Sistemas Termodinámicos

Podemos definir sistema termodinámico como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

Existen tres tipos de sistemas en termodinámica; en primer lugar nos encontramos con un  sistema abierto, que es aquel que puede intercambiar energía y materia con su entorno, como por ejemplo una estufa, que intercambia calor y vapor de agua en el aire. El ser humano, también es considerado un sistema abierto, ya que constantemente intercambia energía y materia con el entorno que lo rodea.

En segundo lugar tenemos los sistemas cerrados, que al contrario que los sistemas abiertos, solo pueden intercambiar energía (calor y trabajo)  y no materia, su masa permanece constante. Por ejemplo cuando ponemos una tapa muy bien ajustada sobre una olla, se podría decir que es un sistema cerrado.

Por último nos encontramos con los sistemas aislados, que son los que no pueden intercambiar ni materia ni energía con su entorno. Es difícil encontrarse con un sistema aislado perfecto, pero por ejemplo, una taza térmica o termo con tapa, es similar a un sistema aislado verdadero. Los elementos en el interior pueden intercambiar energía entre sí, lo que explica por qué las bebidas se enfrían y el hielo se derrite un poco, pero intercambian muy poca energía (calor) con el ambiente exterior.

Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

El equilibrio térmico es la temperatura del sistema y es la misma que la de los alrededores. Mientras que el equilibrio mecánico, es la presión del sistema y es la misma que la de los alrededores.

Leyes De La Termodinámica

La termodinámica es la ciencia que se dedica al estudio de la transferencia de energía que se produce entre moléculas o conjuntos de moléculas. Las leyes de la termodinámica rigen todas las relaciones de intercambio de energía entre la materia existente.

Primera Ley De La Termodinámica

“Ley de la conservación de la energía”

Esta ley se refiere a la cantidad total de energía en el universo, y en particular declara que esta cantidad total no cambia. Si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Al variar la energía interna en un sistema cerrado, se produce calor y trabajo. La energía es indestructible, siempre que desaparece una energía aparece otra, “La energía no se pierde, sino que se transforma”.

Desde el punto de vista nutricional, podemos decir que los nutrientes incorporados al organismo mediante la nutrición, pasan a la célula y participan como materia prima en los procesos del metabolismo celular. En aquellos procesos catabólicos en los que ocurre degradación oxidativa de sustancias, como la respiración aerobia. Se libera energía metabólica, parte de la cual se transforma en calor, se eliminan sustancias de desecho y aumenta la entropía (mide el grado de organización del sistema).

Segunda Ley De La Termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que en un sistema cerrado o abierto, una parte de la energía es transformada en trabajo y la otra se pierde en forma de calor.

Como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio e indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. Todos los proceso naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía (magnitud termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema) del Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida, los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta energía.

El ser humanos debe considerarse como un sistema abierto, por lo que intercambia energía con el exterior en forma de calor disipado y materia, mediante excreciones fecales y urinarias.

La nutrición incorpora al organismo sustancias del medio externo por medio de la alimentación y tras diversos procesos metabólicos las convierte como propias, para asegurar su desarrollo y dinámica.

Sistemas Termodinámicos

 

Balance Energético

Es la diferencia entre la energía ingerida de los alimentos y la energía consumida,  incluyendo el gasto energético, la energía que se encuentra en las heces y la energía en la orina.

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Balance Energético = Energía Ingerida – Energía Consumida (heces + orina + GET)

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BE = EI + EC

La ecuación anterior conocida como ecuación estática, responde a la Primera Ley de la Termodinámica o Ley de la Conservación de la Energía:

“La energía no se crea ni se destruye solo se transforma”. O dicho de otro modo: “Aunque la energía tome otras  formas, la cantidad total de energía es constante y cuando la energía desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otras.”

Este factor es determinante en el peso corporal:

• Balance energético positivo

Si es positivo, es decir, se ingiere más energía de la que se consume. Se aumenta de peso, nuestro organismo almacenará toda la energía de más que hallamos consumido en forma de triglicéridos.

Para los niños en edad de crecimiento el balance energético debe ser positivo, para crear más tejidos nuevos y crecer sanos.

• Balance energético negativo

Si es negativo, se consume más energía de la se consume, se disminuye de peso. Nuestro organismo «cogerá» la grasa almacenada en nuestro cuerpo para transformarla en energía.

• Equilibrio energético

Para un adulto sano, lo recomendable es que el balance energético sea cero. Ni se consuma más ni menos calorías de las necesarias.

