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La energía de nuestros alimentos proviene del Sol a través de las plantas
La mayor parte de nuestros alimentos está integrada por animales y plantas. Una pequeña porción se compone de sustancias que los animales y las plantas producen. Una parte adicional consiste en sustancias transformadas por los seres humanos a partir de las producidas por animales y plantas.
Comemos carne, pescado, aves o mariscos; por lo tanto, estamos consumiendo animales. Asimismo, cuando tomamos patatas, zanahorias, cebollas, arroz, maíz, trigo, avena, centeno o fruta, estamos comiendo plantas. Cuando bebemos leche o ingerimos huevos y miel, nos nutrimos de alimentos producidos por los animales. Cuando comemos yogur, estamos consumiendo productos de origen animal que han sido procesados y transformados por bacterias bajo un control más o menos sofisticado del ser humano. Las bacterias utilizan una sustancia de la leche, la lactosa (un azúcar), como sustrato para producir ácido láctico, que proporciona al producto inicial (leche) nuevas propiedades, principalmente mayor acidez seguida de mejores cualidades de almacenamiento y nuevas sensaciones gustativas. Al beber vino o cerveza, se ingiere alcohol proveniente del azúcar de la uva o del grano, fermentado por levaduras.
En nuestra comida se incluye agua, sales y minerales que no son sintetizados por plantas o animales. Estas sustancias, sin embargo, no contienen energía.
Retrocediendo en la cadena alimentaria desde los alimentos de origen animal, finalizamos en las plantas que comen los animales. La energía que se encuentra en alimentos de origen animal son los restos de la energía contenida en las plantas y los animales en las diversas etapas de alimentación. Toda la vida animal se basa en la energía producida por las plantas y toda la energía contenida en la comida procede, en última instancia, de las plantas.
La característica especial de las plantas (verdes) es que son capaces de favorecer la transformación de la energía de la luz solar en sustancias como el azúcar y la grasa, ricas en energía. Por tanto, la energía de los alimentos procederá siempre en última instancia del Sol. Las personas y los animales son dependientes de la energía de las plantas. Las plantas son a su vez dependientes de la energía de la luz solar.
Existen organismos que tienen diferentes estrategias para la recuperación de energía. Las bacterias de azufre extraen la energía mediante la conversión de formas de azufre ricas en energía a menos ricas en energía; ellas mismas aprovechan parte del excedente de energía. Sin embargo, estos organismos normalmente no están incluidos en nuestros alimentos.
La gran mayoría de nuestros alimentos, tanto los vegetales como los animales, derivan de plantas verdes. Hay excepciones, por ejemplo, los hongos, que no se encuentran entre las plantas verdes y que no pueden capturar energía a partir de la luz solar. El hongo descompone organismos muertos y absorbe la energía almacenada en ellos. Los hongos, que utilizan la energía de la descomposición del árbol, asimilan la energía que anteriormente los árboles captaron de la luz del Sol. Aunque la energía de los hongos que comemos en su origen procede del Sol, el hongo no puede tomar la energía directamente de la luz solar.
Además de la luz solar, las plantas verdes dependen del dióxido de carbono y del agua para capturar, convertir y almacenar la energía solar. Las plantas usan la energía de la luz solar para transformar los compuestos del carbono pobres en energía y agua en materiales ricos en energía que quedan almacenados en la planta.
La clorofila en las plantas verdes captura la luz del Sol
Las plantas verdes lo son porque contienen clorofila como agente colorante. La clorofila absorbe la luz roja y azul. La luz verde, sin embargo, no se absorbe, se refleja y llega a nuestra retina. Aunque el aspecto externo sea de color verde, lo que impulsa los procesos de energía de la planta es la luz roja y azul, cuya absorción es la que permite la clorofila.
La clorofila en las plantas verdes está integrada por estructuras complejas que interactúan con fotones, de cuyos paquetes de energía se compone la luz solar. La clorofila es un ejemplo de molécula. Las moléculas están, a su vez, formadas por átomos.
