Una de las áreas de aplicación más importante y emocionante de la Termodinámica son los sistemas biológicos, que son los sitios de transferencia de energía bastante complejo e intrigante.
¿Sabías que? Los sistemas biológicos no están en equilibrio termodinámico, y por lo tanto no son fáciles de analizar. A pesar de su complejidad, los sistemas biológicos se componen de cuatro elementos simples:
- Hidrógeno.
- Oxígeno.
- Carbono.
- Nitrógeno.
De todos los átomos del cuerpo humano, el hidrógeno representa el 63 por ciento, el oxígeno 25,5 por ciento, el carbono un 9,5 por ciento, y el nitrógeno del 1,4 por ciento. El restante 0,6 por ciento de los átomos viene de otros 20 elementos esenciales para la vida. En masa, alrededor del 72 por ciento del cuerpo humano es agua.
Los bloques básicos de los organismos vivos son las células, que se asemejan a las fábricas en miniatura que realizan funciones que son vitales para la supervivencia de los organismos. Un sistema biológico puede ser tan simple como una sola célula. El cuerpo humano contiene aproximadamente 100 billones de células con un diámetro medio de 0,01 mm. La membrana de la célula es una pared semipermeable que permite que algunas sustancias que pasan a través de él y se excluyan otros.
En una célula típica, miles de reacciones químicas se producen cada segundo durante el cual algunas moléculas se rompen y se libera energía y algunas nuevas moléculas se forman. Este alto nivel de actividad química en las células, que mantiene el cuerpo humano a una temperatura de 37 ° C en el desempeño de las funciones corporales es necesario, se llama metabolismo. En términos simples, el metabolismo se refiere a la quema de alimentos como los carbohidratos, grasas y proteínas. La tasa de metabolismo en el estado de reposo se llama tasa de metabolismo basal, que es la tasa de metabolismo requerida para que un cuerpo se mantenga desarrollando las funciones necesarias (como la respiración y la circulación de la sangre) a nivel cero de actividad externa.
La tasa metabólica también puede interpretarse como la tasa de consumo de energía de un cuerpo. Para un hombre promedio (30 años de edad, 70 kg, 1,8 m2 de superficie corporal), la tasa metabólica basal es de 84 W. Es decir, el cuerpo disipa la energía al medio ambiente a un ritmo de 84 W, lo que significa que el cuerpo convierte la energía química a partir de los alimentos (o de la grasa en el cuerpo si la persona no ha comido) en energía térmica a un ritmo de 84 W.
La tasa metabólica aumenta con el nivel de actividad, y podrá ser superior 10 veces a la tasa metabólica basal, cuando un cuerpo está haciendo un ejercicio extenuante. Es decir, dos personas que hacen ejercicio fuerte en la habitación pueden suministrar más energía a la sala de un calentador de resistencia de 1 kW de energía.
La fracción de calor sensible varía de un 40 por ciento en el caso de trabajo pesado a cerca de 70 por ciento en el caso de trabajos ligeros. El resto de la energía es rechazado por el cuerpo por el sudor en forma de calor latente.
La tasa de metabolismo basal varía con el sexo, el tamaño corporal, las condiciones generales de salud, y así sucesivamente, y disminuye considerablemente con la edad.
Esta es una de las razones que las personas tienden a engordar entre sus 20 años y 30 años a pesar de que no aumenten su ingesta de alimentos. El cerebro y el hígado son los sitios principales de la actividad metabólica. Estos dos órganos son responsables de casi el 50 por ciento de la tasa metabólica basal de un órgano humano adulto a pesar de que constituyen sólo alrededor del 4 por ciento de la masa corporal. En los niños pequeños, hay que destacar que aproximadamente la mitad de la actividad metabólica basal se produce en el cerebro solo.
Las reacciones biológicas en las células se producen fundamentalmente a temperatura, la presión y volumen constante. La temperatura de la célula tiende a aumentar cuando alguna energía química es transforma en calor, pero esta energía se transfiere rápidamente al sistema circulatorio, que transporta a las partes externas del cuerpo y, finalmente, para el medio ambiente a través de la piel. Las células musculares funcionan de una manera muy similar a un motor, convirtiendo la energía química en energía mecánica (trabajo) con una eficiencia de conversión de cerca del 20 por ciento.
Esto es una consecuencia del principio de conservación de la energía, que requiere que el aporte de energía en un sistema debe ser igual a la producción de energía cuando el contenido total de energía de un sistema permanece constante durante un proceso.
