GUIA No. 3

Trabajo y energía

1. ¿Cómo se demuestra el Teorema de la conservación de la Energía en la vida cotidiana?

El fuego es la manifestación más potente de la energía. De la importancia de su aparición en la vida humana dan cuenta multitud de vestigios arqueológicos, y las antiguas leyendas narran su procedencia divina y cómo el robo de una antorcha encendida; cuando se piensa en grandes cantidades de energía, se recuerda la bomba de hidrógeno. Sin embargo, incluso la inmensa energía de la bomba es pequeña comparada con la energía del sol, de un huracán tropical o de las mareas.

Gran parte de la historia de la civilización puede escribirse en función del uso y dominio crecientes de la energía.

Ahora bien, la energía es la capacidad que poseen los cuerpos y sistemas para realizar un trabajo. Esta propiedad se evidencia en formas diversas que pueden transformarse e interrelacionarse.

Un trabajo efectuado sobre un cuerpo o sistema de cuerpos supone un aumento de su energía. Así, el curvar un arco o someter a torsión un muelle, se almacena en ellos energía en forma elástica que se pone de manifiesto al lanzar la flecha o desenrollar el muelle. En este proceso se produce sólo cesión de energía entre los componentes del sistema, de modo que el balance global es nulo. Este fenómeno, conocido como principio de conservación de la energía no se crea ni se destruye, sufriendo únicamente transformaciones de unos estados a otros, y constituyó uno de los axiomas de la física hasta que fue superado tras la aparición de las teorías relativistas de Albert Einstein.

La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor. Dicho de otra forma: la energía puede transformarse de una forma a otra o transferirse de un cuerpo a otro, pero en su conjunto permanece estable (o constante).
2. ¿Cómo afectan las temperaturas extremas (altas o bajas) la salud de los humanos?

El calor se pierde por la radiación, la convección y la evaporación, de manera que en condiciones normales de descanso la temperatura del cuerpo se mantiene entre 36.1 y 37.2 grados centígrados.

En condiciones de frío, cuando el cuerpo necesita mantener y aun generar calor, el centro termorregulador hace que los vasos sanguíneos se constriñan y la sangre se desplace de la periferia a los órganos internos, produciéndose un color azulado y una disminución de la temperatura en las partes dístales del cuerpo. Así mismo se incrementa el ritmo metabólico mediante actividades incontroladas de los músculos, denominadas escalofríos.

Efectos del calor en la salud: Cuando el trabajador está expuesto a altos niveles de calor radiante o dirigido puede llegar a sufrir daños sobre la piel, cuando la temperatura es superior a 45 grados centígrados puede quemar el tejido. Los efectos calves de una temperatura elevada ocurren, si la temperatura profunda del cuerpo se incrementa a más de 42 grados centígrados, es decir, se aumenta más o menos en 5 grados.

Las razones que pueden llevar a hipotermia son:

ü  Condiciones ambientales muy húmedas que ejercen demasiada presión contra la piel, impidiéndole reducir el calor por medio del sudor que se evapora.

ü  Por condiciones ambientales demasiado calientes que interfieren el sistema regulador del organismo que intenta contrarrestar los efectos de temperaturas altas.

ü  Puede ser causado por efectos aislantes de la ropa protectoras debido a la impermeabilidad de ésta y a sus propiedades de retención de calor.

Estrés por calor o golpe de calor: Se produce cuando la temperatura central sobrepasa los 42 grados centígrados independientemente del grado de temperatura ambiental, El ejercicio físico extenuante puede producir este golpe de calor.

Convulsiones con sudoración profusa: Pueden ser provocadas por una exposición a temperaturas altas durante un periodo relativamente prolongado, particularmente si está acompañado de ejercicio físico pesado con pérdida excesiva de sal y agua.

Agotamiento por calor: Es el resultado de ejercicio físico en un ambiente caliente. Sus signos son: temperatura regularmente elevada, palidez, pulso aumentado, mareos, sudoración profusa y piel fría y húmeda

Efectos del frío en la salud

Clínicamente se puede decir que un estado de hipotermia existe cuando la temperatura central del cuerpo es cercana los 35 grados centígrados. Con temperaturas inferiores el riesgo de muerte aumenta por un para cardiaco. Si la temperatura interna sigue disminuyendo, el ritmo cardiaco disminuye. Cuando ya no puede compensarse la pérdida de calor durante más tiempo, la temperatura interna desciende hasta cerca de los 30 grados en que gradualmente se detiene en escalofrío reemplazándose por una rigidez muscular.

