Para entender el funcionamiento del cuerpo humano y la relación de la energía junto con el calor en el mismo, tenemos que indagar en la termodinámica.

La termodinámica es una rama de la física que estudia la relación entre el calor y las demás formas de energía (mecánica, química) dentro de un sistema y entre el sistema y su entorno.

termodinamica en el cuerpo humano

En física se define a un sistema como una parte específica del universo separados por límites, es decir si la célula es un sistema, entonces la membrana plasmática sería el límite de la célula, por lo tanto, el organismo estaría formado por billones de sistema que a su vez estarían conectados unos con otros.

La termodinámica permite llegar a conocer las relaciones sobre un sistema, hay que tener en cuenta que en el complejo mundo de las reacciones biológicas además de innumerables reacciones que ocurren en todo el metabolismo, sería muy complejo de analizar, por ello la termodinámica, nos permite obtener respuestas sin tener tantos detalles.

Siendo más específicos quedaría decir que la termodinámica biológica termina siendo el estudio del intercambio y equilibrios entre la energía química, el trabajo mecánico y calor en el organismo; el organismo y el medio ambiente.

En esta rama, existen dos principios:

  • Primer principio de la termodinámica: en la naturaleza nada se pierde, todo se transforma” (Lavoisier) es decir, la energía no deja de existir, sino que se transforma en otro tipo de energía, por ejemplo: el combustible (energía química) al ser utilizado, permite a un motor generar energía mecánica y a su vez generar calor por la explosión.
  • Segundo principio de la termodinámica: es imposible transformar totalmente al calor en otra forma de energía” por lo tanto el proceso de “transformar” es irreversible al desprender calor puesto que se disipa en el medio y no regresa al sistema.

Entonces decimos que en las células los cambios de energía química producen energía mecánica y calor. Se llega a la conclusión que, en el organismo, la energía mecánica a su vez será menor a la energía liberada puesto que parte termina en forma de calor en el medio.

Energía Química = Energía mecánica + calor

  • Rendimiento: se denomina al cociente entre el trabajo y la energía consumida. El numero obtenido siempre es menor a 1 y se expresa en porcentaje.

Si al trabajo se calcula el tiempo que tardo para realizarse obtenemos como resultado la potencia, la unidad de la potencia se denomina watt.

En la célula las reacciones químicas ocurren a temperaturas y presión constantes, por lo tanto, la energía útil para realizar trabajo que se denomina energía libre.

  • Entropía: es la fracción de la energía que no es aprovechado para realizar trabajo, en la célula sería el calor que se desprende de la reacción y que no se utiliza como trabajo.

termodinamica

Leyes fundamentales de la energética (Clausius):

  • El contenido de energía del universo es una cantidad constante.
  • La entropía del universo tiende a aumentar constantemente.

Acoplamiento de reacciones:

En el organismo todas las reacciones químicas son negativas, puesto que las células pierden energía cuando realizan un trabajo en forma de calor. Para compensar el déficit de energía libre, debe suministrarse al sistema de forma externa es decir a través de los alimentos.

Liberación de energía libre:

En la célula existen iones que tienen un potencial químico, es decir que se tiene energía libre asociada a un ion.

Potencial químico:

Se dice a la fuerza impulsora de un determinado ion debido a la diferencia de gradiente. En la célula la presión y la temperatura son constantes, por lo tanto, el potencial químico es igual al logaritmo natural de la concentración del ion.

Estado en equilibrio y estado estacionario:

La diferencia radica en que un sistema en equilibrio no tiene intercambios físicos ni químicos, se deduce entonces que no tiene gasto de energía.

Sin embargo, en el sistema estacionario, sí existe un gasto de energía y es debido a que es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con el medio. Entonces se puede decir que para suplir esa demanda se requiere un ingreso de energía del medio, que en el ser humano está dado por los alimentos.

Energía interna:

Se denomina a la energía disponible en un sistema, es decir la suma de la energía cinética junto con la energía potencial de las moléculas. A su vez puede ser de tipo química, eléctrica o magnética.

Índice metabólico:

                Es la cantidad de consumo de energía en el cuerpo, su unidad es la caloría. Para calcular este valor se utiliza un “metabolímetro”, es un aparato que calcula a partir de la velocidad de consumo de oxígeno en un determinado tiempo. La cantidad aproximada es de 4825 calorías con un 3% de variación.

Las variaciones están dadas por diferentes factores, como el ejercicio, embarazo, la hormona tiroidea o la actividad simpática.

Existe otro método denominado Cociente respiratorio, en el cual se calcula el anhídrido carbónico sobre el consumo de diferentes volúmenes de oxígenos, esto permite deducir que tipo de alimento se está metabolizando.

Así pues, la combustión de hidratos de carbono (1), la combustión de lípidos (0.711), la de proteínas (0.809). Para una dieta mixta el valor puede ser semejante a 0.85.

Conociendo el cociente respiratorio y el valor calórico se puede calcular la producción de calor por cada una de ésas sustancias.

Existe un instrumento denominado atwater que está completamente cerrado y aislado térmicamente en el que se introduce a una persona y se hace circular agua a la vez que se repone el oxígeno consumido y el dióxido de carbono emitido. Pero rara vez se utiliza.

Metabolismo basal:

Se denomina al gasto de energía en un adulto normal en un estado específico (ayuno 12hs, reposo absoluto 30’ y ambiente a 20-27ºC) en el cual su consumo es aproximado de 70 kcal/hora.

metabolismo

Bibliografía:

Manual de Física Biomédica – Catedra de Física Biomédica, TOMO I, 2017, UNC.