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¿Cuál es el balance energético de cocinar?

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Si cocino algo de comida, aparentemente obtengo varias ventajas energéticas:

  • térmica: la temperatura de la comida es más cercana o superior a la temperatura de mi cuerpo u órganos internos, por lo que no tengo que producir energía para calentarla.

  • químico: las transformaciones de los compuestos orgánicos durante las operaciones de cocción pueden almacenar energía en forma potencial: el proceso digestivo liberará más energía de estos compuestos que de los crudos.

  • Mecánico: la comida puede volverse más fácil de masticar, absorber y conducir en el tracto digestivo, lo que hace que se utilice menos fuerza muscular.

  • El procedimiento de cocción puede implicar la inmersión en agua, y el agua puede penetrar en los alimentos y mejorar los tres aspectos energéticos descritos anteriormente.

(Puede que haya olvidado algunas cosas)

Pero, ¿cuál es la escala respectiva de estas ventajas, en comparación con la ingesta de julio de los alimentos crudos?

Centrándose en la carne, por ejemplo, ¿existe una duración / temperatura de cocción y una temperatura de consumo óptimas para los comedores humanos, independientemente de los gustos personales, por ejemplo, carne de res o pollo?


Si cocino algo de comida, aparentemente obtengo varias ventajas energéticas ...

Hagamos las cosas un poco más explícitas. Si estas hablando de energía dentro del cuerpo, estás hablando de proteínas, alcoholes, grasas y azúcares. Usted está no Hablando de Vitaminas o Minerales o cualquiera de los compuestos únicos (como antioxidantes específicos) que están disponibles en los alimentos.

térmica: la temperatura de la comida es más cercana o superior a la temperatura de mi cuerpo u órganos internos, por lo que no tengo que producir energía para calentarla.

No puede comer lo suficiente como para alterar significativamente la temperatura de su cuerpo. El estadounidense promedio comerá aproximadamente 5.4 libras de comida por día, o aproximadamente 2 libras de comida por comida. Dado que incluso los alimentos crudos están a temperatura ambiente, los requisitos metabólicos para calentar los alimentos que ha ingerido son insignificantes.

Lo importante es la acidez y la exposición. Los alimentos generalmente se descomponen y son utilizados por catalizadores y proteínas que tienen límites operativos específicos, por lo que el contenido de su estómago es ácido. Sin embargo, sus comidas normales no alterarán significativamente sus capacidades digestivas ni a través de los valores de pKa ni de los requisitos de termorregulación.

Que cocina pueden Lo que se debe hacer es desnaturalizar las proteínas o los compuestos de los alimentos crudos para que las fuentes de energía utilizables estén más disponibles. Sin embargo, también puede destruirlos con la misma facilidad (el 'carbón' en los bistecs a la parrilla es la carne expuesta a altas temperaturas el tiempo suficiente para destruir casi todo menos el carbón en el tejido). El hecho de que un alimento gane o pierda macronutrientes depende del alimento específico y de su preparación. Un buen ejemplo son las patatas, que están llenas de almidón (azúcares) en su estado natural. Sin embargo, las papas fritas / papas fritas / papas fritas a menudo se blanquean antes de freírlas. El escaldado disuelve gran parte del almidón en agua, dejando menos azúcares en el producto final. Sin embargo, el proceso de freír esencialmente agrega grasa a los alimentos, y las grasas tienen una densidad energética más alta que los azúcares, por lo que tiene una ganancia neta en el contenido calórico.

Mecánica: la comida puede volverse más fácil de masticar, absorber y conducir en el tracto digestivo, lo que hace que se utilice menos fuerza muscular.

Para algunos alimentos, esto es cierto. Las verduras al vapor a menudo las hace más fáciles de masticar / comer. El caldo de guisos y sopas a menudo contiene micelas de grasa y azúcares disueltos, lo que les permite una mayor y más rápida exposición al sistema digestivo. Ten en cuenta que eres no obteniendo una ganancia neta de contenido calórico de los alimentos al hacerlo, pero simplemente reduciendo el tiempo de utilización.

Las calorías que se ahorran masticando menos van a ser patéticamente pequeñas, así que para enmendar el párrafo anterior: Sí, para algunos alimentos es cierto que la cocción permitirá una masticación más fácil y así ahorrar energía. Sin embargo, una chispa de chocolate extra o un sorbo de una cucharada de arroz podrían cubrir fácilmente la energía ahorrada.

El procedimiento de cocción puede implicar la inmersión en agua, y el agua puede penetrar en los alimentos y mejorar los tres aspectos energéticos descritos anteriormente.

Si la fuente de energía es soluble en agua (es decir: alcoholes, cetonas y azúcares) luego inmersión en agua - asumiendo que también está digiriendo la solución de agua después - ofrecerá más rápido utilización, no necesariamente más.

Pero, ¿cuál es la escala respectiva de estas ventajas, en comparación con la ingesta de julio de los alimentos crudos?

Insignificante en casi todos los casos. Lo que hace la cocina es hacer que las cosas sean más sabrosas, tiene el potencial de hacer que los micronutrientes / vitaminas estén más disponibles (no macronutrientes), y hacen que el alimento sea comestible en primer lugar como es el caso de las plantas de Taro, cuyas raíces deben cocinarse para poder comer.

Centrándose en la carne, por ejemplo, ¿existe una duración / temperatura de cocción y una temperatura de consumo óptimas para los comedores humanos, independientemente de los gustos personales, por ejemplo, carne de res o pollo?

No. Cocinar carne lo hace mas seguro para comer (a menos que termine cocinando demasiado la carne y termine con un montón de hueso carbonizado) y más apetecible. La carne bien cocida tiene muy pocas posibilidades de transmitir parásitos u otros organismos nocivos. Más allá de eso, no hay razones convincentes para exponer la carne al calor, aunque como alguien que ha contraído gripe estomacal en sus viajes, es un muy razón de peso para hacerlo.

* Lo anterior se basa principalmente en conocimientos adquiridos esporádicamente. Si hay estudios que indiquen lo contrario, avíseme y rectificaré mis errores.


2.9: Energía en reacciones químicas

  • Contribuido por Suzanne Wakim y amp Mandeep Grewal
  • Profesores (Biología Molecular Celular y Ciencias Vegetales) en Butte College

Estas viejas cadenas de hierro emiten una pequeña cantidad de calor a medida que se oxidan. La oxidación del hierro es un proceso químico. Ocurre cuando el hierro y el oxígeno atraviesan una reacción química similar a la quema o combustión. La reacción química que ocurre cuando algo se quema, obviamente emite energía. Puede sentir el calor y es posible que pueda ver la luz de las llamas. La oxidación del hierro es un proceso mucho más lento, pero aún desprende energía. Es solo que libera energía tan lentamente que no se puede detectar un cambio de temperatura.