Los mecanismos nerviosos controlan este balance energético a través de los centros hipotalámicos del hambre y la saciedad. Controlando la utilización y producción de ATP y la liberación del calor.

Otro mecanismo de regulación es el neuroendocrino, haciendo que algunas hormonas puedan inducir modificaciones sobre el apetito y la utilización de energía.

Efecto Termogénico De Los Alimentos

El efecto termogénico de los alimentos es el gasto que se atribuye al consumo de los alimentos,  y se estima entre el  8 – 10% del gasto energético total (GET). Hace referencia a la cantidad de calor que el cuerpo genera para la digestión, la absorción y la metabolización de los alimentos presentes en la dieta. También incluye la síntesis y el almacenamiento de moléculas diversas incluidas la de los tres principios inmediatos (hidratos de carbono, proteínas y grasas).

También podemos decir que es el incremento del consumo energético que se origina después de una comida. El efecto termogénico es la única energía involuntaria que no se incluye en el metabolismo basal y depende de la composición de la dieta; las proteínas necesitan entre el 15 y el 30% de la energía que aportan para ser digeridos, los hidratos de carbono entre el 10 y el 15%, mientras que los  lípidos necesitan entre el 3 y 4%.

Hay alimentos como el café, el  té, los refrescos de cola o el  cacao, que aumentan las actividades involuntarias. Otros como la fibra, aumentan el gasto energético, haciendo trabajar al tubo digestivo y aumentando el efecto termogénico del alimento.

La temperatura del alimento es otro factor que también influye en el efecto termogénico, los alimentos fríos provocan mayor gasto de energía que los calientes.

Para calcular el efecto termogénico de los alimentos de forma aproximada, primero tendremos que calcular el metabolismo basal utilizando alguna de las ecuaciones ya conocidas, por ejemplo la de estimación rápida:

El metabolismo basal de una mujer que pese 55 Kg, sería 1.188 Kcal  (0.9 x 55 x 24). Ahora ya podemos calcular el efecto termogénico de los alimentos, que se calcula aplicando el 10% al metabolismo basal, siendo para esta mujer 118´8 Kcal, el 10% de 1.188 Kcal.

Recordemos que para calcular el gasto energético total utilizamos la siguiente ecuación:

 

Energía

Calorimetría

La calorimetría es la parte de la física que se encarga de la medición del calor en una reacción química o un cambio de estado. Mide el gasto energético o consumo de energía de un individuo.

Principios Generales De La Calorimetría

1.- Siempre que entre varios cuerpos haya un intercambio de energía térmica, la cantidad de calor perdido por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganada por los otros.

2.- La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su variación de temperatura. Así, para elevar la temperatura de un cuerpo de 20°C se requiere el doble de cantidad de energía térmica que para elevarla a 10°C.

3.- La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su masa.

4.- Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la energía térmica se desplaza hacia los cuerpos cuya temperatura es más baja. El equilibrio térmico ocurre cuando todos los cuerpos quedan a la misma temperatura.

Existen diferentes métodos para calcular la energía consumida por un cuerpo: métodos prácticos, se realizan con equipos herméticos y aislados. Y métodos teóricos, mediante ecuaciones matemáticas.

En los métodos prácticos nos encontramos con:

La Calorimetría Directa

Que mide la energía que se desprende en la oxidación de la materia. Para ello se utilizan equipos herméticos y aislados térmicamente, permitiendo determinar el calor producido por nuestro organismo en unas circunstancias determinadas. El calor que desprende el individuo se comunica con el agua circulante y posteriormente se mide el calor que ha absorbido esta agua.

 

La Calorimetría Indirecta

La combustión de los nutrientes consume una cantidad de oxígeno proporcional a la cantidad de energía liberada en forma de calor. La estimación del consumo de oxígeno se hace por diferencia de volúmenes o bien con instrumental que cuantifica directamente, tanto el oxígeno (O2) consumido, como el anhídrido carbónico (CO2) producido.

En los métodos teóricos nos encontramos con diferentes fórmulas o ecuaciones:

Fórmula De Harris-Benedic

Ecuación De Mifflin y col.

Ecuación De Estimación Rápida

Ecuación De La FAO-OMS

Gasto Energético Total

Termodinámica

La termodinámica es la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de energía.

La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, todo sistema tiende a evolucionar y se caracteriza porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores esenciales y no por influencias externas previamente aplicadas. Estos estados terminales de equilibrio son,  independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica, todas las leyes y variables termodinámicas se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando las leyes de la termodinámica.