Todo empieza en el interior del Sol
En el centro del Sol, la temperatura puede llegar a alcanzar varios millones de grados. A esas temperaturas, los átomos podrían ser convertidos en otros átomos y, por lo tanto, los elementos se pueden transformar en otros elementos. A lo largo de este libro se estudiarán las reacciones por las que unas moléculas se convierten en otras moléculas. Estas moléculas están compuestas por átomos que se combinan de una manera más o menos complicada. En nuestro cuerpo predominan las transformaciones moleculares. Los mismos átomos y la identidad de los elementos no se verán afectados durante este tipo de cambios. Un determinado átomo puede sufrir un billón de transformaciones y ser incluido en un billón de moléculas diferentes sin que su identidad atómica haya cambiado.
La identidad de los átomos está indicada por el número de protones en el núcleo
Cada átomo tiene un núcleo con un cierto número de partículas cargadas positivamente llamadas protones. El número de protones en el núcleo de un átomo se llama número atómico. El número atómico determina a qué elemento pertenece el átomo. Solo bajo condiciones muy extremas, puede cambiar el número de protones en un núcleo atómico. En los procesos de la vida, en principio no se produce este tipo de cambios.
Hay menos de un centenar de elementos químicos diferentes presentes en la naturaleza, con un número atómico desde 1 (hidrógeno) a 92 (uranio). Solo una fracción de estos elementos está contenida en las moléculas que forman las células vivas. Los elementos número 1 (H, hidrógeno), 6 (C, carbono), 7 (N, nitrógeno), 8 (O, oxígeno) y 16 (S, azufre) son los más importantes bloques de construcción de las moléculas de la vida.
Aun cuando los procesos de la vida erijan y rompan moléculas, los núcleos de los átomos permanecen intactos.
Los procesos de la vida implican cambios en las capas de electrones
Fuera del núcleo del átomo hay electrones formando una o varias capas electrónicas. Los procesos que en la realidad afectan a los organismos conllevan cambios en las posiciones de estos electrones.
Cuando se forman las moléculas, los átomos comparten electrones, así que un determinado electrón que antes pertenecía a un único átomo desde ahora pertenece a dos o varios átomos. A menudo, los átomos comparten un par de electrones, formando un enlace covalente. Los átomos entonces establecen un enlace simple entre ellos. La pareja de electrones enlazados se indica con una raya entre los símbolos de los elementos.
Dos átomos también pueden compartir dos pares de electrones, formando un doble enlace. Si, por ejemplo, dos átomos de carbono en un ácido graso comparten dos pares de electrones y forman un doble enlace entre ellos, el ácido graso se vuelve insaturado.
Un ácido graso insaturado tiene características distintas a las de un ácido graso saturado, que solo tiene enlaces simples entre los átomos de carbono.
Las moléculas que constituyen nuestra energía y forman nuestras células, en su mayoría, tienen una cadena de átomos de carbono unidos mediante enlaces simples o dobles. Cada átomo de carbono C tiene cuatro posibilidades de enlace, así que un carbono involucrado en enlaces simples con otros dos átomos de carbono puede formar otros dos enlaces. Con frecuencia se forman dos enlaces sencillos carbono-hidrógeno, C-H.
La representación gráfica de una cadena de átomos de carbono es más ilustrativa si no se representan los enlaces C-H; simplemente se representan las cadenas con líneas en zigzag.
El núcleo de los átomos de carbono no interviene en la reestructuración de los electrones y la formación de enlaces.
Independientemente de cómo se organizan los átomos para formar los cientos de miles de moléculas diferentes que hay en nuestro cuerpo, siempre pueden clasificarse según los elementos a los que pertenecen. Los elementos más importantes (hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno) tienen sus “miembros” (átomos) representados en las constelaciones (moléculas) más diversas.
La vía del microcosmos hasta el macrocosmos pasa por el mol
Los átomos y las moléculas suelen tener un tamaño de una milésima parte de una millonésima de un metro y se necesita un número muy elevado de ellos para llegar desde su microcosmos a nuestro macrocosmos.
