Aplicación de la termodinámica a sistemas biologicos

Un área importante de aplicación de la termodinámica es sistemas biológicos, en particular el cuerpo humano, en éstos ocurren procesos de transferencia y transformación de energía.

Los sistemas biológicos están constituidos básicamente de 4 elementos químicos, hidr ógeno (63 %),oxígeno (25.5 %),car bono (9.5 %), y nitrógeno(1.4 %). El restante 0.6 % de los átomos que los conforman provienen de otros 20 elementos químicos esenciales para la vida (hierro, calcio, fósforo, zinc, potasio, etc). La abundancia de átomos de hidrógeno y oxígeno en un sistema biológico se ilustra recordando que el72 % de la masa total del cuerpo humano es agua.

El metabolismo

Las unidades elementales de los seres vivos son las células, minúsculas motores cuyas funciones garantizan la supervivencia de aquellos. El cuerpo humano tiene alrededor de 1v 1014 células, cada una con un diámetro medio de 0.01 mm. En una célula ocurren muchas reacciones químicas que liberan y consumen energía.

El conjunto de procesos que efectúan las células, que mantiene al cuerpo humano a una temperatura de 37r C, se llama metabolismo. El metabolismo es el proceso de quemar los alimentos ingeridos por el cuerpo para obtener la energía necesaria para sus actividades. El metabolismo cuando el cuerpo se halla en reposo se conoce como metabolismo basal, y es la energía que consume para efectuar las funciones vitales fundamentales como la respiración y circulación de la sangre. El metabolismo basal medio de un adulto que posee una masa corporal de 68 kg es de 84 J/s.

Las células como motores

Cuando una persona realiza ejercicio físico intenso su metabolismo puede ser 10 veces el valor del metabolismo basal. Las células de los músculos del cuerpo humano son capaces de utilizar la energía térmica obtenida de la combustión de los alimentos para efectuar trabajo, esto es, son motores térmicos que transforman calor en trabajo.

La eficiencia de esta conversión es del 20 %, el resto de energía se desecha en el ambiente en forma de calor. Esta eficiencia equivale a la de un motor de combustión interna de un auto moderno.

Los alimentos como fuente de energía

La energía que requiere el cuerpo humano para hacer sus actividades la obtiene de los alimentos ingeridos. Los alimentos se dividen en tres grupos, carbohidratos, g rasas, y proteínas. Las moléculas de los carbohidratos varían en su complejidad desde las muy simples como la glucosa (C6H12O6) hasta las muy grandes como el almidón. El pan, las pastas, y el azúcar son las fuentes más importantes de carbohidratos.

Las proteínas son macromoléculas que contienen átomos de C, H, O y N. Las proteínas son esenciales para construir y reparar los tejidos del cuerpo. Una molécula de proteína es una cadena constituida de unidades más pequeñas llamadas aminoácidos. Las proteínas completas

(carne, leche, y huevos) tienen todos los aminoácidos necesarios para construir los tejidos corporales. Las proteínas incompletas, presentes en las frutas, vegetales, y granos, no tienen uno ó más de tales aminoácidos.

Las grasas son moléculas pequeñas compuestas de carbono, oxígeno e hidrógeno. Están presentes en los aceites vegetales y grasas animales.

Los alimentos contienen carbohidratos, proteínas, y grasas en diversas cantidades. Una dieta saludable debería contener menos del 30 % de grasa.

El contenido de energía de un alimento se calcula quemando una muestra en un calorímetro de bomba adiabática