Curso de termodinâmica/Trabalho, calor e metabolismo - Aplicação aos seres vivos

Primeira lei da da termodinâmica
Primeira lei	Trabalho	Enthalpia	C.calorífica	G. perfeitos	Termoquímica	Metabolismo

Os seres vivos são sistemas abertos, o que quer dizer que além da energia, eles trocam também matéria com o seu meio ambiente. Eles ficam porém submetidos às mesmas leis físicas que todos os objetos no universo, inclusive as leis da termodinâmica. A termodinâmica permite de explicar numerosos fenômenos biológicos.

Foi verificado experimentalmente que a primeira lei da termodinâmica aplica-se aos seres vivos colocando o ser vivo num calorímetro durante alguns dias, medindo:

• a natureza e a quantidade de comida absorvida, o conteúdo energético destes alimentos sendo medido também.
• a energia de combustão das fezes.
• a quantidade de energia térmica perdida pelo organismo.
• a quantidade de energia mecânica fornecida pelo organismo. Torna-se este quantia negligenciavel mantendo o sujeito em repouso absoluto.

Os resultados calculados que seriam obtidos colocando um ser humano num calorímetro, são os seguintes:

1. energia de combustão da comida absorvida: 10887 kJ.dia^-1
2. energia de combustão das fezes 1025 kJ.dia^-1
3. calor gasto pelo organismo: 10029 kJ.dia^-1

A conversão:

alimentos$\rightarrow$produtos de combustão$+$fezes

que chamamos metabolismo, se acompanha de uma perda de energia para o sistema:

$\Delta E_{metabolismo}\;=\;-10887-(-1025)\;=\;-9862kJ.dia^{-1}$

que é igual ao calor gasto pelo organismo, 10029 kJ.dia^-1 ( com um erro só de 1.6%) .

De modo geral, a primeira lei aplicada aos seres vivos escreve-se:

onde todos os termos são negativos.

Trocas de calor entre o ser humano e seu meio ambiente

Mesmo na ausência de exercícios físicos(W=0), uma certa velocidade de metabolismo é necessária para manter o corpo na sua temperatura. Durante uma atividade física (W<0), a velocidade de metabolismo aumenta. Como o organismo não pode controlar perfeitamente a conversão de energia, o exercício físico acompanha-se de uma produção maior de energia térmica Q, que o corpo deve eliminar. A uma temperatura ambiente de 23°C, o calor produzido pelo metabolismo é perdido por quatro processos:

• condução: A condutibilidade térmica do ar é fraca e só 10% do calor é eliminado por condução. Na água, a condutividade é muito mais importante; mergulhado na água a 0°C, um ser humano só pode sobreviver alguns minutos.

• convecção (3%): o calor é extraído pela substituição constante do ar quente por ar frio em contato com o corpo (nos pulmões, por exemplo)
• radiação (67%): o calor é transportado sob forma de ondas eletromagnéticas (principalmente infravermelho).
• Evaporação seca ou úmida (20%): a perda de água por evaporação é a aproximadamente de 30 g por hora.

A qualquer temperatura ambiente acima de 31°C, o calor é eliminado a 100% por evaporação. O volume de água perdido pelo corpo pode, nesta condição, atingir 1 litro por hora. A velocidade de evaporação depende da umidade relativa do ar, quer dizer da quantidade de vapor de água presente na atmosfera. Levando em conta o valor elevado da energia de vaporização (44 kJ.mol^-1), a dissipação do calor por evaporação pode ser muito eficiente. Assim, no ar perfeitamente seco, um ser humano pode sobreviver a uma temperatura ambiente de 127°C, do lado de um bife fritando.