Estados materia, energía termodinámica

Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012
Prof. Mónica E. Benitez Página 1
CONCEPTOS BÁSICOS DE MATERIA Y ENERGÍA:
MATERIA:
Todo lo que nos rodea, incluidos nosotros mismos, está formado por un
componente común: la materia. Normalmente, para referirnos a los objetos
usamos términos como materia, masa, peso, volumen. Para clarificar los
conceptos, digamos que:
Materia es todo lo que tiiene masa y ocupa un lugar en el espacio;
Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo;
Volumen es el espacio ocupado por la masa
Cuerpo es una porción limitada de materia
Estados físicos de la materia
En términos conceptuales, materia se puede definir como cualquier sustancia que
posee masa y ocupa un lugar en el espacio (volumen); la cual como cualquier otro
componente de la naturaleza reacciona a factores ambientales como la presión y
la temperatura, manifestándose en tres estados:
 Gaseoso.
 Líquido.
 Sólido.
Estos estados obedecen fundamentalmente a la energía cinética o energía de
movimiento de las moléculas que conforman dicha materia y a la forma de
agregación de las mismas.
Los estados de
la materia
dependen de
Factores del
ambiente como
presión y
temperatura.

Estados de la materia en relación a cambios de la temperatura del ambiente
Los diferentes estados de la
materia se caracterizan por la
energía cinética de las moléculas
y los espacios existentes entre
estas.
Estados de la materia en relación a cambios de la energía cinética de las
moléculas
Cada uno de los estados le confiere a la materia características propias, a pesar
de no cambiar su composición.
La figura siguiente complementa los conceptos aquí formulados, obsérvelo
haciendo énfasis en las relaciones y diferentes vías existentes:

Los estados de la materia: efecto de las condiciones del medio
Aunque la materia en sus diferentes estados, no varía en su composición, puede
variar en sus características
Principales Características de los estados de la materia
SÓLIDOS LÍQUIDOS GASES
Poseen forma definida.
No poseen forma definida, por
lo tanto adoptan la forma del
recipiente que los contiene.
No poseen forma definida, por
lo tanto adoptan la forma del
recipiente que los contiene.
Poseen volumen fijo. Poseen volumen fijo. Poseen volumen variable.
Baja compresibilidad. Compresión limitada. Alta Compresibilidad.
Energía
El movimiento de los constituyentes de la materia, los cambios químicos y físicos y
la formación de nuevas sustancias se originan gracias a cambios en la energía del
sistema; conceptualmente, la energía es la capacidad para realizar un trabajo o
transferir calor; la
energía a su vez se
presenta como energía
calórica, energía
mecánica, energía
química, energía eléctrica
y energía radiante; estos
tipos de energía pueden
ser además potencial o
cinética. La energía
potencial es la que posee
una sustancia debido a su
posición espacial o
composición química y la
energía cinética es la que
posee una sustancia
debido a su movimiento.
Tipos de energía
Manifestaciones de la energía

Energía Mecánica: El movimiento de las
hélices del molino de viento es transferido a un
sistema mecánico de piñones, para producir
energía eléctrica o lograr la ascensión de agua
de un pozo subterráneo
Energía Calórica o radiante: El calor o la luz
emitida desde el sol es aprovechada por las
plantas para producir energía química en forma
de carbohidratos.
Energía Eléctrica: El movimiento de electrones
libres, produce la energía eléctrica, usada para
hacer funcionar electrodomésticos, trenes, y
artefactos industriales.
Energía Química: La combustión de
hidrocarburos como el petróleo, liberan gran
cantidad de energía.
NOCIONES DE TERMODINÁMICA:
La termodinámica (del griego termo, que significa "calor" y dinámico, que
significa "fuerza") es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados
con el calor.
Estudia los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenos
mecánicos y químicos que implican tales intercambios. En particular, estudia los
fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica o
viceversa.
Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se transforma de una
forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.
Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran
en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema —típicamente la