Figura ( PageIndex <1> ): Cadena oxidada


El papel de la leptina y la grelina en la regulación de la ingesta de alimentos y el peso corporal en humanos: una revisión

La leptina y la grelina son dos hormonas que se ha reconocido que tienen una gran influencia en el equilibrio energético. La leptina es un mediador de la regulación a largo plazo del equilibrio energético, suprimiendo la ingesta de alimentos y, por tanto, induciendo la pérdida de peso. La grelina, por otro lado, es una hormona de acción rápida que aparentemente desempeña un papel en el inicio de las comidas. Dado que un número creciente de personas sufre de obesidad, la comprensión de los mecanismos por los cuales diversas hormonas y neurotransmisores influyen en el equilibrio energético ha sido objeto de una intensa investigación. En sujetos obesos, el nivel circulante de la hormona anorexigénica leptina aumenta, mientras que sorprendentemente, el nivel de la hormona orexigénica grelina disminuye. Ahora se ha establecido que los pacientes obesos son resistentes a la leptina. Sin embargo, todavía no está clara la forma en que los sistemas de leptina y grelina contribuyen al desarrollo o mantenimiento de la obesidad. El propósito de esta revisión es proporcionar información de antecedentes sobre las hormonas leptina y grelina, su papel en la ingesta de alimentos y el peso corporal en humanos, y su mecanismo de acción. Se mencionarán posibles anomalías en los sistemas de leptina y grelina que pueden contribuir al desarrollo de la obesidad. Además, se discutirán los potenciales de la leptina y la grelina como dianas farmacológicas. Finalmente, se describirá la influencia de la dieta sobre la secreción y el funcionamiento de leptina y grelina.


¿Cuál es el balance energético de cocinar? - biología

Este principio de conservación de la masa es extremadamente útil. Significa que si la cantidad de un contaminante en algún lugar (digamos, en un lago) aumenta, entonces ese aumento no puede ser el resultado de una formación `` mágica '' de la nada. El contaminante debe haber sido transportado al lago desde otro lugar o producido a través de una reacción química de otros compuestos que ya estaban en el lago. Y, si las reacciones químicas produjeron el aumento de masa de nuestro contaminante, también deben haber causado una disminución correspondiente en la masa de algunos otros compuestos. Por lo tanto, la conservación de la masa nos permite compilar un presupuesto de la masa de nuestro contaminante en el lago. Este presupuesto realiza un seguimiento de las cantidades de contaminantes que ingresan al lago, salen del lago y la cantidad formada o destruida por la reacción química. Este presupuesto se puede equilibrar durante un período de tiempo determinado, de forma similar a como podría equilibrar su chequera:

Tenga en cuenta que cada término de esta ecuación tiene unidades de masa. Esta forma de equilibrio es más útil cuando hay un comienzo y un final claros para el período de equilibrio, por lo que es significativo. Por ejemplo, en una chequera el saldo suele ser de un mes. En problemas ambientales, sin embargo, suele ser más conveniente trabajar con valores de masa flujo---los índice en el que la masa entra o sale de un sistema. Para desarrollar una ecuación en términos de flujo de masa, la ecuación de balance de masa se divide por para producir una ecuación con unidades de masa por unidad de tiempo. Dividiendo la ecuación 12 y moviendo el primer término de la derecha (masa en el tiempo t) hacia el lado izquierdo, se obtiene la siguiente ecuación.

Tenga en cuenta que cada término de esta ecuación tiene unidades de masa / tiempo. El lado izquierdo de la ecuación 13 es igual a. En el límite como, esto se convierte en, la tasa de cambio de la masa contaminante en el lago. Nos referiremos como el tasa de acumulación del contaminante. Como, los dos primeros términos en el lado derecho de la ecuación 13 se convierten en el flujo de masa hacia el lago y el flujo de masa fuera del lago. El último término de la ecuación 13 es el índice de producción o pérdida de productos químicos. Para enfatizar el hecho de que cada término en la nueva ecuación se refiere a un flujo o índice, usaremos el símbolo para referirnos a un flujo de masa con unidades de masa / tiempo. La ecuación para los balances de masa es entonces

La ecuación 14 es la ecuación que rige los balances de masa con los que trabajaremos en este curso.

En el resto de esta sección, examinaremos la importancia de definir cuidadosamente la región sobre la cual se aplica el balance de masa y discutiremos los términos de la ecuación 14. Luego presentaremos ejemplos de los principales tipos de situaciones para las cuales los balances de masa son útiles.

Un balance de masa solo es significativo en términos de una región específica del espacio, que tiene límites a través de los cuales se determinan los términos y. Esta región se llama control de volumen. En nuestra derivación de la ecuación de balance de masa, nos hemos referido a la masa de contaminante en un lago y los flujos de contaminante dentro y fuera del lago, es decir, hemos utilizado un lago como nuestro volumen de control. Teóricamente, se puede utilizar cualquier volumen de cualquier forma y ubicación. Sin embargo, de manera realista, ciertos volúmenes de control son más útiles que otros. El atributo más importante de un volumen de control es que tiene límites sobre los que puede calcular y .

Un tanque bien mezclado es análogo a muchos volúmenes de control utilizados en ingeniería ambiental. Por ejemplo, en nuestro ejemplo del lago, podría ser razonable suponer que los contaminantes vertidos en el lago se mezclan rápidamente en todo el lago. En ingeniería ambiental e ingeniería química, el término Reactor de tanque continuamente agitado, o CSTR se utiliza para tal sistema. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de un CSTR. Usaremos un balance de masa para un volumen de control que incluye el CSTR en la Figura 1 como ejemplo para describir el significado de cada término en la ecuación 14.

La tasa de acumulación de masa es, por definición, o. Por lo general, no se puede medir la masa total en el CSTR. Por ejemplo, si el CSTR representara un lago completo, medir la masa contaminante total requeriría analizar toda el agua del lago. Sin embargo, nuestra suposición de que el CSTR está bien mezclado significa que esto no es necesario. Si el tanque está bien mezclado, entonces la concentración de nuestro contaminante es la misma en todas partes del tanque, y solo necesitamos medir la concentración en una muestra del tanque. Usando unidades de concentración de (masa) / (volumen), la masa contaminante total en el tanque es igual a, donde V es el volumen del CSTR. Por tanto, la tasa de acumulación es igual a

Aquí, asumimos que el volumen del CSTR es constante. Por lo general, esta es una suposición razonable para los líquidos, aunque puede que no siempre sea válida para los gases. Sin embargo, siempre será igual a.

Los problemas de balance de masa se pueden dividir en los que están en estado estacionario y los que no lo son. Una situación de estado estable es aquella en la que las cosas no cambian con el tiempo; la concentración y el caudal de entrada son constantes, el caudal de salida es constante y, por lo tanto, la concentración en el volumen de control es constante. Para los sistemas de estado estacionario, entonces,. Las condiciones de estado no estacionario se producen siempre que los flujos comienzan o se detienen, o cuando cambia la concentración en una corriente entrante. Para situaciones de estado no estacionario, es distinto de cero.

El ejemplo de la Figura 1 incluye una tubería que ingresa al CSTR. Usaremos nuevamente la concentración medida en unidades de masa / volumen para calcular el flujo que ingresa al CSTR a través de la tubería.

A menudo, conocemos el caudal volumétrico, Q, de cada flujo de entrada. Para el ejemplo de la Figura 1, la tubería tiene un caudal de, con la correspondiente concentración de contaminantes de. El flujo de masa viene dado por

Si no está claro de inmediato cómo se sabe que da un flujo de masa, considere las unidades de cada término:

Si no se conoce el caudal volumétrico, se puede calcular a partir de otros parámetros. Por ejemplo, si la velocidad del fluido v y el área de la sección transversal A de la tubería se conocen, entonces.

