Termodinámica en la Medicina

Presentación del tema: "Termodinámica en la Medicina"— Transcripción de la presentación:

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

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

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

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

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

6 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 – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

7 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 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. – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

8 Conducción de calor Calor transportado [J o cal]
Conductividad térmica [J/msK o kcal/m hrs K = 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 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 = kcal -> – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

9 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] – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

10 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 19.6 0.1 1.28E-02 Ramas arteriales finales 0.030 91 0.15 2.73E-03 Arteriolas 0.020 1250 0.2 8.14E-03 Capilares 0.008 5.21E-05 Venolas 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 >> flujo turbulento Re  transición Re << 2300 flujo laminar 60.04 m2 – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

11 Transmisión Transmisión a y desde vasos sanguíneos con una superficie total de m2, coeficiente de transmisión de 300 kcal/m hrs K y 3 grados de diferencia de temperatura: ΔQ = 300 kcal/m hrs K m2 1 hr 3 K = x10+4 kcal Transporte de calor en el cuerpo ante todo por flujo sanguíneo – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

12 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 = kcal Perdida de calor ante todo por transmisión al aire – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

13 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] – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

14 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/ /0.12 = m hrs K/kcal k = kcal/m hrs K ΔQ = kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 691 kcal Perdida de calor muy reducido por capa aislante – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

15 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] – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

16 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 K m2 ( – ) = kcal Factor de importancia pero no trascendental – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

17 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 kcal/kg. -> sistema de alta eficiencia para reducir calor en forma puntual 810 kcal a eliminar – 1 litro de sudor reduce kcal – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

18 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 – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

19 Resumen: distribución en el cuerpo vía torrente sanguíneo
– UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

20 Resumen: perdida vía transmisión al medio
– UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

21 Resumen: disipación controlado vía sudor
– UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

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