presión, la temperatura, el volumen y la masa, que se conocen como variables
termodinámicas— son constantes.
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas
son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser
intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se
postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida
para cualquier sistema.
Las Leyes Termodinámicas pueden expresarse de la siguiente manera:
Primera Ley de la Termodinámica
Esta primera ley, y la más importante de todas, también conocida como principio
de conservación de la energía, dice: "La energía no puede ser creada ni
destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro".
La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, y lo
identifica como una forma de energía. Puede convertirse en trabajo mecánico y
almacenarse, pero no es una sustancia material.
Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en
unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran
completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.
Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el
paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor
temperatura". Al respecto, siempre se observa que el calor pasa
espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos hasta quedar a la misma
temperatura.
La segunda ley de la termodinámica da, además, una definición precisa de una
propiedad llamada entropía (fracción de energía de un sistema que no es posible
convertir en trabajo).
Para entenderla, la entropía puede considerarse como una medida de lo próximo o
no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una
medida del desorden (espacial y térmico) del sistema.
Pues bien, esta segunda ley afirma que "la entropía, o sea, el desorden, de un
sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado
alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar
cambios: ha alcanzado el equilibrio".
Como la entropía nunca puede disminuir, la naturaleza parece pues "preferir"’ el
desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no

se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura
más baja a una región de temperatura más alta.
Tercera Ley de la Termodinámica
El tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absoluto
no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un
número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al
cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él".
El cero absoluto implicaría falta total de movimiento atómico.
Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo
generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos,
pero inaplicables a nivel cuántico.
Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía,
es una de las más sólidas y universales de las leyes de la naturaleza descubiertas
hasta ahora por la ciencia.
Calor
El calor es una cantidad de energía y es una expresión
del movimiento de las moléculas que componen un
cuerpo.
Cuando el calor entra en un cuerpo se produce
calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los
objetos más fríos poseen algo de calor porque sus
átomos se están moviendo. Al aplicar calor, sube la temperatura
CÓMO SE TRASMITE EL CALOR
CONDUCCIÓN: La conducción tiene lugar cuando dos
objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El
calor fluye desde el objeto más caliente hasta más frío,
hasta que los dos objetos alcanzan a la misma
temperatura.

Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores
conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy
buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor.
Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que toca
algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las
manos en agua caliente o fría.
CONVECCIÓN: En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más
eficiente de transferir calor. La convección
tiene lugar cuando áreas de fluido caliente
ascienden hacia las regiones de fluido frío.
Cuando esto ocurre, el fluido frío desciende
tomando el lugar del fluido caliente que
ascendió. Este ciclo da lugar a una continua
circulación en que el calor se transfiere a las
regiones frías.
Se puede ver como tiene lugar la convección
cuando hierve agua en una olla. Las burbujas
son las regiones calientes de
agua que ascienden hacia las
regiones más frías de la
superficie. Probablemente usted
este familiarizado con la
expresión: "el aire caliente sube y
el frío baja" - que es una
descripción de el fenómeno de convección en la atmósfera. El calor en este caso
se transfiere por la circulación del aire.
RADIACIÓN: Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de
materia para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor
que no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor. por ejemplo,
podemos sentir el calor del Sol aunque no
podemos tocarlo.

El calor se puede transferir a través del espacio vacío en forma de radiación
térmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiación
electromagnética (o luz).
La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la
propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se
produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.
Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía altos caen a
niveles de energía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz o
radiación electromagnética. La energía absorbida por los átomos hace que sus
electrones "salten" a niveles de energía superiores.
Todos los objetos absorben y emiten radiación. Cuando la absorción de energía
está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si
la absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la emisión
domina, la temperatura disminuye.
¿Cómo se mide el calor?
El calor es susceptible de medir; lo que se efectúa teniendo en cuenta dos
magnitudes fundamentales: intensidad de calor y cantidad de calor.
1- La intensidad de calor está relacionada con la velocidad del movimiento
molecular estableciéndose para medirla una práctica que da una idea del grado o
nivel del calor que tiene un cuerpo determinado. Arbitrariamente se fijan
parámetros comparativos que permiten determinar dicho nivel de calor, al que se
denomina temperatura. Se dice que un cuerpo con gran velocidad molecular tiene
más temperatura o más nivel de calor que otro.
2- La cantidad de calor de un cuerpo representa la suma de las energías
térmicas de todas las moléculas que lo componen. Es decir que mientras la
intensidad de calor o temperatura indica el grado de movimiento molecular o el
nivel de calor de un cuerpo, esta magnitud señala su contenido total de calor.
La Temperatura (t)
Los átomos y moléculas en una sustancia no siempre se mueven a la misma
velocidad. Esto significa que hay un rango de energía (energía de movimiento) en
las moléculas.