Para añadir un centímetro de agua en un vaso normal (alrededor 18 ml de agua) se requiere la misma cantidad de moléculas de agua que de canicas para cubrir la superficie de España con una capa tan gruesa como la altura de la Giralda de Sevilla.
Este número es muy útil y práctico, ya que establece el camino para pasar desde la unidad de masa u, en el microcosmos, hasta la unidad g (gramos) de nuestro macrocosmos. La unidad u se utiliza cuando se trata de átomos y moléculas individuales. Por ejemplo, el átomo más común del elemento hidrógeno tiene más o menos la masa 1 u. Como ya hemos dicho, para reunir la cantidad necesaria de hidrógeno hasta alcanzar 1 g de este elemento, se necesita justamente el mismo número de canicas que el que se precisa para cubrir toda España con una capa del grosor de la altura de la Giralda de Sevilla. Este número se llama mol. Un mol, entonces, es el número de átomos o de moléculas que se necesita para pasar de u a g.
El concepto mol se emplea en contextos diferentes; por ejemplo, se mide la concentración de azúcar en sangre con milimoles por litro, es decir, una milésima parte de un mol de moléculas de glucosa en cada litro de sangre.
Un mol es un número muy grande. ¡Para escribir este número, habrá que escribir 602 y después 21 ceros!
El número de neutrones de un elemento puede variar
Además de los protones positivos, un núcleo contiene partículas sin carga eléctrica que se llaman neutrones. En núcleos con el mismo número de protones, es decir, núcleos del mismo elemento, puede ocurrir que el número de neutrones sea distinto. Núcleos con un número fijo de protones, pero con diferente número de neutrones, constituyen distintos isótopos del mismo elemento.
Ciertas combinaciones de protones y neutrones resultan no harmónicas y, entonces, son inestables. Tales núcleos experimentan cambios para volverse más estables. Los cambios pueden realizarse en diferentes etapas que constituyen la desintegración radioactiva. La desintegración se puede producir a diferentes velocidades. Para determinar la velocidad de las diferentes formas de desintegración, a menudo se registra el tiempo que pasa hasta que se ha desintegrado la mitad de los núcleos; tiempo que constituye el periodo de semidesintegración.
El periodo de semidesintegración es independiente del número inicial de núcleos.
El carbono-14 es un núcleo inestable
Los átomos de carbono siempre tienen 6 protones en su núcleo y en total 6 electrones en sus capas electrónicas. Sin embargo, el número de neutrones puede variar. Si el número de neutrones es 6, el núcleo es estable. Pero algunos núcleos tienen 8 neutrones, lo que no es una combinación estable. Tales núcleos se desintegran en un periodo de semidesintegración de 5.730 años.
Para diferenciar los isótopos de un elemento, se considera la suma de protones y neutrones en el núcleo, el número másico. Un núcleo de carbono siempre tiene 6 protones. Si el número de neutrones es 8, el número másico será 6 + 8 = 14, y este isótopo se etiqueta como carbono-14 o 14C.
De la misma manera, el carbono normal, estable, se indica como carbono-12. El carbono-14 inestable se forma cuando luz del Sol incide sobre los átomos de nitrógeno a gran altitud en la atmósfera. Por este motivo, siempre hay una cierta cantidad de carbono-14 en la atmósfera. Las plantas absorben el dióxido de carbono de la atmósfera y los animales ingieren estas plantas. Por lo tanto, plantas y animales siempre contienen una cierta cantidad de carbono-14. Cuando el organismo muere, la integración de carbono-14 se acaba. En el momento de la muerte, el organismo contiene un cierto porcentaje de carbono-14 que de pronto comienza a disminuir por la desintegración que solo se equilibra por una integración. La edad de este material puede determinarse a partir de la medición del porcentaje de carbono-14 que queda en la materia orgánica.
La desintegración de carbono-14 es un ejemplo de que, dentro de un organismo, pueden ocurrir cambios en los núcleos atómicos; pero ni siquiera en este caso se trata de algo que sea utilizado para algún proceso de la vida.
