Titulo: Evidencia de Aprendizaje, Escalando el Popo, Reporte Final, 2ª ley de la Termodinámica.

Para desarrollar la evidencia debes llevar a cabo lo siguiente:

Utiliza la Segunda Ley de la Termodinámica para resolver e interpretar los sistemas termodinámicos que se plantearon en el problema de la evidencia de aprendizaje la Unidad 1.

3. Desarrollo.

3.1 Descripción de la actividad.

Para el desarrollo de la presente evidencia de aprendizaje de la materia de Termodinámica, se trabajara sobre el escalador, el entorno y sus variables y propiedades (microscopias y macroscópicas).

Se describen algunos conceptos básicos que son necesario conocer para entender el comportamiento del cuerpo humano a condiciones adversas con variaciones de temperatura, altitud y deficiencia de oxigeno.

Se realizara la identificación del problema así como el plantear una solución al mismo basado en los modelos termodinámicos asi como la identificación de las variables termodinámicas.

Por último se planteara un esquema de solución en base a la 2ª: ley de la Termodinámica y aplicación de modelos termodinámicos.

3.2 Descripción del problema.

El problema a resolver se basara en el mantener el calor corporal durante el ascenso asi como mantener un buen nivel de oxigenación en los tejidos durante el mismo.

3.3 Definiciones Básicas.

Altitud: Es la distancia vertical a un origen determinado, considerado como nivel cero, para el que se suele tomar el nivel medio del mar. En meteorología, la altitud es un factor de cambios de temperatura puesto que esta disminuye, como media, 0,65 °C cada 100 metros de altitud.

Atmosfera (unidad de presión): Equivale a la presión que ejerce la atmósfera terrestre al nivel del mar. Es utilizada para medir presiones elevadas como la de los gases comprimidos. Esta unidad no pertenece al Sistema Internacional de Unidades y no tiene símbolo reconocido, pero suele abreviarse como atm.

Atmosfera: Capa de gas que rodea a un cuerpo celeste que tenga la suficiente masa como para atraer ese gas. Los gases son atraídos por la gravedad del cuerpo, y se mantienen en ella si la gravedad es suficiente y la temperatura de la atmósfera es baja.

Calor: Es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, energía transferida entre dos cuerpos o sistemas, se puede asociar al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia.

Clima: El clima como un conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan el estados medio de la atmósfera en un área de la superficie terrestre.

Entropia: Grado de desorden de un sistema, el equilibrio máximo en el cual ya no puede haber más cambios físicos y químicos ni se puede desarrollar ningún trabajo y donde la presión, temperatura y la concentración son uniformes en todo sistema, los procesos de la naturaleza al aumentar la entropía se hace irreversible.

Gas: se denomina gas el E.A.M que bajo ciertas condiciones de temperatura y presión permanece en estado gaseoso. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras.

Homeotermia (endotérmica): Es el proceso mediante el cual un grupo de seres vivos denominados homeotermos mantienen su temperatura corporal dentro de unos límites, gracias a la ayuda de la falta de aire o de agua, independientemente de la temperatura ambiental, consumiendo energía química procedente de los alimentos gracias a que tienen mecanismos para producir calor en ambientes fríos o para ceder calor en ambientes cálidos.

Montañismo: Disciplina deportiva que consiste en realizar ascensiones a las montañas. Es también el conjunto de técnicas, conocimientos y habilidades orientadas a la realización de este objetivo.

Msnm: Metros Sobre el nivel del mar. Primera Ley de la Termodinámica: La Primera Ley de la Termodinámica afirma que la cantidad

total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra.

ΔU=Q-W ΔU= Variación de energía del sistema. Q= Es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas. W= Es el trabajo intercambiado por el sistema o sus alrededores. Temperatura: se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un

sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

2ª. Ley la Termodinámica: En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.

3.3 Procesos Termodinámicos relacionados con el Cuerpo Humano.

El Cuerpo Humano es considerado como un sistema abierto y de estado de flujo uniforme

3.3.1 Termodinámica del Cuerpo Humano.

Un organismo vivo como el ser humano es considerado como un sistema termodinámico abierto en estado aproximadamente estacionario.

Existe transferencia de energía y de materia hacia el medio que nos rodea, pero que pesar de ello, la temperatura se mantiene constante.

Modelo aplicable 1 Ley de la Termodinámica.

El sistema termodinámico abierto cumple con la ley de la conservación de la energía, partiendo del siguiente principio: la energía no se destruye ni se crea, simplemente se transforma.

ΔU=Q-W

ΔU= Variación de energía del sistema.

Q= Es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas.

W= Es el trabajo intercambiado por el sistema o sus alrededores.

