Termometría y calorimetría
TERMODINÁMICA DE LOS
SISTEMAS BIOLÓGICOS. SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS
TERMOMETRÍA
El
calor es una forma de energía proveniente de la actividad cinética de las
moléculas. La temperatura es el calor relativo a la masa de los cuerpos, es
decir que entre dos cuerpos con igual cantidad de calor el que tenga menor masa
tendrá mayor concentración de calor y por lo tanto mayor temperatura. A pesar
de su estrecha relación con el calor, la temperatura no es una forma de
energía. La temperatura representa la energía cinética promedio de las
moléculas de un cuerpo.
Dos
cuerpos en contacto entres si, si tienen distinta temperatura, intercambian
calor. Para la transferencia de calor de un cuerpo a otro lo que importa es el
gradiente de temperatura. La diferencia de temperatura es la fuerza impulsora
de la transferencia de calor. En ello reside la importancia de la temperatura.
Los
cambios de temperatura determinan cambios en las propiedades físicas de los
cuerpos: longitud, volumen, presión, conductividad, longitud de onda de la
radiación emitida por un cuerpo, etc.
CALORIMETRÍA
La Calorimetría es la parte de la
física que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en
ciertos procesos físicos o químicos.
El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro. Consta de un termómetro que está en contacto con el medio que está midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.
También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volumen constante y los que lo hacen a presión constante. Energía, trabajo y calor
El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro. Consta de un termómetro que está en contacto con el medio que está midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.
También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volumen constante y los que lo hacen a presión constante. Energía, trabajo y calor
La
energía puede estar presente en los cuerpos de tres maneras: en forma de
energía cinética, de energía potencial (la suma de ambas es la energía
mecánica) y de energía química. El calor es una forma de energía cinética, la
energía de la materia en movimiento.
Se define la energía como la capacidad de un
objeto para realizar un trabajo, entendiéndose el trabajo como el movimiento
provocado por esa energía.
La
temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio
o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una
magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema
termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más
específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía
interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los
movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido trasnacional,
rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía
cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es
decir, que su temperatura es mayor.
Actualmente se utilizan tres escalas para
medir la temperatura, la escala Celsius es la que todos estamos acostumbrados a
usar, el Fahrenheit se usa en los países anglosajones y la escala Kelvin de uso
científico.
El
científico sueco Andes Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala
termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del
hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que
se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión
atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo
cual fijó el valor del grado Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo
de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos. Para esta escala, estos
valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados Celsius y 0 grados
Celsius, respectivamente.
En
los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado
Fahrenheit (°F), propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit
difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como
en el tamaño de los grados. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de
ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer
punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de
una a otra escala es preciso emplear la ecuación: t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 o
t(°C) = (5/9) * [t(°F) - 32] donde t(°F) representa la temperatura expresada en
grados Fahrenheit y t(°C) la expresada en grados Celsius. Su utilización se
circunscribe a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada
tendencia a la unificación de sistemas en la escala Celsius.
ESCALA KELVIN O ABSOLUTA
Se
comparan las escalas Celsius y Kelvin mostrando los puntos de referencia
anteriores a 1954 y los posteriores para mostrar cómo ambas convenciones
coinciden. De color negro aparecen el punto triple del agua (0,01 °C, 273,16 K)
y el cero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De color gris los puntos de congelamiento
(0,00 °C, 273,15 K) y ebullición del agua (100 °C, 373,15 K). En la escala
absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15 K, mientras que los 100 °C se
corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura
que un termómetro centígrado señalará como -273,15 °C. Dicha temperatura se
denomina "cero absolutos".
La
escala de temperaturas adoptada por el Sistema Internacional de Unidades es la
llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo
que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 °C. Este
punto llamado cero absolutos de temperaturas es tal que a dicha temperatura
desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la
teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de
valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural
de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas
bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la
ecuación:
T(K)
= t(°C) + 273,15 o t(°C) = T(K) - 273,15
T(K)
= (5/9) * [t(°F) + 459,67] o t(°F) = (9/5) * T(K) - 459,67
siendo
T(K) la temperatura expresada en kelvin.
CALOR
Calor
es la energía transferida entre un sistema y su entorno debida únicamente a una
diferencia de temperatura entre dicho sistema y alguna parte de su entorno. Esa
transferencia o propagación del calor entre un sistema y su entorno o entre dos
sistemas puede llevarse a cabo mediante tres mecanismos diferentes: conducción,
convección y radiación. Calentando una porción de un cuerpo podremos
comprobar que al cabo de un tiempo la temperatura del resto del cuerpo ha
aumentado. El calor se ha propagado a través de la materia, estando en reposo
dichos cuerpos. En este caso se dice que el calor se ha propagado por
conducción y no ha habido desplazamiento de materia.
Si
se calienta la parte inferior de un fluido comprobaremos que la temperatura en
los puntos de su parte superior va aumentando. Pero ahora el fluido no está en
reposo estableciéndose una corriente ascendente y otra descendente a causa de
las variaciones de densidad con la temperatura. En este caso se dice que el calor
se propaga por convección y este tipo de propagación se realiza por transporte
de materia.
Finalmente,
dos cuerpos a temperaturas diferentes, separados y en el vacío. También llegan
a igualar sus temperaturas sin que pueda hablarse de conducción ni de
convección por no tener interpuesto ningún medio material. Se dice que en este
caso el calor se propaga por radiación, y la transmisión del calor se lleva a
cabo por medio de ondas electromagnéticas.