El hidrógeno se transforma en helio en el interior del Sol
Pese a que los cambios de los núcleos de los átomos no afectan a la vida, esta es totalmente dependiente de los cambios en los núcleos atómicos que tienen lugar en el interior del Sol. Una temperatura de 13 millones de grados revela que, en el interior del Sol, se dan unas condiciones muy distintas a las que tenemos aquí, en la Tierra. A estas temperaturas tan altas, los enlaces no pueden formarse ni mantenerse entre los átomos. ¡Entonces, no vale la pena buscar moléculas en el interior de Sol!
Los cambios que se realizan en el Sol son transformaciones elementales, sobre todo, la transformación del elemento número 1, hidrógeno, hasta el elemento número 2, helio.
Mientras el hidrógeno se vuelve helio, una parte de la masa del hidrógeno “utilizado” se transforma en energía. El helio resultante tiene una masa algo inferior a la masa del hidrógeno utilizado. La masa que falta se ha transformado en energía, según la famosa fórmula de Einstein: E = mc2; es decir, la energía que se libera durante la desintegración completa de una cierta masa puede calcularse multiplicando esta masa (kg) por el cuadrado de la velocidad de la luz c (m/s). El Sol se compone de un 75% de hidrógeno; así que en él hay grandes reservas de combustible. Probablemente, el Sol podrá continuar transformando hidrógeno en helio durante los futuros mil millones de años, aunque pierda cuatro millones de toneladas de su masa cada segundo como consecuencia de este proceso.
El helio permanece más bajo en energía
El núcleo del átomo de hidrógeno, en más de 999 casos entre 1.000, está constituido por un protón desnudo, es decir, sin neutrón.
En cambio, la mayor parte de los núcleos de helio tienen dos neutrones, además de los dos protones obligatorios. Cada uno de los protones del helio tienen menos energía que el único protón del hidrógeno. Cuando un protón solo se organiza a través de un proceso de varios pasos para formar pares y además se rodea de dos neutrones, finaliza en un estado más bajo en energía, como cuando una piedra cae cuesta abajo.
No es muy probable que cuatro pelotas choquen en el aire en el mismo instante. Tampoco es muy probable que cuatro núcleos de hidrógeno se reúnan de golpe para formar un núcleo de helio en el interior del Sol. Se trata, en cambio, de una serie de pasos sucesivos donde como máximo chocan dos partículas. El proceso total se llama cadena protón-protón, puesto que un núcleo desnudo típico de hidrógeno en realidad es un protón. En el primer paso, dos protones se reúnen y uno de ellos se convierte en un neutrón. Entonces, la partícula que resulta contiene un protón y un neutrón. El número atómico es 1 y, por lo tanto, se trata de un núcleo de hidrógeno. A diferencia de la mayor parte de los núcleos de hidrógeno, aquel núcleo contiene también un neutrón. La conclusión es que se trata de un isótopo de hidrógeno que se llama deuterio.
En el próximo paso, esta partícula integra un tercer protón y resulta un núcleo de helio con un neutrón que tiene el número másico 3. En un último paso, que puede realizarse de diferentes maneras, se forma un núcleo de helio con dos neutrones.
Los dos protones y los dos neutrones en el núcleo resultantes tienen, cada uno, menos energía que cada uno de los protones libres que formaban el punto de partida. Como la energía nunca desaparece, la energía restante tiene que mantener las partículas involucradas en la transformación de hidrógeno en helio. Parte de esta energía excedente procede de las partículas que interactúan en forma de fotones, es decir, radiación. El proceso integral cuando el hidrógeno se transforma en helio se llama fusión. Entonces, mientras fusionan, los átomos de hidrógeno emiten radiación. Como la fusión tiene lugar en el interior del Sol, donde la temperatura es suficientemente alta, esta energía en forma de radiación tiene que ser transportada hacia fuera hasta llegar finalmente a la superficie del Sol.
Los fotones muy energéticos que son liberados durante los procesos de fusión en el interior del Sol se llaman partículas gamma. A las partículas gamma les espera un largo viaje a través de gases ardiendo y campos de gravitación muy fuerte. La energía que se libera del primer fotón durante la fusión necesita hasta 100.000 años para llegar a la superficie del Sol.