En este caso W representa el esfuerzo dado por el sistema circulatorio que aumenta su presión (p) para que haya una mayor circulación (v) lo que favorece el aumento de la temperatura corporal (U) manteniendo asi el cuerpo caliente.

La siguiente ecuación lo determina:

Q= P x V

El calentamiento del cuerpo por aumento de la tensión arterial (T/A) es un proceso de transformación isotérmico, ya que el volumen cambia manteniendo la temperatura constante.

ΔU= 0ΔU= Q-W0=Q-WQ=W

1er. Planteamiento, problema a resolver- 2ª Ley de la Termodinámica.

Puesto que la temperatura externa (clima frio) es mayor que la temperatura interna del sistema (cuerpo humano), habrá entropía (congelamiento) que puede llevar al escalador a un grado de entropía máxima (muerte) por perdida de calor corporal.

La siguiente ecuación lo determina:

ds= T2-T1/QC

Donde:ds= Entropía.

T2= Temperatura externa (ambiente).T1= Temperatura interna.Qc= Calor corporal.

Aplicación:

Diseñar ropa termo regulable que permita mantener la temperatura corporal en una media de 37.5 ° C.

Diseña implementos que protejan de la intemperie (saco de dormir, tienda de campaña, guantes, botas).

La homeotermia se establece de manera adecuada y completa sólo en las regiones profundas del cuerpo (núcleo central). Ésta región constituye alrededor de 80% de la masa corporal.

La mayor parte de los órganos del núcleo central poseen una concentración semejante y abundante agua, la capacidad calorífica apenas se modifica; esto determina la condición necesaria para que la temperatura se mantenga constante

3.3.2. Termorregulación del Cuerpo Humano.

La cantidad de calor que se produce en nuestro cuerpo (termogénesis) se iguala con la cantidad de calor que se pierde (termólisis).

Aplicación de Modelo.

Transferencia isovolumetrica: Proceso que experimenta un sistema a volumen constante, en este proceso no hay variación de volumen constante (d) no se realiza ningún trabajo. W=0

ΔU=Q-W

ΔU=Q

La homeotermia se establece de manera adecuada y completa sólo en las regiones profundas del cuerpo (núcleo central). Ésta región constituye alrededor de 80% de la masa corporal.

•El resto del organismo, llamado muchas veces corteza, se comporta poiquilotérmicamente (su temperatura varía con el ambiente).

Aplicación de modelo.

Sea:

U= °CΔ= >°C

Entonces ΔU=>°C

2o. Planteamiento, problema a resolver- 2ª Ley de la Termodinámica.

Puesto que la termorregulación es la capacidad que tiene el organismo para regular su temperatura, dentro de cierto rango, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente y factores como la diferencia de la temperatura externa y la pérdida de calor por convección pueden afectar directamente los mecanismos termoregulables.

Se aplica lo siguiente:

Q = m x Ce x (Tf –Ti)•donde: •Q = Cantidad de calor•m = masa•Ce = Calor específico•Tf = Temperatura final•Ti = Temperatura inicial

Perdida de calor en la superficie corporal (R + C+ E + K).

Una vez producido el calor, éste es transferido y repartido a los distintos órganos y sistemas.

Este proceso se realiza por los mecanismos de conducción, convección y por el mecanismo de intercambio de calor por contracorriente

Radiación:

Es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas y constituye la forma más importante de pérdida de calor en el cuerpo humano, alcanzando un total de 60 %. Esta forma de pérdida no se puede controlar ya que depende de la emisión de rayos infrarrojos. Se puede ganar o perder calor dependiendo de que la piel se encuentre más fría o más caliente que los objetos del entorno

Evaporación:

La evaporación se realiza gracias al sudor y puede ser de dos formas, una imperceptible, insensible y constante denominada perspiracióny otra más significativa y ostensible llamada sudoración.

Constituye en condiciones normales un 22 % del total de calor que se pierde.

Convección:

Ocurre cuando el calor de nuestro cuerpo es trasladado o retirado por un fluido que puede ser el aire o el agua (por ejemplo cuando estamos frente a un ventilador).

Por convección del aire se pierde aproximadamente el 15 % del calor corporal. •Al igual que el anterior, se puede ganar o perder calor.

Conducción:

Es un mecanismo poco importante para el organismo ya que por el enorme poder aislante de la grasa corporal, solamente perdemos por esta forma un 3 % del calor corporal.

Entropia:

La siguiente ecuación lo determina:

ds= Ti-Te/Qc

Donde:ds= Entropía.Ti= Temperatura interna.Te= Temperatura externa.Qc= Calor corporal.