Otra forma de describir el flujo es en términos de Densidad de flujo J veces el área a través de la cual ocurre el flujo. J tiene unidades de, y lo estudiaremos con más detalle cuando cubramos la difusión en la sección 3. Este tipo de notación de flujo es más útil en interfaces donde no hay flujo de fluido, como la interfaz entre el aire y el agua y la superficie de un lago.

El flujo de salida del CSTR es igualmente igual al producto del caudal volumétrico en la tubería de salida por la concentración en la tubería de salida. Dado que el CSTR está bien mezclado, la concentración en el líquido que sale del CSTR es igual a la concentración dentro del CSTR. Es convencional referirse a la concentración dentro del CSTR simplemente como C. Por lo tanto,

El término se refiere a la neto tasa de producción de nuestro contaminante a partir de reacciones químicas, en unidades de masa / tiempo. Así, si otros compuestos reaccionan para formar nuestro contaminante, será mayor que cero si nuestro contaminante reacciona para formar algunos otros compuestos, resultando en una pérdida del contaminante, será negativo. La producción o pérdida de un compuesto por una reacción química generalmente se describe en términos de concentración, no de masa. Entonces es necesario multiplicar la tasa de cambio químico de concentración por el volumen del CSTR para obtener unidades de masa / tiempo:

  1. Contaminante conservador. Los contaminantes sin formación o pérdida química se denominan conservador porque su masa se conserva sin ninguna corrección química. Para tales compuestos, lo que implica eso también.
  2. O -orden decaimiento. La tasa de pérdida del contaminante es constante. Para un contaminante con desintegración de orden y.
  3. 1 -orden decaimiento. La tasa de pérdida del contaminante es directamente proporcional a su concentración:. Para tal contaminante,.
  4. Producción a una tasa que depende de las concentraciones de otros compuestos en el CSTR. En esta situación, nuestro contaminante es producido por reacciones químicas que involucran a otros compuestos en el CSTR, y es mayor que cero. En la Parte III del curso se darán ejemplos de este tipo de situaciones.

Análisis de reactores se refiere al uso de balances de masa para analizar concentraciones de contaminantes en un volumen de control que es un reactor químico. Sin embargo, no se deje engañar por el término `` reactor ''. El reactor puede tener cualquier volumen de control que queramos. Entonces el término análisis del reactor también se utiliza para describir la aplicación del proceso de balance de masa a situaciones ambientales. Los análisis de reactores se pueden dividir en dos tipos: CSTR (Reactores de tanque con agitación continua) y PFR, o Reactores de flujo tipo pistón. Ya hemos definido CSTRs --- son simplemente tanques bien mezclados que se utilizan para modelar reservorios ambientales bien mezclados. Los reactores de flujo de tapón son esencialmente tuberías y se utilizan para modelar cosas como ríos, en los que el fluido no se mezcla en la dirección corriente arriba-corriente abajo.

En esta sección, presentaremos ejemplos de los tipos de situaciones que se utilizan para modelar los CSTR. Los reactores de flujo tipo pistón se describen y utilizan en ejemplos en la siguiente sección. El ejemplo 2.1 demuestra el uso del análisis CSTR para determinar la concentración de una sustancia resultante de la mezcla de dos o más flujos afluentes. Este tipo de cálculo se utilizará nuevamente en la tercera parte de este curso para determinar la carga inicial de DBO en un río aguas abajo de una salida de aguas residuales. Los ejemplos 2.2 a 2.4 se refieren al tanque de la Figura 1 y demuestran situaciones de estado estacionario y no estacionario con y sin desintegración química de primer orden. Se pueden utilizar cálculos completamente análogos a los de los ejemplos 2.2, 2.3 y 2.4 para determinar la concentración de contaminantes de aguas residuales que salen de un reactor de tratamiento, la tasa de aumento de las concentraciones de contaminantes dentro de un lago como resultado de una nueva fuente de contaminantes y el período requerido para los niveles de contaminantes se descomponen de un lago o reactor una vez que se elimina la fuente.


& # 160 Ejemplo. . Problema de mezcla Una tubería de alcantarillado de una planta de tratamiento de aguas residuales descarga 1,0 m / s de efluente que contiene 5,0 mg / l de compuestos de fósforo (expresados ​​como mg P / l) en un río con un caudal corriente arriba de 25 m / sy una concentración de fósforo de 0,010. mg P / l (ver Figura 2). ¿Cuál es la concentración resultante de fósforo en el río aguas abajo de la salida de aguas residuales, en unidades de mg / l?
Solución: Para resolver este problema, aplicaremos dos balances de masa para determinar primero el caudal volumétrico aguas abajo () y, segundo, la concentración de fósforo aguas abajo (). Pero primero, debemos seleccionar un volumen de control. Para garantizar que los flujos de entrada y salida crucen los límites del volumen de control, el volumen de control debe cruzar el río aguas arriba y aguas abajo de la salida de aguas residuales y debe cruzar la tubería de aguas residuales. El volumen de control seleccionado se muestra en la Figura 2 como una línea de puntos. Debemos asumir que el volumen de control se extiende río abajo lo suficiente como para que las aguas residuales y el agua del río se mezclen bien antes de dejar el volumen de control. Siempre que se cumpla esa suposición, no hace ninguna diferencia en nuestro análisis qué tan lejos se extiende el volumen de control aguas abajo.

Antes de comenzar nuestro análisis, debemos determinar si se trata de un problema de estado estacionario o no estacionario, y si el término de la reacción química será distinto de cero. Dado que el enunciado del problema no se refiere en absoluto al tiempo, y parece razonable suponer que tanto el río como las aguas residuales han estado fluyendo durante algún tiempo y continuarán fluyendo, este es un problema de estado estacionario. Las aguas residuales participan en reacciones químicas y biológicas. Sin embargo, aquí estamos interesados ​​en mezcla--- es decir, en qué concentración resulta inmediatamente después de que se mezclan los dos flujos. Entonces asumiremos que la mezcla ocurre instantáneamente, sin tiempo suficiente para que ocurra ninguna reacción. (a) ¿Qué es? Realizaremos un balance de masa sobre la masa total de agua del río. En este caso, la `` concentración '' de agua del río en unidades de masa / volumen es simplemente la densidad del agua,.

donde el término se ha establecido en cero porque estamos ignorando la reacción química. Dado que se trata de un problema de estado estable,. Por lo tanto, siempre que la densidad sea constante, o. (b) ¿Qué es? Nuevamente, tenemos un estado estable sin formación química ni descomposición:


& # 160 Ejemplo. . CSTR de estado estacionario con decaimiento de primer orden El CSTR que se muestra en la Figura 1 se utiliza para tratar un residuo industrial, mediante una reacción que destruye el residuo según una cinética de primer orden:, donde. El volumen del reactor es de 500 m, el caudal volumétrico de la entrada y salida únicas es de 50 m / día y la concentración de desechos de entrada es de 100 mg / l. ¿Cuál es la concentración de salida?
Solución: Un volumen de control obvio es el propio tanque. Se solicita una concentración de salida única y constante y todas las condiciones del problema son constantes. Por lo tanto, este es un problema de estado estacionario. La ecuación de balance de masa es

