Examen Tipo Test: Bloque III (Termodinámica y Termorregulación)

Bajo el criterio de signos "egoísta" establecido en tu temario de termodinámica, si un sistema biológico absorbe una cantidad de calor de 100 cal del entorno y realiza un trabajo de expansión sobre sus alrededores equivalente a 418.4 J, ¿cuál es la variación neta de su energía interna (ΔU)?. ΔU = +836.8 J. ΔU = -836.8 J. ΔU = 0 J. ΔU = -200 cal.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe correctamente la diferencia entre una "variable o función de estado" y una "variable de trayectoria o camino" según las leyes de la termodinámica?. La energía interna (U) y la entalpía (H) dependen del camino seguido para llegar a un estado, mientras que el calor (Q) y el trabajo (W) son independientes del camino. El calor (Q) y el trabajo (W) son funciones de estado porque su suma (Q+W = ΔU) es independiente del camino seguido, coincidiendo con la variación de energía interna. La energía interna (U), la entalpía (H) y la entropía (S) son funciones de estado cuyos valores finales e iniciales determinan el cambio total de forma independiente al proceso, mientras que el calor (Q) y el trabajo (W) dependen del camino específico seguido. Solo las variables intensivas como la temperatura (T) y la presión (P) son funciones de estado, mientras que todas las variables extensivas son funciones de trayectoria.

Para predecir de forma autónoma la espontaneidad de un proceso biológico sin necesidad de medir los parámetros del ambiente exterior, se definen potenciales termodinámicos basados exclusivamente en las propiedades del propio sistema. ¿Qué criterios de espontaneidad rigen a estos potenciales?. A temperatura y presión constantes, un proceso es espontáneo si la variación de energía libre de Gibbs es menor o igual a cero (ΔG ≤ 0); a temperatura y volumen constantes, es espontáneo si la variación de energía libre de Helmholtz es menor o igual a cero (ΔF ≤ 0). Un proceso es espontáneo únicamente si la entropía del sistema aislado disminuye progresivamente (ΔS_sistema < 0) para contrarrestar el desorden ambiental. A temperatura y presión constantes, la energía libre de Gibbs del sistema jamás puede disminuir, por lo que ΔG ≥ 0 representa la espontaneidad. El trabajo útil máximo que puede obtenerse en un proceso reversible a presión y temperatura constantes viene dado exclusivamente por la variación de la energía libre de Helmholtz (ΔF).

Desde una perspectiva termodinámica, ¿por qué se describe al cuerpo humano como un sistema abierto inestable y cómo se relaciona esto con la vida, la nutrición y la muerte?. Porque al ser un sistema cerrado, conserva su energía interna constante y utiliza la nutrición para liberar calor latente que reduce su entropía a cero. Porque es un sistema inestable que no está en su estado de máxima entropía. Para mantenerse vivo, debe ingerir nutrientes de baja entropía (alta energía libre) y expulsar continuamente el exceso de entropía al exterior en forma de compuestos más desordenados (CO2 y H2O); la muerte equivale al estado de máxima entropía (equilibrio termodinámico inactivo). Porque la primera ley de la termodinámica exige que los seres vivos acumulen entropía libre de Gibbs de manera ilimitada para realizar trabajos internos. Porque la alimentación introduce desorden molecular directo para igualar la entropía del organismo con la del universo.

En el contexto de la biofísica de la termoregulación, ¿cuál es la diferencia fundamental en la estrategia que emplean los animales poiquilotermos y los homeotermos para cumplir la ecuación del equilibrio térmico (Qt = Qp) ante variaciones de la temperatura exterior?. Los poiquilotermos mantienen su temperatura corporal (Tc) constante variando su resistencia térmica (R), mientras que los homeotermos mantienen su resistencia térmica (R) constante variando su temperatura corporal (Tc). Los poiquilotermos no regulan su resistencia térmica (R ≈ constante), por lo que su temperatura corporal (Tc) varía con el ambiente y su metabolismo; los homeotermos mantienen su temperatura corporal (Tc) constante regulando activamente su resistencia térmica (R) corporal. Ambos tipos de animales mantienen su temperatura corporal idéntica gracias a que modifican su tasa de termogénesis mediante el metabolismo basal de reposo de forma simétrica. Los homeotermos dependen de fuentes térmicas externas como el sol para variar su resistencia (R), mientras que los poiquilotermos generan calor mediante escalofríos involuntarios continuos.