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor
que este contiene o puede rendir).
Diferencias entre calor y temperatura
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia,
mientras temperatura es una medida de la energía molecular media.
El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y
su tipo. En cambio la temperatura es independiente del tamaño, del
número o del tipo de particulas.
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si
añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura
disminuye.
Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están
moviendo, vibrando y rotando con mayor energía, es decir cuando tienen
mayor calor.
La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor
sí es energía
Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la
temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más
agua posee mayor cantidad de calor.
El calor es lo que
hace que la
temperatura aumente
o disminuya. Si
añadimos calor, la
temperatura aumenta.
Si quitamos calor, la
temperatura
disminuye.
La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es
energía.
Misma temperatura, distinta cantidad de calor.

¿Cómo se mide la temperatura?
Escalas termométricas
A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala
Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura
de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada
en estos dos puntos.
Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala
Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de
congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100
grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa
en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas
Como se muestra en la tabla 1.2, el kelvin es la unidad fundamental SI de la
temperatura; es la escala de temperatura absoluta. El término temperatura
absoluta significa que el cero en la escala Kelvin, denotado por 0 ºK, es la
temperatura teórica más baja que puede obtenerse. Por otro lado, 0°C y 0°F se
basan en el comportamiento de una sustancia elegida de manera arbitraria, el
agua. En la figura 1.10 se comparan las tres escalas de temperatura.

El tamaño de un grado en la escala Fahrenheit es de sólo 100/180, o sea, 5/9 de
un grado en la escala Celsius. Para convertir grados Fahrenheit a grados Celsius,
se debe aplicar la siguiente ecuación:
Para convertir grados Celsius a grados Fahrenheit :
Tanto la escala Celsius como la Kelvin tienen unidades de igual magnitud; es
decir, un grado Celsius equivale a un grado kelvin. Los datos experimentales han
demostrado que el cero absoluto en la escala Kelvin equivale a -273.15°C en la
escala Celsius. Entonces, para convertir grados Celsius a grados kelvin se utiliza
la siguiente ecuación:
A menudo será necesario hacer conversiones entre grados Celsius y grados
Fahrenheit, y entre grados Celsius y kelvin. Estas conversiones se ilustran con el
siguiente ejemplo.

Termómetro clínico
Es el termómetro que el médico usa para
tomar la temperatura de un enfermo. Cerca del
bulbo tiene una estrangulación, que no impide
que el mercurio pase por ella cuando la tempe-
ratura sube. Pero cuando la temperatura baja,
el mercurio no puede pasar al bulbo, quedando
registrada a no se la máxima temperatura
alcanzada. Sacudiendo el termómetro se
consigue que el mercurio vuelva al bulbo.
En la actualidad la Academia Estadounidense
de Pediatría (American Academy of Pediatrics,
AAP ) desaconseja el uso de estos termómetros dado que el vidrio puede romperse y
el mercurio es tóxico.
Los termómetros electrónicos se utilizan y se recomiendan con más frecuencia. La
temperatura aparece en un lector digital. Se deben seguir las instrucciones que
vienen con el termómetro. Los termómetros de sonda electrónicos se pueden
colocar en la boca, el recto o la axila.
Los termómetros de tira plástica cambian de color para indicar la temperatura y es
el método menos preciso. Se coloca la cinta o tira plástica en la frente y se lee
después de un minuto, mientras está puesta allí. También hay disponibilidad de
estos termómetros para tomar la temperatura en la boca.
Siempre se debe limpiar el termómetro antes de usarlo. Se puede usar agua
jabonosa y fresca o alcohol antiséptico. Si se está utilizando un termómetro de
vidrio, antes de tomar la medida de temperatura se debe tomar el extremo opuesto
al bulbo y sacudir el termómetro hacia abajo hasta leer 35° C (95° F) o menos que
se marca en las líneas sobre el termómetro.