Aplicación:

El escalador debe evitar permanecer húmedo y descubierto ya que por esta razón perderá calor rápidamente por convección

3.4. Efectos de la presión atmosférica en el cuerpo humano (barotrauma) y su relación con las leyes de los gases.

Es el daño físico causado a los tejidos del cuerpo por una diferencia de presión entre el espacio aéreo al interior o junto al cuerpo y el gas o líquido que lo rodea.1 La relación entre presión y volumen la define la ley de Boyle.

Suele producirse en los espacios de aire cuando se traslada un cuerpo desde un entorno de mayor presión a uno de menor presión, como cuando un submarinista, un buceador de estilo libre o un avión de pasajeros sube o desciende.

Aplicación de modelo:

La ley de Boyle (Transformación isotérmica) establece lo siguiente: El volumen ocupado por una determinada masa gaseosa a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión.

Sea

P= presión.V= Volumen:

ΔU= P x V

Entonces:   

(P1.V1= P2.V2= P3.V3=….Pn.Vn) m.t   

(P.V) m.t = K       

3er. Planteamiento, problema a resolver- 2ª Ley de la Termodinámica.

Para el caso de un gas que se expande el cambio de entropía es dependiente, como en los casos anteriores, de los estados iniciales y finales del proceso

Como no hay ninguna fuerza que se oponga a la expansión del gas y sobre la cual este deba realizar trabajo, W = 0. El recipiente está aislado (pulmones), de modo que el proceso es adiabático. Entonces Q = 0 al igual que el cambio de la energía interna ΔEint = 0. Para un gas ideal, cuya energía interna depende únicamente de la temperatura Ti = Tf.

Para calcular la variación de entropía se debe suponer un proceso reversible isotérmico que experimente el gas del mismo punto inicial (Pi, Vi, Ti) al mismo punto (Pf, Vf, Tf). De la ecuación de entropía podemos obtener:

∆S=ifdQT=1TifdQ=QT=-WT

La última etapa puede llevarse a cabo porque ΔEint = 0 en un proceso isotérmico, y por lo tanto – W = Q. Usando la ecuación para los gases ideales W = - nRT ln (Vf / Vi) tenemos que el cambio de entropía es función de:

∆S=-WT=nR lnVfVi

Aplicación:

El escalador debe de utilizar un dispositivo de suministro de oxigeno que funcione con una presión igual a una atm y utilizar una mascarilla con reservorio no recirculante para optimizar el uso del oxigeno a gran altitud.

Puede utilizar un reciclador de oxigeno con filtro de carbón activado pero este es mucho mas pesado y dificultoso de llevar.

La homeotermia se establece de manera adecuada y completa sólo en las regiones profundas del cuerpo (núcleo central). Ésta región constituye alrededor de 80% de la masa corporal.

La mayor parte de los órganos del núcleo central poseen una concentración semejante y abundante agua, la capacidad calorífica apenas se modifica; esto determina la condición necesaria para que la temperatura se mantenga constante

El daño en los tejidos del cuerpo se produce, porque los gases son compresibles y los tejidos no lo son. Durante el aumento de la presión ambiental, el interior del cuerpo proporciona a los tejidos circundantes poco apoyo para resistir la mayor presión externa. Durante la disminución de la presión atmosférica, la mayor presión del gas dentro del cuerpo causa daños a los tejidos circundantes en caso de que la presión se vuelva insostenible y el gas deba escapar

Aplicación de modelo:

Sea:

W= <°C x >atm x >nRT

3.5. Efectos en el organismo por la disminución del Oxigeno a altitudes mayores a msnm.

A medida que ascendemos, se produce una disminución progresiva de la presión atmosférica y también de la presión parcial de oxígeno en el aire que inspiramos. El oxígeno es esencial para la vida y su disminución brusca produce importantes alteraciones.

El porcentaje de oxígeno en el aire es constante a cualquier altura, en torno al 21% (se mantiene como a nivel del mar). Pero la disminución de presión atmosférica con la altura hace que la cantidad de oxígeno inspirado sea menor, produciendo hipoxia (falta de oxígeno en la sangre).

Lo anterior genera el mal de altura que son un conjunto de síntomas ocasionados por la falta de adaptación a la altura. Hasta 2.000 metros pocos lo sienten, entre 2.500 y 4.000 metros una buena parte, y a partir de los 4.000 metros de altura, la inmensa mayoría nota los efectos.

Aplicación de modelo:

Sea:

W= < atm/VO2

El mal de altura es el nombre dado a las reacciones fisiológicas del cuerpo humano, que se producen como consecuencia de la baja presión de oxígeno que existe a gran altitud.

4o. Planteamiento, problema a resolver- 2ª Ley de la Termodinámica.

Puesto que se define el gas perfecto (Ideal) como un fluido que tiene colores específicos constantes y que siguen la ley p=R.T, donde R es la constante de los gases, es la densidad, p es la presión absoluta y T es la temperatura absoluta.

