Termodinámica en la Medicina Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile Objetivos: Comprender como nuestro cuerpo administra su temperatura corporal. www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Administración de Energía Redistribución interna Calor generado por movimiento Calor generado por operación Equilibrio con entorno www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Temperatura Una medida es la temperatura… Gas Liquido Solido Temperatura = Energía = Movilidad de los átomos www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Calor especifico cagua = 1 kcal/kgK = 4186.8 J/kgK 1 Grado Termómetro 1 kg Agua Agua 1 kcal = 4186.8 J Calor/Energía www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Capacidad o contenido calórico Calor /Energía [J o cal] Masa [kg] Calor especifico [J/kgK, kcal/kg K] Grados Kelvin [= 273.15 + °C] Persona de 80 kg con 36.7 °C: Q = 80 kg 1kcal/kgK 309.85 = 24788 kcal = 2.4788x10+4 kcal = 1.04x10+8 J www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Administración del consumo Balance energético: Consumo Desayuno: 200 – 300 kcal Snack: 100 kcal Almuerzo/Cena: 400 – 600 kcal Consumo diario: 1100 – 1600 kcal Contenido calórico aprox. 18 días de consumo www.gphysics.net – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

Administración del consumo 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 Met Ejercicios 3 – 10 Met Bailar 3 – 7 Met Labores hogareñas 1-3 Met Trabajos pesados en el hogar 5-10 Met Reparaciones 4-6 Met Trabajo en el jardín 5-7 Met Descansar < 1 Met Tocar Música 2-4 Met De pie 1.5 Met Hablando 1.8 Met Trabajo en maquinaria 2-5 Met Conducir 2-4 Met Correr 10-18 Met Deporte 6-12 Met Caminar 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. www.gphysics.net – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

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] 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 ΔQ = 0.5 kcal/m hrs K 0.01 m2 1 hr 3 K/0.8 m = 0.01875 kcal -> www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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

Arterias y venas Re >> 50000 flujo turbulento 60.04 m2   Diametro Numero Seccion Largo Elemento mm total cm2 cm Re Aorta 10.000 1 0.8 40 1.04E+05 Grandes Arterias 3.000 3 20 2.93E+03 Ramas arteriales principales 1.000 600 5 10 1.09E+02 Ramas arteriales secundarias 0.600 1800 4 2.17E+01 Ramas arteriales terciarias 0.140 76000 11.7 1.4 2.81E-01 Ramas arteriales terminales 0.050 1000000 19.6 0.1 1.28E-02 Ramas arteriales finales 0.030 13000000 91 0.15 2.73E-03 Arteriolas 0.020 40000000 1250 0.2 8.14E-03 Capilares 0.008 1200000000 5.21E-05 Venolas 80000000 570 2.78E-03 Ramas venosas finales 0.075 4.28E-02 Ramas venosas terminales 0.130 132 2.23E-01 Ramas venosas terciarias 0.280 47 2.25E+00 Ramas venosas secundarias 1.500 30 3.26E+02 Ramas venosas principales 2.400 27 1.41E+03 Grandes Venas 6.000 11 2.15E+04 Vena hueca 12.500 1.2 1.95E+05 Midizinische Hochschule Hannover, Christoph Hartung Cuidado: nombres traducidos del alemán, posibles errores Re >> 50000 flujo turbulento Re  2300-50000 transición Re << 2300 flujo laminar 60.04 m2 www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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: ΔQ = 300 kcal/m hrs K 60.04 m2 1 hr 3 K = 5.4036x10+4 kcal Transporte de calor en el cuerpo ante todo por flujo sanguíneo www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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: ΔQ = 300 kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 10020 kcal Perdida de calor ante todo por transmisión al aire www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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

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: 1/k = 2/300 + 0.005/0.12 = 0.0483 m hrs K/kcal k = 20.69 kcal/m hrs K ΔQ = 20.69 kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 691 kcal Perdida de calor muy reducido por capa aislante www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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 emisión Sección del emisor [m2] Temperatura del cuerpo 1 [°K] Temperatura del cuerpo 2 [°K] www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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: = 4.87x10-8 kcal/hrs m2 K4 0.67 2 m2 (309.854 – 293.154) = 119.57 kcal Factor de importancia pero no trascendental www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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

Resumen: generación de calor Digestión/operación Desayuno: 200 – 300 kcal Snack: 100 kcal Almuerzo/Cena: 400 – 600 kcal Consumo diario: 1100 – 1600 kcal Movimiento/actividad 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 www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Resumen: distribución en el cuerpo vía torrente sanguíneo www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Resumen: perdida vía transmisión al medio www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Resumen: disipación controlado vía sudor www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Contacto Dr. Willy H. Gerber wgerber@gphysics.net Instituto de Fisica Universidad Austral de Chile Campus Isla Teja Casilla 567, Valdivia, Chile www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09