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Termodinámica y Ejercicio Físico

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Los sistemas vivos necesitan energía para funcionar, es decir, son entidades termodinámicas en las que el proceso térmico se caracteriza por el flujo de energía en el interior del cuerpo, y entre el cuerpo y el ambiente que lo rodea. El cuerpo humano necesita regular su temperatura y lo hace mediante mecanismos de retroalimentación (feedback) neuronales que funcionan principalmente a través del hipotálamo. Estos mecanismos son responsables de que el cuerpo humano sude cuando la temperatura de la piel supera los 37ºC, con el fin de que la evaporación del sudor ayude a mantener la temperatura corporal. Si la temperatura de la piel desciende por debajo de ese límite se ponen entonces en marcha otros procesos que persiguen conseguir un ahorro energético e incrementar la producción de calor: vasoconstricción para reducir el flujo calorífico hacia la piel, cese de la sudoración, temblar para incrementar la producción de calor en los músculos y la secreción de determinadas hormonas que incrementan la producción de calor. A pesar de que la cultura del ejercicio físico comenzó a finales de los 70, los primeros estudios sobre el efecto de la actividad física en el consumo energético y la actividad metabólica tardarían en aparecer1. Uno de los trabajos más interesantes e ilustrativos publicados en este sentido fue divulgado en 1985 y analizaba las leyes de la termodinámica en relación con los procesos energéticos que tienen lugar durante la actividad metabólica del cuerpo humano.
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Francisco Fraga López
Departamento de Física Aplicada. Universidad de Santiago de Compostela.
José Manuel Martínez Ageitos
Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Santiago de Compostela.
Javier Miragaya Otero
Departamento de Física Aplicada. Universidad de Santiago de Compostela.
Eugenio Rodríguez Núñez
Departamento de Física Aplicada. Universidad de Santiago de Compostela.
1. Introducción
Los sistemas vivos necesitan energía para funcionar, es decir, son entidades
termodinámicas en las que el proceso térmico se caracteriza por el flujo de energía en el
interior del cuerpo, y entre el cuerpo y el ambiente que lo rodea.
El cuerpo humano necesita regular su temperatura y lo hace mediante mecanismos
de retroalimentación (feedback) neuronales que funcionan principalmente a través del
hipotálamo. Estos mecanismos son responsables de que el cuerpo humano sude cuando la
temperatura de la piel supera los 37ºC, con el fin de que la evaporación del sudor ayude a
mantener la temperatura corporal. Si la temperatura de la piel desciende por debajo de ese
límite se ponen entonces en marcha otros procesos que persiguen conseguir un ahorro
energético e incrementar la producción de calor: vasoconstricción para reducir el flujo
calorífico hacia la piel, cese de la sudoración, temblar para incrementar la producción de
calor en los músculos y la secreción de determinadas hormonas que incrementan la
producción de calor.
A pesar de que la cultura del ejercicio físico comenzó a finales de los 70, los
primeros estudios sobre el efecto de la actividad física en el consumo energético y la
actividad metabólica tardarían en aparecer
1
. Uno de los trabajos más interesantes e
ilustrativos publicados en este sentido fue divulgado en 1985 y analizaba las leyes de la
termodinámica en relación con los procesos energéticos que tienen lugar durante la
actividad metabólica del cuerpo humano
2
.
1
Taubes Gary, The Scientist and the Stairmaster, New York Magazine, Septiembre 2007.
2
Clark, R.P. and Edholm, O.G., A review of “Man and his Thermal Environment”, Ergonomics,
Edward Arnold, London 1366-5847, 28, 9, pp. 1396 – 1397. 1985
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2. Las leyes de la termodinámica y el cuerpo humano
La Termodinámica es una rama de la Física de gran interés para interpretar los
procesos involucrados en el ejercicio físico del cuerpo humano y de la respuesta energética
del organismo ante una determinada actividad.
2.1. La primera ley
Es obvio que el ser humano necesita comer para vivir, pero la razón de esto es
menos obvia. La idea de que los animales necesitan energía porque consumen energía, en
rigor, es incorrecta.
