Termodinámica, bioenergética, biogénesis y mitocondria"