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Física (una revista de Uriel Martínez León del 405)

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Índice

La máquina térmica………..p.3 Eficiencia………………….p.4

Organismo humano, ¿una máquina térmica?......p.5 El refrigerador………..p.9 Calor y Temperatura...p.10

Cambio de estado..p.11

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La máquina térmica

La máquina térmica es un sistema que convierte al trabajo en calor. El trabajo mecánico se obtiene si el calor se transfiere del depósito con mayor temperatura al depósito de menor temperatura. El proceso a partir del cual se produce trabajo se denomina “ciclo”, éste ciclo siempre será cerrado. La máquina pierde o absorbe calor cuando se lleva acabo el ciclo. Las máquinas térmicas se divide en dos tipos: De combustión interna y combustión externa. Ambas se dividen en alternativas y rotativas.

El primer dispositivo que tuvo la capacidad de convertir energía en trabajo fue la máquina de vapor. Con todo lo anterior dicho se deduce que todo motor es una máquina térmica.

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Eficiencia

Eficiencia, según su uso común, es definida en Wikipedia en español como “La capacidad de disponer de alguien o de algo para conseguir un objetivo determinado con el mínimo de recursos posibles viable.” En física es la relación entre energía útil y energía invertida. Éste concepto es utilizado en el área de la termodinámica.

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Organismo humano, ¿una máquina térmica?

Por: María de la Cruz Medina Ramos

A continuación un extracto de un artículo escrito por la profesora María de la Cruz Medina Ramos

Introducción

Uno de los recursos en el proceso de enseñanza-aprendizaje, es el uso de analogías, por lo que se sugiere tener claridad en las similitudes, diferencias, ventajas y considerar los riesgos que representa el utilizarlas.

A continuación se ofrece una reflexión sobre una analogía empleada en algunos textos de física de bachillerato y el uso ue algunos profesores le dan al comparar el organismo humano con una máquina térmica para evidenciar que ambas, a artir de combustibles (carbón para la máquina y comida para el organismo), realizan trabajo.

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Conceptos de eficiencia térmica y eficiencia muscular

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor en trabajo mecánico, dicho dispositivo, opera entre dos depósitos a diferente temperatura, y el trabajo mecánico se obtiene si el calor se transfiere del depósito con mayor temperatura al depósito de menor temperatura.

De la segunda ley de la termodinámica, que sostiene que ninguna máquina térmica puede transformar en energía mecánica todo el calor que se transfiere en el proceso de operación, se deriva el concepto de eficiencia térmica (N), el cual se define como el cociente del trabajo obtenido y el calor que se le suministra, N = W/Q. Al respecto, Sadi Carnot mostró que el límite superior de calor que puede transformarse en trabajo depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el depósito frío. De manera que, la diferencia para una máquina térmica de Carnot, se calcula mediante la ecuación, N = 1 -(Tf / Tc), donde Tf y Tc son las temperaturas en grados kelvin de los depósitos a menor y mayor temperatura respectivamente, en los que opera la máquina.

Ahora bien, los seres humanos efectuamos trabajo al caminar, correr, levantar un objeto, etc., para realizarlo requerimos de energía que el organismo obtiene al transformar la energía potencial química de los alimentos. Para las actividades antes mencionadas se asocia el concepto de eficiencia muscular (E), como el cociente del trabajo mecánico realizado y la energía suministrada al cuerpo, a través de los alimentos. Se ha verificado que la eficiencia muscular en el trabajo mecánico es aproximadamente del 20%, (E = 0.2).

Riesgos de la analogía

Supongamos "el organismo humano una máquina térmica'' cuya eficiencia es de 0.2 y opera a temperatura ambiente, (20 °C), como depósito de menor temperatura, Tf = 293 °K. De la ecuación de eficiencia térmica para una máquina de Carnot, se obtiene Tc que corresponde al depósito de mayor temperatura, es decir,

N = 1 -(Tf / Tc), Tc = -Tf / (N - 1),

por lo tanto Tc = -293 °K / (0.2-1) = -293 °K / -0.8 = 366 °K.

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Esto implica que el organismo humano no puede ser este depósito, ya que tendría que ser una caldera "muy ardiente'' a 93 °C = 366 °K, y sabemos que su temperatura normal es de 37 °C. Por lo que se descarta la hipótesis de que sea máquina térmica.

Pero, ¿en qué se fundamenta la analogía del cuerpo humano como una máquina térmica? antes habría que responder otra interrogante ¿cómo se transforma la energía a partir de los alimentos?

Transformación de energía a partir de los alimentos

La principal fuente de energía en el organismo la constituyen los carbohidratos que ingerimos en nuestra alimentación. éstos durante la digestión se desdoblan en glucosa, la cual es un combustible preformado por plantas verdes en el proceso de fotosíntesis. La glucosa es considerada un almacén de energía solar empaquetado en su configuración molecular.