La primera ley de la termodinámica nos indica que la energía no se crea ni se
destruye, sólo se transforma. Este principio se cumple estrictamente en el cuerpo humano,
puesto que éste no consume o destruye la energía adquirida a través de la nutrición, sino
que simplemente la transforma en otras formas de energía: el trabajo realizado y la energía
calorífica disipada. Por lo tanto, el ser humano necesita, para vivir una fuente de energía
externa, que es el alimento. El cuerpo transforma la energía presente en la estructura
química de la comida en calor.
2.2. La segunda ley
El cuerpo humano es un sistema altamente ordenado, prueba de ello es que una
simple proteína está constituida por la unión de un millón de átomos con una secuencia
ordenada. Otro ejemplo a escala microscópica lo podemos encontrar en la compleja
estructura celular.
La segunda ley de la termodinámica establece que un sistema ordenado evoluciona
con una tendencia a alcanzar el máximo desorden, y una vez que éste nivel es alcanzado, el
sistema se detiene. Es por ello que en el cuerpo humano tienen lugar muchos procesos que
permanentemente tratan de alejar al sistema de esta situación de desorden y así prevenir su
fatal detención o muerte. Algunos ejemplos de estos procesos son:
El rozamiento que se produce en la circulación sanguínea a través de las venas y
las arterias hace que la energía cinética se transforme en calor y disminuya el
flujo sanguíneo. El corazón es el músculo o “bomba” responsable de suministrar
la energía necesaria para vencer esa fricción circulatoria y conseguir una presión
y caudal de sangre adecuados. Si la energía suministrada por el corazón no fuese
suficiente, el flujo sanguíneo se ralentizaría y podría llegar incluso a detenerse.
La concentración de minerales dentro de una célula es diferente de su entorno, lo
que representaría un sistema ordenado. La tendencia natural es alcanzar un
equilibrio con el entorno. Siempre se debe realizar un trabajo para impedir un
desequilibrio entre la célula y el entorno que pueda causar la muerte celular.
Por lo tanto, los procesos vitales tratan de mantener estructuras ordenadas en el
cuerpo humano, realizando siempre un trabajo en contra de la tendencia natural de alcanzar
el máximo desorden. Es decir, todos nuestros sistemas tienden hacia el desorden en base al
segundo principio de la termodinámica. Por ello siempre será necesario realizar un trabajo
para recuperar el orden en los procesos metabólicos. La energía necesaria para realizar este
trabajo es obtenida a partir de los procesos metabólicos de combustión de los alimentos.
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Excepto aquella energía necesaria para la actividad basal y muscular del cuerpo,
toda la energía producida en la metabolización se convierte en calor mediante procesos de
rozamiento. Una vez que el organismo ha alcanzado su temperatura normal, el exceso de
energía calorífica debe ser eliminada a través de los mecanismos de disipación de energía
que posee. Esta eliminación de energía tiene lugar debido a que el cuerpo no tiene
capacidad para transformar la energía calorífica en trabajo, ya que éste sólo puede
obtenerse a partir de la energía química de enlace (presente en las moléculas de los
alimentos).
Esta limitación del cuerpo humano en su eficacia de transformación de energía se
ve reflejada no sólo de manera cualitativa sino también cuantitativa: con una diferencia de
temperatura de 7 grados (37ºC en el interior y 30ºC en el exterior) la eficiencia en la
conversión es sólo de un 2%.
3. La actividad metabólica y la termodinámica
El metabolismo es el conjunto de todos los procesos químicos que tienen lugar en
las células del cuerpo y que pueden clasificarse en:
Procesos anabólicos, en los cuales se construyen nuevas moléculas.
Procesos catabólicos, en los que las enzimas rompen los alimentos mediante
hidrólisis.
Procesos de fosforolisis a nivel celular.
En estos procesos químicos se transfiere y se genera energía. Si la velocidad de las
reacciones metabólicas aumenta, entonces también se incrementa la velocidad de
generación de energía. Según esto, para alcanzar ciertos niveles físicos de esfuerzo, el
cuerpo necesita determinadas cantidades extra de energía. Este hecho se hace más
relevante en el caso de rendimiento atlético y condiciones de supervivencia. Así, mientras
que un hombre sedentario genera y consume aproximadamente 0,07 kJ/kg min de energía,
un corredor de maratón necesitaría alrededor de 1,1 kJ/kg min.