La luz del Sol se forma cuando se calientan los gases en su superficie
La luz del Sol, que es la base de la energía en nuestros alimentos, se forma cuando, desde los espacios centrales del Sol, la energía de la fusión llega gradualmente en forma de energéticos fotones a los gases de la superficie del Sol. Entonces, estos gases se calientan hasta 6.000 grados, suministrándose a los electrones suficiente energía para que sus posiciones en relación con los núcleos cambien.
Cuando se produce un exceso de energía, como en el caso del Sol, los electrones pueden absorber parte de este exceso de energía. El proceso se llama excitación y los electrones con mayor energía que en el estado fundamental se denominan excitados. Normalmente, solo permanecen en el estado excitado por un tiempo muy breve y después emiten nuevos fotones, luz, volviendo a su estado fundamental. Una parte de los fotones formados de esta manera llegará a la Tierra en ocho minutos.
En relación con las diferentes capas en que se alojen, los electrones contendrán diferentes cantidades de energía
El electrón tiene más energía cuanto más alejado del núcleo positivo se encuentra.
Dado que son negativos, los electrones son atraídos por los protones, que son positivos. Para crear una distancia entre un determinado electrón y los protones en el núcleo, hay que realizar un desplazamiento (teórico) del electrón hacia fuera del núcleo. Este desplazamiento se realiza contra una fuerza atractiva y por eso demanda energía.
La energía invertida en el desplazamiento se puede imaginar como si estuviese almacenada en el electrón. Cuanto más lejos del núcleo se encuentra el electrón, más energía representa.
Cuando los electrones vuelven a su estado fundamental, se emite radiación
Los electrones excitados al poco tiempo se desplazan hacia una capa inferior y vuelven a su posición original, porque hay una tendencia general hacia la energía más baja posible. Pero para poder descender, los electrones tienen que liberarse del exceso de energía, lo que se realiza emitiendo radiación.
Una parte de esta radiación sale de la superficie del Sol y se propaga hacia el espacio. Un porcentaje muy pequeño de la radiación llega poco a poco a la Tierra.
Los gases de la superficie del Sol son expuestos a fuerzas gravitacionales muy fuertes con la consecuencia de que los átomos y moléculas se encuentran muy cerca los unos de los otros, así que sus electrones interactúan en varias formas. Cuando los electrones llegan de capas superiores influyen en los electrones de átomos cercanos. Muchas de estas interacciones provocan pérdidas de energía en forma de radiación que se emite, lo que da como resultado una cantidad casi ilimitada de paquetes de energía (fotones) de diferentes magnitudes.
La radiación de energías distintas produce diferentes longitudes
La luz y otras radiaciones son ondas y la distancia entre dos crestas se llama longitud de onda. Cada color, y hasta cada matiz de color, tiene su única longitud de onda. El color que tiene un rayo de luz entonces depende de su longitud. Por otra parte, la longitud depende de la cantidad de energía que contiene el fotón. Entonces, la energía de un fotón define la longitud de onda y como consecuencia el color de la luz. Al incrementarse la energía, disminuye la longitud. Cuantos más movimientos hacia arriba y hacia abajo ejecute la onda atravesando una distancia determinada, más energía tiene esta onda.
La radiación del Sol proporciona un espectro continuo
Los fotones que salen de la superficie del Sol tienen energías tan diferentes que en principio representan todos los colores. Esta exposición de todos los colores del arco del Sol se llama un espectro dentro del campo de longitudes de onda visibles.
Como la energía de un fotón que es mayor para las longitudes de onda más cortas, la luz roja, por ejemplo, tiene menos energía que la luz verde.
Encontramos diferencias aún más grandes en los campos del espectro del Sol que se encuentran fuera de lo visible. La radiación ultravioleta (UV) se encuentra en longitudes de onda más cortas que la violeta. Los rayos X tiene longitudes de onda aún más cortas que los UV, por lo que almacenan aún más energía.
