Unidad 2
Fenómenos Biofísicos en los seres vivos
Tensión Superficial
Presión Hidrostática
Adhesión
Cohesión
Acción Capilar y Capilaridad
Difusión
Ósmosis, Diálisis y Adsorción
Fenómenos Físicos y Químicos en los seres vivos
Objetivos
Examinar los fenómenos biofísicos moleculares. Tensión Superficial. Presión Hidrostática. Adhesión y cohesión. Difusión. Ósmosis. Adsorción. Diálisis.
Acción capilar y capilaridad.
Diferenciar los fenómenos físico y químico.
Fenómenos Biofísicos en los seres vivos
Fenómenos biofísicos-moleculares
Los fenómenos biofísicos moleculares son procesos que se realizan en los seres vivos, los cuales se basan en leyes físicas y físico-químicas dando lugar a la formación de dichos fenómenos. Los fundamentos moleculares de la Biofísica se rigen en las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto.
Fenómenos de superficie: Varios de los procesos biológicos tienen que ver con los diferentes fenómenos que suceden en una superficie de contacto, que se encuentran especialmente separadas en pequeñas partículas. Estas superficies se les conoce con el nombre de interfaces y los fenómenos que en estas ocurren se les conoce como fenómenos de superficie. En conclusión los fenómenos de superficie son varios fenómenos que se producen en una superficie de contacto la cual se encuentra distanciada por partículas muy pequeñas.
Tensión superficial
La tensión superficial se encuentra dentro de los fenómenos de superficie y esta es la tendencia que posee un líquido para disminuir su extensión hasta llegar a obtener una energía superficial baja lo cual hará que este sea estable. Se le define también como “la fuerza que una superficie ejerce sobre un contorno, perpendicularmente a él, dirigida hacia el seno de la superficie y tangencialmente a ella”.La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.
Presión Hidrostática
La presión hidrostática es la presión o fuerza que el peso de un fluido en reposo puede llegar a provocar. Se trata de la presión que experimenta un elemento por el solo hecho de estar sumergido en un líquido.
El fluido genera presión sobre el fondo, los laterales del recipiente y sobre la superficie del objeto introducido en él. Dicha presión hidrostática, con el fluido en estado de reposo, provoca una fuerza perpendicular a las paredes del envase o a la superficie del objeto.
El peso ejercido por el líquido sube a medida que se incrementa la profundidad. La presión hidrostática es directamente proporcional al valor de la gravedad, la densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentra.
Adhesión
La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.
La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.
Cinco mecanismos han sido propuestos para explicar por qué un material se adhiere a otro.
Adhesión mecánica
Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como el velcro.
Adhesión química
Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de hidrógeno.
Adhesión dispersiva
En la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas de Van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de carga contraria.
Adhesión electrostática
Algunos materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia de potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales.
Adhesión difusivaAlgunos materiales pueden unirse en la interfase por difusión. Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles el uno en el otro. Esto sería particularmente eficaz con las cadenas de polímero en donde un extremo de la molécula se difunde en el otro material. Ver mas AQUI
Cohesión
Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.
La cohesión se caracteriza así según el estado de las sustancias:
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.
En los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y en las tres direcciones espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite pequeños desplazamientos de las moléculas entre sí, cuando cesa la fuerza exterior, las fuerzas de cohesión vuelven a colocar las moléculas en su posición inicial.
En los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido, se queda pegada a éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a las otras deslizan entre sí.
En los gases, las fuerzas de cohesión son despreciables, las moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con los sólidos y los líquidos son importantes. Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de las moléculas. Como estas partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola.
En los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido, se queda pegada a éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a las otras deslizan entre sí.
En los gases, las fuerzas de cohesión son despreciables, las moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con los sólidos y los líquidos son importantes. Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de las moléculas. Como estas partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola.
Acción Capilar
La acción capilar es el resultado de la adhesión y la tensión superficial. La adhesión del agua a las paredes de un recipiente, originará una fuerza hacia arriba sobre los bordes del líquido y como resultado su ascenso sobre la pared. La tensión superficial, actúa para mantener intacta la superficie del líquido, de modo que en vez de solo moverse los bordes hacia arriba, toda la superficie entera del líquido es arrastrada hacia arriba. Clip Aqui
Capilaridad
La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.
Difusión
La difusión (también difusión molecular) es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.
Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético, es frecuente como forma de intercambio celular.
Difusión sustitucional: En este tipo de difusión, el tamaño del átomo que difunde y el de los átomos de la red cristalina es parecido. La difusión se produce aprovechando los defectos de laguna.
Difusión intersticial: La difusión intersticial se produce cuando los átomos entrantes son más pequeños que los existentes en la red cristalina. Los átomos (considerados como una esfera maciza), se colocan en los huecos existentes en la red cristalina.
La ley que rige la difusión es la Ley de Fick. Otra forma para encontrar la correlación de difusión entre átomos, es sacar la derivada por la hipotenusa entre el radio de cierta medida, entre los caracteres de un punto polar en la primera cara de cff; por la integral de dicha ecuación.
Difusión neta: Diferencia de difusión entre las dos regiones de distinta concentración es lo que se conoce como difusión neta.
Difusión simple: Se denomina difusión simple al proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía.
Difusión facilitada: La difusión facilitada utiliza canales (formados por proteínas de membrana) para permitir que moléculas cargadas (que de otra manera no podrían atravesar la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula.
Ósmosis
Es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.
Diálisis
Separación de las sustancias que están juntas o mezcladas en una misma disolución, a través de una membrana que las filtra.
Adsorción
Es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente
Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo cargado).
Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por ello está libre de trasladarse en la interfase.
Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.
Fenómenos Físicos y Químicos en los seres vivos
Fenómenos Físicos: Son transformaciones transitorias, donde las mismas sustancias se encuentran antes y después del fenómeno, es decir, no hay alteración en su estructura molecular. Es fácilmente reversible mediante otro fenómeno físico.
Ejemplos: Cuando un clavo de acero se dobla, sigue siendo acero. Luego podemos enderezarlo recobrando su forma original.
Si calentamos una bola de hierro se dilata, si la enfriamos hasta su temperatura inicial recupera su volumen original.
Condensación del vapor de agua.
Fenómenos Químicos: Las actividades de los seres vivos se realizan con energía química, que se produce a partir de varios procesos distintos, según cada organismo: fotosíntesis, quimiosíntesis, fermentación y respiración.
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