Termodinámica: Leyes y Sistemas

Termodinámica I

• La Ley Cero de la Termodinámica establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio entre sí.
• Las aplicaciones médicas de esta ley incluyen la calibración de termómetros clínicos y el mantenimiento de la temperatura en cirugías.

Sistemas Termodinámicos

• Sistema Abierto: Intercambia tanto materia como energía con su entorno; un ejemplo es la diálisis renal.
• Sistema Cerrado: Intercambia energía pero no materia con el entorno; un ejemplo son las incubadoras.
• Sistema Aislado: No intercambia ni materia ni energía con el entorno.

Primer Principio de Termodinámica

• La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, lo que se expresa matemáticamente como ΔU = Q - W.
  • ΔU representa el cambio en la energía interna de un sistema.
  • Q es el calor añadido al sistema.
  • W es el trabajo realizado por el sistema.
• Una aplicación médica es el metabolismo humano y el cálculo de las necesidades energéticas.
• La energía interna es la suma de todas las energías microscópicas dentro de un sistema.
  • Componentes:
    • Energía cinética (asociada al movimiento)
    • Energía potencial (asociada a las interacciones).

Segundo Principio de Termodinámica

• La entropía (S), que mide el desorden de un sistema aislado, siempre aumenta con el tiempo.
• El aumento de la entropía está relacionado con el envejecimiento y la degradación de los tejidos.

Energía Libre de Gibbs

• La energía libre de Gibbs (ΔG) se define como ΔG = ΔH - TAS.
  • ΔH es el cambio en entalpía.
  • T es la temperatura absoluta.
  • ΔS es el cambio en entropía.
• La energía libre de Gibbs predice la espontaneidad de los procesos. Si ΔG es negativo, el proceso es espontáneo.
• Las aplicaciones médicas incluyen la difusión de fármacos, el envejecimiento celular y el análisis de reacciones bioquímicas.

Termodinámica II: Física Aplicada a las Ciencias de la Salud

Temperatura de un sistema biológico

• La temperatura es una medida de la intensidad del calor.
• En sistemas biológicos y humanos, la temperatura se mantiene constante mediante homeostasis térmica.
• Los humanos son homeotermos, con una temperatura corporal constante:
  • Axilar: 36.1°C a 36.5°C
  • Oral: 36.7°C a 37°C
  • Rectal: 37.3°C a 37.6°C

Instrumentos de medición

• El termómetro clínico, inventado por Thomas Allbutt en 1867, es esencial para medir la temperatura corporal.
• Galileo creó los primeros instrumentos para medir la temperatura basados en la dilatación-contracción en 1603.
• Escalas termométricas:
  • Relativas: Celsius (°C) y Fahrenheit (°F)
  • Absolutas: Kelvin (K) y Rankine (R)
• Fórmulas de conversión:
  • C/5 = (F-32)/9
  • K = C + 273
  • R = F + 460

Calor de regulación

• El calor es una forma de energía que depende del movimiento molecular.
  • Una caloría es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C.
  • Una kilocaloría (o caloría nutricional) equivale a 1000 calorías.
  • 1 Joule = 0.24 calorías
• El calor específico (Ce) es la capacidad calorífica de una sustancia:
  • Agua: 1 cal/g·°C
  • Grasa: 3.21 kJ/kg·°C
  • Sangre: 3.8 kJ/kg·°C
  • Cuerpo humano: 3.4 kJ/kg·°C
• Cálculo de la cantidad de calor: Q = m × Ce × (Tf - Ti)
  • m es la masa.
  • Ce es el calor específico.
  • (Tf - Ti) es la variación de temperatura.

Papel del agua en el equilibrio térmico corporal

• El agua es crucial para el equilibrio térmico debido a:
  • Su alto calor específico (1 cal/g·°C).
  • Su participación en la evaporación (sudoración).
  • Representa aproximadamente el 60% del peso corporal.
  • Participa en los procesos metabólicos.