Efectos de la exposición al frío: Cualquier condición de ambiente frío, puede inducir a la disminución de la actividad en cinco áreas: sensibilidad táctil, ejecución manual, seguimiento, tiempo de reacción, las cuales se encuentran en las categorías de ejecución motora y cognoscitiva.

Ejecución motora: En esta categoría son importantes dos factores: la temperatura de las extremidades que se usan y el ritmo de enfriamiento.

La temperatura de la extremidad afecta la sensibilidad motora porque el frío causa la perdida de la sensibilidad cutánea.

Ejecución cognoscitiva: Que es la habilidad para pensar, juzgar y razonar, se disminuye.

Preguntas generadoras

1. ¿Cuál es la equivalencia entre masa y energía?

La equivalencia entre la masa y la energía dada por la expresión de la teoría de la relatividad de Einstein. 

indica que la masa conlleva una cierta cantidad de energía aunque la primera se encuentre en reposo, concepto ausente en mecánica clásica, esto es, que la energía en reposo de un cuerpo es el producto de su masa por su factor de conversión (velocidad de la luz al cuadrado), o que cierta cantidad de energía de un objeto en reposo por unidad de su propia masa es equivalente a la velocidad de la luz al cuadrado:

Este Principio establece nuevos conceptos que deben destacarse:

1.      La energía relativista: Representa la energía total que se podría obtener (en forma de radiación) si lográramos convertir toda la masa relativista en energía, tal como sucede en el fenómeno conocido como "aniquilación de pares". Por primera vez se dispone de un cálculo de energía total válido para cualquier sistema físico, cuyo valor tiene significado físico. Se hace notar que las magnitudes tales como Energía interna (Termodinámica), Energía potencial (Campos conservativos), Energía mecánica (Mecánica clásica), están definidas a menos de una constante arbitraria y su valor numérico no tiene significado físico.

2.      La energía total de una partícula en reposo, “almacenada” en su masa propia, está dada por E=m₀ c². Los mecanismos de conversión de masa en energía radiante y viceversa, fueron estudiados durante la primera mitad del siglo XX, principalmente con el formalismo de la Teoría Cuántica de Campos (iniciada en la década del 20), actualmente en desarrollo.

3.      El Principio permite dar una definición de masa (relativista) compatible con partículas no masivas, es decir sin masa propia (fotones), generando una coherencia lógica, general y sin limitaciones, con la definición de cantidad de movimiento propuesta (p=mv). Se define como masa de cualquier sistema físico, sea puntual o extenso, masivo o no masivo (masa propia nula), al escalar obtenido del cociente entre la Energía total. Su expresión matemática es:    

m= E/c² 

4.      Los Principios de conservación de la masa y de la energía, que se formularon de manera independiente para sistemas aislados, ahora se relacionan en un único Principio pues masa y energía están relacionadas por el Principio de Equivalencia entre masa y energía.  

2. ¿Cómo se regula el calor en el ser humano?

La termorregulación es la capacidad del cuerpo para regular su temperatura, dentro de ciertos rangos, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente. Los animales homeotermos tienen capacidad para regular su propia temperatura.

La temperatura normal del cuerpo de una persona varía dependiendo de su sexo, su actividad reciente, el consumo de alimentos y líquidos, la hora del día y, en las mujeres, de la fase del ciclo menstrual en la que se encuentren. Tradicionalmente la Medicina considera que la temperatura corporal normal -tomada oralmente- oscila entre 36,5 y 37,5 °C en el adulto saludable; el valor promedio viene a ser 37ºC.

Tres estudios diferentes recientes sugieren que la temperatura promedio en adultos saludables es de 36,7 °C. Las variaciones entre los tres estudios (con una sola desviación estándar) son las siguientes:

§  36,5 a 37,9 °C.

§  36,3 a 37,1 °C en varones; 36,5 a 37,3 °C en mujeres.

§  36,6 a 37,3 °C.

Reacciones en el ser humano a las diferentes temperaturas corporales:

§  37 °C: temperatura normal del cuerpo (tomada en cavidad oral). Puede oscilar entre 36,5 y 37.5,8 °C

§  38 °C: se produce un ligero sudor con sensación desagradable y un mareo leve.

§  39 °C (pirexia): existe abundante sudor acompañado de rubor, con taquicardias y disnea. Puede surgir agotamiento. Los epilépticos y los niños pueden sufrir convulsiones llegados a este punto.