En
los sólidos el calor se transfiere por conducción. Si calentamos el extremo de
una varilla metálica, después de cierto tiempo percibimos que la temperatura
del otro extremo asciende, o sea, el calor se transmitió hasta el extremo
opuesto por conducción. Se cree que esta forma de transferencia de calor se
debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía
cuando existe una diferencia de temperatura entre dos puntos del objeto. Esta
teoría explica, especialmente en el caso de los metales, por qué los buenos
conductores del calor. La plata, el oro y el cobre conducen bien el calor, o
sea, tienen conductividades térmicas elevadas, pero la madera, el vidrio y el
amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores y se
conocen como aislantes térmicos.
CONVECCIÓN
Si
provocamos una diferencia de temperatura dentro de una masa líquida o gaseosa
se producirá un movimiento del fluido que transfiere calor por convección de la
parte más caliente hacia la menos caliente. Esta transferencia cesará cuando
toda la masa del fluido haya alcanzado igual temperatura. A este movimiento
contribuye la diferencia de densidad del fluido, ya que cuando una porción de
este se calienta su densidad suele disminuir y asciende, mientras que el fluido
más frío y más denso desciende con lo que con lo que se inicia el movimiento
circulatorio que permite la homogenización de la temperatura. Por eso los
acondicionadores y refrigeradores de aire deben instalarse cerca del techo y
los radiadores de calor a poca altura del piso de la habitación. Las corrientes
de convección hacen que una sustancia tan mala conductora como el agua se
calienta relativamente rápido. Estas también originan las brisas marinas, ya
que, al incidir los rayos del sol sobre la tierra, esta se calienta más rápido
que los océanos y mares, ello hace que el aire sobre la superficie de la tierra
se caliente más rápido, ascienda y el aire sobre la superficie del mar ocupe su
lugar.
RADIACION
La
propagación del calor por radiación presenta una diferencia fundamental
respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor
no tienen que estar en contacto, sino pueden estar separadas aún por el vacío.
La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de
fenómenos relacionados con las ondas electromagnéticas. La radiación transfiere
calor por radiación electromagnética (en especial infrarroja) y es el principal
mecanismo mediante el cual el Sol calienta a la Tierra. En las montañas, cuando
el sol asciende por el horizonte, se percibe el calor tan pronto como el sol se
hace visible. A este calor, se le denomina calor radiante y está constituido
por ondas electromagnéticas con longitud de onda un poco mayor que la del
espectro visible y que también viajan a la velocidad de la luz. A estas se les
denomina rayos infrarrojos y son invisibles al ojo humano. Un ejemplo común de
la propagación del calor por radiación lo constituyen las hogueras utilizadas
como medio de calefacción en los hogares. Contrario a la creencia generalizada,
el calor que llega a la habitación desde la chimenea es casi todo en forma de
radiación infrarroja emitida por las llamas, brazas y paredes calientes.
ENTALPIA Y LA ENTROPÍA
En
los sistemas moleculares del interior de las células, donde tienen lugar las
reacciones químicas, las variaciones de energía no son tan evidentes como en
los sistemas físicos más usuales y sencillos sujetos a cambios de energía
potencial y cinética, como puedan ser los que se refieren a movimientos de
cuerpos en un campo gravitatorio.
Un sistema químico comprende una gran cantidad
de moléculas diferentes que contienen una cierta cantidad de energía en función
de su estructura. Esta energía puede ser descrita como el contenido en calor o
entalpía (H) de la molécula. Cuando una molécula se transforma en una
estructura diferente mediante una reacción química, su contenido energético
puede cambiar. Su variación de entalpía puede ser negativa, cuando se pierde
calor de la molécula, y éste se libera elevando la temperatura exterior, o
positiva, cuando se capta calor del exterior.
A primera
vista, parece sorprendente que puedan producirse reacciones con una variación
de entalpía positiva, lo que podría compararse, en cierta forma, con un cuerpo
que se elevara a sí mismo del suelo, absorbiendo la energía necesaria del
exterior espontáneamente. Precisamente, en las reacciones químicas una
variación negativa de la entalpía favorece la reacción, mientras que una
variación positiva tiene el efecto opuesto. De todas formas, la variación de la
entalpía no es el único árbitro que determina la viabilidad de las reacciones,
la variación de la entropía (S) tiene mucho que decir en el asunto. La entalpía
también se conoce como entalpía absoluta o cantidad de
calor.
ENTROPÍA
La
entropía puede definirse como el grado de desorden de un sistema. En una
reacción bioquímica, este desorden puede adoptar tres formas:
Las
moléculas no suelen ser rígidas ni permanecer fijas, por lo que pueden vibrar,
girar o rotar. Cuanto mayor es la libertad para consentir estos movimientos
moleculares, mayor es el desorden o la entropía.
En
un sistema bioquímico están implicadas un gran número de moléculas individuales
que pueden encontrarse distribuidas de modo disperso y desordenado o adoptar
algún tipo de disposición ordenada como ocurre en gran medida en las células
vivas.
El
número de moléculas individuales o iones pueden cambiar como resultado de la
transformación química. Cuanto mayor es su número, mayor es el desorden y por
tanto la entropía.
Magnitud termodinámica que mide la parte de la energía noutilizable para realizar trabajo y que se expresa como el cociente entre elcalor cedido por un cuerpo y su temperatura absoluta.
Comentarios
Publicar un comentario