La demanda media diaria de energía suele estar comprendida entre 2000 y 3000
kcal. Pero el consumo de energía depende del estilo de vida de la persona. Así por ejemplo
mientras el consumo energético de un atleta puede encontrarse entre 7000 y 10000
kcal/día, para un minero puede ser de 6000 kcal/día. En la tabla 1 se indica el consumo
energético que requieren diversas actividades físicas.
Tabla 1.- Coste energético de diferentes actividades físicas.
Actividad física Coste energético
(kJ/min)
Estar de pié 6-10
Caminar 5-22
Jugar a volleyball 14-39
Correr (jogging) 25-44
3.1. Velocidad metabólica
El cuerpo humano utiliza la energía metabólica para la circulación sanguínea, la
obtención del oxígeno, la reparación de las células, etc. La cantidad de energía consumida
por una persona depende directamente de su peso y de su constitución corporal. De todas
formas la cantidad de energía consumida por una persona durante una actividad física
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dividida por su superficie corporal es aproximadamente la misma para la mayoría de la
gente. En la tabla 2 podemos observar diferentes valores de la velocidad de metabolización
en función de la actividad desarrollada por un hombre.
Tabla 2.- Velocidad metabólica en diferentes actividades físicas.
Actividad física Velocidad metabólica
(cal/m
2
h)
Dormido 35
En reposo pero despierto 40
Caminando 140
Trabajo físico moderado 150
Andando en bicicleta 250
Una buena estimación de la superficie corporal viene dada por la siguiente
expresión:
725.0425.0
202.0 hPA = (ec. 1)
Donde P es el peso de una persona en kg y h es su altura en metros. En base a esta
expresión para un hombre de 70 kg y 1,55 m de altura la superficie corporal estimada es
de:
2725.0425.0
m 70,1)55,1()70(202.0 ==A (ec. 2)
La potencia consumida por un hombre viene dada por el producto de la velocidad
de metabolización (tabla 1) por la superficie corporal. En el caso de una persona en reposo,
el resultado sería de:
cal/h 68m 70.1hcal/m 40
22
=== AvE
m
(ec. 3)
3.2. Ciclo de Krebs
El cuerpo humano se nutre con los alimentos que consume, constituidos
básicamente por carbohidratos, grasas, aceites y proteínas. Los carbohidratos se convierten
en glucosa, las proteínas en aminoácidos y las grasas en ácidos grasos. La sangre los
trasporta, junto con el oxígeno, hacia las células donde las enzimas mediante un proceso de
glicólisis convierten la glucosa en ácido pirúvico. Las grasas y la mayoría de los
aminoácidos se convierten en ácido acetoacético. Posteriormente se transforman en acetil
coenzima A (Acetil-CoA) y mediante un proceso de oxidación se produce adenosin
trifosfato (ATP), dióxido de carbono y agua. El proceso global se conoce con el nombre de
Ciclo de Krebs.
El ATP genera la energía necesaria que puede ser usada por las células. Esta
energía es almacenada en los enlaces fosfato cuando el adenosin difosfato (ADP) se
convierte en ATP, y se libera en forma de calor en el proceso inverso. La energía calorífica
es transportada por la sangre a través de todo el cuerpo y también por medio de un proceso
de conducción entre las células y su entorno.
3.3. Tasa metabólica basal (TMB)
La Tasa metabólica basal (TMB) es la energía consumida por un cuerpo vivo en
reposo. Se corresponde con la energía para mantener las funciones vitales de respiración,
temperatura corporal, latido cardíaco y producción de tejidos. Esta tasa es
aproximadamente igual a la velocidad metabólica mientras dormimos.
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La tasa metabólica basal se emplea para mantener en funcionamiento los siguientes
órganos o sistemas:
25% de la TMB para el sistema nervioso.
20% para el hígado.
7% para los riñones.
7% para el corazón
31% para el trabajo muscular.