Otras Sustancias Termométricas
Cuando se construye un termómetro, hay que tener en cuenta qué temperaturas
se van a medir con él. Un termómetro de mercurio no puede usarse para
temperaturas inferiores a - 39° C, porque a esa temperatura el mercurio pasa a ser
sólido. Tampoco a temperaturas superiores a 357° C, porque a ella el mercurio
hierve. De manera que esas temperaturas constituyen los límites dentro de los
cuales se puede usar un termómetro de mercurio.
Para medir temperaturas inferiores a - 39° C, es común usar termómetros de
alcohol, pues éste solidifica a -110° C. Pero hierve a 76° C. También se usa toluol,
cuyos límites son -100° C y 110° C, respectivamente.
Sustancia Temperatura de
Congelación (ºC)
Temperatura de Evaporación
(ºC)
Mercurio -39 357
Alcohol -110 -39
Toluol -100 110

Otros termómetros
Generalmente se atribuye a Galileo la invención del primer termómetro, al que
llamó termoscopio, aunque algunos creen que la idea fue dada por Herón, célebre
inventor griego. Galileo resolvió el problema de inventar un termómetro con un
aparato que funcionaba aprovechando la dilatación del aire, al aumentar la
temperatura. La idea, pues, es la misma que la del termómetro de mercurio:
comparando variaciones de volumen se pueden comparar temperaturas.
Pero el volumen es sólo una de las características de los cuerpos, que cambia con
la temperatura. Existen termómetros eléctricos, en los que se aprovecha la
propiedad que tienen los cuerpos conductores de la electricidad de variar su
resistencia con la temperatura; termómetros ópticos, llamados pirómetros, que se
basan en los cambios de color producidos con las variaciones de temperatura,
etcétera.
LA CANTIDAD DE CALOR (q)
La cantidad de energía cedida o ganada por una sustancia se mide en calorías o
joules.
Una caloría (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5o
C a
15,5o
C 1 gramo de agua. Como factor de conversión diremos que una caloría
equivale a 4,184 joules.
1 cal = 4,184 J
Es necesario diferenciar la caloría utilizada como herramienta de medición de la
energía calórica en química, de la caloría utilizada en nutrición, ya que la caloría
contenida en los alimentos (Cal) o gran caloría, equivale a 1.000 calorías o 1
Kilocaloría (Kcal).

2 cubos de azúcar ( 10 g), contienen
37,5 Cal nutricionales, lo que equivale
a 37,5 Kcal, 37.500 cal químicas y
156.900 j.
Calor especifico
¿Has sentido que unas sustancias se calientan con mayor rapidez que otras?, el
calor especifico se relaciona con ello;
El calor específico es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura
de una sustancia determinada; desde el punto de vista químico, es la cantidad de
calorías requeridas para elevar en un grado centígrado la temperatura de un
gramo de una sustancia, o es el número de joules requeridos para elevar en un
grado kelvin la temperatura de un kg de una sustancia.
Calor Específico del agua: 1 cal/g o
C
Este valor significa que para elevar 1
grado centígrado la temperatura de 1 g
de agua, se requiere 1 caloría.
Calor Especifico del Aluminio: 0,217
cal/g o
C
Este valor significa que para elevar 1
grado centígrado la temperatura de 1 g
de Aluminio se requieren 0,217
calorías.
Valores comparativos del calor específico del agua en estado líquido y el aluminio en estado sólido.