Resolviendo para C, encontramos eso

La solución numérica es


& # 160 Ejemplo. . CSTR en estado no estacionario, sustancia conservadora El CSTR que se muestra en la Figura 1 se usa con una sustancia conservadora. El reactor se llena con agua limpia antes de arrancar. Después de comenzar, se agregan desechos que contienen 100 mg / l de un contaminante a un caudal de 50 m / día. El volumen del reactor es de 500 m. ¿Cuál es la concentración que sale del reactor en función del tiempo después de que se pone en marcha?
Solución: La sustancia es conservadora, por lo tanto, el término de reacción química en la ecuación de balance de masa es igual a cero. La ecuación de balance de masa es

Debido al término adicional a la derecha (), esta ecuación no se puede resolver inmediatamente de la forma en que se resolvió el ejemplo 2.4. Sin embargo, si hacemos un cambio de variables, podemos hacer que la forma de esta ecuación sea similar a la del ejemplo 2.4. Dejar . Dado que es constante,. Por lo tanto, la última ecuación anterior es equivalente a

Reorganizando e integrando,

Si ahora sustituimos y, obtenemos

La segunda ecuación se obtiene mediante la observación de que, desde que el tanque se inicia limpio. Reordenando, podemos obtener

Ésta es la solución a la pregunta planteada en el planteamiento del problema. Tenga en cuenta lo que sucede como: y. Esto no es sorprendente, ya que se trata de una sustancia conservadora. Si hacemos funcionar el reactor durante un período suficientemente largo, la concentración en el reactor eventualmente alcanzará la concentración de entrada. Usando la ecuación que hemos derivado para C en función del tiempo, podríamos determinar cuánto tiempo la concentración tardaría en alcanzar, digamos, el 90% del valor de entrada.


& # 160 Ejemplo. . CSTR de estado no estacionario con decaimiento de 1 orden El proceso de fabricación que genera los residuos en el ejemplo 2.2 debe cerrarse y, a partir de t = 0, la concentración que ingresa al CSTR se establece en 0. ¿Cuál es la concentración de salida en función del tiempo después de que la concentración se establece en 0? ¿Cuánto tiempo tarda la concentración del tanque en alcanzar el 10% de su valor inicial en estado estable?
Solución: Este es claramente un problema de estado no estacionario, porque las condiciones cambian en función del tiempo. Para solucionarlo, volveremos a utilizar el tanque como nuestro volumen de control. La ecuación de balance de masa es

(a) Para determinar C en función del tiempo, debemos resolver la ecuación diferencial. Reordenando e integrando:

y, exponenciando ambos lados,

Reemplazando los valores del problema, con un rendimiento igual a la solución de estado estacionario de 32 mg / l

(b) ¿Cuánto tiempo tardará la concentración en alcanzar el 10% de su valor inicial en estado estable? Es decir, a qué valor de t es ? En el momento en que tenemos

Tomando el logaritmo natural de ambos lados,

los Reactor de flujo de pistón (PFR) se utiliza para modelar la transformación química de compuestos a medida que se transportan en `` tuberías ''. La `` tubería '' puede representar un río, una región entre dos cadenas montañosas a través de las cuales fluye el aire, o una variedad de otros conductos a través de los cuales flujo de líquidos o gases. Por supuesto, incluso puede representar una tubería. En la Figura 3 se muestra un diagrama esquemático de un PFR.

A medida que el fluido fluye por el PFR, el fluido se mezcla en la dirección radial, pero la mezcla no ocurre en la dirección axial --- cada enchufar de fluido se considera una entidad separada a medida que fluye por la tubería. Sin embargo, a medida que el tapón de fluido fluye hacia abajo, pasa el tiempo. Por lo tanto, existe una dependencia temporal implícita incluso en problemas de RFP en estado estacionario. Sin embargo, debido a que la velocidad del fluido en el PFR es constante, el tiempo y la distancia aguas abajo son intercambiables: . Usaremos esta observación junto con las formulaciones de balance de masa con las que ya hemos trabajado para determinar cómo varían las concentraciones de contaminantes durante el flujo por un PFR.

Para desarrollar las ecuaciones que describen la concentración de contaminantes en el tapón de fluido a medida que fluye por el PFR, realizaremos un balance de masa en un volumen de control que encierra una sección del PFR de espesor infinitesimalmente pequeño. dx, como se muestra en la Figura 4. Dado que el espesor es pequeño, podemos suponer que el fluido en esa región del PFR está bien mezclado. La ecuación de balance de masa para este volumen de control es

Lo hemos puesto igual a cero, lo que indica que se trata de un problema de estado estable. Suponemos aquí que las condiciones en una ubicación dada en el PFR son constantes. Sin embargo, las concentraciones aún pueden variar a lo largo del PFR.

Teniendo en cuenta que el volumen de nuestro volumen de control viene dado por, dividiendo por dx, y reorganizando, obtenemos

En el límite a, el lado izquierdo se convierte en la derivada, por lo que obtenemos

  • Sin reacción. . De la ecuación 20, esto significa que --- no hay variación de concentración a lo largo de la tubería. (Por supuesto, este resultado es obvio, ya que si no hay reacción, el fluido simplemente se mueve a lo largo de la tubería sin cambiar de ninguna manera).
  • Reacción de primer orden. . Reemplazando la ecuación 20 para este caso, obtenemos

que se puede integrar de la siguiente manera:

Por lo tanto, para un PFR de longitud l,

La ecuación 26 describe la forma en que la concentración disminuye durante el paso por un PFR con pérdida a través de una reacción de primer orden. Tenga en cuenta que, dado que el tiempo que pasa durante el transporte por el PFR es igual a, la ecuación 26 es equivalente a

que es la solución a la ecuación diferencial que describe la pérdida de un contaminante por cinética de primer orden:. Es decir, en un reactor de flujo pistón, el tiempo y la distancia son intercambiables, y la concentración en cualquier lugar del PFR puede calcularse simplemente determinando la desintegración química durante el tiempo que tardó en llegar a ese lugar.

El CSTR y el PFR son fundamentalmente diferentes. Cuando un paquete de fluido ingresa al CSTR, se mezcla inmediatamente en todo el volumen del CSTR. En contraste, cada paquete de fluido que ingresa al PFR permanece separado durante su paso a través del reactor. Esta diferencia da como resultado un comportamiento diferente. Veremos estas diferencias para un caso especial: la adición continua de un contaminante a cada reactor, con la destrucción del contaminante dentro del reactor de acuerdo con la cinética de primer orden. Los dos reactores se muestran en la Figura 5.

Supondremos que la concentración entrante (), el caudal (Q), y la constante de velocidad de reacción de primer orden (k) se dan y son iguales para ambos reactores. Luego, consideraremos dos problemas comunes: (1) si conocemos el volumen V (lo mismo para ambos reactores), ¿cuál es la concentración de salida resultante ()? y (2) si necesitamos una concentración de salida específica, ¿qué volumen de reactor se requiere? La Tabla 2 resume los resultados de esta comparación.