3.4. La termodinámica y el metabolismo
Todo esto demuestra que los organismos vivos están formados por estructuras
ordenadas regidas por la primera y la segunda ley de la Termodinámica donde los procesos
térmicos están caracterizados por un flujo de calor entre el cuerpo y el medio que lo rodea.
Para que exista un balance energético constante entre el cuerpo y el entorno, teniendo en
cuenta que las temperaturas de ambos sistemas permanecen constantes, la cantidad de
energía producida debe ser igual a la cantidad de energía disipada.
Una vez más podemos recurrir a la primera ley de la termodinámica
3
, sin más que
realizar un analogía entre la energía calorífica aportada al cuerpo (dQ) y la velocidad
metabólica (dM), entre la variación de energía interna (dU) y la producción de energía
generada en el metabolismo del cuerpo (dE), y por último entre el trabajo (dW) y el trabajo
externo realizado por el cuerpo (dW). La expresión que nos queda para el primer principio
es:
dWdEdM
+
=
(ec. 4)
dE se mide en W/m
2
y varía de un individuo a otro dependiendo de la actividad
realizada y de la superficie corporal. Por término medio la superficie corporal del cuerpo
humano es de 1.70 m
2
, y su masa promedio se encuentra entre 65-70 kg para un hombre y
de unos 55 kg para una mujer. La energía producida en los procesos metabólicos del
cuerpo es gobernada por la primera ley de la termodinámica y permite determinar la
cantidad de calor generada en estos procesos.
La segunda ley de la termodinámica nos puede ayudar a explicar la dirección y el
equilibrio que se produce en los procesos metabólicos. Se puede utilizar la entropía para
comprender la dirección en que tiene lugar un proceso metabólico concreto, ya que la
entropía aumenta en la dirección en la que un proceso tiene lugar. En la oxidación de la
glucosa una cantidad de energía es perdida en forma de calor, para que la temperatura del
cuerpo se mantenga constante. En un gran número de ejercicios físicos la energía
potencial se transforma en energía cinética y posteriormente parte de esta energía se disipa
en forma de calor. A causa de este proceso la entropía de los alrededores del cuerpo (la del
Universo) aumentaría.
Siempre y cuando las condiciones a nivel celular se mantengan a temperatura
constante, es decir, que el proceso sea isotermo, la variación de la entropía es una función
de la energía transformada por el cuerpo:
T
dQ
dS
cuerpo
universo
= (ec. 5)
3
Ortuño Ortín, M. Física para Biología, Medicina, Veterinaria y Farmacia. Crítica, Grijalbo
Mondadori. Barcelona, 1996.
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Esta ecuación indica que la energía perdida por el cuerpo implica un aumento en la
entropía de los alrededores del mismo.
Por combinación de las expresiones de la primera y segunda ley de la
termodinámica y teniendo en cuenta la definición de trabajo se obtiene la siguiente
expresión:
PdVdW
=
(ec. 6)
PdVTdSdU
=
(ec. 7)
Teniendo en cuenta la definición de entalpía, podemos reescribir la ecuación
anterior como:
VdPPdVdUdH
+
+
=
(ec. 8)
VdPTdSdH
+
=
(ec. 9)
A partir de estas expresiones podemos definir la energía libre de Gibbs, como:
TdSdHdG
=
(ec. 10)
Expresión conocida como ecuación de Gibbs y que puede ser empleada como
indicativo de la espontaneidad de los procesos (G<0). Es decir, indicar la posibilidad de
que un cambio físico o químico tenga lugar en un proceso metabólico. Esta energía libre
depende de varios factores, entre los que podemos destacar: naturaleza de los reactantes, su
concentración y su cantidad.
Para ilustrar la utilidad de esta variable termodinámica en una reacción metabólica
podemos considerar la reacción de hidrólisis del ATP para convertirse en ADP, donde la
variación de energía libre de Gibbs es de -55 kJ/mol, lo que indicaría que éste sería un
proceso espontáneo.
3.5. El control de la temperatura corporal
El proceso de regulación de la temperatura corporal es un claro ejemplo del trabajo
realizado por los mecanismos del cuerpo para tratar de alcanzar el equilibrio térmico.
El sistema de control de la temperatura corporal regula la generación y disipación
de energía en el cuerpo humano y realiza el ajuste de temperatura en cada instante. Un
esquema simplificado del sistema de control se indica en la figura 1.