Cantidad de Calor:
De la definición de calor específico resulta la cantidad de calor que un cuerpo
recibe o cede se calcula multiplicando el calor específico (c) por la masa (m) y por
la variación de temperatura (∆t).
Q = m . ce . (Tf – Ti)
Las transformaciones de energía en los organismos vivos:
El metabolismo
Etimológicamente el origen de la palabra metabolismo procede del griego
“metabolé” que significa cambio, transformación.
El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas común en todos los
seres vivos, que ocurren en el interior de las células, para la obtención e
intercambio de materia y energía con el medio ambiente y síntesis de
macromoléculas a partir de compuestos sencillos con el objetivo de mantener los
procesos vitales y la homeostasis.
Los objetivos del metabolismo son:
Obtención de energía química que es almacenada en los enlaces químicos
fosfato del ATP.
Construcción o síntesis de materia orgánica propia a partir de la energía y
de las moléculas obtenidas del medio ambiente. Esta materia orgánica
almacena gran cantidad de energía en sus enlaces.
Destrucción o degradación de estas moléculas para obtener la energía que
contienen.
Tradicionalmente se ha separado el metabolismo en anabolismo y
catabolismo, según la necesidad o producción de energía respectivamente,
siendo los dos procesos
interrelacionados.
En conjunto, las reacciones catabólicas son
exergónicas, es decir, producen más energía
de la que consumen. En contraste, las
reacciones anabólicas son endergónicas, pues
consumen más energía de la que generan.

La molécula que participa con mayor frecuencia en los intercambios de energía en
células vivas es el ATP (Adenosintrifosfato), que acopla las reacciones
catabólicas que liberan energía a las anabólicas que la necesitan.
Las reacciones metabólicas que se llevan a cabo dependen de la enzima que se
active en una célula específica en un momento particular, a menudo, las
reacciones catabólicas se realizan en un compartimiento de una célula, por
ejemplo, la mitocondria, en tanto que las de síntesis ocurren en otro sitio, como el
retículo endoplásmico.
Una molécula sintetizada en una reacción anabólica tiene una vida limitada. Con
pocas excepciones, finalmente se desintegra y sus átomos componentes se
reciclan en otras moléculas o se excretan del cuerpo. El reciclamiento de mo-
léculas biológicas ocurre continuamente en los tejidos vivos, en unos con rapidez y
en otros lentamente. Las células individuales pueden ser restauradas molécula a
molécula o se puede reconstruir todo un tejido célula por célula.
Definición de Catabolismo y Anabolismo
Se llama Catabolismo a las reacciones químicas por medio de las cuales las
moléculas orgánicas complejas se descomponen en otras más simples. Dichas
reacciones liberan la energía química almacenada en esas moléculas orgánicas.
En la glucólisis, el ciclo de Krebs la cadena de transporte de electrones tienen
lugar grupos importantes de reacciones catabólicas.
Las reacciones químicas que combinan moléculas simples y monómeros para
formar los complejos elementos estructurales y funcionales se conocen en
conjunto como Anabolismo. Entre los ejemplos de este tipo de reacciones están,
la formación de enlaces peptídico entre aminoácidos durante la síntesis de
proteínas, la integración de ácidos grasos en los fosfolípidos que forman las
bicapas de la membrana plasmática y la unión de monómeros de glucosa para
formar el glucógeno.
Acoplamiento del Catabolismo y el Anabolismo por el ATP
Las reacciones químicas de los sistemas vivos dependen de la transferencia de
cantidades adecuadas de energía de una molécula a otra.
De éstas, la que con mayor frecuencia ejecuta dicha tarea es el ATP, que
constituye la fuente de energía fundamental de una célula viva y siempre está
disponible para que se lleven a cabo actividades celulares; se gasta y reconstituye
una y otra vez.
Una célula típica posee alrededor de mil millones de moléculas de ATP, cada una
de las cuales, de manera característica, dura menos de un minuto antes de ser
utilizada. Por tanto, es ta molécula no es una forma de energía que se pueda
almacenar por largo plazo, sino que se puede usar en todo momento.

La figura 25.1 muestra la manera en que el ATP vincula las reacciones anabólicas y catabólicas.
Cuando el grupo fosfato terminal se desprende del ATP en las reacciones anabólicas, se forma
tanto difosfato de adenosina (ADP) como un grupo fosfato (simbolizado por una “P”). Parte de la
energía liberada se usa para generar reacciones anabólicas como la formación de glucógeno a
partir de glucosa. Subsecuentemente, la energía de las moléculas complejas se emplea en
reacciones catabólicas para combinar ADP con un grupo fosfato y resintetizar ATP.
Alrededor de 40% de la energía liberada en el catabolismo se emplea en las
funciones celulares; el resto se convierte en calor, parte del cual ayuda a mantener
la temperatura normal del cuerpo. El exceso de calor se pierde en el ambiente.
Si se compara con las máquinas, que de manera característica sólo convierten de
10 a 20% de la energía en trabajo, se puede deducir que la eficiencia de 40% del
metabolismo corporal es
sorprendente. No obstante, el
cuerpo tiene necesidad continua
de captar y procesar energía de
fuentes externas para que las
células puedan sintetizar
suficiente ATP para mantener la
vida.