También hay longitudes de onda al otro lado de la “ventana” visible, es decir, donde la energía es más baja, por ejemplo, en la radiación infrarroja, IR, que tiene longitudes de onda más largas que la luz visible. Entonces no podemos ver la radiación IR, pero nuestra piel puede sentirla, lo que pasa cuando sentimos el calor radiante a unos centímetros de distancia de una superficie caliente, como un muro expuesto al sol después de un día muy soleado.
El Sol emite radiación en todos estos campos del espectro, tanto visible como invisible.
El paso final en la combustión completa de hidrocarbonos y grasa es la formación de agua y dióxido de carbono
Los hidrocarbonos y la grasa son formas diferentes de moléculas dominadas por el carbono y el hidrógeno. Además, hay cierta cantidad de oxígeno, sobre todo en los hidrocarbonos. Cuando comemos carbohidratos y grasa, la mayor parte de estos serán utilizados para extraer energía. Liberamos la energía almacenada en los carbohidratos y la grasa a través del proceso de separar paso a paso los átomos de carbono de sus hidrógenos y de sus vecinos, otros carbonos. Finalmente, tanto los carbohidratos como las grasas se transforman en agua y dióxido de carbono, compuestos a partir de los que originalmente se habían creado. Mientras tanto, hemos utilizado la energía que las plantas habían obtenido de la luz solar para ejecutar nuestros movimientos, pensamiento y reproducción y, a su vez, para luchar contra las enfermedades; el resultado final ha sido un incremento en el movimiento molecular, o sea, calor que redunda en radiación IR.
Las leyes físicas dicen que la energía no puede ser destruida, solo transformada. Devolvemos a la atmósfera las materias primas, agua (en forma de vapor) y dióxido de carbono en cada respiración. Sin embargo, los fotones del Sol no se devuelven. Solo en casos excepcionales, como las luciérnagas, los procesos de la vida en la Tierra se convierten en luz visible. El proceso dominante, en cuanto a la vida en nuestro planeta desde un punto de vista energético, consiste en la transformación a través de las plantas de luz visible en compuestos químicos energéticos, que nosotros, por nuestra parte, utilizamos en procesos que generan calor e IR.
Un resumen del proceso de la vida, por tanto, puede ser que la luz visible se transforma en radiación IR.
La estructuración de los organismos se produce al precio de un incremento del caos en el resto del universo
La radiación que la Tierra recibe del Sol proviene de una superficie que está a 6.000 grados. La radiación alcanza la Tierra y las plantas, que absorben una parte de las longitudes de onda transformando la energía de la radiación en sustancias energéticas. Después, cuando se libera la energía de estas sustancias energéticas durante las actividades de la propia planta o de los animales que consumen la planta, se produce un aumento de la temperatura en estos organismos. En los mamíferos suele originar un incremento de temperatura hasta los 37 grados.
Otra ley física dice que la dispersión de longitudes de onda en la radiación de un cuerpo depende de su temperatura. La dispersión de longitudes radiadas por una superficie muy caliente como la del Sol es más concentrada que la dispersión de longitudes radiadas por una superficie menos caliente como la de un animal. Es decir, que las longitudes radiadas por un animal, donde domina la IR, son más dispersas.
Que algo sea agrupado o concentrado, significa orden y estructura. Al contrario, cuando algo se dispersa, representa falta de orden o entropía. La ropa guardada en una cómoda muestra orden y, por tanto, sugiere un nivel de entropía bajo. La ropa esparcida por la cama, el sofá y el suelo indica desorden y entropía alta.
A las plantas de la Tierra les llega una radiación visible con el espectro de longitudes de onda concentrado. Las plantas utilizan la energía en este intervalo concentrado de longitudes de onda para producir moléculas energéticas. Los animales comen plantas y utilizan las moléculas energéticas de las plantas para sus propios procesos de vida. La acción con que los animales liberan la energía almacenada en las plantas siempre va acompañada de una pérdida importante de energía en forma de calor, que se expresa con una temperatura elevada en el cuerpo del animal. Pero la temperatura en el cuerpo del animal es mucho más baja que la temperatura de la superficie del Sol, por lo que la radiación emitida por los animales tiene un intervalo más extendido y, como consecuencia, representa un nivel más alto de entropía. Los procesos de la vida son impulsados por esta transformación, desde una entropía baja hacia una entropía alta, o, en otras palabras, desde el orden hasta el caos.
