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Termodinámicaen la Medicina

Objetivos:

www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Comprender como nuestro cuerpo administra su temperatura corporal.

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Dr. Willy H. GerberInstituto de Fisica

Universidad AustralValdivia, Chile

Administración de Energía


Equilibrio con entorno

Calor generado por movimiento

Redistribución interna

Calor generado por operación

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Temperatura


Gas Liquido Solido

Una medida es la temperatura…

Temperatura = Energía = Movilidad de los átomos3

Calor especifico


cagua = 1 kcal/kgK = 4186.8 J/kgK

Termómetro

Calor/Energía

Agua 1 kg Agua

1 Grado

1 kcal = 4186.8 J

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Capacidad o contenido calórico


Calor /Energía [J o cal]Masa [kg]Calor especifico [J/kgK, kcal/kg K]Grados Kelvin [= 273.15 + °C]

Q = 80 kg 1kcal/kgK 309.85 = 24788 kcal = 2.4788x10+4 kcal = 1.04x10+8 J

Persona de 80 kg con 36.7 °C:

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Administración del consumo

www.gphysics.net – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

Balance energético:

Consumo

Desayuno: 200 – 300 kcalSnack: 100 kcalAlmuerzo/Cena: 400 – 600 kcal

Consumo diario: 1100 – 1600 kcal

Contenido calórico aprox. 18 días de consumo

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Administración del consumo

www.gphysics.net – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

Consumo por actividad medidos en Met = Kcal /Kg hrs

Ej. 6 Mets x 70 Kg. de peso x (50 min. /60 min.) = 350 Kcal

Bicicleta 4 – 16 MetEjercicios 3 – 10 MetBailar 3 – 7 MetLabores hogareñas 1-3 MetTrabajos pesados en el hogar 5-10 MetReparaciones 4-6 MetTrabajo en el jardín 5-7 MetDescansar < 1 Met

Tocar Música 2-4 MetDe pie 1.5 MetHablando 1.8 MetTrabajo en maquinaria 2-5 MetConducir 2-4 MetCorrer 10-18 MetDeporte 6-12 MetCaminar 3-10 Met

60% de la energía consumida por el musculo debe ser irradiada en forma de calor.= sobre un promedio de 1350 kcal consumidas 810 kcal deben ser disipadas como calor o sea alcanza para elevan a 12.8 kg la temperatura de 36.7°C a 100°C.

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Conducción de calor


Calor transportado [J o cal]Conductividad térmica [J/msK o kcal/m hrs K = 1.163 J/msK]Sección del conductor [m2]Tiempo transcurrido [s o hrs]Largo del conductor [m]Diferencia de temperatura [°K o °C]

ΔQ = 0.5 kcal/m hrs K 0.01 m2 1 hr 3 K/0.8 m = 0.01875 kcal ->

Conducción por una pierna de largo 0.8 m, sección 0.01 m2, con una diferencia de 3 grados, durante una hora y conductividad de 0.5 kcal/m hrs K:

no es un mecanismo eficiente 8

Transmisión de calor


Calor transportado [J o cal]Coeficiente de transmisión [J/s m2 K o kcal/hrs m2 K]Sección del conductor [m2]Tiempo transcurrido [s o hrs]Diferencia de temperatura [°K o °C]

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Diametro Numero Seccion Largo Elemento mm total cm2 cm ReAorta 10.000 1 0.8 40 1.04E+05Grandes Arterias 3.000 40 3 20 2.93E+03Ramas arteriales principales 1.000 600 5 10 1.09E+02Ramas arteriales secundarias 0.600 1800 5 4 2.17E+01Ramas arteriales terciarias 0.140 76000 11.7 1.4 2.81E-01Ramas arteriales terminales 0.050 1000000 19.6 0.1 1.28E-02Ramas arteriales finales 0.030 13000000 91 0.15 2.73E-03Arteriolas 0.020 40000000 1250 0.2 8.14E-03Capilares 0.008 1200000000 600 0.1 5.21E-05Venolas 0.030 80000000 570 0.2 2.78E-03Ramas venosas finales 0.075 13000000 570 0.15 4.28E-02Ramas venosas terminales 0.130 1000000 132 0.1 2.23E-01Ramas venosas terciarias 0.280 76000 47 1.4 2.25E+00Ramas venosas secundarias 1.500 1800 30 4 3.26E+02Ramas venosas principales 2.400 600 27 10 1.41E+03Grandes Venas 6.000 40 11 20 2.15E+04Vena hueca 12.500 1 1.2 40 1.95E+05