¿Por qué el sudor constituye un mecanismo termorregulador de reserva extremadamente potente y bajo qué circunstancias ambientales disminuye críticamente su eficacia disipadora (termólisis)?. Porque la evaporación del sudor libera calor latente hacia el interior celular. Su eficacia disminuye críticamente con el viento fuerte porque este satura el aire circundante. Porque el sudor es efectivo incluso si gotea de la piel sin evaporarse. Su eficacia disminuye cuando la temperatura ambiental es inferior a la temperatura corporal. Porque la evaporación del agua absorbe del cuerpo una cantidad masiva de calor latente de vaporización (≈ 540 cal/g). Su eficacia disminuye críticamente en ambientes muy húmedos y cálidos en calma, ya que la baja tasa de evaporación impide que el sudor se volatilice eficazmente. Porque el sudor actúa exclusivamente mediante conducción directa por contacto. Su eficacia disminuye cuando el paciente se sumerge en agua helada.

¿Mediante qué mecanismo fisiológico regula el sistema circulatorio la resistencia térmica (R) de la periferia corporal ante una exposición prolongada al frío intenso?. Produciendo vasodilatación cutánea masiva para aumentar la transferencia de calor por convección hacia los capilares superficiales. Produciendo vasoconstricción cutánea; los capilares de la piel se contraen, desviando la sangre hacia vasos más profundos, lo que obliga al calor a atravesar una capa más gruesa de tejido, aumentando la resistencia térmica efectiva y reduciendo la pérdida de calor. Desactivando el metabolismo basal de los tejidos profundos para enfriar el núcleo central (core) por debajo de los 30°C. Incrementando la tasa de transpiración insensible para que el sudor actúe como un aislante adiabático.

¿Cuál es la función biomecánica y protectora del sistema de transferencia de calor en contracorriente localizado en los vasos sanguíneos de nuestras extremidades en ambientes fríos?. Que la sangre venosa caliente que retorna de los dedos transfiera su calor a la sangre arterial fría que va de camino, calentando las manos. Que la sangre arterial caliente transfiere calor directamente a la sangre venosa fría que retorna de la periferia. Esto enfría la sangre que llega a la extremidad (reduciendo la pérdida de calor con el ambiente) y recalienta la sangre venosa que regresa al tronco, protegiendo la temperatura del núcleo central (core) a expensas del enfriamiento o congelación periférica de los dedos. Aumentar la velocidad del flujo sanguíneo periférico para generar turbulencias que produzcan calor por fricción viscosa. Evitar que la sangre venosa se condense en estado sólido cumpliendo el tercer principio de la termodinámica.

¿Cuál es la implicación directa del Enunciado de Clausius de la Segunda Ley de la Termodinámica en el diseño y funcionamiento de los dispositivos de refrigeración (como una bomba de calor o un refrigerador)?. Que es imposible construir un refrigerador que extraiga calor de un cuerpo frío y lo ceda a uno caliente de forma espontánea; se requiere obligatoriamente el consumo de un trabajo externo (W) para lograr esta transferencia. Que el rendimiento de cualquier refrigerador cíclico debe ser exactamente igual al 100% para conservar la energía del universo. Que el calor fluye de manera espontánea e indefinida desde el foco frío al foco caliente si el sistema se encuentra en un estado estacionario de volumen constante. Que la entropía del refrigerador disminuye de forma global e irreversible sin transferir entropía alguna al entorno.

Durante un experimento de calorimetría indirecta a presión constante (proceso isobárico, P = constante), ¿con qué función de estado coincide el calor intercambiado por el sistema (Qp) según el primer principio de la termodinámica?. Con la variación de la energía interna (ΔU). Con la variación de la entropía (ΔS). Con la variación de la entalpía (ΔH), ya que Qp = ΔU + P ΔV = ΔH. Con la variación de la energía libre de Gibbs (ΔG).