Los resultados mostrados en la Tabla 2 indican que, para volúmenes de reactor iguales, el reactor de flujo pistón es más eficiente que el CSTR y, para concentraciones de salida iguales, se requiere un PFR más pequeño. ¿Por qué es esto? La respuesta tiene que ver con la diferencia fundamental entre los dos reactores. En un PFR, todas y cada una de las moléculas pasan la misma cantidad de tiempo en el reactor al que ese período es igual. Dado que la desintegración de primer orden ocurre de acuerdo con, la concentración en cada paquete de fluido que ingresa al reactor cae en esta cantidad. Por el contrario, en un CSTR no hay una cantidad única de tiempo que cada pequeña porción de fluido pasa en el reactor. Algunas parcelas pueden pasar mucho tiempo mezclándose dentro del CSTR, otras parcelas pueden, por casualidad, llegar a la salida en un tiempo relativamente corto. Dado que todas estas parcelas se mezclan y dan como resultado una concentración de salida única, se obtiene un valor promedio de .

Para ver por qué ese valor promedio es más alto que el valor correspondiente para un PFR, considere lo que sucede cuando es igual a 2, aproximadamente el valor en el primer ejemplo de la Tabla 2. Luego,. Este es el valor de que daría como resultado el PFR. Supongamos que podemos modelar la mezcla en el CSTR dividiendo el fluido que ingresa al CSTR en dos parcelas. La primera parcela permanece en el CSTR sólo una cuarta parte del tiempo que tardaría una parcela en pasar por el PFR, mientras que la segunda parcela permanece en el CSTR cuatro veces más que en el PFR. (Por lo tanto, el tiempo promedio que las dos parcelas pasan en el CSTR es el mismo que el tiempo que pasan en el PFR, ambos son iguales a). La concentración en la primera parcela cuando llega a la salida del CSTR está determinada por su valor de kt, que es 4 veces mayor que el valor del PFR:. La concentración en el segundo paquete se reduce menos, porque pasa menos tiempo en el reactor:. La concentración real en la salida del CSTR en esta situación sería la promedio de las concentraciones en las dos parcelas, entonces.

Por tanto, el valor resultante de para el CSTR es mayor que el del PFR (0,30 frente a 0,14), aunque el tiempo de residencia medio es el mismo para ambos reactores. La razón de esto se ilustra en la Figura 6 y resulta del hecho de que la concentración decae exponencialmente con el tiempo para una reacción de primer orden. Por lo tanto, la parcela que pasa un período de tiempo más corto en el CSTR sale con una concentración que aumenta significativamente en relación con el PFR. Sin embargo, la parcela que pasa un período más largo en el CSTR sale con una concentración que se reduce solo una pequeña cantidad (nuevamente, en relación con el PFR).


& # 160 Ejemplo. . Volumen requerido en un PFR Determine el volumen requerido para que un PFR obtenga el mismo grado de reducción de contaminantes que el CSTR en el ejemplo 2.2. Suponga que la tasa de flujo y la constante de tasa de desintegración de primer orden no cambian (,).
Solución: El CSTR en el ejemplo 2.2 logró una disminución de contaminantes de. De la ecuación 26,

Resolviendo para V, obtenemos

Como era de esperar, este volumen es menor que los 500 m requeridos para el CSTR en el ejemplo 2.2.

Se utilizan varios términos para describir el período promedio transcurrido en un reactor determinado. Los términos tiempo de retención, tiempo de detención, y tiempo de residencia todos se utilizan para referirse al período medio de permanencia en el reactor. Este parámetro tiene unidades de tiempo. Como se discutió anteriormente, para un reactor de flujo pistón, el tiempo de retención es en realidad el tiempo que se pasa en el reactor. Sin embargo, para un CSTR, el tiempo de retención es el promedio Período pasado en el reactor.

El recíproco del tiempo de retención, tiene unidades de tiempo inverso, las mismas unidades que una constante de velocidad de primer orden. Este valor a veces se denomina tipo de cambio.


& # 160 Ejemplo. . Tiempo de retención en CSTR y PFR Calcule los tiempos de retención en el CSTR del ejemplo 2.2 y el PFR del ejemplo 2.5.
Solución: Para el CSTR en el ejemplo 2.2,


& # 160 Ejemplo. . Tiempos de retención para los Grandes Lagos Calcule los tiempos de retención para el lago Michigan y el lago Ontario utilizando los datos que se proporcionan en la Tabla 3.
Solución: Nuevamente, podemos calcular los tiempos de retención como. Tenga en cuenta que asumimos que los lagos se pueden modelar como CSTR (o PFR, pero un CSTR tiene más sentido para un lago). Esta suposición no está muy lejos de los tiempos de retención significativamente superiores a un año.
Para el lago Michigan,
Para el lago Ontaria,
El flujo más alto y el volumen más pequeño del lago Ontario dan como resultado un tiempo de retención significativamente más corto. Esto significa que las concentraciones de contaminantes pueden aumentar en el lago Ontario mucho más rápidamente que en el lago Michigan, pero también significa que las concentraciones caerán mucho más rápidamente en el lago Ontario si se elimina una fuente contaminante.

La sociedad moderna depende del uso de energía. Such use requires transformations in the form of energy and control of energy flows. For example, when coal is burned at a power plant, the chemical energy present in the coal is converted to heat, which is then converted in the plant's generators to electrical energy. Eventually, the electrical energy is converted back into heat for warmth or used to turn motors. However, energy flows and transformation are also the cause of environmental problems. Thermal heat energy from electrical power plants can result in increased temperature in rivers used for cooling water ``greenhouse'' pollutants in the atmosphere alter the energy balance of the earth and may cause significant increases in global temperatures in the future and many of our uses of energy are themselves associated with emissions of pollutants.

We can keep track of the movement of energy and changes in its form using energy balances, which are analogous to the mass balances we discussed in the previous section. We can do this because of the law of conservation of energy which states that energy can neither be produced nor destroyed. (Conservation of energy is sometimes referred to as the first law of thermodynamics.) As long as we consider all the possible forms of energy, there is no term in energy balances which is analogous to the chemical reaction term in mass balances. That is, we can treat energy as a conservative substance.

The forms of energy can be divided two types: internal energy y external energy. Energy which is a part of the molecular structure or organization of a given substance is internal. Energy which results from the location or motion of the substance is external. Examples of external energy include gravitational potential energy and kinetic energy. Gravitational potential energy is the energy gained when a mass is moved to a higher location above the earth. Kinetic energy is the energy which results from the movement of objects. When a rock thrown off of a cliff accelerates toward the ground, the sum of kinetic and potential energy is conserved (neglecting friction)---as it falls it loses potential energy, but increases in speed, gaining kinetic energy. Examples of some common forms of energy are given in Table 4.

Heat is a form of internal energy. It results from the random motions of atoms. Heat is thus really a form of kinetic energy, although it is considered separately. When you heat a pot of water, you are adding energy to the water. That energy is stored in the form of internal energy, and the change in internal energy of the water is given by

dónde C is the heat capacity or specific heat of the water, with units of [energy]/([mass][temperature]). Heat capacity is a property of a given material. For water, the heat capacity is 1 BTU/( ), or 4184 J/( ).