Si no te mueves esa energía se almacena. ENGORDAS

El cuerpo humano puede ser considerado como un sistema termodinámico abierto, que debe mantener su temperatura constante de 37ºC, a pesar de encontrarse en un entorno de temperatura generalmente inferior. Por otra parte está continuamente intercambiando material y energía con su entorno (metabolismo), consumiendo energía para desarrollar los trabajos internos y externos del cuerpo, y para fabricar moléculas estables (anabolismo). Para todo ello necesita alimentarse ingiriendo moléculas que le aporten energía libre (nutrición) y a partir de determinadas reacciones de combustión dan lugar a productos de menor energía (catabolismo).

Es un sistema termodinámico inestable lo que provoca su evolución permanente, para que el organismo vivo pueda mantenerse en dicho estado es necesario que elimine el exceso de entropía (grado de desorden molecular de un sistema) que se produce continuamente, inherente a los procesos vitales; circulación de la sangre, respiración, etc.

La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma. En organismos vivientes, las reacciones más frecuentes son irreversibles y no son hechas en condiciones adiabáticas (no permiten el intercambio térmico entre el interior y el exterior) y es por eso que la aplicación de las leyes de la termodinámica se limita bastante. Pero podemos decir que los seres vivos no son sistemas en equilibrio, estos organismos son organismos abiertos que intercambian energía y materia con el entorno (sistemas termodinámicos abiertos).

Las leyes de la termodinámica rigen todas las relaciones de intercambio de energía entre la materia existente.

Leyes De La Termodinámica

Sistemas Termodinámicos

Energía

Podemos definir energía como la capacidad de realizar una acción o un trabajo, para producir un cambio o una transformación. La energía es una propiedad de los sistemas físicos, aunque no es un estado físico real, ni una sustancia tangible.

Una materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. Necesitamos energía para mantenernos vivos, movernos y realizar actividades. El ser humano obtiene energía a partir de la oxidación controlada de los nutrientes (hidratos de carbono, lípidos y proteínas) que incorpora al organismos a través de la alimentación. Cada alimento que consumimos aporta diferentes cantidades de energía y de nutrientes, gracias a ellos, el cuerpo los transforma en distintas energías para el buen funcionamiento del organismo. De este modo, el sistema nervioso transforma la energía de los alimentos en energía eléctrica, los músculos en energía mecánica para el trabajo muscular y el cuerpo produce energía química para el mantenimiento de la temperatura corporal.

Todas las células necesitan energía para su funcionamiento y la obtienen de los nutrientes presentes en los alimentos. La principal sustancia utilizada para ello es la glucosa, monosacárido que circula libremente en el torrente sanguíneo. Cuando no hay suficiente glucosa en sangre, las células emplean los ácidos grasos o las proteínas.

En el organismo, la energía se libera mediante el metabolismo de los alimentos, los cuales deben suministrarse regularmente para satisfacer las necesidades energéticas para la supervivencia del cuerpo. Esta energía es necesaria para el mantenimiento de las funciones vitales; la respiración, el mantenimiento de la temperatura corporal, para el movimiento cardíaco y para realizar otras actividades involuntarias como el crecimiento y la renovación celular, continuando con la creación y renovación de los tejidos. A esta energía se la conoce con el nombre de “Metabolismo Basal” (MB) o energía en reposo, que se considera como el consumo calorífico mínimo que necesita un organismo vivo para completar sus actividades vitales básicas y que varía ampliamente en individuos semejantes debido a las diferencias en la eficacia de los procesos metabólicos.

Hay diferentes etapas en la vida del ser humano donde el requerimiento energético aumenta, durante el crecimiento, en la infancia, es necesario un aporte adicional de energía para la formación de los nuevos tejidos. Así mismo, durante la gestación y la lactancia, las necesidades del bebe, deben ser cubiertas por la madre. Por lo que en estos periodos el gasto energético será mayor.

También debemos tener en cuenta que para realizar cualquier actividad física, nuestro organismo consume energía calorífica. Aunque no todas las actividades requieren el mismo consumo de energía, por ello las actividades físicas se dividen en actividades en reposo, moderadas o intensas. En situaciones de estrés, como una enfermedad o una intervención quirúrgica el consumo de energía también se ve afectado. Otro factor importante que influye en el gasto energético de cada persona al realizar una actividad física va a ser su peso, ya que a mayor peso corporal y a mayor actividad, mayor será el consumo de energía.

Unidades De Energía

Gasto Energético Total