Hipotálamo
Sensores
internos
ACTIVIDADES:
Metabolismo
Muscular
Circulación
sudoración
Sensores
de la piel
referencia
interior
músculos
37,1ºC
Piel (33- 38ºC)
Ambiente
exterior
Tª interna
Tª piel
Hipotálamo
Sensores
internos
ACTIVIDADES:
Metabolismo
Muscular
Circulación
sudoración
Sensores
de la piel
referencia
interior
músculos
37,1ºC
Piel (33- 38ºC)
Ambiente
exterior
Tª interna
Tª piel
Figura 1. Elementos del sistema de control de la temperatura en el cuerpo humano
.
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Empleando una simple aproximación, en el cuerpo humano podemos distinguir un
gradiente de temperaturas entre la temperatura interna y la temperatura de la piel. El
sistema nervioso transmite estos valores al centro de control en el hipotálamo para
mantener constante la temperatura interna en 37,1ºC (este valor de temperatura normal o
de referencia es distinto para cada individuo). Al mismo tiempo los nervios registran
cualquier cambio de temperatura de la piel y transmiten al hipotálamo tanto su valor como
su velocidad de cambio para mantenerla en un rango entre 33ºC y 38ºC.
Además de los tres mecanismos físicos de transmisión de calor: conducción,
convección y radicación, el proceso de disipación de calor empleado por el cuerpo para
provocar un descenso en la temperatura es la sudoración a través de la piel. La sudoración
produce una pérdida de calor debida a la evaporación del sudor (hasta 1 litro por hora), ya
que su calor latente es aproximadamente de 580 kcal/l. Si el cuerpo se encuentra en un
entorno con aire húmedo, las pérdidas por evaporación están limitadas por el proceso de
transmisión de calor que tiene lugar para eliminar el sudor de la piel.
La disipación de calor corporal se conoce normalmente como pérdida de calor por
convección. Esta transferencia de calor tiene lugar entre la superficie de un sólido y un
fluido debido al movimiento de éste último
4
. El mecanismo real es una combinación de un
proceso de conducción en la interfase sólido-fluido y el movimiento del fluido al que se
transfiere la energía. Este flujo de calor por convección desde la superficie de la piel al aire
se puede expresar matemáticamente por la ley de enfriamiento de Newton:
(
)
ambpiel
TTAh
t
Q=
(ec. 11)
Donde h es el coeficiente de transmisión de calor por convección, A es la superficie
corporal expuesta, T
piel
y T
amb
son respectivamente las temperaturas de la piel y del aire. El
coeficiente de transmisión de calor depende del fluido y de su movimiento sobre la
superficie (velocidad del aire).
En el caso de un cuerpo desnudo sometido a una brisa de aire de 0,1 m/s (h= 7,64
kcal/m
2
h ºC), con una temperatura superficial de 36ºC y una temperatura ambiente de
22ºC, las pérdidas de calor por convección serían 181,83 kcal/h.
Si la temperatura del cuerpo humano se encuentra en un nivel normal (sobre 37ºC),
la evaporación de 1 l de sudor ocasiona una pérdida de calor de 580 kcal. Incluso cuando
una persona no está sudando, existe una cierta evaporación de agua a través de la piel y los
pulmones a una velocidad aproximada de 450 a 600 ml /día. Esto provoca una continua
pérdida de calor de 12-16 cal/h.
4. Conclusión
Las leyes de la termodinámica son leyes que regulan desde el punto de vista
térmico todos los procesos naturales, y dentro de estos se encuentra el funcionamiento del
cuerpo humano. El ejercicio físico es una actividad que lleva asociada procesos
termodinámicos en los que, como hemos visto, intervienen diferentes órganos, sistemas de
control y por supuesto la metabolización de los alimentos. De todo ello podemos concluir
que somos lo que comemos, ya que nuestra alimentación constituye el aporte energético
para cualquier tipo de actividad.
4
Wark Jr, Kenneth. y. Richards, Donald E., Termodinámica, 6ª edición, Mc-Graw-Hill. Madrid,
2001.
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