  1. The strengths of the atomic bonds in the substance. When chemical reactions occur, if the sum of the energies of the products is less than that for the reactants, a reduction in chemical internal energy has occurred. As a result of the conservation of energy, this leftover energy must show up in a different form. Usually, the energy is released as heat. This fact is used to our advantage when we burn fuel.
  2. The energy in the bonds between molecules. This energy depends on the phase of the material---whether it is a solid, liquid, or gas. The energy required to change phases is known as the latent heat. Values of the latent heat of fusion (the energy released when a material changes from liquid to solid phase) and the latent heat of condensation or vaporization (the energy released when a substance changes from gas to liquid phase) are tabulated for many substances. When a substance changes from solid to liquid or from liquid to gas, it gains internal energy. This energy must come from somewhere. For example, when water evaporates it takes up energy from its surroundings, and this is why evaporation of sweat cools us.

In analogy with the mass balance equation (equation 14), we will use the following equation to conduct energy balances:

We will illustrate the use of this relationship with some examples.


  Example . . Heating water A 40-gallon electric water heater is used to heat tap water (temperature 50 F (10 C)). The heating level is set to the maximum level while several people take consecutive showers. If, at the maximum heating level, the heater uses 5 kW of electricity, and the water use rate is a continuous 2 gallons/min, what will be the temperature of the water exiting the heater? Assume that the system is at steady-state and that the heater is 100% efficient that is, it is perfectly insulated and all of the energy used goes to heat the water.
Solución: Our control volume for this problem is the water heater. We note that (since the system is at steady-state), the internal energy of the water in the water heater is constant. The energy added is used to heat water entering the water heater to the temperature at the outlet. The energy flux into the water heater comes from two sources: the heat content of the water entering the heater and the electrical heating element. The energy flux out of the water heater is just the internal energy of the water leaving the system. There is no net conversion of other forms of energy. Therefore, equation 30 may be rewritten as

Each term of this equation is an energy flux, and has the units of (energy/time). To solve, we need to use the same units in each term. We will use the definition of watts: watts are defined as Joules/s. In addition, we need to convert the water flow rate (gallons/min) to mass of water per unit time, using the density of water. Combining the first and third terms we obtain

which is a cold shower! (You may have foreseen this answer if you have ever taken a shower after the hot water in the tank was used up by previous showerers.)


  Example . . Heating water From the previous example, we see that if one wants a hot shower, it is necessary to wait until the water in the tank can be reheated. How long would it take the temperature to reach 130 F (54 C) if no hot water were used during the heating period and the water temperature started at 20 C?
Solución: In this case, the only energy input is the electrical heat, and there is no energy leaving the tank. Therefore, the rate of increase in internal energy is equal to the rate that electrical energy is used:

We will solve this for , given that is equal to C.

The two previous examples related to the controlled conversion and transfer of energy for a beneficial use. However, the use of energy for heat always results in some loss to the environment due to imperfect insulation, resulting in higher energy use or less heating than one would calculate. además, el second law of thermodynamics states that it is impossible to convert heat energy to work with 100% efficiency. Conversion of heat to work is essentially what is done in the generator of an electric power plant, and as a result a significant fraction of the energy released from fuel combustion is lost during the conversion. Modern large power plants convert fuel energy to electricity with an overall efficiency in the 30--35% range. The next example looks at what happens to the heat energy that is no converted to electricity. Finally, example 2.11 considers the implications of another aspect of the burning of fossil fuels in power plants, vehicles, and for heating. Whenever fossil fuels are burned, carbon atoms in the fuel are converted to carbon dioxide ( ) and released into the atmosphere. As a result of this process, the concentration in the atmosphere is increasing at a rate of about 1 ppmv/year. Carbon dioxide contributes to the greenhouse effect, which is considered in example 2.11.


  Example . . Thermal Pollution. A 1000 MW ( W) power plant is located next to a river and uses cooling water from the river to remove its waste heat. What is the resulting increase in river temperature? (The power plant has an overall efficiency of 33%. Assuming that all of the waste heat from the power plant is removed with cooling water and added to the adjacent river. The river flow rate is 100 m /s.
Solución: This problem is very similar to example 2.8, in that we are adding a specified amount of heat to a flow of water, and need to determine the resulting temperature rise. To solve, we first need to determine the amount of energy added. The power plant produces 1000 MW of electricity, but is only 33% efficient, meaning that it uses 3000 MW of fuel energy ( ). The heat energy added to the river is the amount that is not converted to electricity, or (3000-1000=2000 MW). We can now write our energy balance over the region of the river to which the heat is added. We will use to represent the temperature of the water upstream, and to represent the temperature after heating:

The remainder of this problem is basically a problem of unit conversions. To obtain requires multiplication of the given river volumetric flow rate by the density of water (1000 kg/m ). We also use the heat capacity of water, C. Thus,


  Example . . Earth's Energy Balance and the Greenhouse Effect. The global average surface temperature of the earth is determined by a balance between the energy added to the earth by the sun and the energy radiated away by the earth to space. Greenhouse gases, both natural and anthropogenic (or, human-affected), affect this energy balance. In this example, we will calculate the global average temperature without greenhouse gases and show the effect which greenhouse gases have on the earth's energy balance.
Solución: We will write an energy balance, with our control volume as the entire earth. For this system, our goal is to calculate annual-average temperatures. Over time periods of 1 yr, it is reasonable to assume that the system is in steady state, so our energy balance is simply

The energy flux in is equal to the solar energy intercepted by the earth. At the earth's distance from the sun, the sun radiates 342 W/m . We will refer to this value as S. The earth intercepts an amount of energy equal to S times the cross-sectional area of the earth: . However, because the earth reflects part of this energy back to space, is equal to only 70% of this value:

The second term, , is equal to the energy radiated to space by the earth. The energy emitted per unit surface area of the earth is given by Boltzmann's Law:

where is Boltzmann's constant, equal to . To obtain , we multiply this value by the total surface area of the earth, . (We use the total surface area of the sphere here because energy is radiated away from the earth during both day and night.)

We can now solve our energy balance by setting equal to .

Plugging in the values for S and and taking the fourth root yields an average temperature of T=255 K, or -18 C.

This is too cold! In fact, the globally averaged temperature at the surface of the earth is much warmer: 287 K. The reason for the difference is the presence of gases in the atmosphere that absorb the infrared radiation emitted by the earth and prevent it from reaching space. We neglected these gases in our energy balance. However, if we denote the energy flux absorbed and retained by these gases by , we can then correct our value for :

The reduction in which results from greenhouse gas absorption is sufficient to cause the higher observed surface temperature. Clearly, this is largely a natural phenomenon---surface temperatures were well above 255 K long before people began burning fossil fuels. The main natural greenhouse gas is water vapor. However, increasing atmospheric concentrations of carbon dioxide and other gases emitted by human activities are increasing the value of . So far, this increase is approximately 2 W/m averaged over the entire earth, and projections indicate that the increase could be as high as 5 W/m over the next 50 years. According to our energy balance, this increase in is expected to result in an increase in the globally averaged temperature. (There is considerable uncertainty in the precise value of the resulting increase, however, due to a number of complexities that we have not considered.)

PROBLEMS

  . . A pond is used to treat sewage wastewater before the liquid is discharged into a river. The inflow to the pond is sewage at a flow rate of and with a BOD concentration of . The volume of the pond is 20,000 m . The purpose of the pond is to allow time for the decay of BOD to occur before discharge into the environment. BOD decays in the pond with a first-order rate constant equal to 0.25/day. What is the BOD concentration at the outflow of the pond, in units of mg/l?