Integración de los mecanismos de regulación de la temperatura

• La regulación térmica funciona mediante sistemas de retroalimentación controlados por el hipotálamo:
  • Hipotálamo anterior: Controla la termólisis (pérdida de calor) mediante sudoración y vasodilatación.
    • Se activa cuando la temperatura corporal aumenta.
  • Hipotálamo posterior: Controla la termogénesis (producción de calor) mediante escalofríos, vasoconstricción y aumento de tiroxina.
    • Se activa cuando la temperatura corporal disminuye.
• El equilibrio térmico se mantiene cuando la formación de calor es igual a la pérdida de calor (F = R + E + C + Ko).
  • F es la formación de calor.
  • R es la radiación.
  • E es la evaporación.
  • C es la conducción.
  • Ko es la convección.

La fiebre

• La fiebre es una alteración común en la termorregulación que ocurre cuando hay una modificación en el nivel de referencia hipotalámica.
• Se desarrolla en tres fases:
  • Fase de escalofríos: Aumento del punto de ajuste hipotalámico.
  • Fase de estabilidad térmica: Mantenimiento de la temperatura elevada.
  • Fase de crisis: Descenso de la temperatura con vasodilatación y sudoración.
• Tratamiento:
  • Métodos físicos (aplicación de agua tibia)
  • Antiinflamatorios no esteroideos (AINES) como acetaminofén, ibuprofeno y metamizol

Aclimatación a la temperatura

• La aclimatación es el proceso adapta al organismo a cambios prolongados en la temperatura ambiente.
  • Aclimatación al calor: Aumento de la capacidad de sudoración, inicio más temprano de la sudoración, menor concentración de sales en el sudor y aumento del volumen plasmático.
  • Aclimatación al frío: Reducción de la respuesta vasoconstrictora, aumento del metabolismo basal, mayor capacidad de mantener la temperatura central y adaptaciones en la distribución de la grasa corporal.

Hipertermia e hipotermia extremas

• Hipertermia extrema
  • 40°C: Fiebre peligrosa
  • 42°C: Lesiones cerebrales
  • 44°C: Choque de calor
  • 45°C: Límite superior de supervivencia
• Hipotermia extrema:
  • 35°C: Vasoconstricción
  • 34°C: Confusión y desorientación
  • 33°C: Disminuye motilidad intestinal
  • 32°C: Amnesia, letargia
  • 29°C: Disminuye respiración
  • 28°C: Coma
  • 27°C: Fibrilación ventricular
  • 26°C: Hipotensión
  • 25°C: Estasis venoso (viscosidad 173% de lo normal)
  • 24°C: Cesa respiración
  • 20°C: EEG plano

Radiación del cuerpo humano, descripción del metabolismo, transferencia del calor

• La transferencia de calor se realiza mediante:
  • Radiación: Es la forma más importante (66% del calor perdido), ocurre mediante ondas electromagnéticas sin contacto directo.
  • Evaporación: Pérdida de calor a través de la sudoración y la perspiración insensible.
  • Conducción: Transferencia directa de calor entre dos objetos en contacto.
  • Convección: Transferencia de calor a través de movimientos de fluidos (aire o líquidos).
• Metabolismo:
  • Es el proceso principal de producción de calor en el cuerpo.
  • La tasa metabólica aumenta con el ejercicio, la digestión y en respuesta al frío.
  • La tiroxina regula el metabolismo basal, aumentándolo en situaciones de frío.
• Ventajas de ser homeotermo:
  • No dependencia de la temperatura ambiente
  • Mayor metabolismo
  • Independencia metabólica
  • Uso eficiente de la energía

Hidrostática I

Principio de Pascal

• El Principio de Pascal establece que los cambios en la presión de un fluido se transmiten uniformemente en todas las direcciones.
• Este principio es la base de funcionamiento de máquinas hidráulicas como elevadores, frenos y prensas hidráulicas.
• La fórmula matemática es: F2 = F1 × (A2/A1)
  • F₁ es la fuerza aplicada en el área menor.
  • F₂ es la fuerza resultante en el área mayor.
  • A₁ es el área menor.
  • A₂ es el área mayor.