La luz del Sol abastece de energía la Tierra
No toda la luz del Sol que alcanza nuestro planeta es absorbida por la clorofila de las plantas. La mayor parte calienta la tierra y el mar. Cuando el mar se calienta, se libera vapor de agua de su superficie, sube, se enfría a grandes altitudes y se condensa para formar lluvia, que se precipita para crear ríos, que vuelven al mar en el ciclo de agua.
Una manera de indicar el contenido energético de la radiación solar es medir el calentamiento que se produce en cierta cantidad de agua. La energía que puede calentar 1 g de agua, 1 grado se define como 1 caloría o, abreviado, 1 cal.
Las cascadas son generadas por la energía solar, a través de ciclo del agua. El Sol eleva agua hasta una altitud y entonces da al agua cierta energía potencial. La cantidad de energía potencial depende de la altitud que haya alcanzado el agua. A medida que el agua se desplaza hacia regiones más bajas, la energía potencial se transforma en energía móvil y se utiliza para empujar ruedas de agua y turbinas hidroeléctricas. La cantidad de energía utilizada por una central hidroeléctrica depende de la masa de agua y la altura de la caída. Cuando 1 g de agua cae 1 m, libera una energía de alrededor 0,01 julios (J).
La energía se mide en calorías…
La energía utilizada para calentar y vaporizar el agua, por supuesto, está conectada a la energía que contiene esta misma agua en forma de energía potencial antes de caer, de acuerdo con la distancia vertical en cuestión. En consecuencia, debe existir una conexión entre las dos maneras de medir energía.
La primera manera de medir energía tiene como punto de partida la elevación de la temperatura de una determinada cantidad de agua. Para elevar 1 grado la temperatura de un litro de agua (1 litro = 1.000 ml = 1.000 g = 1 kg agua), se necesitan 1.000 cal = 1 kilo cal = 1 kcal. En la práctica, para calentar un litro de agua desde cero grados hasta su punto de ebullición (alrededor de 100 grados), hay que emplear algo más de 100 kcal, porque también la cacerola producirá pérdidas de calor.
Es posible determinar el contenido energético de cada tipo de alimento. Lo más común es registrar el contenido energético en kcal o kJ por 100 g.
La unidad kcal para indicar el contenido energético de un alimento está en línea con la manera experimental de determinarlo. Este procedimiento consiste en la combustión del alimento, utilizando el calor de la combustión para calentar una cantidad determinada de agua en un calorímetro.
…o en julios
En vez de determinar cuántos grados es posible aumentar la temperatura de cierta cantidad de agua, el razonamiento energético se puede basar a partir de la cantidad de trabajo útil que se realiza. El campo gravitacional atrae una masa de 1 kg con una fuerza de alrededor 10 newtons (N). Para elevar 1 kg de masa 1 m, es necesario utilizar una fuerza de igual magnitud a la ejercida por la Tierra, pero en sentido opuesto (es decir hacia arriba). El trabajo realizado es la fuerza por la distancia, en este caso 10 N x 1 m, lo que es igual a 10 N x m = 10 J. Por consiguiente, para alzar 10 kg 1 m se necesita la energía de 100 J. Una persona que pesa 80 kg y que asciende una colina de 200 m de altitud gasta 800 x 200 = 160.000 J o 160 kJ.
100 g de azúcar contienen 1.700 kJ = 1.700.000 J. ¡Significa que teóricamente sería suficiente para que una persona de 80 kg pueda subir una montaña de 1.700.000/800 = 2.125 metros de altura! Estos 100 g de azúcar caben en menos de 100 ml de volumen. Pero como los procesos energéticos del cuerpo nunca transcurren con un 100% de eficiencia, en la práctica llegamos a otras cifras.