  . . For each of the following problems, would you use a steady-state or non-steady-state mass balance to obtain a solution? For each situation, also indicate whether the compound for which you would conduct a mass balance is conservative or non-conservative. Give an explanation for each of your answers. (You do not need to actually solve these problems.) (a) An accident has resulted in the release of a pollutant inside a chemical manufacturing plant. The spill released the pollutant into a lake near the chemical plant, which has a small stream flowing through it. How long would it take the pollutant, which is inert, to reach a safe level in the lake and in the stream leaving the lake? (b) Carbon dioxide ( ) emissions from fossil fuel burning are mixed throughout the atmosphere. Assume that these emissions are mixed immediately throughout the entire atmosphere, and that does not degrade chemically If you know the total emission rate of carbon dioxide and the volume of the atmosphere, what would be the rate of increase of atmospheric carbon dioxide levels in ppm/yr? (c) An air freshener emits perfume into a room at a constant rate. The perfume is mixed throughout the room and diluted by the room ventilation flow, which is on continually. What is the resulting concentration of perfume in the room? (Note that the 1 -order decay rate constant of the perfume is very slow relative to the amount of time it takes to mix fresh air through the room.)

  . . A mixture of two gas flows is used to calibrate an air pollution measurement instrument. The calibration system is shown in Figure 7. If the calibration gas concentration is 4.90 ppmv, the calibration gas flow rate is 0.010 l/min, and the total gas flow rate is 1.000 l/min, what is the concentration of calibration gas after mixing ( )? (Assume that the concentration upstream of the mixing point is zero.)

  . . You are in an old spy movie, and have been locked into a small room (volume 1000 ft ). You suddenly realize that a poison gas has just started entering the room through a ventilation duct. Recognizing the type of poison from its smell, you know that if the gas reaches a concentration of 100 mg/m , you will die instantly, but that you are safe as long as the concentration is less than 100 mg/m . If the ventilation air flow rate in the room is 100 ft /min and the incoming gas concentration is 200 mg/m , how long do you have to escape?

  . . Sewage waste is added to a stream through a discharge pipe. The river flow rate upstream of the discharge point is . The discharge occurs at a flow of and has a BOD concentration of 50.0 mg/l. Assuming that the upstream BOD concentration is negligible
(a) What is the BOD concentration just downstream of the discharge point?
(b) If the stream has a cross sectional area of 10 m , what would the BOD concentration be 50 km downstream? (BOD is removed with a first-order decay rate constant equal to 0.20 day )

  . . (a) Calculate the hydraulic residence times (the retention time) for Lake Superior and for Lake Erie using the data in Table 3.
(b) Assume that both lakes currently are polluted with the same compound at a concentration which is 10 times the maximum acceptable level. If all sources of the compound are removed, how long will it take the concentration to reach acceptable levels in each lake? Assume that the pollutant does not decay chemically.
(c) Comment on the significance of your answers.

answer: (a) Lake Superior: 179 years Lake Erie: 3 years. (b) Lake Superior: 412 years Lake Erie: 6 years.

  . . How many watts of power would it take to heat 1 liter of water (weighing 1.0 kg) by 10 C in 1.0 hour? Assume that no heat losses occur, so that all of the energy expended goes into heating the water.


Exchanges

For most people, negative energy balance (expending more energy than you consume) is an unpleasant state. Negative energy balance, even in the form of a delayed meal, can lead to hunger, grumpiness, irritability, shakiness, cognitive fuzziness, anxiety, and low mood. Because of these generally unpleasant feelings, many people try to avoid negative energy balance. The story is quite different for people prone to anorexia nervosa. For them, negative energy balance can be a dangerous biological trap.

The world has “psychologized” the quest for negative energy balance in anorexia nervosa for far too long. Convenient but misguided explanations that focus on control, willpower, and even stubbornness fail to capture the biological reality that the physical experience of negative energy balance is fundamentally different in people prone to anorexia. The starvation state is alluring to them, not because it signals weight loss, but because it is anxiolytic. That means that negative energy balance actually confers a sense of calm on their otherwise unsettled biology. What makes the rest of us more anxious makes them less. Obviously, the job of providers is to help them be able to achieve that sense of calm in other ways—ways that are not physically harmful.

This aberrant response to negative energy balance might be what kicks off anorexia in the first place, and it may be a salient risk factor for relapse.

Imagine a group of sixth grade girls who decide to go on a diet. Or imagine a boys’ wrestling team that decides to engage in some serious crash dieting before weighing in for a meet. Most of the girls and boys find the period of negative energy balance unpleasant and can’t wait to break the diet and go out for pizza and ice cream. For a few, however, they find that they actually feel mejor under negative energy balance conditions. The diet feels good they feel calmer. The anxious chatter in their heads diminishes enough to suggest that this might be an escape route from the pervasive discomfort with which they have been living. The positive biological reaction to negative energy balance lures them into continued and escalating dieting in a quest for the paradoxically improved sense of well being that it confers. It is simultaneously seductive and destructive. It is seductive because of the promise of calm and control it holds it is destructive because it has the power to kill.

During and after recovery, negative energy balance can sneak up and grab hold of you without even being aware that you are in its grip. Starting a new exercise program, travel and the attendant time zone changes and disruptions in routine, or a busy schedule that doesn’t allow times for planned meals and snacks can all blindside you into experiencing just a whiff of the seductive calm that mistakenly leads you to believe that starvation holds an answer to your discomfort. Don’t be duped. Starvation is a false friend that does not have your long-term best interests in mind.

My dad used to smoke. For the longest time, even though he had become a vociferous anti-smoker, he would occasionally catch a whiff of a cigarette and be transported back to those days in the 50s when he could reach for a cigarette.

Anorexia is no different. Just dabbling in negative energy balance, especially under times of stress, can tempt. So maintaining vigilance for balanced energy intake and output is a critical component of long-term recovery. Tipping that balance in the wrong direction could send you back down a dangerous path. Every one of us who has had health issues has to remain vigilant for situations that can exacerbate a problem—even problems that we think we have completely recovered from. Nothing makes us stronger than being aware of our vulnerabilities and respecting them.

Especially during the holiday season, when schedules are irregular and emotions are closer to the surface, be mindful of your own energy balance and seek out positive avenues to capture calm.


Body Mass

Reference: (7). Jequier, E. Energy metabolism in human obesity. Soz Praventivmed. 198934(2):58-62. Note that in the above example body weight is expressed in kilograms (kg) and not pounds. To convert your weight in pounds to kilograms, divide by 2.2.


Question 5: What research would better inform our knowledge of energy balance and its components?

It is important to recognize that the energy balance system is interactive and complex: a change in one component can affect one or more other components. The panel identified the following important gaps in our knowledge that deserve future investigation:

Although we know much from short-term studies about the major components of energy balance, our knowledge is still deficient regarding their interaction over the long term. Therefore, we need long-term, longitudinal studies to learn the details of the relations between components of energy balance and changes in body composition and weight among children and adults.

It has been shown that biological and psychological factors affect the components of energy balance. But generally, these have been studied independently of one another and an integrative approach is required. We need to know the relative importance of preingestive factors (cognitive and sensory effects of food/meals) on energy intake, energy balance, and the physiologic response to a meal.