Presión atmosférica y presión manométrica

• La presión atmosférica es la fuerza ejercida por el peso de la columna de aire sobre la superficie terrestre que varía con la altitud.
  • A nivel del mar: 760 mm Hg = 1 atmósfera = 101.3 kPa
  • A 6,000 msnm (aproximadamente la altura del Huascarán): 354 mm Hg
• La presión manométrica es la presión medida en relación con la presión atmosférica.
• El vacío es la ausencia relativa de materia y el experimento de Torricelli demuestra la existencia de la presión atmosférica.
• La fórmula general de presión es: P = F/A
  • P es la presión (Pascal = N/m²).
  • F es la fuerza aplicada (N).
  • A es el área sobre la que actúa la fuerza (m²).

Influencia de la presión en los sistemas líquidos

• En un líquido en reposo, la presión depende de tres factores: la altura o profundidad del líquido (h), la densidad del líquido (D) y la aceleración de la gravedad (g).
• La fórmula de presión hidrostática es: P = h × D × g
• Características de la presión en líquidos:
  • Actúa en todas direcciones
  • A una misma profundidad es igual en todas direcciones
  • Aumenta con la profundidad
  • Es independiente de la forma del recipiente (paradoja hidrostática)
• Otros fenómenos en líquidos son fuerzas de cohesión (entre partículas de la misma sustancia) y adhesión (entre partículas de diferentes sustancias), así como la viscosidad (resistencia de un fluido a fluir, que aumenta a menor temperatura).
• La tensión superficial es el fenómeno por el cual la superficie de un líquido actúa como una membrana elástica debido a las fuerzas de cohesión moleculares.

El empuje y el principio de Arquímedes

• El Principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido experimenta una fuerza de empuje vertical hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desplazado.
• La fuerza de empuje (FE) se calcula como: FE = Volumen desplazado × Densidad del fluido × g
• La flotabilidad depende de la relación entre el peso del objeto y la fuerza de empuje:
  • Si el peso es menor que la fuerza de empuje, el objeto flota.
  • Si el peso es igual que la fuerza de empuje, el objeto queda suspendido.
  • Si el peso es mayor que la fuerza de empuje, el objeto se hunde.
• Se aplica a barcos, globos aerostáticos y determinación de densidades.

Experimentos y fenómenos relacionados con la presión

• El experimento de los hemisferios de Magdeburgo demuestra el efecto de la presión atmosférica.
• El fenómeno de succión por una pajita se explica por la creación de una presión menor a la atmosférica.
• La inspiración ocurre cuando los músculos respiratorios crean una presión negativa en los pulmones respecto a la presión atmosférica.
  • Vaso invertido con agua: la presión atmosférica lo mantiene el agua dentro del vaso.
  • Pipetas: el líquido no cae debido al equilibrio entre la presión atmosférica y el peso de la columna de líquido.

Aplicaciones biomédicas

• Tensiómetros: miden la presión arterial basándose en principios de presión hidrostática.
• Manómetros clínicos: utilizados para medir presiones en diferentes cavidades corporales.
• Centrifugación en laboratorios: separación de componentes por densidad utilizando principios relacionados con el Principio de Arquímedes.
• Flotabilidad en terapias acuáticas: rehabilitación con menor esfuerzo aprovechando el empuje del agua.

Formulas

• Primer Principio de la Termodinámica: ΔU = Q - W
  • Donde AU = cambio en energía interna, Q = calor añadido al sistema, W = trabajo realizado por el sistema
• Cálculo de Cantidad de Calor: Q = m × Ce x (Tf - Ti)
  • Donde m = masa, Ce = calor específico, Tf - Ti = cambio de temperatura
• Energía Libre de Gibbs: AG = ΔΗ - TAS
  • Donde AG = cambio en energía libre, ΔΗ = cambio en entalpía, T = temperatura absoluta, AS = cambio en entropía
  • Ley de Dalton (Presiones Parciales): Ptotal = ΣΡΙ
• Ley de Henry: C = kP
  • Donde C = concentración del gas disuelto, k = constante de Henry, P = presión parcial del gas
• Primera Ley de Fick: J = -D (dC/dx)
  • Donde J = flujo de difusión, D = coeficiente de difusión, dC/dx = gradiente de concentración
• Ley de Fick aplicada a fisiología pulmonar: Jgas = (A/T) × D × (P1 - P2)
  • Donde A = área de superficie, T = grosor de membrana, P1-P2 = gradiente de presión