Las dos unidades, kcal y kJ, expresan energía. La relación entre las dos puede ser determinada calentando agua con electricidad. Observando la cantidad de energía eléctrica empleada, es posible mostrar que se necesita 4,18 kJ para calentar 1 litro de agua 1 grado. Es decir, 1 kcal = 4,18 kJ.
El efecto se mide en vatios (watt)
Hasta ahora solo hemos hablado sobre la energía total de un trabajo. En uno de los ejemplos anteriores, una persona de 80 kg subió una montaña de 200 m gastando 160 kJ. ¡Pero experimentará esta ascensión de manera diferente si lo hace en dos horas que en media hora!
En vez de calcular la energía total, podemos estudiar la cantidad de energía gastada durante cierto tiempo. La utilización de energía por unidad de tiempo se llama potencia. Como la unidad básica de tiempo es el segundo (s), la unidad para la potencia es julio por segundo, 1 J / 1 s. Esta unidad se llama vatios o watt (W). Por lo que 1 W = 1 J/s.
Una bombilla de 15 W gasta, entonces, 15 J cada segundo. Levantar una pesa de 10 kg durante un segundo significa una potencia de 100 N x 1 m/1 s = 100 Nm/s = 100 J/s = 100 W.
El ser humano gasta 100 W
La energía se consume no solo en los desplazamientos hacia arriba, sino también en actividades musculares tales como los latidos del corazón y la respiración.
Del mismo modo, los impulsos nerviosos, el pensamiento, la defensa inmunológica y el metabolismo consumen energía.
Por este motivo, el cuerpo humano desarrolla cierta potencia no solo durante el trabajo físico, sino también en estado de reposo, ya que la circulación de la sangre y el metabolismo demandan energía. Este metabolismo básico varía de una persona a otra, con la edad y con el peso. Para una persona adulta es, de promedio, algo menos de 100 W.
Normalmente, una persona no está en estado de reposo todo el día, por lo que quizá es más interesante considerar el efecto promedio durante un “día tranquilo”. En este caso, la potencia para la mayoría es más o menos 100 W.
Utilizando el hecho de que 1 W = 1 julio por segundo, el efecto de 100 W da un consumo de energía de 60 x 60 x 24 x 100 = 8.640 kJ por día o algo más de 2.000 kcal por día.
Para los cálculos aproximados que vamos a realizar, emplearemos el valor de 100 W y, para simplificar, llamaremos a este valor metabolismo básico.
La combustión de 1.700 kJ de energía en 100 g azúcar utilizando solo el metabolismo básico tardará 1.700.000/100/60/60 = 4,7 horas; casi 5 horas.
Considerando el contenido energético de 100 g (algo más que 100 ml) de aceite, 3.700 kJ, necesitamos 3.700.000/ 100/ 60/60 = 10,3 h; aproximadamente 10 horas.
Por lo tanto, cada hora en ayunas, si no utilizamos otros almacenes energéticos, quemamos más o menos 10 g de grasa.
Corriendo a un ritmo bajo, es posible alcanzar un gasto de energía 10 veces superior al metabolismo básico. Una hora de carrera, suponiendo que la grasa sea la única fuente de energía, en consecuencia, quema 100 g de grasa. Con una velocidad media de 10 km por hora, se recorrerán 10 km. Para quemar 1 kg de grasa corriendo, serán necesarias entonces 10 carreras de 10 km, manteniéndonos en el supuesto de que quemamos únicamente grasa, circunstancia que no se suele dar.
Igualmente, para quemar 1 kg de grasa utilizando solo el metabolismo básico se requiere hasta 100 horas. En el sofá, el porcentaje de grasa que utiliza el cuerpo es más elevado que al correr, pero ¡para quemar 1 kg de grasa en el sofá hay que permanecer allí sin comer durante 4 días!
Aunque solo se trata de ejemplos teóricos, podemos constatar que el contenido energético de la grasa es muy elevado, y que exige grandes sacrificios para eliminarla una vez asimilada.