El sistema puede llegar a su entropía máxima (disminución de oxigeno en la sangre) lo que puede provocar un paro respiratorio por cambio de proceso aeróbico a anaeróbico (O2- CO + O2= CO2).

dS= VnR-A x P(atm)

Donde:

ds= Entropia del sistema. VnR-A= disminución del volumen de oxigeno a mayor altitud.P=(atm) presión atmosférica.

Propuesta de solución.

KnR=Cp/Cv x FiO2.

Donde:

KnR= Constante de los gases ideales.Cp= Constante de presión (atm).Cv= Constante de volumen (= 21% de O2)FiO2= fracción volumen inspirado de oxigeno (1 min= 15 lts = 700 cc x 12 min).

Aplicación:

El escalador debe de utilizar un dispositivo de suministro de oxigeno que funcione con una presión igual a una atm y utilizar una mascarilla con reservorio no recirculante para optimizar el uso del oxigeno a gran altitud.

Puede utilizar un reciclador de oxigeno con filtro de carbón activado pero este es mucho mas pesado y dificultoso de llevar.

3.6 Sistemas Termodinámicos identificados en el producción y regulación de calor del Cuerpo Humano y la fisiología de la respiración.

El cuerpo Humano se comporta como una pared diatérmica A~ B. B~C A~ C La piel se comporta como una frontera real. En el caso de la respiración, esta se comporta como una frontera imaginaria puesto que el

oxigeno (O2) se obtiene del aire que se encuentra en la atmosfera y el bióxido de carbono (CO2) resultado de la combustión incompleta de carbohidratos se elimina a la atmosfera.

En la producción de energía por la respiración se puede considerar como un sistema cerrado ya que el flujo de aire inhalado (O2, es igual al flujo de aire exhalado (CO2) que puede ser considerado como un sistema abierto (CO2-O2).

El Volumen de aire inhalado es igual a 150 ppm, la respiración por minuto es de 12 a 15, cuando aumenta la altitud disminuye la cantidad de O2 en la atmosfera y aumenta la demanda el esfuerzo de los pulmones (Ley de Gay Lussac).

La altitud disminuye el volumen de aire en la atmosfera por lo tanto disminuye el volumen de aire inspirado (Ley de Charles).

3.7 Modelos y sistemas termodinámicos aplicados al problema (adaptación del cuerpo a cambios de temperatura y adaptación a la altitud.

Para preparar y proteger al escalador se considera los siguientes modelos y sistemas:

1. Sistemas Aislantes.

Se considera que el cuerpo perderá calor de forma rápida conforme disminuya la temperatura por la altitud, por lo que aplicando la ley Cero de la Termodinámica se considera proteger al cuerpo con ropa protectora que mantenga la temperatura del cuerpo.

3.8. Propuesta de solución basada en los modelos termodinámicos.

1. Uso de Ropa Térmica de Nylon 100% termo regulable (sistema aislante).2. Uso de Oxigeno medicinal con mascarilla con reservorio (que permite el reutilizar el

oxigeno por cada inhalación (ley de Gay Lussac).3. Alimentos ricos en carbohidratos (sistema abierto).

Aplicación de modelos:

1. La ropa funcionara como un sistema aislante

Ecuacion de sistema aislante

Sea:

A = U – TS

Ecuación de Sistema Abierto.

5o. Planteamiento, problema a resolver- 2ª Ley de la Termodinámica.Puesto que la temperatura externa (clima frio) es mayor que la temperatura interna del sistema (cuerpo humano), habrá entropía (congelamiento) que puede llevar al escalador a un grado de entropía máxima (muerte) por perdida de calor corporal.

La siguiente ecuación lo determina:

ds= T2-T1/QC

Donde:ds= Entropía.T2= Temperatura externa (ambiente).T1= Temperatura interna.Qc= Calor corporal.

Aplicación:

Diseñar ropa termo regulable que permita mantener la temperatura corporal en una media de 37.5 ° C.

Diseña implementos que protejan de la intemperie (saco de dormir, tienda de campaña, guantes, botas).

Referencias Bibiograficas y Fuentes Consultadas:

Termodinámica 6 th edición Yunus A Cengel, Michael A Boles, editorial McGraw Hill

http://www.sorojchipills.com/que-es-mal-de-altura.htm . http://www.expedicionandina.com/tienda/ http://148.247.220.120/TA2012/mod/scorm/player.php?a=170&currentorg=ORG-

80150202206C568CEE2F039C800B968A&scoid=3256 http://montanismounam.org/ http://www.smf.mx/boletin/Ene-99/ensena/o-humano.html . Entropia-Orden y Caos sin autor.