Cuidado: nombres traducidos del alemán, posibles errores

Re >> 50000 flujo turbulentoRe 2300-50000 transiciónRe << 2300 flujo laminar

Arterias y venas

Mid

izin

isch

e H

ochs

chul

e H

anno

ver,

Chris

toph

Har

tung

60.04 m2


Transmisión


Transmisión a y desde vasos sanguíneos con una superficie total de 60.04 m2, coeficiente de transmisión de 300 kcal/m hrs K y 3 grados de diferencia de temperatura:

Transporte de calor en el cuerpo ante todo por flujo sanguíneo

ΔQ = 300 kcal/m hrs K 60.04 m2 1 hr 3 K = 5.4036x10+4 kcal

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Transmisión


Radiación de un cuerpo de superficie 2 m2, con una temperatura corporal de 36.7 °C grados y una temperatura ambiental de 20 °C. Suponiendo un coeficiente de transmisión de 300 kcal/m hrs K se obtiene por hora:

Perdida de calor ante todo por transmisión al aire

ΔQ = 300 kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 10020 kcal

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Transmisión de calor


Calor transportado [J o cal]Coeficiente de transmisión [J/s m2 K o kcal/hrs m2 K]Sección del conductor [m2]Tiempo transcurrido [s o hrs]Diferencia de temperatura [°K o °C]

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Transmisión


Radiación de un cuerpo de superficie 2 m2, con una temperatura corporal de 36.7 °C grados y una temperatura ambiental de 20 °C. Suponiendo que nos envuelve una capa de 5 mm de grasa con conductividad térmica de 0.12 kcal/m hrs K y los coeficientes de transmisión son 300 kcal/m hrs K:

Perdida de calor muy reducido por capa aislante

ΔQ = 20.69 kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 691 kcal

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1/k = 2/300 + 0.005/0.12 = 0.0483 m hrs K/kcal

k = 20.69 kcal/m hrs K

Radiación


Calor irradiado [J o cal]Tiempo transcurrido [s o hrs]Constante de Stefan Boltzmann [4.87x10-8 kcal/hrs m2 K4 = 5.67x10-8 J/s m2 K4]Grado de emisiónSección del emisor [m2]Temperatura del cuerpo 1 [°K]Temperatura del cuerpo 2 [°K]

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Radiación


Radiación de un cuerpo de superficie 2 m2, con una temperatura corporal de 36.7 °C grados y una temperatura ambiental de 20 °C. Suponiendo el grado de emisión del agua (0.67) se obtiene por hora:

Factor de importancia pero no trascendental

= 4.87x10-8 kcal/hrs m2 K4 0.67 2 m2 (309.854 – 293.154)

= 119.57 kcal

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Evaporación


Calor irradiado [J o cal]Masa evaporada [kg]Energía de evaporación [kcal/kg o J/kg]

Para 1 kg de sudor con una energía de evaporación de 538.9 kcal/kg.-> sistema de alta eficiencia para reducir calor en forma puntual 810 kcal a eliminar – 1 litro de sudor reduce 538.9 kcal

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Resumen: generación de calor


Digestión/operación

Movimiento/actividad

Desayuno: 200 – 300 kcalSnack: 100 kcalAlmuerzo/Cena: 400 – 600 kcal

Consumo diario: 1100 – 1600 kcal

Consumo por actividad medidos en Met = Kcal /Kg hrs

Ej. 6 Mets x 70 Kg. de peso x (50 min. /60 min.) = 350 Kcal

810 kcal en calor a disipar

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Resumen: distribución en el cuerpo vía torrente sanguíneo


Resumen: perdida vía transmisión al medio


Resumen: disipación controlado vía sudor


Contacto

Dr. Willy H. [email protected]

Instituto de FisicaUniversidad Austral de ChileCampus Isla TejaCasilla 567, Valdivia, Chile


mailto:[email protected]

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