El ser humano como motor térmico

Esta es realmente una pregunta muy interesante. La respuesta de Peter Shor de que los humanos no son máquinas térmicas, sino que funcionan con energía química, es totalmente correcta. Sin embargo, en un comentario, usted (kiranadhikari) menciona que la gasolina y el diesel también son productos químicos, y también tiene toda la razón al inferir que los motores de combustión interna también funcionan en última instancia con energía química. En esta respuesta intentaré aclarar por qué los humanos somos motores mucho más eficientes que los motores de combustión interna, dado que así es, y por qué los músculos son capaces de convertir la energía química en trabajo sin estar mucho más calientes que su entorno.

La diferencia está en cómo se utiliza esta energía química. En el caso de un motor de combustión interna, se hace en dos pasos: primero, el combustible se quema con oxígeno para producir calor, y luego este calor se convierte en trabajo. Si lo hace de esta manera, está sujeto al límite de Carnot, que impide que su eficiencia sea mayor que$1-T_C/T_H$, donde$T_C$es la temperatura del ambiente y$T_H$la temperatura que puede alcanzar quemando el combustible.

En el caso de una célula viva con metabolismo aeróbico, el combustible químico también se combina con oxígeno para liberar energía. Pero la mayor parte de esta energía es capturada directamente por procesos moleculares antes de que tenga la oportunidad de convertirse en calor. Al convertir la energía directamente de una forma a otra en lugar de dejar que primero se convierta en calor, se evita el límite de Carnot. En este caso hay un límite termodinámico diferente (dado por$\mu_\text{reactants}-\mu_\text{products}$, donde$\mu$es el potencial químico), por lo que no se puede hacer un motor de movimiento perpetuo ni nada, pero este límite de energía química puede ser mucho más alto que el de Carnot.

En el caso de los músculos, la energía liberada por la oxidación del azúcar se convierte (mediante una serie compleja de reacciones en las que interviene el ATP) en la energía cinética de unas pocas moléculas. Normalmente, la energía cinética molecular se transfiere rápidamente a otras moléculas y se convierte en calor, pero antes de que esto suceda, las fibras musculares convierten esta energía cinética en trabajo, contrayendo el músculo. La energía pasa directamente de energía química a trabajo mecánico sin convertirse en calor en ningún punto. Como señaló Edwin Jaynes (p. 16 en adelante), si define la temperatura como energía por grado de libertad, esto equivale a una temperatura de alrededor$5000 \,\mathrm{K}$. No medirá una temperatura tan alta con un termómetro porque se concentra solo en unos pocos grados de libertad molecular en lugar de estar repartida por toda la célula.

Si está dispuesto a pensar en este movimiento molecular concentrado como una especie de calor, puede aplicar el límite de Carnot después de todo, es solo que$T_H$es casi la temperatura del Sol, mucho más caliente que las temperaturas que puedes encontrar dentro de un motor de combustión interna.

Usted podría estar pensando que es muy ineficiente de nuestra parte utilizar motores de combustión interna en nuestros automóviles en lugar de convertir la energía de los hidrocarburos directamente en trabajo. Esto es bastante correcto: si los motores de nuestros automóviles tuvieran músculos en lugar de cámaras de combustión, en principio podrían ser enormemente más eficientes en combustible. El problema es que la tecnología para crear un músculo artificial que funcione con gasolina (y que no desperdicie mucha energía manteniendo su propio metabolismo) está actualmente fuera de nuestro alcance.

Los humanos no somos máquinas térmicas; la fuente de nuestra energía no es el calor; es energía química derivada de los alimentos.

El ser humano es un motor térmico ya que se producen reacciones químicas y parte de la energía se utiliza en el funcionamiento del cuerpo y se libera en la atmósfera. cuando la temperatura del entorno es más alta que la del cuerpo humano, todavía libera calor en forma de sweting.

Los seres humanos no somos máquinas térmicas como se ha descrito anteriormente, pero el calor de nuestro cuerpo proviene de la sangre que proviene de muchos otros procesos. Los seres humanos necesitan alimentos para obtener energía, que a su vez necesita energía del sol.

Si no se refiere a nuestro corazón como un motor, entonces sí, el corazón es un motor que bombea constantemente y que nos mantiene vivos en frío bombeando más sangre y con otras funciones del cuerpo que ayudan a llevar nuestra temperatura a un nivel razonable.