El hombre como sistema Termodinámico. Calor y Balance Energético.
Desde el punto de vista energético, cualquier ser vivo y, por ende, cualquier
humano se puede comparar a una máquina que ha de seguir rigurosamente los
principios físicos de la Termodinámica: ni se crea ni se destruye la energía,
simplemente se transforma. Por ello, el esfuerzo realizado en cualquier actividad
física es cuantificable en términos de energía (Kilocalorías o Kilojulios), y esa
energía ha de proceder de las reservas energéticas del individuo, que no son
ilimitadas ni en cantidad ni en la velocidad de su disposición
El cuerpo produce más o menos calor según el índice de las reacciones
metabólicas. La homeostasis de la temperatura corporal sólo puede mantenerse
Se produce a
nivel del sistema
digestivo
Se produce a
nivel del
citoplasma celular
Se produce a
nivel de las
mitocondrias

si el índice de pérdida de calor del cuerpo es igual al índice de producción de calor
metabólico. Por tanto, es importante entender cómo se pierde, gana o conserva el
calor.
Índice Metabólico.
La velocidad total a la cual las reacciones metabólicas usan energía se denomina
Indice Metabólico.
Una parte de la energía se emplea para producir ATP y otra se libera como calor,
que es una forma de energía cinética, la cual puede medirse como temperatura y
expresarse en unidades llamadas calorías.
Como la caloría es una unidad relativamente pequeña, a menudo se usa la
kilocaloría (Kcal = mil calorías.) o caloría (Cal), representada con una “C”
mayúscula. Es usada para medir el índice metabólico del cuerpo y expresar el
contenido energético de los alimentos.
Dado que muchos factores afectan el índice metabólico, se debe medir en
condiciones estándares, con el cuerpo en reposo y ayuno, lo que se denomina el
Estado Basal.
La medición que se obtiene es el Índice Metabólico Basal (IMB). La manera más
común de determinar el IMB consiste en medir la cantidad de oxígeno que se
consume por kilocaloría de alimento metabolizada. Cuando el cuerpo usa 1 litro de
oxígeno para oxidar una mezcla típica de triglicéridos, carbohidratos y proteínas
de la dieta, se liberan alrededor de 4.8 Cal de energía.
El IMB es 1200 a 1800 Cal/día en adultos, o cerca de 24 Cal/kg de masa corporal
en varones adultos y 22 Cal/kg en mujeres adultas.
La adición de las calorías necesarias para realizar las actividades diarias, como
digestión y caminata, va desde 500 Cal para una persona de talla pequeña y
sedentaria hasta más de 3000 Cal para una persona que se entrena.
En síntesis:

Homeostasis de la temperatura Corporal
La homeostasis es el estado de equilibrio que guarda el ambiente corporal
interno y que se debe a la incesante interacción entre todos los procesos
reguladores del cuerpo.
Constituye una condición dinámica, que responde a las circunstancias cambiantes;
el punto de equilibrio corporal puede modificarse dentro de límites estrechos
compatibles con el mantenimiento de la vida.
No obstante las amplias fluctuaciones en la temperatura ambiental, los
mecanismos homeostásicos pueden mantener un intervalo normal de temperatura
interna del cuerpo. Si el índice de la producción del calor corporal es igual al índice
de pérdida de calor, el organismo mantiene una temperatura central constante
cercana a 37 °C (93.6 °F).
La temperatura central es la que tiene el cuerpo en las estructuras profundas y en
los tejidos subcutáneos. La temperatura de la corteza corresponde a la superficie
del cuerpo (en la piel y la capa subcutánea). Dependiendo de la temperatura
ambiental, la temperatura de corteza es de 1 a 6 °C menor que la central. La
temperatura central demasiado alta causa la muerte al desnaturalizar las proteínas
del cuerpo, en tanto que la temperatura central demasiado baja ocasiona arritmias
cardiacas mortales.
Producción de calor
La producción de calor del cuerpo es proporcional al índice metabólico el cual se
ve afectado por varios factores. Estos mismos también influyen de manera
indirecta sobreel índice de producción de calor:
 Ejercicio. Durante la actividad física extrema, el índice metabólico puede
aumentar hasta 15 veces la tasa basal. En atletas de alto rendimiento,
dicho índice se incrementa hasta 20 veces.
 Hormonas. Las hormonas tiroideas (tíroxina y triyodotironina) son los
principales reguladores del IMB, el cual se incrementa conforme se elevan
los niveles de esta hormona. Sin embargo, la respuesta a los cambios de
concentración de hormonas tiroideas es lenta, tarda varios días en
aparecer. En parte incrementan el IMB al estimular la respiración celular
aerobia. Puesto que las células usan más oxígeno para producir ATP, se
desprende más calor, y la temperatura del cuerpo se eleva. Otras hormonas
tienen menor efecto sobre el IMB. La testosterona, la insulina y la hormona
del crecimiento humano pueden aumentar el índice metabólico de 5 a 15
por ciento.

 Sistema nervioso. Al hacer el ejercicio o en situaciones de estrés, se
estimula la división simpática del sistema nervioso autónomo. Sus neuronas
postganglionares liberan noradrenalina (NA), que a su vez estimula a la
médula suprarrenal que libera adrenalina y noradrenalina. Ambas
incrementan el índice metabólico de las células del cuerpo.
 Temperatura corporal. Cuanto más alta sea la temperatura del cuerpo,
mayor será el índice metabólico. Por cada grado que aumenta la
temperatura central se incrementa el índice de las reacciones bioquímicas
en casi 10%. Por tal razón, cuando una persona tiene fiebre, se incrementa
significativamente su índice metabólico.
 Ingestión de alimentos. Puede elevar el índice metabólico en 10 a 20%.
Este efecto denominado termogénesis inducida por alimentos es mayor
después de comer platillos con alto contenido de proteína y es menor luego
de ingerir carbohidratos y lípidos.
 Edad. El índice metabólico de un niño, en relación con su talla, es alrededor
del doble de la de un anciano debido a la elevada frecuencia de reacciones
que se relacionan con el crecimiento.
 Factores diversos. Otras variables que afectan el índice metabólico son
género (menor en mujeres, excepto durante el embarazo y la lactancia),
clima (más bajo en regiones tropicales), sueño (menor) y malnutrición (más
baja).
Termoregulación:
¿Qué son los animales homeotermos y poiquilotermos?
 Los Homeotermos son un conjunto de animales capaces de regular su
temperatura corporal, de manera automática, consumiendo energía
química, procedente de los alimentos.
Los mamíferos y las aves son los dos grandes grupos animales que
poseen esta característica, aunque también existen algunas especies
de tiburones con este mecanismo termorregulador.
Gracias al autoabastecimiento de calor, los homeotermos pueden
sobrevivir en las condiciones de frío más adversas como es el caso
de los pingüinos.
Cuando la temperatura ambiente es elevada, el mecanismo de
termorregulación de los homeotermos baja para ahorrar energía.