§  40 °C: mareos, vértigos, deshidratación, debilidad, náuseas, vómitos, cefalea y sudor profundo.

§  41 °C (urgencia médica): todo lo anterior más acentuado, también puede existir confusión, alucinaciones, delirios y somnolencia.

§  42 °C: además de lo anterior, el sujeto puede tener palidez o rubor. Puede llegar al coma, con hiper o hipotensión y una gran taquicardia.

§  43 °C: normalmente aquí se sucede la muerte o deja como secuelas diversos daños cerebrales, se acompaña de continuas convulsiones y shock. Puede existir el paro cardiorrespiratorio.

§  44 °C: la muerte es casi segura; no obstante, existen personas que han llegado a soportar 46 °C.

§  47 °C o superior: no se tienen datos de personas que hayan experimentado esta temperatura.

3. ¿Cómo se regula el calor en los animales?

La temperatura de un animal es la cantidad de calor por unidad de masa de tejido. El calor corporal es el calor producido por el animal; es un balance entre calor ganado-calor perdido, que es igual al calor producido más la transferencia de calor.

La temperatura del animal es un balance entre la producción y el intercambio de calor.

La producción de calor del animal se lleva a cabo mediante tres mecanismos:

ü  Mecanismos de comportamiento: Determinadas actividades o actitudes incrementan la tasa metabólica y la producción de calor: Ejercicio físico, galope de un caballo, etc.

ü  Mecanismos autónomos: Movilización de las reservas de grasa del organismo, aumentando la tasa metabólica y el calor. Es un mecanismo involuntario.

ü  Mecanismos adaptativos: Adaptaciones a las pérdidas de calor o excesivo calentamiento: Grasa subcutánea, pelo de mamíferos...

TRANSFERENCIA DE CALOR: La transferencia de calor se produce por tres vías:

ü  Superficie corporal: Los animales de gran tamaño tienen una superficie corporal relativa. Los animales pequeños tienen más superficie corporal relativa y mayor transferencia de calor.

ü  Gradiente de Tº ambiental y Tº corporal: Si hay una gran diferencia entre la temperatura ambiental y la corporal, se ponen en marcha mecanismos especiales que no funcionan a menor gradiente, positivo o negativo. A mayor gradiente, mayor transferencia de calor.

ü  Conductancia específica de los animales al calor: Los animales que no regulan su Tº tienen mayor conductancia específica que los que la regulamos.

MECANISMOS FÍSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

ü  CONDUCCIÓN. No hay movimiento de los componentes; el calor se transfiere molécula a molécula

ü  CONVECCIÓN. Hay movimiento del medio

ü  EVAPORACIÓN. Paso de líquido a gas, con pérdida de calor

ü  RADIACIÓN. En el infrarrojo.

ESTABILIDAD DE LA Tº CORPORAL

En función a ella diferenciamos:

ü  Animales homeotermos: Mantienen estable su Tº corporal

ü  Animales poiquilotermos: Su Tº oscila en función de la Tºamb.

Hay poiquilotermos que pueden mantener su Tº bastante estable. Fisiológicamente es más correcto clasificar a los animales en función de la fuente de calor. Distinguimos:

ü  Animales endotermos: Producen calor por su propio metabolismos. Este calor es el que mantiene su Tº corporal. Son aves y mamíferos. Un animal endotermo-homeotermo es aquel que es capaz de generar calor y mantener su Tº estable.

ü  Animales ectotermos: La fuente de calor es el exterior del animal.

ü  Animales heterotermos: Es un caso intermedio. Su fuente de calor es interna, pero no son capaces de mantener estable su Tº. Podemos diferenciar dos tipos:

· Heterotermos temporales: La variación de calor se produce a lo largo del tiempo.

· Heterotermos regionales: A lo largo de la estructura del organismo hay varias regiones con distinta temperatura.

FUNCIONES TERMORREGULADORAS

Los no mamíferos tienen, a lo largo de su superficie, diferentes tipos de receptores. El mecanismo mejor estudiado es el de mamíferos.

RECEPTORES

Tenemos distintos tipos de receptores del calor (neurorreceptores termosensibles):

ü  Receptores periféricos: En piel. Miden la Ts.

ü  Receptores medulares: En médula espinal. Miden la Tc.

ü  Cerebro: En el hipotálamo. Actúa como termostato los mamíferos. Miden la temperatura de referencia. Todos los ajustes de Tº en mamíferos tienen que ser en base a esta Tº de referencia.