Although our knowledge of the broader implications of physical activity and exercise have been investigated, we need to understand the effects of different doses (volume, intensity, pattern, timing) and types (endurance, resistance) of exercise on 1) total daily energy expenditure and its components (REE, TEF, AEE), 2) EI and food preferences, and 3) body composition and body weight in children and adults.

The individual variation in weight-loss response to energy balance interventions is striking, and therefore we need to know the mechanism or mechanisms responsible for the underlying active compensatory differences in energy intake, food preferences, and body weight in children and adults. In particular, we have almost no information from energy balance studies subsequent to weight loss during the difficult period of weight maintenance. How can we identify population subgroups or even individuals who will respond or not respond to a dietary or exercise intervention?

Measurements of energy input and output are neither precise nor accurate enough to allow the calculation of energy balance over the appropriate timeframe needed to understand the mechanisms responsible for excess weight gain. Accordingly, we need to develop new methods that can reliably measure energy balance over extended time periods in free-living people.

The 1-d Consensus Conference included presentations from the following speakers: David Allison (University of Alabama at Birmingham), John Blundell (University of Leeds), Myles Faith (University of North Carolina), James Hill (University of Colorado at Denver), John Jakicic (University of Pittsburgh), Richard Mattes (Purdue University), John Peters (University of Colorado at Denver), Eric Ravussin (Pennington Biomedical Research Center), and Susan Roberts (Jean Mayer USDA Human Nutrition Center on Aging). Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final. All authors participated equally in the development of the statement.


When does the breaking of chemical bonds release energy?

The breaking of chemical bonds never releases energy to the external environment. Energy is only released when chemical bonds are formado. In general, a chemical reaction involves two steps: 1) the original chemical bonds between the atoms are broken, and 2) new bonds are formed. These two steps are sometimes lumped into one event for simplicity, but they are really two separate events. For instance, when you burn methane (natural gas) in your stove, the methane is reacting with oxygen to form carbon dioxide and water. Chemists often write this as:

This balanced chemical equation summarizes the chemical reaction involved in burning methane. The reactants are on the left, the products are on the right, and the arrow represents the moment the reaction happens. But there are a lot of interesting things happening that are hidden behind that arrow. A more detailed equation would look something like this:

The first line of the equation contains the original reactants: methane molecules and oxygen molecules. The first arrow represents the breaking of the bonds, which requires energy. On the middle line are the atoms, now broken out of molecules and free to react. The second arrow represents the forming of new bonds. On the last line are the final products. It takes a little energy, such as the spark from the igniter in your stove, to get the reaction started. That is because bonds must be broken before the atoms can be formed into new bonds, and it always takes energy to break bonds. Once the reaction has started, the output energy from one burned methane molecule becomes the input energy for the next molecule. Some of the energy released by each bond that is formed in making carbon dioxide and water is used to break more bonds in the methane and oxygen molecules. In this way, the reaction becomes self-sustaining (as long as methane and oxygen continue to be supplied). The igniter can be turned off. If breaking bonds did not require energy, then fuels would not need an ignition device to start burning. They would just start burning on their own. The presence of spark plugs in your car attests to the fact that breaking chemical bonds requires energy. (Note that the combustion of methane actually involves many smaller steps, so the equation above could be expanded out into even more detail.)

The textbook Advanced Biology by Michael Roberts, Michael Jonathan Reiss, and Grace Monger states:

Biologists often talk about energy being made available by the breakdown of sugar, implying that the breaking of chemical bonds in the sugar molecules releases energy. And yet in chemistry we learn that energy is released, not when chemical bonds are roto, but when they are formado. In fact, respiration supplies energy, not by the breaking of bonds in the substrate, but by the formation of strong bonds in the products. However, the overall result of the process is to yield energy, and it is in this sense that biologists talk about the breakdown of sugar giving energy.

The total energy input or output of a reaction equals the energy released in forming new bonds minus the energy used in breaking the original bonds. If it takes más energy to break the original bonds than is released when the new bonds are formed, then the net energy of the reaction is negative. This means that energy must be pumped into the system to keep the reaction going. Such reactions are known as endothermic. If if takes menos energy to break the original bonds than is released when new bonds are formed, then the net energy of the reaction is positive. This fact means that the energy will flow out of the system as the reaction proceeds. This fact also means that the reaction can proceed on its own without any external energy once started. Such reactions are known as exothermic. (Endothermic reactions can also proceed on their own if there is enough external energy in the form of ambient heat to be absorbed.) Exothermic reactions tend to heat up the surrounding environment while endothermic reactions tend to cool it down. The burning of fuels is exothermic because there is a net release of energy. Cooking an egg is endothermic because there is a net intake of energy to make the egg cooked. The bottom line is that ambos endothermic and exothermic reactions involve the breaking of bonds, and both therefore require energy to get started.

It makes sense that breaking bonds always takes energy. A chemical bond holds two atoms together. To break the bond, you have to fight against the bond, like stretching a rubber band until it snaps. Doing this takes energy. As an analogy, think of atoms as basketballs. Think of the energy landscape of chemical bonds as a hilly terrain that the basketballs are rolling over. When two balls are placed near a round hole, gravity pulls them down to the bottom where they meet and stop. The two balls now stay close together because of the shape of the hole and the pull of gravity. This is like the chemical bond uniting atoms. To get the balls away from each other (to break the bonds), you have to roll them up opposite sides of the hole. It takes the energy of your hand pushing the balls to get them up the sides of the hole and away from each other. The energy you put into the system in order to pull apart the balls is now stored as potential energy in the balls. Atoms don't literally roll up and down hills, but they act like they are moving in an energy landscape that is very similar to real hills.


Energy balance

Energy balance is when the energy we get from food and drinks equals the energy our bodies use. Energy is a vital element in the body for growth, development, normal functioning of body processes. Requirements of energy varies from person to person and the amount of energy intake and expenditure depends on that person&rsquos diet and lifestyle.

Energy balance explained (Video)

This video explains the science behind energy balance and how it affects you. It provides practical tips &ndash small steps that you can incorporate in your lifestyle to reach a healthy balance.

Highlights from the 20th International Congress of Nutrition (ICN), Granada 2013

The 20th edition of the International Congress of Nutrition took place in Granada, Spain, from 15th to the 20th September 2013. The European Food Information Council has interviewed a number of key scientists to create this podcast with conference highlights.

New consensus on energy balance and body weight regulation

Experts in weight management, energy metabolism, physical activity and behaviour, from the USA and the UK, have published a new consensus statement on energy balance and body weight regulation.

Keeping your weight under control

It is difficult to maintain weight loss indefinitely, or, if possible take further steps towards reaching your optimum weight range.

EUFIC is a non-profit organisation that provides engaging science-based information to inspire and empower healthier and more sustainable food and lifestyle choices. We believe in a world where people live a healthier life because they know how to.


Section Summary

Ecosystems exist underground, on land, at sea, and in the air. Organisms in an ecosystem acquire energy in a variety of ways, which is transferred between trophic levels as the energy flows from the base to the top of the food web, with energy being lost at each transfer. There is energy lost at each trophic level, so the lengths of food chains are limited because there is a point where not enough energy remains to support a population of consumers. Fat soluble compounds biomagnify up a food chain causing damage to top consumers. even when environmental concentrations of a toxin are low.


Ver el vídeo: Importancia de la Energía en la alimentación bovina. Balance energético negativo (Agosto 2022).