La transformación de energía en el organismo, se realiza oxidando esencialmente glucosa en el proceso de respiración, mediante mecanismos moleculares realizados a nivel celular, a temperatura constante y baja.

En la oxidación, una molécula de glucosa, se degrada en seis moléculas de agua, seis moléculas de bióxido de carbono y energía. Parte de la energía transformada en este proceso se recupera en la formación de moléculas de ATP, (adenosín trifosfato), las cuales suministran la energía requerida para realizar el trabajo celular, (mecánico, químico, osmótico y eléctrico).

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Similitudes y diferencias de la analogía

Una máquina térmica y el organismo, como sistemas que realizan trabajo, requieren de combustible, sin embargo la primera, opera con diferencias de temperatura provocando transferencia de calor y con ello la realización de trabajo, en cambio en el organismo la oxidación se realiza a temperatura constante por lo que no hay transferencia de calor asociado a la realización de trabajo.

La transformación de energía, en la combustión como en la oxidación, tienen el mismo principio, ya que se realizan mediante mecanismos moleculares. La diferencia radica en la velocidad con que se realizan; la combustión es violenta y la reacción se mantiene por sí sola una vez que ha comenzado; en cambio, la oxidación es un proceso lento y controlado, de manera que, la energía se transforma de acuerdo a los requerimientos del organismo.

Conclusiones

Las similitudes antes mencionadas, podrían justificar la analogía que comúnmente se hace del organismo con una máquina, pero evidentemente no sería térmica. Sin embargo el organismo realiza un conjunto de transformaciones de energía dentro de los confines de las leyes de la termodinámica, por lo que si se insiste en llamarle máquina, ¿qué tal?, máquina bioquímica.

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El refrigerador

El refrigerador es un electrodoméstico que también es usado en el laboratorio. Consiste en un armario aislado térmicamente que se mantiene entre 2º y 6ºC. El frío es producido por un mecanismo de refrigeración por compresión. La refrigeración por compresión es un método de refrigeración que consiste en forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el fluido absorba calor en el evaporador y lo ceda en el condensador.

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Calor y Temperatura

Calor

En termodinámica es simplemente definido como la transferencia de energía.

Temperatura

Es la magnitud escalar de que mide el calor.

Estos dos términos suelen ser confundidos y en algunas situaciones llegan ser usados indistintamente.

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Cambios de estado

Los estados de agregación no son fijos e inmutables. Dependen de la temperatura. Si sacamos hielo del congelador, estará a -10 ó -20ºC. Empieza a calentarse, pero seguirá siendo hielo. Cuando la temperatura alcance los 0 ºC empezará a fundirse, ya que 0 ºC es la temperatura de fusión del hielo, es el punto de fusión. Tendremos entonces hielo y agua a 0 ºC. Mientras haya hielo y agua, la temperatura será de 0 ºC, por mucho que lo calentemos, porque mientras se produce el cambio de estado la temperatura permanece fija.

Una vez que se ha fundido todo el hielo, el agua, que estaba a 0 ºC empezará a subir de temperatura otra vez y cuando llegue a 100 ºC empezará a hervir, ya que 100 ºC es la temperatura de ebullición del agua, es su punto de ebullición. Puesto que se está produciendo un cambio de estado, la temperatura no variará y mientras el agua hierva, permanecerá constante a 100 ºC. Cuando todo el agua haya hervido y sólo tengamos vapor de agua, volverá a subir la temperatura por encima de los 100 ºC Lo mismo ocurrirá a la inversa. Si enfriamos el vapor de agua, cuando su temperatura alcance los 100 ºC empezará a formar agua líquida y su temperatura no cambiará. Cuando todo el vapor se haya convertido en agua, volverá a bajar la temperatura hasta llegar a 0 ºC, a la que empezará a aparecer hielo y que quedará fija. Cuando toda el agua se haya convertido en hielo, volverá a bajar la temperatura.

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Es decir, mientras se produce un cambio de estado la temperatura permanece fija y constante, siendo la misma tanto cuando enfriamos como cuando calentamos, aunque cada sustancia cambiará de estado a una temperatura propia.

La mayoría de las sustancias, el agua entre ellas, al calentarse funden del estado sólido al líquido y ebullen del estado líquido al gaseoso. Al enfriarse, por contra, condensan del estado gaseoso al líquido y solidifican del estado líquido al sólido. Algunas sustancias, como el hielo seco pasan directamente del estado sólido al gaseoso, subliman. Y al enfriar el gas condensan directamente al estado sólido, pero siempre permanece fija la temperatura a la que cambian de estado.