 Los poiquilotermos son animales que no son capaces de mantener su
temperatura constante sino que dependen de la temperatura externa.
Los peces, reptiles y anfibios son los animales que poseen esta
característica.
Un ejemplo de esto lo tenemos en los reptiles, que pasan largas
horas al sol para conseguir la temperatura necesaria para que su
metabolismo funcione.
Como los poiquilotermos no gastan energía al no producir calor,
pueden estar largos periodos sin alimentarse. Por ejemplo, una
serpiente puede estar meses sin comer, mientras que un mamífero
necesita alimentarse diariamente
Termostato Hipotalámico y Termorregulación
El centro de control que funciona como termostato del cuerpo es un grupo de
neuronas en la parte anterior del hipotálamo, la región preóptica. Esta área
recibe impulsos de los termorreceptores situados en la piel y membranas
mucosas así como el hipotálamo. Las neuronas de la región preóptia generan
impulsos nerviosos a una mayor frecuencia cuando aumenta la temperatura de la
sangre, y cuando ésta disminuye, se reduce dicha frecuencia.
Específicamente, los impulsos nerviosos de la región preóptica se propagan a
otras dos partes del hipotálamo conocidas como centro Centro de pérdida de
calor y Centro promotor de calor. Cuando estos ultimos son estimulados se
ponen en marcha una serie de respuestas que reducen y elevan la temperatura
corporal, según se requiera.
Si la temperatura central del cuerpo desciende actúan mecanismos que ayudan a
conservar o incrementan la producción de calor por medio de varios circuitos de
retroalimentación negativa que normalizan la temperatura del cuerpo (fig. 25.17).
Los termorreceptores en la piel y el hipotálamo envían impulsos nerviosos a la
región preóptica y al centro promotor de calor en el hipotálamo, así como a las
células neurosecretoras que producen hormona liberado de tirotropina o HLT que
por su parte estimula los tirotrofos en la hipófisis anterior para liberar hormona
estimulante de la tiroides (HET).
Los impulsos nerviosos del hipotálamo y las HET activan entonces varios
efectores. En respuesta, cada uno de ellos ayuda a incrementar la temperatura
central en niveles normales. Consideremos cuatro mecanismos.
 Los impulsos nerviosos del centro promotor de calor estimulan nervios
simpáticos que causan constricción de los vasos sanguíneos de la piel, con
lo cual disminuyes el flujo de sangre caliente y por tanto se efectúa la
transferencia de calor de los órganos internos a la piel. La disminución del

índice de pérdida de calor permite que se incremente la temperatura interna
corporal mientras las reacciones metabólicas producen calor.
 Impulsos nerviosos en los nervios simpáticos que llegan a la médula
suprarrenal estimulan la liberación de adrenalina y noradrenalina en la
sangre. Las hormonas, a su vez aumentan el metabolismo celular, que a
su vez incrementa la producción de calor.
 El centro promotor de calor estimula partes del encéfalo que incrementan
el tono muscular y por tanto la producción de calor. Conforme se eleva el
tono en un músculo (el agonista), pequeñas contracciones estiran los husos
musculares en su antagonista, para iniciar un reflejo de estiramiento. La
contracción resultante en el antagonista estira los husos musculares en el
agonista, y esto también da lugar a un reflejo de estiramiento. Este ciclo
repetitivo llamado temblor, aumenta en gran medida el índice de
producción de calor.. Durante el temblor máximo, la temperatura corporal
puede elevar hasta cuatro veces el índice basal en pocos minutos.
 La glándula tiroides responde a la estimulación de la HET, liberando más
hormonas tiroideas en la sangre. Conforme se eleva su nivel, también
aumenta lentamente el índice metabólico y se incrementa la temperatura
corporal.
Si la temperatura del cuerpo sube más de lo normal, un circuito de
retroalimentación negativa opuesto al que se muestra en la figura 25.17 entra en
acción. La temperatura más elevada de la sangre estimula termorreceptores que
envían impulsos nerviosos a la región preóptica, lo que por su parte estimula el
centro de pérdida de calor e inhibe la acción del centro promotor de calor.
Los impulsos nerviosos del centro de pérdida de calor causan dilatación de los
vasos sanguíneos de la piel, la cual se torna caliente y pierde el exceso de calor
por radiación y conducción hacia el ambiente y al aumentar el volumen de sangre
que fluye desde el centro del cuerpo, que es más caliente, hacia la piel, cuya
temperatura es menor. Al mismo tiempo, disminuye el índice metabólico y no
ocurre el temblor. La temperatura elevada de la sangre estimula las glándulas
sudoríparas de la piel por medio de activación hipotalámica de nervios simpáticos.
Conforme el agua de la transpiración se evapora en la superficie cutánea, ésta se
enfría. Todas estas respuestas contrarrestan los efectos promotores de calor y
ayudan a que el cuerpo recupere su temperatura normal.

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